Универсальная методика измерения параметров сигналов

Оглавление

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛОГРАФЫ	3
Краткие теоретические сведения	3
Универсальная методика измерения параметров сигналов	4
Сигналы применяемые в электротехнике и электронике	9

 

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛОГРАФЫ

Краткие теоретические сведения

Основные данные осциллографа указаны на его лицевой панели.

Осциллографы могут быть следующих типов: светолучевые (группа Н) и электронные (группа С).

В свою очередь электронные осциллографы (ЭО) по виду индикации подразделяются на аналоговые и цифровые, по назначению на универсальные (С1), стробоскопические (С7), запоминающие (С8) и специальные (С9), а по числу одновременно исследуемых процессов на одноканальные и многоканальные.

Одноканальные (однолучевые) осциллографы, позволяющие наблюдать на экране один процесс, имеют один вход Y, один переключатель «Вольт/дел.» и по одной ручке регулировки яркости, астигматизма, фокуса.

Многоканальные двухлучевые осциллографы, позволяющие исследовать два процесса одновременно, имеют два входа Y (Y₁ и Y₂), два переключателя «Вольт/дел.» и по две ручки регулировки яркости (Яркость1 и Яркостъ2), фокуса (Фокус1 и Фокус2), астигматизма (Астигматизм1, Астнгматизм2).

Двухканальные ЭО имеют два входа Y (Y₁ и Y₂), два переключателя «Вольт/дел.» и по одной ручке регулировки яркости, астигматизма, фокуса.

Все осциллографы имеют три электрических входа Y, X, Z:

Y — предназначен для подачи исследуемого сигнала, под действием которого электронный луч перемещается в вертикальном направлении. У этого входа указывается входной импеданс — значения активного R_ВХ и реактивного С_ВХ сопротивлений. Сопротивление R_ВХ, обычно равное 1 Мом, определяет незначительное потребление мощности осциллографом из исследуемой цепи, а сопротивление С_ВХ в зависимости от назначения прибора варьируется в пределах десятков пикофарадов. Входная емкость влияет на полосу пропускания ЭО (чем меньше С_ВХ, тем больше частотный диапазон);

X — предназначен для подачи вспомогательного напряжения, обеспечивающего перемещение электронного луча по горизонтали и получения неподвижной осциллограммы;

Z — (в отличие от X и Y) предназначен для управления яркостью луча и расположен на задней панели прибора.

Ключевым моментом работы с осциллографом является приобретение пользовательских навыков и умения измерять параметры различных сигналов с возможно меньшей погрешностью, что невозможно осуществить без знания универсальной методики измерения, используемой для любого аналогового ЭО.

Универсальная методика измерения параметров сигналов

Методика измерений с помощью осциллографа включает в себя следующие процессы.

1. Определение формы исследуемого сигнала (таблица).

Сигнал может быть однополярным, т.е. с амплитудой одной полярности (см. таблицу, сигналы с номерами 2 и 4а — в) и двухполярные с положительной и отрицательной амплитудами (сигналы с номерами 1, 3 и 4г).

2. Установка ручкой регулировки линии развертки ЭО:

· для положительного однополярного сигнала — внизу экрана, а для отрицательного однополярного сигнала — вверху (на расстоянии не менее одного деления от края);

· для двухполярного сигнала — по центру экрана.

3. Выбор положения масштабозадающих органов управления ЭО:

· размер осциллограммы по горизонтали устанавливается переключателем «Время/дел.» и тумблером «Развертка» (если он есть) в соответствии с периодом повторения сигнала. Произведение значений, установленных переключателем и тумблером, является се масштабом;

· размер осциллограммы по вертикали устанавливается пере­ключателем «Вольт/дел.» (в некоторых осциллографах и тумблером «Усилитель») в соответствии с амплитудой сигнала. Показание переключателя «Вольт/дел.» (или произведение значений, установленных переключателем «Вольт/дел.» и тумблером «Усилитель») является масштабом осциллограммы.

От выбранного масштаба осциллограммы зависит погрешность измерения параметров сигнала.

4. Определение значений конкретных прямых параметров сигнала по осциллограмме и производных вторичных параметров по расчетным формулам, приведенным в таблице.

5. Расчет всех прямых параметров сигнала в любой момент времени осциллограммы (по вертикали А _В, и по горизонтали А _Г,) производится по формуле

где С_Y(X) — цена одного деления масштабной сетки осциллографа по вертикали (горизонтали); n_Y(X) — линейный размер параметра сигнала по вертикали (горизонтали) в делениях масштабной сетки.

Измерение амплитудных значений напряжения. В универсальных осциллографах используется метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране осциллографа. Цена деления сетки устанавливается заранее с помощью калибратора амплитуды. Пример определения параметров сигнала с помощью масштабной сетки представлен на рис.1. Параметры импульсов определяются следующим образом:

U_p = C_уI_y — размах (амплитуда импульса);

Т = С_xL_x — период следования импульсов;

τ_п = C_xI_x — длительность импульса;

|С_х| — цена деления сетки по горизонтали, с/дел.;

|С_у| — цена деления сетки по вертикали, В/дел.,

где I_y, L_x, I_x выражены в делениях сетки. Погрешность измерения амплитуды сигнала при этом методе измерения составляет 4... 7 %.

Измерение временных параметров сигнала. В отличие от частотомеров и измерителей временных интервалов с помощью осциллографов можно измерять параметры сигналов сложной временнОй структуры, например ступенчатых сигналов или сигналов кодовой последовательности. Можно также измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом измерения является метод калиброванной развертки, или калиброванных меток (рис.2). На схеме U_с — напряжение исследуемого сигнала; U_к — напряжение калиброванного сигнала; τ_и — длительность импульса.

Реальная погрешность данного метода находится в пределах 10 % и зависит от числа меток. Калиброванные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала путем модуляции яркости луча, т. е. подачи на сетку ЭЛТ напряжения известной частоты f_о или периода колебания Т₀ = 1/f₀. При этом Т_c = nТ₀, где n — число калиброванных меток. Разные способы повышения точности этого метода также используются и в цифровых осциллографах. За счет этого можно получить погрешность менее 1 %.

 

В ряде случаев сравнение частот двух гармонических сигналов производят методом интерференционных фигур (фигур Лиссажу). С этой целью колебания известной (образцовой) частоты f₀ подаются на один вход осциллографа, например Х (собственная развертка осциллографа отключается). На второй вход поступают колебания неизвестной частоты f_изм. Частоту образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа получилась простейшая устойчивая фигура, виды которой приведены в таблице.

Таблица. Интерференционные фигуры при разных фазовых сдвигах между сигналами

 

Соотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено путем деления числа точек пересечения по вертикали на число точек пересечения по горизонтали.

Данная процедура иллюстрируется рис.3, где соотношение составляет

Получение осциллограмм импульсных сигналов. При измерении импульсных сигналов особое значение имеет правильное определение формы и параметров фронтов импульса. Основными влияющими факторами на правильное воспроизведение импульсного сигнала являются:

§ частотный диапазон канала вертикального отклонения

∆F = f_в – f_н,

где f_в и f_н — верхняя и нижняя граничные частоты канала соответственно;

§ переходная характеристика осциллографа.

Частотные свойства осциллографа определяются амплитууно-частотной характеристикой (АЧХ) — зависимостью размера изображения гармонического сигнала от его частоты. Амплитудно частотная характеристика имеет полосу пропускания частот, которая определяется верхней граничной частотой f_в отсчитываемой на уровне 0,707 от значения АЧХ на низких частотах. Среди других параметров следует отметить рабочий диапазон АЧХ, в пределах которого ее неравномерность не превышает погрешности измерения напряжения для данного осциллографа.

Не менее важным параметром осциллографов является их переходная характеристика, вид которой показан на рис.4. К параметрам переходной характеристики осциллографа относится время нарастания фронта τ_н.о — интервал, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 установившегося значения (максимального уровня амплитудного значения напряжения U_m) переходной характеристики. Плоская часть переходной характеристики может быть с выбросом или осцилляциями. Для оценки выбросов используются дополнительные параметры: время нарастания τ_н.о, время установления фронта τ_ус отсчитываемое от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляции до заданного уровня, и выброс амплитуды δ. Время нарастания является основным параметром канала Y осциллографа.

Для исследования кратковременных импульсов требуется осциллограф, у которого время нарастания должно быть не более 0,3 длительности сигнала. Учитывая изложенное ранее, верхняя граница частотного диапазона определяется по формуле

При этом длительность фронта импульса уточняется в соответствии со следующим выражением:

где τ_изм — измеренное значение длительности фронта; τ_н.о— время нарастания фронта, определяемое по переходной характеристике осциллографа (не более 0,1... 0,3 длительности сигнала).

От нижней граничной частоты f_н зависит величина скоса ∆U_m вершины импульса (рис.5). Эта граничная частота может быть определена по формуле

где δ_и — допустимая относительная величина спада вершины импульса;

При получении осциллограмм импульсов со значительной скважностью, т. е. коротких импульсов, имеющих большой период повторения, используется ждущая развертка.