Лабораторная работа № 4 (3.5) Измерение параметров сигналов электронно-лучевым осциллографом

Сдавалось в 2016 году по новым требованиям!!!!

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.5
по дисциплине «Метрология, стандартизация и управление
качеством»

Вариант 06

Вариант 09

Вариант 14

1 Цель работы
1.1. Изучить принцип работы и структурную схему универсального электронно-лучевого осциллографа.
1.2. Получить практические навыки работы с электронно-лучевым осциллографом и измерительными генераторами.
1.3. Приобрести навыки измерения временных интервалов, напряжения, периода и частоты различных электрических сигналов с помощью электронного осциллографа.
1.4. Освоить методику оценки погрешности измерений, выполняемых с помощью осциллографа и получить навыки оформления результатов измерения в соответствии с нормативными документами.

2 Программа лабораторной работы
2.1. Ознакомление с органами управления и режимами работы электронного осциллографа.
2.2. Наблюдение формы периодических сигналов в режиме внутренней синхронизации при различных значениях коэффициента развёртки.
2.3. Измерение напряжения гармонического сигнала.
2.4. Измерение периода и частоты гармонического сигнала.
2.5. Исследование формы и фазового сдвига сигналов в двухканальном режиме.

Таблица 1
Основные метрологические характеристики осциллографа.
Тип осциллографа Электронный осциллограф
Диапазон частот измеряемого сигнала, МГц 0…5
Диапазон амплитуд сигнала, В 0,05…2
Значения коэффициента отклонения
можно устанавливать ступенями в пределах от 0.1 В/дел до 0.5 В/дел;
Значения коэффициента развертки
можно устанавливать ступенями в пределах от 0.1 мкс/дел до 20 мс/дел;
Пределы допускаемой основной погрешности коэффициента отклонения, % не более 4
Предел допускаемой основной относительной погрешности коэффициента развертки, % не более 4

Задача 1. На экране осциллографа наблюдают осциллограмму сигнала (рис. 1). При условиях, заданных в таблицах 2 и 3, определить: 1) пиковое значение напряжения сигнала; 2) период сигнала; 3) частоту сигнала; 4) оценить погрешности измерения этих параметров; 5) записать результаты измерений параметров в соответствии с МИ1317-2004.

kО, В/дел 0,1 kР, мс/дел 10
, %
10 , %
1,5
№ осцил-
лограммы а) b, дел 0,1

Пиковое значение напряжения сигнала (3, стр.23 разд.7.3):

где — линейные размеры изображения по вертикали, дел;
– коэффициент отклонения (коэффициентом вертикального отклонения), В/дел.

Период сигнала (3, стр.23 разд.7.3):

где — линейные размеры изображения по горизонтали, дел.
kР – коэффициент развертки, время/дел.

Частота сигнала (3, стр.25 разд.7.3):

Предел допускаемой относительной погрешность измерения напряжения (3, стр.14, разд.7.1):
, %
где и – относительные погрешности коэффициента отклонения и неравномерности переходной характеристики соответственно, которые берут из перечня основных метрологических характеристик осциллографа (в нашем случае неравномерность переходной характеристики не задана, поэтому принимаем ее равной нулю;
– визуальная погрешность, определяемая точностью совмещения линии осциллограммы с делениями шкалы и погрешностью отсчета линейного размера в делениях масштабной сетки.

Визуальная погрешность определяем по формуле (3, стр.15, разд.7.1):

Погрешность округлена в меньшую сторону, т.к. при округлении в большую сторону до двух значащих цифр, погрешность округления превышает 5%.

Абсолютная погрешность измерения напряжения:

Определим погрешность округления:

Погрешность не превышает 5%, значит округление выполнено верно.

Результат

где — линейные размеры изображения по горизонтали, дел;
— толщина линии осциллограммы, дел

Погрешность округлена в меньшую сторону, т.к. при округлении в большую сторону до двух значащих цифр, погрешность округления превышает 5%.

Абсолютная погрешность измерения временного интервала:

Определим погрешность округления:

Погрешность не превышает 5%, значит округление выполнено верно.

Результат

Предел допускаемой относительной погрешность измерения частоты сигнала:

Определим абсолютную погрешность измерения частоты:

.
Определим погрешность округления:

Погрешность не превышает 5%, значит округление выполнено верно.
Результат

Задача 2. Изобразить временные диаграммы сигналов на пластинах Y (UY(t)) и X (UX(t)) ЭЛТ в одинаковом временном масштабе, если осциллограф работает в режиме внутренней периодической развёртки. Найти время прямого хода луча Tпр, период развёртки Тр и время обратного хода луча Тобр. Условия заданы в таблице 4.

Для того, чтобы горизонтальная ось выполняла роль координаты времени необходимо на горизонтально-отклоняющие пластины подать линейно-изменяющееся напряжение:

Согласно условию синхронизации [3,стр.10] период сигнала развертки Tp равен целому числу периодов наблюдаемого сигнала Tc :

Tр = nTc,
где n – целое число (в нашем случае n ≥ 2).

Tр ≥ 2∙Tc

Время прямого хода луча Tпр [2, стр.185]:

Tпр = h∙kp = 6∙kp = 3∙Tc

где kp – коэффициент развёртки, его числовое значение не задано.
h – длина отрезка горизонтальной оси х, соответствующая длительности прямого хода луча Tпр .

Время обратного хода луча Tобр [2, стр.170]:

Tобр. = Tр – Tпр = Тр – 3∙Tc

Задача 3. Сигнал на пластинах Y (Uy) и сигнал на пластинах X (Ux) ЭЛТ имеют форму, показанную на рис. 1 (масштаб времени графиков одинаков).
Построить по точкам осциллограмму, которая получится на экране ЭЛТ при условиях, заданных в таблице 5. Обратите внимание, для полного построения осциллограммы необходимо использовать столько периодов сигналов, чтобы фигура «замкнулась» (начался процесс повторения фигуры).
(рис.1)
а)
(рис.1)
г)

Выполним построение согласно заданию [3, стр.15]:

Рис.4.

Если на вертикальные и горизонтальные пластины осциллографа подать два периодических синусоидальных сигнала при отключенной внутренней развертке, то в зависимости от состояния их частот, фазного сдвига и амплитуд на экране осциллографа можно получить устойчивое изображение в виде специфических фигур, известных как фигуры Лиссажу.
Начальная фаза сигналов совпадает, частота второго сигнала в два раза выше (f2 = 2f1, φ1 =0; φ2 = 0). Построенная по интервалам времени фигура Лиссажу приведена на рис. 4(с), и имеет устойчивую форму «восьмерки».
Критерием устойчивости изображения является кратность частот двух сигналов (отношение величин частот равно целому числу) и неизменность фазы.
1. Получение практических навыков работы с электронно-лучевым осциллографом и измерительными генераторами.

Устанавливаем переключатели коэффициентов отклонения каналов I и II в положение «0,2 В/дел». Изменяя напряжение на «Вых1» калибратора фазовых сдвигов получаем на экране изображение вертикальной линии размером 4 деления. Переводим переключатель коэффициента отклонения канала II в положение «0,5 В/дел» и «0,1 В/дел».

Рис.1 Осциллограммы при значениях переключателя отклонения канала II
0,2; 0,1 и 0,5 В

Рис.2 Осциллограммы при значениях переключателя отклонения канала I
0,2; 0,1 и 0,5 В

Изменяя напряжение на «Вых1» и «Вых2» калибратора фазовых сдвигов получаем на экране изображение наклонной линии размером 6 делений по вертикали и горизонтали. Устанавливаем последовательно на калибраторе фазовый сдвиг равным 30, 60, 90, 120, 150 и 180. Получившиеся осциллограммы на рисунке 3.

Рисунок 4 – Осциллограммы для положения переключателя режима запуска развертки «+»,«–» и противоположного

При переключении режима запуска изображение меняется на зеркально отраженное.

Рисунок 5 – Осциллограмма для измерения порога срабатывания

Рассчитаем напряжение порога срабатывания как произведение коэффициента отклонения на линейный размер амплитуды сигнала на экране в делениях.

Измерение напряжения гармонического сигнала.

Таблица 8 — Результаты измерения пикового значения напряжения гармонического сигнала
Частота калибратора №
осциллограммы , (В/дел) h,
(дел) b,
(дел) ,
(%) , (%) ,
(%) U
В, мВ ,
(%) ,
В, мВ Результат измерения напряжения
20 кГц
1
0,1 3,0 0,1 4 1,4 2 0,3 4,7 0,029 30029 мВ
20 кГц 2 0,2 1,4 0,1 4 3,4 2 0,28 5,6 0,034 28034 мВ
20 кГц 3 0,5 0,5 0,1 4 6,7 2 0,25 8,1 0,021 25021 мВ

Расчёт для первого измерения.
Пиковое напряжение сигнала:

Um= h∙k0 = 3,0∙0,1 = 0,3 В.

Визуальная погрешность:

Вычислим погрешность округления:

Полученное значение не превышает 5% , следовательно, округление верно.

Предел допускаемой относительной погрешности измерения напряжения:

Вычислим погрешность округления:

Полученное значение не превышает 5% , следовательно, округление верно.

Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения напряжения:

Полученное значение предела допускаемой абсолютной погрешности измерения округлено в меньшую сторону, так как при округлении в большую сторону до двух значащих цифр, погрешность округления превышает 5%.

Аналогичным образом производим измерения для двух других измерений.

Измерение с помощью осциллографа периода и частоты гармонического сигнала.

Таблица 9 — Результаты измерения периода гармонического сигнала
Частота калибратора n,
число наблюдаемых периодов №
осцилло-
граммы ,
(время/дел) Размер n периодов ,
(дел) b,
(дел) ,
(%) , (%) , (%) Т,
(мкс) ,
(%) ,
(мс) Результат измерения
периода
20 кГц
1
1 10S 5 0,1 4 0,8 0,4 50 4,1 2,1∙10-3 50,02,1мкс
20 кГц 3 2 20S 7,5 0,1 4 1,1 0,59 50 4,1 2,1∙10-3 50,02,1мкс
20 кГц 8 3 50S 8 0,1 4 1,0 0,63 50 4,1 2,1∙10-3 50,02,1мкс

Расчёт для первого измерения.
Период: T = kp∙l /n= 10∙5/1 = 50 мкс.
Предел допускаемой относительной погрешности измерения периода

;

Относительная погрешность, вызванная неточностью определения уровня 0,5 пикового значения сигнала:
Вычислим погрешность округления:

Полученное значение не превышает 5% , следовательно, округление верно

Тангенс α определялся приближённо по точкам максимального и минимального (отрицательного) напряжения:

tg α1 = tg α2 = l/h = 2,5/6

Визуальная погрешность определения временного интервала:

Вычислим погрешность округления:

Полученное значение не превышает 5% , следовательно, округление верно.

Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения периода:

Вычислим погрешность округления:

Полученное значение не превышает 5% , следовательно, округление верно.
Аналогичным образом производим измерения для двух других измерений.

Таблица 10 Результат измерения частоты гармонического сигнала
Частота
калибратора n, число наблюдаемых периодов Т,
мс ,
мс
f,
кГц ,
кГц ,
(%) Результат измерения частоты
20кГц
1
50 2,1∙10-3 20 0,82 4,1 20,000,82 кГц
20кГц
3
50 2,1∙10-3 20 0,82 4,1 20,000,82 кГц
20кГц
8
50 2,1∙10-3 20 0,82 4,1 20,000,82 кГц

Исследование формы и фазового сдвига сигналов в двухканальном режиме.

Вычислим фазовый сдвиг согласно выражению φ =360 , градус , сравните полученный результат с фазовым сдвигом калибратора.
L= 5,0; l = 1,25;

L= 5,0; l = 1,4;

L= 5,0; l = 0,5; .
При измерении фазового сдвига отклонения рассчитанных значений отличаются от заданных калибратором на 0, 1 и 60 для значений углов 90, 100 и 300
соответственно.

Выводы.
С помощью осциллографа выполнены измерения амплитуды и периода гармонического сигнала частотой f = 20 кГц. Измеренная амплитуда напряжения равна 600 мВ, погрешность измерения 5,6%. Погрешность измерения периода 4,1%. Погрешность косвенного измерения частоты не более 4,1%.
Точность измерения напряжения и периода при помощи осциллографа невысокая, но она достаточна в большинстве случаев. Для измерения этих величин с большей точностью необходимо использовать специализированные приборы – вольтметр пикового значения и частотомер.
Осциллограф универсальный измерительный прибор для измерения напряжения и периода сигнала, его можно использовать, если не требуется высокой точности измерений. Кроме того, осциллограф позволяет наблюдать форму сигнала.
С помощью двухканального осциллографа можно наблюдать и измерять фазовый и временной сдвиг между двумя периодическими сигналами. Выполненные измерения фазового сдвига между двумя гармоническими сигналами на лабораторной установке дало погрешность не более 3%.

Список литературы

1. Кушнир Ф. В., Савенко В. Г., Верник С. М. Измерения в технике связи. – М.: Связь, 1976. – 432 с.
2. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи/ Под ред. Б. П. Хромого. – М.: Радио и связь, 1986. – 418 с.
3.Гребцова Л.В., Запасный И. Н., Папэ В.Б., Сметанин В. И. Метрология, стандартизация и серти-фикация. Методические указания к лабораторнойработе № 3.5. «Измерение параметров сигналов электронно-лучевым осциллографом» – Н.: 2009. – 29 с.
4. Запасный И. Н., Сметанин В. И. Метрология, стандартизация и серти-фикация. Контрольное задание и методические указания. – Н.: 2004. – 36 с.