Лабораторная работа №2.
"Исследование универсального электронно-лучевого осциллографа"
Цель работы
Изучить принцип действия и основные метрологические характеристики осциллографа, получить навыки использования осциллографа для исследования формы электрических сигналов и измерения их параметров.
Задачи работы
1. Ознакомиться со структурной схемой и органами управления осциллографа
2. Определить АЧХ и ширину полосы пропускания канала Y исследуемого осциллографа на уровне – 3 дБ.
3. Выполнить измерения напряжения, частоты, интервала времени и фазового сдвига с помощью осциллографа.
4. Провести сравнительный анализ погрешностей при разных способах измерения
Оборудование для проведения работы
Универсальный электронно-лучевой осциллограф типа С1-67
Генератор измерительных сигналов низкочастотный типа Г3-109
Генератор измерительных сигналов высокочастотный типа Г4-158
Генератор импульсов типа Г5-63
Подготовка к работе
Изучить структурную схему осциллографа С1-67, расположение и назначение всех органов управления [3], ознакомиться с метрологическими характеристиками и заполнить таблицу 1.
Включить питание исследуемого осциллографа и вспомогательных приборов. Установить с помощью регулятора Стабильность режим непрерывной развертки, проверить наличие линии горизонтальной развертки на экране электронно-лучевой трубки, регулировку яркости и фокусировку луча, регулировку смещения луча по горизонтали и вертикали.
Основные метрологические характеристики осциллографа С1-67
|
Ширина полосы пропускания канала Y, МГц |
|
|
Диапазон значений коэффициента отклонения, В/дел |
|
|
Основная погрешность измерения напряжения, % |
|
|
Входное сопротивление канала Y, Ом и входная емкость, пФ |
|
|
Время нарастания переходной характеристики канала Y, нс |
|
|
Диапазон значений коэффициента развертки, с/дел |
|
|
Основная погрешность измерения интервалов времени, % |
|
|
Входное сопротивление канала X, Ом и входная емкость, пФ |
|
|
Входное сопротивление канала Z, Ом и входная емкость, пФ |
|
|
Входное напряжение для модуляции яркости, В |
Порядок выполнения работы
1 Определение амплитудно-частотной характеристики и ширины полосы пропускания канала вертикального отклонения осциллографа
1.1 Собрать схему измерения согласно рисунку 1, установить режим непрерывной развертки при внутренней синхронизации.
Переключатель входа осциллографа - в положении Открытый вход.
Подать с низкочастотного генератора Г3-109 на вход Y осциллографа синусоидальный сигнал напряжением 0,5 В (среднеквадратическое значение) и частотой 50 кГц (опорная частота).
Установить с помощью переключателя входного аттенюатора и регулировки усиления в канале Y размах Н сигнала по вертикали около 2/3 высоты экрана и записать значение Н0 в делениях шкалы экрана.
Рисунок 1 – Измерительная схема
1.2 Устанавливая частоту измерительного сигнала, равной 50, 100, 1000Гц и 50, 100, 200 кГц, записать в таблицу 2 значения размаха H соответствующих осциллограмм с учетом погрешности отсчета.
В процессе измерения положение регуляторов коэффициента отклонения и усиления в канале Y не изменять.
В этом случае полученная зависимость размаха сигнала на шкале осциллографа от частоты будет соответствовать амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) канала Y.
Для удобства отсчета размаха сигнала по шкале экрана можно переключить горизонтальный канал в режим внешней развертки. На экране при этом останется только вертикальная линия.
Таблица 2
|
f, Гц |
50 |
100 |
103 |
5 · 104 |
105 |
2· 105 |
5· 105 |
106 |
5· 106 |
10· 106 |
12· 106 |
14· 106 |
|
Н, дел |
Н0 |
|||||||||||
|
|
0 |
1.3 Отключить генератор Г3-109 и подключить ко входу Y высокочастотный генератор Г4-158; установить частоту сигнала 200 кГц и отрегулировать выходное напряжение генератора так, чтобы размах сигнала Н принял значение, полученное на частоте 200 кГц в п.1.3.
Продолжить измерения на частотах 0,5; 1,0; 5,0; 10,0; 12,0 и 14,0 МГц; результаты записать в таблицу 2 .
1.4 Построить график ЛАЧХ осциллографа, по которому:
- оценить изменение модуля коэффициента передачи канала Y осциллографа на частоте 10 МГц (нормируемая ширина полосы канала Y осциллографа С1-67) по отношению к его значению на опорной частоте 50 кГц (в дБ);
- определить граничное значение частоты fв полосы пропускания канала Y;
- сделать вывод о соответствии ширины полосы пропускания нормируемому значению этого параметра.
- определить рабочий диапазон частот осциллографа, т.е. диапазон частот, в пределах которого спад АЧХ не превышает 3 дБ относительно значения на опорной частоте
2 Измерение параметров электрических сигналов с помощью осциллографа
2.1. Измерение параметров прямоугольного импульса с помощью калиброванных значений коэффициентов отклонения Котк и развертки Кх.
2.1.1. Изучить по рисунку 2 характеристики измеряемых параметров прямоугольного импульса. Поместить этот рисунок в отчет.
2.1.2. Установить на генераторе импульсов Г5-63 сигнал положительной полярности длительностью 1 мкс, частотой следования 10 или 100 кГц. Подсоединить генератор ко входу канала Y (входной переключатель в положении Открытый вход). Установить генератор развертки осциллографа в ждущий режим (регулятором Стабильность), а переключатель Вид синхронизации - в положение Внутренняя синхронизация.
2.1.3. Зафиксировать регуляторы Усиление и Длительность в крайнем правом положении (до щелчка - механической фиксации). Обратить внимание, что только при фиксированных положениях этих регуляторов можно проводить измерения размаха и длительности сигналов. Используя переключатель входного аттенюатора Вольт/дел добиться размаха исследуемого импульса в пределах 2/3 высоты экрана. Используя переключатель длительности развертки Время/дел добиться положения, чтобы исследуемый импульс по длительности занимал приблизительно половину ширины экрана. Для получения устойчивой осциллограммы импульса использовать регулировки Стабильность и Уровень. Записать установленные значения коэффициентов отклонения Котк (В/дел) и развертки Кх(мкс/дел).
2.1.4. Отсчитать значения размаха Н и длительности l импульса в делениях шкалы (значение l отсчитать на уровне 0,5Н); вычислить по установленным значениям коэффициента отклонения Котк и коэффициента развертки Кх, значения размаха и длительности измеряемого импульса по формулам:
U = Котк ·Н, В;
τ = Кх ·l, мкс.
2.1.5. Изменив значение Кх , добиться, чтобы фронт импульса занимал приблизительно половину ширины экрана.
Определить длительность фронта τфи импульса по осциллограмме в делениях шкалы lф (дел) и в единицах времени τфи=Кх ·lф .
2.1.6. Переключить усилитель синхронизации осциллографа в режим запуска отрицательными перепадами сигнала, отрегулировать порог запуска с использованием регулировки Уровень, получить на экране осциллограмму заднего фронта импульса и измерить длительность спада в делениях lсп и в единицах времени τспи = Кх ·lсп.
Исключить систематическую погрешность измерения длительности фронтов, обусловленную конечным временем нарастания переходной характеристики канала Y.
2.2. Измерение среднеквадратического значения напряжения синусоидального сигнала методом сравнения с напряжением сигнала калибратора осциллографа.
Подать на вход Y осциллографа синусоидальный сигнал произвольно выбранной частоты с генератора Г3-109; установить регулировкой переключателя входного аттенюатора Вольт/дел и ручкой Усиление размах осциллограммы по вертикали Нсигн около половины высоты экрана, записать установленное значение коэффициента отклонения Котк сигн,В/дел, размах осциллограммы сигнала на экране Нсигн ,дел.
Размах сигнала:
Uразм=Нсигн·Коткл сигн·Кус,В;
где Кус - коэффициент усиления усилителя канала Y, значение которого неизвестно.
Параметр Кус находится следующим образом:
- отсоединить генератор Г3-109 и на освободившийся вход Y подать сигнал с выхода калибратора осциллографа;
- не трогая регулятор Усиление, переключателем входного аттенюатора Коэффициент отклонения установить размах осциллограммы по вертикали Нкал, дел.
Тогда Uкал = Нкал·Коткл кал·Кус , (В).
Поскольку значение размаха сигнала калибратора составляет Uкал = (0,60 ± 0,01) В), можно исключить неизвестное значение Кус и определить значение измеряемого размаха синусоидального сигнала через параметры сигнала калибратора.
Тогда среднеквадратическое значение напряжения синусоидального сигнала равно:
Следует обратить внимание, что погрешность отношения значений коэффициента отклонения при различных положениях переключателя входного аттенюатора канала Y заметно меньше, чем погрешность абсолютных значений Коткл, которая обусловлена, в основном, изменением коэффициента усиления канала Кус. Поэтому измерения напряжения методом сравнения точнее, чем измерения методом непосредственной оценки (п. 2.1) с использованием значения коэффициента отклонения Коткл.
Содержание отчета:
1) номер и наименование лабораторной работы;
2) цель работы;
3) таблицы 1 и 2;
4) схема измерений;
5) график ЛАЧХ канала Y с указанием полосы пропускания на уровне минус 3дБ;
6)
7) рисунок 2 и результаты измерений параметров прямоугольного импульса по п. 2.1;
7) результаты измерений всех параметров синусоидального сигнала с оценками погрешностей и осциллограммы, полученные при выполнении пп.2.2-2.4.
Для самопроверки готовности к выполнению работы сформулировать ответы на следующие вопросы, которые могут быть заданы при допуске к работе или при ее защите:
1. Назначение электронно-лучевого осциллографа.
2. Принцип получения осциллограммы на экране аналогового осциллографа.
3. Структурная схема аналогового осциллографа.
4. Основные метрологические характеристики осциллографа.
5. Режимы работы генератора развертки.
6. Требования к сигналу генератора развертки.
7. Условие неподвижности осциллограммы.
8. Синусоидальная развертка и ее применение.
9. Зачем нужна линия задержки в канале Y?
10. Каким образом можно определить, есть или нет в осциллографе линия задержки?
Литература.
1 Э.Г. Атамалян Приборы и методы измерения электрических величин. М: Дрофа, 2005.
2 Х. Харт Введение в измерительную технику. М: Мир 1999.