Министерство науки и высшего образования РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники(ТУСУР) Факультет заочной и вечерней формы обучения (ЗиВФ) Кафедра Промышленной Электроники (ПрЭ) Отчет по лабораторной работе №1 по дисциплине: "Измерительная техника и датчики" «применение электронного осциллографа для исследования электрических сигналов» Выполнили: студенты гр. з-М63 __________ Семенов В.С. __________ Ковалёв А.А. «____» ____________2023 г. Проверил: Кандидат технических наук ____________ В.Ф. Отчалко «____» ____________2023 г. Томск 2023 1 Введение Цель работы: целью работы является изучение устройства универсального осциллографа и методов измерения параметров электрических сигналов. 2.Основные положения Упрощенная структурная схема осциллографа (рисунок 2.1) состоит из двух каналов формирования сигналов по координатам X и Y и канала Z, предназначенного для модуляции яркости луча электронно-лучевой трубки. Канал вертикального отклонения, предназначенный для передачи исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки ЭЛТ, состоит из последовательно соединенных аттенюатора (ослабителя) АТТ и усилителя Y. Такое соединение необходимо для расширения динамического диапазона исследуемых сигналов. Таким образом, отклонение луча ly на экране будет пропорционально напряжению подаваемого на вход Y сигнала и будет характеризоваться коэффициентом отклонения Kоткл, используя который можно определить амплитуду (размах) входного сигнала: Uy = Kоткл⋅ly . Коэффициент отклонения имеет фиксированные значения и размерность Вольт/дел. и указан на положениях переключателя входного аттенюатора. Эти фиксированные значения справедливы только при максимальном, плавно регулируемом усилении усилителя. Рисунок 2.1 - упрощенная структурная схема осциллографа. 2 Канал горизонтального отклонения выполняет две функции: развертывание сигнала пропорционально времени и отклонение луча любым сигналом, поданным на вход X. В первом случае на горизонтальные пластины подается сигнал от генератора пилообразного напряжения ГПН (рисунок 3.1) при положении 1 переключателя П2. В этом случае луч по оси X передвигается прямо пропорционально времени, позволяя наблюдать на экране сигнал y(t). Временной масштаб развертки характеризуется крутизной наклона пилообразного напряжения и регулируется переключателем длительности развертки с указанием численного значения Kразв, имеющего размерность время/дел., с помощью которого можно определить отрезок времени по формуле τ = Kразв⋅ lx (3.2) Важным условием неподвижного изображения наблюдаемого на осциллографе сигнала является синхронизация частоты развертывающего напряжения и частоты исследуемого сигнала. При внутренней синхронизации (переключатель П1 поставлен в положение 1) входной сигнал поступает на ГПН, осуществляя синхронность развертки. При внешней синхронизации (переключатель П1 поставлен в положение 2) синхронизирующий сигнал должен быть подан извне на гнездо «ВНЕШН. СИНХР.» При этом ручкой на осциллографе «УРОВЕНЬ СИНХРОНИЗАЦИИ» следует отрегулировать неподвижность изображения на экране. Особое место в работе осциллографа представляет режим внешнего запуска, используемого, как правило, для наблюдения импульсных процессов по длительности много меньших их периода повторения (импульсы большой скважности). В этом режиме запуск развертки осуществляется подачей на вход «ВНЕШН.» синхроимпульса, предшествующего наблюдаемому сигналу на некоторый промежуток времени, устанавливаемый обычно в стандартных импульсных генераторах как «ЗАДЕРЖКА». Длительность развертывающего сигнала ГПН устанавливается сравнимой с длительностью наблюдаемого импульсного процесса, что позволяет проводить наблюдение и измерение параметров короткого импульсного процесса, каким является, в частности, фронт импульса. В случае использования канала Х для подачи любого сигнала переключатель П2 устанавливается в положение 2. В разных осциллографах эта операция производится по-разному, что всегда отражено в технических описаниях осциллографа. При этом внешний сигнал подается на ВХОД Х. Канал Z используется для модуляции яркости свечения луча, применяемой для подсвета прямого хода развертки, создания меток времени, электронной лупы и т.д. и т.п. На «ВХОД Z» для управления яркостью луча можно подать внешний сигнал, но при этом частота подаваемого сигнала должна быть когерентна частоте исследуемого сигнала, а значит и частоте развертки. 3 3.Результаты работы и их анализ 3.1 Определение верхней граничной частоты полосы пропускания канала вертикального отклонения. Характеристики сигнала №1 подаваемого на вход осциллографа: Uд = 5 В, f1 = 1 кГц. Настройки осциллографа: Коткл = 2 В/дел, Kразв = 0,5 мс/дел. Измеренное амплитудное напряжение Um = 7,2 В. Согласно задания, увеличивая частоту генератора, необходимо уменьшить отклонение на экране осциллографа в √2 раз, то есть сделать его равным действующему значению подаваемого на вход напряжения Uд. Это происходит при частоте генератора f2 = 6,4 МГц. Данная частота является верхней граничной частотой fв = 6,4 МГц. Согласно полученных данных, вычисляем время нарастания фронта: tн = 0,35 𝑓в = 0,35 6,4×106 = 54,69 нс 3.2 Измерение параметров импульсного сигнала. Параметры подаваемого сигнала: Um = 30 В, fп = 1,0 кГц, t = 400 мкс. Настройки осциллографа: Коткл = 2 В/дел, Kразв = 0,1 мс/дел. Измеренное амплитудное напряжение импульса: Uy = ly * Коткл = 6 * 2 = 12 В Для представления результата согласно правил метрологии, необходимо произвести оценку точности измерений. 0,4𝑞 𝑙 где q – толщина луча на экране в мм, l – измеренное отклонение в мм. Относительная погрешность измерения амплитуды импульса: 𝛿𝑙 = 2 δUимп. = √𝛿𝑙𝑦2 + 𝛿𝐾откл. = √( 0,4∗1 2 60 ) + (0,03)2 = 0,03 = 3% где, δUимп. – относительная погрешность измерения амплитуды импульса, 𝛿𝑙𝑦2 – относительная погрешность измерения отклонения (размера импульса по вертикали), 4 2 𝛿𝐾откл. – предел допустимой основной погрешности канала вертикального отклонения. Абсолютная погрешность измерения амплитуды импульса: ∆ Uимп. = δUимп. * Uy = 0,03 * 12 = ±0,36 В Таким образом результат измерения: Uизм = (12 ± 0,36) В Измеренный период импульса: T = lX * Kразв = 10 * 0,1 = 1 мс Измеренная длительность импульса: τ = lx * Kразв = 8 * 0,05 = 0,4 мс Для представления результата согласно правил метрологии, необходимо произвести оценку точности измерений. Относительная погрешность измерения длительности импульса: 2 δτимп. = √𝛿𝑙𝑥2 + 𝛿𝐾разв. = √( 0,4∗1 2 80 ) + (0,03)2 = 0,03 = 3% Абсолютная погрешность измерения длительности импульса: ∆ τимп. = δτимп. * τ = 0,03 * 0,4 = ±0,012 мс Таким образом результат измерения: τизм = (0,4 ± 0,012) мс Относительная погрешность измерения периода повторения импульса: 2 δТимп. = √𝛿𝑙Х2 + 𝛿𝐾разв. = √( 0,4∗1 2 100 ) + (0,03)2 = 0,03 = 3% Абсолютная погрешность измерения периода повторения импульса: 5 ∆ Тимп. = δТимп. * Т = 0,03 * 1 = ±0,03 мс 3.3 Определение частоты повторений импульса Определение частоты повторений импульса по результатам предыдущих измерений: F = 1/T = 1/(1*10-3) = 1000 Гц Относительная погрешность частоты повторений импульса: δF = δT = 0,03 = 3% Абсолютная погрешность частоты повторений импульса: ∆F = δF * F = 0,03 * 1000 = 30 Гц Результаты измерения частоты и периода повторения импульсов с помощью частотомера: Fимп. = 1,052 кГц Т = 1 мс Результаты измерения периода импульса сведены в Таблицу 1. Метод С использованием Параметр калиброванной Метод сравнения частотомера развёртки Частота 1 1,052 повторения, кГц Погрешность 0,003 0,0001 измерения, кГц Заключение: В данной работе был изучены принцип работы универсального осциллографа и методы измерения параметров электрических сигналов с его помощью. В ходе выполнения лабораторной работы было установлено, что применение аналогового осциллографа для определения частоты повторения импульса является нецелесообразным. Для измерения длительности импульса и длительности переднего фронта осциллограф является безальтернативным прибором, но для получения более точных результатов лучше использовать цифровой осциллограф, 6 поскольку он позволяет отказаться от использования геометрических средств измерений. 7