Задание
1. Ознакомиться с органами управления осциллографа и аппаратурой, применяемой для его исследования.
2. Определить основные погрешности коэффициентов отклонения и коэффициентов развёртки.
3. Определить характеристики нелинейных искажений изображения по осям Y и X.
4. Определить амплитудно-частотную характеристику АЧХ канала вертикального отклонения.
5. Измерить амплитудные и временные параметры сигналов по указанию преподавателя.
6. Оценить погрешности измерений, используя результаты исследования осциллографа и его метрологические характеристики, указанные в описании.
Описание и порядок выполнения работы
Включить осциллограф и подготовить его к работе согласно инструкции. При включении осциллографа на его экране должно появиться изображение луча или двух лучей в зависимости от режима его работы (включен один канал или включены два канала); при «заземленных» входах осциллографа (переключатель AC-DC-GND установлен в положении GND) на экране должны наблюдаться соответственно одна или две горизонтальные линии.
При отсутствии изображения необходимо установить ручки управления яркостью (INTER) и фокусом (FOCUS) в среднее положение и убедится, что включен автоколебательный режим работы генератора развертки (переключатель MODE установлен в положении AUTO). Затем регулировкой смещения лучей по вертикали (POSITION ↕) и горизонтали (POSITION «) добиться появления их на экране. После этого сфокусировать изображение и установить необходимую для наблюдения яркость.
Для начальной установки лучей при «заземленных» входах (переключатель AC-DC-GND в положение GND) совместить (POSITION ↕) изображение каждого луча со средней линией сетки на экране и установить (POSITION «) начало развертки луча у левого края экрана, отступив на 0.5-1 деления сетки от края.
Схема испытания осциллографа приведена на рис. 4.1, где: ЭЛО – электронно-лучевой осциллограф, ГС – генератор сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы, V – электронный вольтметр; используемые средства соединены в соответствии со схемой коаксиальными кабелями.
Основные погрешности коэффициентов ko отклонений и коэффициентов kp развёртки определяются путем сравнения номинальных значений коэффициентов, устанавливаемых на осциллографе (переключателями VOLTS/DIV и TIME/DIV), с их действительными (реальными) значениями, найденными экспериментально.
Погрешности коэффициентов отклонения определяют при 1¸2 его номинальных значений1, например, при k 0: 0. 5, 1 (В / дел.). Для этого на вход 1 канала вертикального отклонения с ГС подают синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и устанавливают такое его напряжение, при котором размер изображения двойной амплитуды L 2A синусоиды составлял бы 6 (больших) делений сетки (для осциллографа GOS-620). Напряжение, необходимое для получения такого изображения, измеряют электронным вольтметром. Коэффициент k pразвёртки в этом эксперименте может быть любым, при котором удобно наблюдать синусоидальный сигнал и измерять его амплитуду.
Действительный коэффициент k 0* отклонений определяется выражением:
k 0*= U 2 А / L 2А [В / дел.],
где U 2А – напряжение, равное двойной амплитуде, рассчитываемое на основании показаний вольтметра;напомним, что электронный вольтметризмеряет действующее значение синусоидального напряжения; L 2А – размер изображения двойной амплитуды сигнала.
Относительная погрешность коэффициента отклонения
%,
где k 0 – установленный номинальный коэффициент отклонения.
Оценка погрешностей коэффициентов k р развертки проводится также для 1-2 его номинальных значений. При этом коэффициент k 0 отклонений устанавливается удобным для наблюдений сигналов на экране.
Для определения действительного значения коэффициента развертки на вход осциллографа подается сигнал прямоугольной (можно и синусоидальной) формы с известным периодом Т. При установленном коэффициенте развертки k р изменением частоты f генератора сигналов ГС добиваются изображения n = (1-3) целых периодов входного сигнала. На экране осциллографа определяют размер LnT изображения n целых периодов, выраженный в деления шкалы. Действительный коэффициент развертки определяется выражением:
,
где f и Т – частота и период входного сигнала, при котором на экране осциллографа наблюдались n его целых периодов.
Относительная погрешность коэффициента развертки
%,
где k р – установленный номинальный коэффициент развертки.
Определение характеристик нелинейных искажений изображения. Эффекты искажения формы сигнала, вызванные нелинейностью функций преобразования напряжений и интервалов времени в соответствующие им размеры изображения сигналов на экране осциллографа, характеризуют максимальной нелинейностью амплитудной характеристики канала и максимальной нелинейностью развёртки. Оценить оба параметра можно с помощью сигнала прямоугольной формы скважностью q =0.5. Для этого следует установить такое значение амплитуды сигнала, чтобы размер изображения по оси Y в центре экрана занимал не менее 6 делений. Установить частоту генератора, при которой по оси Х полностью разместились бы 5 полупериодов сигнала (точную установку размера можно обеспечить изменением частоты генератора сигналов или регулятором плавного изменения коэффициента развёртки осциллографа). Вариант наблюдаемой осциллограммы представлен рис. 4.2.
Нелинейность амплитудной характеристики канала вертикального отклонения оценивают отношением
%,
где max(LY 1, LY 2) – максимальный из двух крайних размеров изображения амплитуды сигнала по вертикали, в делениях, LY – размер амплитуды в центре экрана.
Нелинейность развёртки определяют отношением
%,
где max (LХ 1, LХ 2) – максимальный из крайних размеров изображений полупериодов сигнала, LХ – размер изображения полупериода в центре экрана.
Определение амплитудно-частотной характеристики АЧХ канала вертикального отклонения. АЧХ канала вертикального отклонения определяют как зависимость размера Ly изображения по оси Y амплитуды синусоидального сигнала на экране ЭЛТ от его частоты при неизменном напряжении сигнала на входе канала.
Рабочей полосой пропускания канала считают диапазон частот D f, для которого неравномерность АЧХ не превосходит некоторой заранее установленной величины. Например, часто используется величина допустимого спада АЧХ при изменении частоты, равная 3 дБ, что соответствует уменьшению размера изображения сигнала до»0. 707 от его значения на некоторой номинальной частоте, определенной для каждого типа осциллографа. Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанным требованиям, являются верхней f В и нижней f Н граничными частотами рабочей полосы пропускания канала осциллографа.
Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 4.1. В качестве источника сигналов используется генератор SFG-2000, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне. В этом эксперименте электронный вольтметр не является образцовым прибором, поскольку частотный диапазон его уже частотного диапазона осциллографа.
Сначала регулировкой выходного напряжения ГС устанавливают размер L 2А =6 дел. изображения по вертикали двойной амплитуды сигнала на номинальной частоте f н = 1КГц для осциллографа GOS-620. В дальнейшем при определении АЧХ выходное напряжение генератора не изменяют.
АЧХ удобно определять отдельно для области верхних и области нижних частот. В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 2МГц: 1КГц (номинальная частота), 2МГц, 4МГц, … до частоты, при которой амплитуда изображения сигнала упадет до величины порядка 0,5-0,7 от первоначально установленной при f = 1КГц. Для уточнения верхней частоты f в рабочей полосы частот D f осциллографа необходимо в районе предположительного спада АЧХ до 0,707 (3дб) дополнительно снять АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала.1 Результаты испытаний записать в таблицу,
| Область верхних частот | ||||
| f, МГц | 0,001 | ……………….. | ||
| L 2A(f), дел. | ||||
| K (f) | ||||
| k 0 = …..В/дел | f в = ….. МГц |
где L 2А(f) – размер изображения сигнала на частоте f, K (f) – АЧХ, представленная в относительных единицах для соответствующих частот f, K (f) = L 2А(f) / L 2А(f оп), k 0 – коэффициент отклонений, при котором проводился эксперимент, f в– верхняя граничная частота рабочей полосы пропускания канала, найденная в эксперименте.
В области нижних частот АЧХ определяют отдельно для закрытого (AC) и открытого (DC) входов канала вертикального отклонения. Поскольку нижняя частота f н рабочей полосы частот D f для закрытого входа у осциллографов обычно находится в области единиц и первых десятков Гц, процедура определения АЧХ для закрытого входа может быть следующей: сначала уменьшают частоту от опорной (1000Гц) через 200Гц, а затем от 50Гц – через 10Гц. При необходимости можно уточнить нижнюю частоту f н рабочей полосы, при которой АЧХ падает до 0.707, снятием дополнительных точек при уменьшении частоты с шагом 1Гц.
Определение АЧХ для открытого входа проводится при тех же частотах.
Результаты испытаний представляют в таблицу.
| Область нижних частот | ||||||||||
| f, Гц | ….. | …… | …. | |||||||
| L 2A(f), закр. вх., дел. | ||||||||||
| K (f), закр. вх | ||||||||||
| L 2A(f), откр. вх., дел. | ||||||||||
| K (f), откр. вх | ||||||||||
| k 0 = …В/дел | для закрытого входа f н = …Гц | для открытого входа f н = …Гц | ||||||||
По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот. По оси частот графики удобно строить в логарифмическом масштабе.
Применение осциллографа для измерения параметров сигналов. Объекты измерений задаются преподавателем. Измеряемые сигналы подаются с помощью коаксиального кабеля на второй вход (CH 2) осциллографа и устанавливается необходимый режим работы для визуального наблюдения сигналов (переключатель MODE находится в положение CH2; регуляторы POSITION «↕, «» - в положениях, обеспечивающих наблюдение луча по второму каналу; режим синхронизации: AUTO или NORM, CH2, LEVEL - в положении, обеспечивающим устойчивую синхронизацию). Для измерения параметров сигналов коэффициенты развертки и отклонения канала вертикального отклонения устанавливают такими, чтобы на экране ЭЛТ появилось изображение одного – двух периодов исследуемого сигнала с достаточно большой для измерения амплитудой.
Амплитуду сигнала (в вольтах) определяют из соотношения
U = k о L А ,
где k о -коэффициент отклонения, В/дел., L А - размер амплитуды, в делениях,
Относительная погрешность dА измерения амплитуды
dА = d k о + dНА + dВА,
где d k о - относительная погрешность коэффициента отклонения, dНА - относительная погрешность нелинейности вертикального отклонения, dВА - относительная визуальная погрешность. Погрешности d k о и dНА (а также d k р, dНР, см. ниже) выбираются из полученных при исследовании или, если они не определялись, из технических характеристик осциллографа.
Визуальную погрешность (в процентах) находят из соотношения
dВА = 100(b / L А )%,
где: L А- размер изображения амплитуды, в делениях, b - абсолютная погрешность оценки L А, зависящая от толщины линии изображения сигнала на экране (фокусировки) и от субъективной погрешности отсчитывания L А; часто b принимают равной толщине линии изображения сигнала на экране луча, в делениях.
Длительность временных параметров (периода, длительности импульса и т.п.) сигнала вычисляют по формуле
t Т = k р LT,
где k р - коэффициента развертки, С / дел., LT - размера измеряемого параметра, в делениях, на изображении сигнала по оси X.
Относительная погрешность d Т измерения временных параметров
d Т = d k р + dНР + dВД,
где d k р - погрешность коэффициента развертки, dНР - погрешность нелинейности развертки, dВД - визуальная погрешность измерения длительности.
Погрешность dВД (в процентах) можно найти из формулы
dВД = 100(b / L T),
где LT - размера измеряемого параметра по горизонтали, b - абсолютная погрешность оценки LТ (см. выше оценку dВА).
Работа № 5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
