Материал: lab4

Лабораторная работа №4 по дисциплине

«Метрология и электрорадиоизмерения»

Тема: «Динамические измерения. Электронные осциллографы»

Цель работы: исследование метрологических характеристик и применение электронного осциллографа для наблюдения и измерения параметров периодических гармонических и импульсных сигналов.

Продолжительность работы: 4 часа.

Аппаратура: цифровой осциллограф Tektronix TDS 1001B; генератор сигналов NI PXI-5402, NI ELVIS, апериодическое звено.

Москва, 2021 г.

1. Теоретические сведения

1.1Общие сведения

Электронный цифровой осциллограф - измерительный прибор,

предназначенный для наблюдения, измерения и сохранения информации о наблюдаемых электрических сигналах.

Современные осциллографы могут выполнять измерения следующих параметров: входных сигналов, комбинации входных сигналов и результата вычисления одной из математических функций от значений одного или нескольких входных сигналов.

Цифровой осциллограф имеет функцию измерения амплитудных и временных параметров с помощью графических курсоров. Эта функция позволяет получить информацию о положении курсоров на экране, измерять разность положения курсоров на временной оси X и амплитудной оси Y, вычислять обратную величину разности положения курсоров по оси X (вычисление частоты повторения сигнала).

Сигнал, который поступает по одному из аналоговых входов или по входу синхронизации, подвергается преобразованию в цифровую форму представления информации. Преобразование входного аналогового сигнала осуществляется с высокой частотой дискретизации (до 200 МГц). Преобразованный, дискретизированный по амплитуде и времени сигнал, помещается в цифровую память канала и одновременно поступает на высокопроизводительный цифровой микропроцессор, который осуществляет цифровую обработку множества значений аналогового сигнала, полученных в фиксированные моменты времени, вычисляет параметры сигналов и отображает информацию на экран. Также микропроцессор выполняет все виды измерений заданных параметров, различные вычисления и синхронизацию изображения на экране с заданным событием. Благодаря такому построению и принципу работы цифровой осциллографа способен выполнять отображение на экране предыстории сигнала, значение сигнала до момента синхронизации.

Калибратор амплитуды и длительности конструктивно для компенсации щупов входит в состав осциллографа и является функционально самостоятельным средством измерений. В классификации видов средств измерений калибратор относится к группе «Меры».

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Номинальное значение меры - значение величины, указанное на мере или приписанное ей.

Калибраторы осциллографа имеют два назначения:

̶проверка и установка номинальных значений емкостей осциллографа;

̶выполнение измерения амплитуды и временных параметров

электрических сигналов по методу замещения.

Метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого амплитудночастотная характеристика имеет неравномерность не более чем 3дБ относительно ее значения на некоторой средней (опорной) частоте. Для низкочастотных осциллографов полоса пропускания находится в диапазоне от 0 до 1 - 5 МГц; для универсальных осциллографов верхняя частота достигает десятков мегагерц, для высокочастотных - сотен мегагерц.

Полоса пропускания - максимальная частота пропускания прибора и равна частоте, на которой амплитуда сигнала уменьшается до 70,7% значения или на 3дБ (логарифмическая зависимость). Но для цифровых осциллографов следует различать понятия полосы пропускания для повторяющихся сигналов и полосы пропускания для однократных сигналов. Первая из них не зависит от такой характеристики как частота дискретизации, и имеет достаточно высокое значение по той причине, что осциллограф воспроизводит повторяющийся сигнал за несколько запусков. Что касается работы с однократными или с непериодическими сигналами, то в этом случае полоса пропускания зависит от частоты дискретизации, так как осциллографу необходимо захватить и оцифровать полученный сигнал за один такт. При выборе цифрового осциллографа существует правило, что полоса пропускания должна минимум в три раза превышать значения основных частот исследуемых сигналов и чем больше соотношение (может достигать 10:1), тем точнее результат выдает осциллограф.

1.2Фигуры Лиссажу

Фигуры Лиссажу - замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно гармонические колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Вид фигур Лиссажу зависит от соотношения между амплитудами, частотами и фазами обоих колебаний. В случае равенства частот колебаний фигура Лиссажу представляет собой эллипс, который при разности фаз 0 или π вырождается в отрезок прямой, а при разности фаз π/2 и равенстве амплитуд превращается в окружность. Если частоты колебаний не равны, разность фаз изменяется во времени, что приводит к образованию фигур Лиссажу сложной формы как устойчивых, так и динамически изменяющихся во времени.

Если частоты колебаний относятся как целые числа, то через промежуток времени, равный наименьшему кратному обоих периодов колебаний,