Осциллографические измерения

                                      Министерство образования и науки Украины

                           Севастопольский национальный технический  университет   
 

                                                                                                                   Кафедра СПЭМС 

                                                                       РЕФЕРАТ

                                                   Осциллографические измерения    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                                   Выполнил:

                                                                                                                   студент группы Э-22д

                                                                                                                   Шулумей Д.А.

                                                                                                                   Проверил:

                                                                                                                   к.т.н., доцент Матвеев Ю.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                   Севастополь

                                                                          2010

                                                            СОДЕРЖАНИЕ Введение…………………………………………………………………………………………3

Структурная схема  универсального осциллографа……………………………………….…..3

Техника осциллографических измерений……………………………………………………..5

Измерение напряжения, тока и мощности…………………………………………………….8

Измерение амплитуд сигналов………………………………………………………………..12

Погрешности осциллографических измерений……………………………………………...13

Заключение……………………………………………………………………………………..14

Библиографический список…………………………………………………………………...15 
 
 

                                                                   ВВЕДЕНИЕ 

Основным и  наиболее широко применяемым прибором для исследования формы напряжения служит электронный осциллограф — прибор для визуального наблюдения электрических сигналов, а также измерения их параметров с использованием средства отображения формы сигналов. Он отличается высокой чувствительностью, большим входным сопротивлением, пренебрежимо малой инерционностью и универсальностью. Доминирующее положение занимают электронно-лучевые осциллографы, выполняемые на основе электронно-лучевой трубки. В последнее время появились цифровые осциллографы.

Электронно-лучевые  осциллографы (универсальные) классифицируют по следующим признакам: количеству одновременно исследуемых сигналов для исследования одного или нескольких сигналов; ширине полосы пропускания канала сигнала, определяемой нижней и верхней граничными частотами; точности воспроизведения формы напряжения сигнала, точности измерения интервалов времени и пиковых значений напряжения (четыре класса точности); условиями эксплуатации. 

             СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УНИВЕРСАЛЬНОГО ОСЦИЛЛОГРАФА 

Рассмотрим обобщенную структурную схему универсального осциллографа (рис. 1). В осциллографе кроме ЭЛТ можно выделить следующие функциональные блоки: каналы вертикального и горизонтального отклонений, устройство синхронизации и запуска развертки, канал модуляции луча, вспомогательные устройства, источник питания.

Канал вертикального отклонения (Y) определяет основные качественные характеристики осциллографа и включает входное устройство, предварительный усилитель, линию задержки и оконечный усилитель. Входная цепь служит для регулировки входного сигнала по амплитуде, которая осуществляется широкополосным дискретным аттенюатором, проградуированным в значениях коэффициента отклонения. Во входной цепи предусматривают также коммутируемый разделительный конденсатор, позволяющий при необходимости исключить подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала («закрытый» вход).

Предварительный усилитель выполняет следующие  функции: усиление сигнала и преобразование его из несимметричного в симметричный относительно общего провода, плавную регулировку коэффициента отклонения и изменение постоянной составляющей сигнала, подаваемого на ЭЛТ. Последнее необходимо для регулировки положения изображения по вертикали. В современных моделях широко используется дифференциальный предварительный усилитель с двумя входами. При этом на экране ЭЛТ отображается разность сигналов, поданных на входы.

Линия задержки обеспечивает небольшой временной  сдвиг сигнала на пластинах ЭЛТ относительно начала развертки, что важно для ждущего режима. Оконечный усилитель обеспечивает увеличение амплитуды сигнала, до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана, а также согласование входного сопротивления отклоняющих пластин ЭЛТ с выходным сопротивлением предварительного усилителя и линии задержки

                                       Рис.1. Структурная схема универсального осциллографа

Канал горизонтального  отклонения (X) включает генератор развертки и оконечный усилитель. Как правило, генератор развертки имеет три режима работы: автоколебательный (непрерывная линейная развертка), ждущий и режим однократного запуска. Период развертки регулируется дискретно и плавно. Генератор развертки может быть отключен; при этом развертка производится внешним сигналом, подаваемым на вход канала X. Назначение усилителя X то же, что и оконечного усилителя Y, однако в нем предусматривается дискретное изменение коэффициента усиления для режима растяжки.

Устройство  синхронизации и  запуска развертки  предназначено для управления генератором развертки и обеспечивает кратность периодов сигнала и развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом и пр.). Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме и запуском — в ждущем. Синхронизация и запуск развертки производятся специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации. Различают два режима синхронизации: внутреннюю и внешнюю. При внутренней синхронизации синхроимпульсы вырабатывают из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней — сигнал синхронизации подают на специальный вход осциллографа от внешнего источника. Например, в стандартных генераторах импульсов вырабатываются синхроимпульсы, относительно которых выходной сигнал может быть сдвинут с помощью регулируемой задержки. При изучении прохождения импульсов через какое-либо устройство регулировка задержки на генераторе при внешней синхронизации позволяет перемещать импульс на экране осциллографа по горизонтальной координате в удобное для наблюдения место.

Канал модуляций луча по яркости (Z), основное назначение которого — подсветка прямого хода развертки. Постоянное напряжение на модуляторе ЭЛТ выбирают на уровне запирания трубки. В генераторе развертки вырабатывается специальный прямоугольный импульс подсвета, равный длительности прямого хода развертки. Для равномерной яркости изображения импульс подсвета должен иметь плоскую вершину. Необходимо также обеспечить малую длительность фронта и спада импульса. Для формирования напряжения, поступающего на модулятор, служит усилитель Z, имеющий также дополнительный вход. Это дает возможность модуляции изображения по яркости внешним сигналом. Канал Z используется также для создания яркостной отметки в осциллографах с двойной разверткой.

Вспомогательные устройства осциллографа включают калибраторы и электронный коммутатор каналов. Калибраторы, встроенные в осциллограф, служат для точней установки коэффициентов отклонения и развертки непосредственно перед измерениями. Они представляют собой отдельные генераторы сигналов с точно известными амплитудой и частотой. Для калибровки оси У используют постоянные напряжения обеих полярностей (иногда плавно регулируемые) и напряжения в виде меандра. Масштаб по оси X обычно устанавливают по синусоидальному напряжению, стабилизированному, кварцем.  

Электронные коммутаторы, входящие в канал У некоторых  осциллографов, позволяют наблюдать на экране несколько синхронных процессов (имеющих строго кратные периоды повторения). Такой осциллограф называется многоканальным и имеет несколько входов, подключаемых к усилителю У с частотой развертки. В этом случае на каждом ходе развертки образуется изображение одного из входных сигналов (поочередный режим). Для медленных разверток такой режим работы коммутатора неудобен из-за мелькания изображений. Для этого случая используется прерывистый режим работы коммутатора: переключение его происходит с большой частотой. Изображение на экране образуется в виде отдельных: черточек, соответствующих каждому сигналу. За счет несинхронности частоты переключения и частоты развертки при каждом ходе развертки эти черточки смещаются по траектории, повторяющей форму сигнала, и благодаря инерционности зрения воспринимаются как слитное изображение. Как правило, электронные коммутаторы предусматривают несколько режимов работы канала У: наблюдение каждого из сигналов отдельно, одновременное наблюдение сигналов, сложение сигналов.

Источник  питания осциллографа обычно состоит из двух частей: высоковольтного, выдающего  необходимые напряжения для питания электродов ЭЛТ, и низковольтного — для питания остальных узлов осциллографа.

                              ТЕХНИКА ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение амплитуды  напряжения и временных интервалов — основные процессы, выполняемые с помощью осциллографа. Для отсчета значений этих величин применяют метод калиброванных шкал, компенсационный и метод сравнения.

Метод калиброванных шкал применяют для измерения параметров сигнала на прямоугольной шкале — сетке, имеющей равноотстоящие вертикальные и горизонтальные линии. Как правило, предусматривается регулируемая'подсветка шкалы, улучшающая условия измерения. Размеры шкалы согласованы с рабочей площадью экрана ЭЛТ; коэффициенты отклонения и развертки (масштабные коэффициенты) приводятся по отношению к делению шкалы. Процесс измерения заключается в подсчете числа делений шкалы, укладывающихся в интересующий интервал. Перевод в значения напряжения и длительности осуществляется домножением измеренной величины на масштабный коэффициент (с учетом множителя растяжки).

Для достижения минимальных погрешностей нужно  стремиться к тому, чтобы изображение  исследуемого сигнала занимало 80— 90% рабочей площади экрана. В этом случае можно уменьшить погрешность измерений в 1,5—2 раза по сравнению с паспортной погрешностью используемого, осциллографа.

Для успешного  применения метода калиброванных шкал перед измерениями следует произвести калибровку осциллографа, т. е. проверку значений масштабных коэффициентов, и  при необходимости — их корректировку.

Сигналы от калибраторов осциллографа подают на вход канала У. Размеры изображения сравнивают с установленным масштабом. Если наблюдается расхождение между точно известными параметрами калибрационных сигналов и измеренными по шкале, то с помощью плавных регулировок усиления канала У и длительности развертки устанавливают необходимое соответствие.

Метод калиброванных  шкал является основным методом измерений для большинства осциллографов; точность осциллографа обычно указывается применительно к данному методу.

Компенсационный метод позволяет увеличить точность измерения и применяется в осциллографах, содержащих усилитель У с дифференциальными входами и генератор двойной развертки: Сущность метода состоит в компенсации измеряемой величины образцовой. При этом изображение на экране используется как нуль-индикатор. Выигрыш в точности здесь достигается исключением большинства погрешностей, связанных с нелинейностью отклонения и развертки, геометрическими искажениями ЭЛТ, параллаксом, дискретностью шкалы и пр.