ЛБ №17

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ
Поволжская Государственная Академия Телекоммуникаций и
Информатики
Кафедра «ЛС и ИТС»
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
к лабораторной работе № 17
по курсу «МС и С»
«Поверка и калибровка осциллографа»
Составил: к.т.н., доцент
Горбков А.Г.
Редактор: к.т.н., доцент
Баскаков В.С.
Рецензент: к.т.н., доцент
Крыжановский А.В.
Корректор Вяткина С.С.
Подписано в печать 01.04.2007г. Формат 60х84/14
Ус. п.л. – Уч. из.л. -2.1
Печать оперативная. Тираж 300 экз.
Ротапринт ПГАТИ
Самара 2007г.
3) По полученным экспериментальным данным определяем
значение периода образцового сигнала
l m
Tx  x x
n
4) Сравниваем измеренное значение параметра сигнала –
« Tx » с исходным образцовым значением параметра сигнала –
« T0 »
T  Tx  T0
5) Определяем погрешность калибровки осциллографа для
конкретного коэффициента « m x »
T
T 
 100 %
T0
Примечание
Полученные при калибровке каналов Y и X значения
погрешностей являются исходными данными для оценки точности
полученных измерений.
Общая суммарная погрешность измерения не должна превышать
10%. Она разлагается на составляющие части:
 и   кал иб.   ист.сигн.   операт.
И делается, согласно данному разложению вывод.
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение устройства и режимов работы электронного
осциллографа, способов его калибровки и поверки. Получение
практических навыков работы с электронным осциллографом.
2. ЛИТЕРАТУРА
2.1. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи:
Учебное пособие для вузов/ Б.П.Хромой, А.В.Кандинов,
А.Л.Синявский и др.; Под ред. Б.П.Хромого – М.: Радио и
связь, 1986, с. 166 – 190, 200 – 206.
2.2. Метрология и электрорадиоизмерения в
телекоммуникационных системах: Учебник для вузов/
В.И.Нефедов, В.И.Хахин, и др.; Под ред. В.И.Нефедова – М.:
Высшая школа, 2001, с. 174 – 186.
3. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
3.1. Изучить работу электронного осциллографа.
3.2. Подготовить конспект с краткими ответами на контрольные
вопросы.
3.3. Подготовить бланк отчета, содержащий таблицы и схемы
измерений.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
16
4.1. Назначение электронных осциллографов?
4.2. Какие каналы управления электронным лучом содержит
осциллограф?
4.3. Назначение, устройство и режимы работы канала
вертикального отклонения?
4.4. Назначение, устройство и режимы работы канала
горизонтального отклонения?
4.5. Назначение, устройство и режимы работы канала управления
яркостью?
1
4.6. Назначение, устройство и режимы работы генератора развертки?
4.7. Назначение и виды синхронизации при линейной развертке?
4.8. Какие развертки используются в осциллографе?
4.9. Назначение и устройство калибратора амплитуды и
длительности?
4.10. Как производится измерение осциллографом напряжения?
4.11. Как производится измерение осциллографом частоты при
линейной развертке?
4.12. Как производится калибровка канала вертикального
отклонения?
4.13. . Как производится калибровка канала горизонтального
отклонения?
5) Определяем погрешность калибровки осциллографа для
конкретного коэффициента « m y »
U
 100 %
U0
Калибровка канала горизонтального отклонения
Она проводится по той же схеме и тому же алгоритму, как и
для канала вертикального отклонения:
U 
1) Сигнал с калибратора подаётся на вход канала Y. На экране
имеем сигнал (рис. 5)
5. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
5.1. Произвести осциллографом измерение параметров трех
синусоидальных сигналов.
5.2. Оценить погрешность проведенных измерений.
5.3. По каждому диапазону измерений произвести калибровку
каналов вертикального и горизонтального отклонения.
5.4. Сравнить точность калибровки каналов вертикального и
горизонтального отклонения с точностью проведенных
измерений.
5.5. Сделать выводы:
- о точности настройки используемых каналов вертикального и
горизонтального отклонения;
- о правильности проведенных измерений.
6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать:
6.1. Титульный лист с указанием кафедры, наименованием работы,
Ф.И.О. студента, номера учебной группы.
2
Рис. 5
Период данного сигнала должен занимать не менее 1-го
деления. Если данное условие не соблюдается, то берём «N»
периодов, чтобы суммарное значение « l x » было не менее 1-го
деления.
2) По осциллограмме для выставленного ручкой «Время/дел»
значения « m x » определяем значения « l x » и «n».
15
оценивается от уровня значения погрешности, полученной при
калибровке).
Калибровка канала вертикального отклонения
Она проводится по следующей схеме:
1)
Сигнал с калибратора подаём на вход канала Y. На экране
осциллографа имеем сигнал (рис.4)
6.2. Цель работы.
6.3. Схемы измерений, с указанием используемых приборов.
6.4. Таблицы с результатами измерений и расчетов.
6.5. Выводы.
6.6. Подпись и дату выполнения лабораторной работы.
7. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
РАБОТЫ
7.1. Измерение заданных параметров сигнала в режиме линейной
калиброванной развертки.
7.1.1. Собрать схему установки для измерения осциллографом
параметров синусоидальных сигналов, согласно рис. 1.
Рис.4
Амплитуда калибровочного сигнала должна занимать не менее
(23) делений.
2) По осциллограмме, для выставленного ручкой «В/дел»
значения: « m y » определяем значение « H y ».
3) Определяем по полученным экспериментальным данным
значение амплитуды образцового сигнала
U x  H y  my
4) Сравниваем измеренное значение сигнала « U x » с исходным
образцовым значением сигнала « U 0 »
U  U x  U 0
14
Рис. 1
7.1.2. Установить на генераторе параметры синусоидального
сигнала (значения задаваемых параметров сигнала «Uг» и
«fг» определяются по табл. 1) для чего:
- установить предел шкалы «Uк»;
3
- ручкой «регулировка вых.» задать по шкале вольтметра,
встроенного в генератор, требуемое значение амплитуды сигнала
«Uг»;
- ручкой «множитель частоты» задать шкалу частот;
- ручкой лимба на заданной шкале частот выставить требуемое
значение частоты «fг».
7.1.3. Измерить с помощью осциллографа амплитуду
синусоидального сигнала, для чего на осциллографе:
- установить переключатель «V/дел.» так, чтобы сигнал на экране
ЭЛТ занимал 5-6 дел.;
- установить переключатель «Время/дел.» в положение, при котором
на экране ЭЛТ наблюдается 2-3 периода исследуемого сигнала;
- регулировкой ручки «Уровень» добиться устойчивого изображения
исследуемого сигнала;
- подсчитать количество делений «Hу» по вертикали,
соответствующее размаху сигнала;
- занести в табл.2 значения «Hу», «mу» и «Uг» (значение задаваемых
параметров сигнала «Uг» и «fг» определяется по табл.1.)
- произвести расчеты амплитудного «Um» и среднеквадратичного
значения напряжения «U» по формулам:
Um 
U
my  H y
2
m y H y
Um

2
2 2
- определить погрешности измерений по формулам:
 абсолютной ∆ U = U − Uг ;
U
100 %
 относительной U 
U
Полученные данные занести в табл.2
4
- входные сопротивления и емкости каналов Y, X и Z;
- диапазон частот и амплитуд напряжения внешней синхронизации
(канал X);
- диапазон частот и амплитуд напряжения в канале Z;
- параметры сигнала на выходе калибратора (амплитуда,
частота, форма).
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
КАЛИБРОВКА КАНАЛОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО И
ГОРИЗНТАЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЯ
Во всех осциллографах есть встраиваемая мера – это калибратор
амплитуды и длительности. С него подаётся образцовый сигнал на
вход канала Y для:
1) Поверки его работоспособности;
2) Его аттестации и калибровки.
Калибровка осциллографа проводится отдельно по каждому
каналу:
- калибровка канала вертикального отклонения проводится по
амплитуде образцового сигнала, в единицах напряжения;
- калибровка канала горизонтального отклонения проводится
по периоду образцового сигнала, в единицах времени.
Калибровать каналы можно как для всего диапазона значений
коэффициентов отклонений и развёртки: « m y » и « m x » (это
проводится при аттестации осциллографа в целом), так и только
для используемых его значений. (Это делается при оценке
точности самого измерения. Погрешность измерения в этом
случае
13
усилитель - ограничитель (УО), для формирования импульсов
подсветки, а также устройство управления яркостью луча (УУЯЛ).
Сигнал с его выхода поступает на модулятор ЭЛТ.
Сигнал формируемый в канале Z определяет яркостные градации
отображаемого сигнала. Если на его вход "Bx.Z" не подается внешний сигнал,
то яркость луча в процессе измерения остается постоянной. При подаче на
внешний вход "Bx.Z" периодического сигнала в канале Z формируется,
согласно частоте внешнего сигнала, световая шкала меток времени.
Калибратор амплитуды и длительности (К) включается в состав
осциллографа как встроенная мера, формирующая образцовый сигнал по
которому настраиваются каналы Y и X. Сигнал калибратора выводится на
переднюю панель осциллографа и с помощью соединительного
кабеля может быть подан на вход канала Y.
Каналы осциллографа Y, X и Z включаются в схему измерения,
исходя из используемого способа измерения. В общем случае на вход
канала Y подается измеряемый сигнал. На входы каналов X и Z вспомогательные сигналы. Сигнал, формируемый в канале X, определяет
вид преобразования входного сигнала. В режиме линейной развертки в
канале X формируется линейно изменяющийся пилообразный сигнал, и
сигнал, подаваемый на вход Y, отображается на экране осциллографа без
изменения своей формы. Он представляет собой временную зависимость
U y (t) в декартовой системе координат. В режиме усиления внутренний
генератор развертки в канале X отключен. Канал X работает в режиме
усиления входного сигнала. Сигнал, подаваемый на вход Y,
отображается на экране осциллографа преобразованным, согласно
зависимости U y ( U x ). Это может быть параметрическая зависимость,
эллипс или фигуры Лиссажу.
Основными характеристиками осциллографа являются:
- диапазон измеряемых напряжений;
- диапазон измеряемых интервалов времени;
- полоса пропускаемых частот (канал Y);
- диапазон значений коэффициента отклонений;
- диапазон значений коэффициента развертки;
12
Табл.1
№
бригады
1
2
3
4
5
6
7
8
Параметры синусоидального сигнала
U1(В) f1(кГц) U2(В) f2(кГц) U3(В)
f3(Гц)
0.10
0.25
1.00
5.00
10.00
100
0.25
0.50
2.50
2.50
5.00
200
050
1.00
2.00
2.00
4.00
300
0.75
1.25
1.00
1.50
2.00
400
1.00
1.50
0.75
1.25
0.50
500
2.50
2.00
0.50
1.00
0.25
600
5.00
2.50
0.25
0.50
1.00
700
10.00
5.00
1.00
0.25
0.10
800
Табл.2
Исх.
данные
№
измерений
Uг (В)
Измеренные
данные
Hу
(дел)
mу
(В/дел)
Расчетные
значения
напряжения
Погрешность
измерений
Um
∆U
U
δU
1
2
3
7.1.3. Измерить с помощью осциллографа период и частоту
синусоидального сигнала (режим линейной калиброванной
развертки) для чего:
- подсчитать количество делений «Hx» по горизонтали,
соответствующее периоду синусоидального сигнала;
- занести в табл.3 значения «Hx», «mx» и «fг».
- произвести расчет периода «Tx» и частоты синусоидального
сигнала «fx» по формулам:
5
Tx = mx ∙ Hx
1
fx 
Tx
- определить погрешность измерений по формулам:
 абсолютной ∆ f = f ─ fг ;
f
100 %
 относительной f 
fг
Полученные результаты занести в табл.3.
№
измерений
Исходные
данные
fг (кГц)
Измеренные
данные
Hx
mx
(дел) (мс/дел)
Расчетные
значения
Т
f
Табл.3
Погрешность
измерений
δf
нажатии
специальной
кнопки,
формируя
однократное
пилообразное напряжение.
В канале X имеется также усилитель горизонтального
отклонения (УГО), который может работать в двух режимах:
режиме линейной развертки и в режиме усиления входного
сигнала. Выбор режима работы усилителя определяется
положением переключателя (П). С помощью переключателя (П)
вход усилителя (УГО) присоединяется к выходу генератора
развертки, тогда усилитель работает в режиме линейной развертки,
или к зажимам "Вх.Х", тогда усилитель работает в режиме
усиления входного сигнала. Выходное двухфазное напряжение с
усилителя поступает на пластины X.
Канал Z служит для управления яркостью луча ЭЛТ.
Он содержит
∆f
1
2
3
7.2. Калибровка используемых каналов измерения по встроенному в
осциллограф калибратору амплитуды и длительности.
7.2.1. С помощью ручек осциллографа «Вольт/деление» и
«Время/деление» выставляем параметры используемых нами
каналов Y и X:
- значения «mу» и «mx» (Значения «mу» и «mx» берем из табл.2 и
табл.3).
7.2.2. На калибруемый канал измерения подаем с калибратора
образцовый сигнал, для чего:
- выход калибратора подсоединяем ко входу канала Y;
- переключателем «Ω 2 кГц» подаем на вход канала Y с калибратора
прямоугольные импульсы частотой 2 кГц.
На экране осциллографа появляется сигнал следующего вида (рис.2):
6
Рис.3
11
вертикального отклонения), на выходе которого вырабатывается
симметричный противофазный сигнал, поступающий на две
вертикально отклоняющие пластины Y.
Канал X управляет горизонтальным отклонением луча.
Одновременное воздействие двух напряжений " U x " и " U y " на
электронный луч трубки и вызывает появление осциллограммы,
отображающей зависимость U y = f ( U x ). Напряжение U x называют
развертывающим, а канал X - каналом развертки. Главным узлом
канала X является генератор развертки (ГР), вырабатывающий линейно
изменяющее пилообразное напряжение, пропорциональное времени
( U x = mt). Для управления частотой развертывающего напряжения
используется напряжение синхронизации, поступающее через схему
синхронизации (СС) и формирующее устройство (ФУ). Это
напряжение может формироваться из входного сигнала - режим
внутренней синхронизации, из внешнего сигнала - режим внешней
синхронизации и из напряжения сети - режим синхронизации от сети.
Режим синхронизации определяется пользователем.
Как правило, в осциллографе используется три режима
работы генератора развертки: автоколебательный, ждущий и режим
одиночного запуска.
В автоколебательном режиме генератор развёртки работает
непрерывно. Его период синхронизируется периодом сигнала,
поступающего на схему синхронизации.
В ждущем режиме генератор развертки находится в
состоянии готовности к рабочему ходу. Запускается генератор
развертки только при поступлении импульсов синхронизации,
формируемых в режиме внутренней или внешней синхронизации из
проходящих импульсов. Каждый рабочий ход развертки
начинается с приходом синхронизирующего импульса.
В режиме одиночного запуска генератор развертки находится
в состоянии готовности к рабочему ходу. Запускается генератор
развертки одиночным импульсом с последующей блокировкой при
10
Рис.2
7.2.2. Калибровка канала вертикального отклонения:
- по осциллограмме для выставленного значения «mу» определяем
значение Hу;
- по полученным данным рассчитываем значение сигнала Ux:
Ux = m у ∙ H у
- сравниваем измеренное значение Ux с образцовым значением U0
и определяем погрешность калибровки:
∆U = Ux ─ U0
U
U 
100 %
U0
- полученные экспериментальные и расчетные значения заносим в
табл.4.
Табл.4
Исходные Измеренные Расчетные Погрешность
№
данные
значения
значения
калибровки
измерения
U0
mу
Hу
Ux
∆U
δU
1
2
3
7
7.2.3. Калибровка канала горизонтального откланения:
- по осциллограмме для выставленного значения «mx» определяем
значение «Hx»;
- по полученным данным рассчитываем период сигнала Tx:
Tx = mx ∙ Hx
- сравниваем измеренное значение Tx с образцовым значением
T0=0,5 мс и определяем погрешность калибровки:
- если «δU» и «δT» при калибровке превышают 5%, то осциллограф
нуждается в настройке;
- если «δU» и «δT» при измерении превышают более, чем на 5%,
значения погрешностей, определенные при калибровке
осциллографа, то измерения сделаны некачественно;
- нужно оценить свои измерения, сравнив погрешности измерений,
калибровки и генератора.
∆T = Tx ─ T0
T
T 
100 %
T0
- полученные экспериментальные и расчетные значения заносим в
табл.5
№
измерения
Исходные
данные
T0
mx
Измеренные Расчетные
значения
значения
Hx
Tx
Табл.5
Погрешность
калибровки
∆T
δT
1
2
3
7.3. Оценка проведенных измерений:
- класс точности генератора низкой частоты – F2,0 U2,5. если
погрешности измерений укладываются в эти значения – измерения
корректны;
- погрешность измерений не должна превосходить максимальную
более чем на 5% (точность настройки осциллографа – 5%):
δUmax = δUкалибр + δUг
δTmax = δTкалибр + δTг
8
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ
ОСЦИЛЛОГРАФА
Структурные схемы осциллографов различных типов могут в
некоторых деталях отличаться друг от друга, однако в основном
они соответствуют обобщенной структурной схеме,
изображенной на рис.3
Универсальный осциллограф
состоит
из электроннолучевой трубки (ЭЛТ),
трех
электрических
каналов
управления лучом: - канала вертикального отклонения (канала
Y),
канала горизонтального отклонения (канала X) и канала
управления яркостью (канала Z), калибратора и блока питания
(на схеме не показан).
Канал Y управляет вертикальным отклонением луча .
Он содержит аттенюатор (Ат) для ослабления больших
сигналов, предварительный усилитель (ПУ) для усиления малых
сигналов, линию задержки (ЛЗ) для небольшой временной
задержки сигнала, оконечный усилитель (УВО - усилитель
9