1. Цель работы :
Приобретение навыков измерения параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа. Получение сведений о характеристиках и устройстве электронного осциллографа.
Норма для осциллографа класса 2=4.
Предел относительной погрешности результатов измерения напряжения можно оценить по формуле:
Измерения косвенные и предел относительной погрешности результатов измерения периода вычисляется по формуле:
Измерения косвенные, следовательно, предел относительной погрешности результатов измерения угла сдвига фаз можно вычислить по формуле:
Абсолютную погрешность измерений можно определить по формуле:
Задание 1 Измерение с помощью осциллографа амплитуды гармонического напряжения.
a. Установите частоту выходного сигнала калибратора, равной 10кГц.
b. Подберите подходящий коэффициент вертикального отклонения, при котором размер изображения по вертикали (размах изображения) будет максимальным.
c. Подберите такой коэффициент развертки, чтобы на экране умещалось несколько периодов исследуемого напряжения, и было удобно определить размах изображения.
d. Измерьте размах изображения.
e. Запишите в отчет показания осциллографа и калибратора, а также сведения о классе точности используемых средств измерений.
f. Оставляя неизменной частоту исследуемого сигнала, выполните измерения в соответствии с п.п. (b-e) для 5-6 различных значений напряжения на выходе калибратора.
Задание 2 Измерение с помощью осциллографа периода и частоты гармонического напряжения.
a. Установите амплитуду выходного сигнала калибратора, равной примерно 1В.
b. Установите частоту сигнала на выходе калибратора, равной 50Гц.
c. Выберите для измерения канал II осциллографа и включите режим линейной развертки с внутренней синхронизацией (переключатель «Внутр-Внеш» находится в положении «Внутр»).
d. Подберите подходящий коэффициент вертикального отклонения, при котором размах изображения будет максимальным.
e. Подберите такой коэффициент развертки, чтобы на экране умещалось 2-3 периода исследуемого напряжения.
f. Измерьте линейный размер изображения, соответствующий одному периоду исследуемого сигнала.
g. Запишите в отчет показания осциллографа и калибратора.
h. Оставляя неизменной амплитуду исследуемого сигнала, выполните измерения в соответствии с п.п. (d-g), последовательно устанавливая частоту выходного сигнала калибратора, равной 500 Гц, 5 кГц, 50 кГц, 0,5 МГц, 5 МГц.
Задание 2 Измерение с помощью осциллографа угла фазового сдвига
a. Установите на выходах калибратора одинаковое (близкое к максимальному) значение напряжения; частоту сигнала, равную 10 кГц и угол сдвига фаз, равный 30 градусов.
b. Выберите для измерения каналы I+II осциллографа и включите режим линейной развертки с внутренней синхронизацией (переключатель «Внутр-Внеш» находится в положении «Внутр»).
c. Подберите подходящий коэффициент развертки и коэффициент вертикального отклонения.
d. Измерьте линейный размер изображения, соответствующего одному периоду исследуемого сигнала и сдвигу фаз.
e. Запишите в отчет показания осциллографа и калибратора.
f. Оставляя неизменными амплитуду и частоту исследуемых сигналов, включите режим круговой развертки «X-Y» и подберите такие коэффициенты вертикального отклонения, чтобы полученный эллипс занял практически весь экран.
g. Зарисуйте осциллограмму и измерьте размеры отрезков h и H.
h. Запишите в отчет показания осциллографа и калибратора.
i. Оставляя неизменными амплитуду и частоту исследуемых сигналов, выполните измерения в соответствии с п.п. (a-h), последовательно устанавливая величину фазового сдвига, равной 40, 60, 90, 180, 270 и 360 градусам.
5.7 Сохранение результаты
5.8 После сохранения результатов закройте приложение LabVIEW и, при необходимости, выключите компью
Результаты измерения амплитуды гармонического напряжения с помощью электронного осциллографа (частота сигнала 10кГц)
Источник
Пояснения к работе. Помощью осциллографа
Помощью осциллографа
Измерение параметров гармонического напряжения с
Лабораторная работа № 3.5.
Цель работы: Получение сведений о характеристиках и устройстве электронного осциллографа. Приобретение навыков измерения параметров гармонического напряжения, а также фазовых сдвигов с помощью осциллографа.
Задание для домашней подготовки
Используя рекомендованную литературу, изучите следующие вопросы:
— переменное электрическое напряжение и его параметры;
— методы измерения амплитуды, частоты и угла фазового сдвига для синусоидального электрического напряжения;
— методы измерения временных интервалов;
— устройство, принцип действия и основные характеристики электронного осциллографа.
Осциллограф – это универсальное средство измерений для графического отображения зависимости электрического напряжения от времени. Осциллограф является единственным прибором, позволяющим увидеть форму переменного напряжения и измерить одновременно все его параметры. В связи с этим осциллограф незаменим при исследовании периодических негармонических сигналов, а также непериодических сигналов. Только с помощью осциллографа можно определить такие характеристики импульсных сигналов как длительности фронтов, спад вершины импульса, параметры колебательного процесса и многие другие.
Для точного измерения отдельных параметров переменного используются специализированные приборы: вольтметры переменного тока, частотомеры и фазометры. При их применении следует учитывать, что эти приборы в случае негармонических сигналов могут дать некорректные результаты измерений, обусловленные несинусоидальной формой напряжения. В связи с этим для правильной трактовки результатов измерений переменного напряжения, например вольтметром, необходимо предварительно определить форму напряжения осциллографом.
В данной работе с помощью виртуального электронного осциллографа измеряются параметры гармонического напряжения, текущее значение U(t) которого изменяется во времени по синусоидальному закону
где Um – амплитуда, t – время, ω – угловая частота, φ – начальная фаза.
Существует несколько разновидностей электронных осциллографов: универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные, специальные. Наиболее распространены универсальные осциллографы. Рассмотрим упрощенную структурную схему такого прибора (рис. 1).
 |
Рис. 1. Упрощенная структурная схема универсального осциллографа
Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Изображение на экране ЭЛТ возникает в результате перемещения электронного луча по экрану, покрытому люминофором. Перемещение луча в вертикальном направлении происходит под действием электрического поля вертикально отклоняющих пластин, а в горизонтальном направлении – горизонтально отклоняющих пластин.
На вертикально отклоняющие пластины подается управляющее напряжение с выхода усилителя вертикального отклонения (УВО), которое пропорционально амплитуде исследуемого сигнала на используемом входе канала вертикального отклонения «Υ».
На горизонтально отклоняющие пластины подается управляющее напряжение с выхода усилителя горизонтального отклонения (УГО). Если вход УГО подключен к выходу внутреннего генератора развертки, это напряжение имеет пилообразную форму. Если вход УГО с помощью переключателя входов подключен к одному из выходов промежуточного усилителя вертикального отклонения (УВО), напряжение развертки изменяется во времени по такому же закону, как и исследуемое напряжение.
Если напряжение развертки имеет пилообразную форму, луч на экране ЭЛТ будет перемещаться в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. При этом осциллограмма будет иметь вид графика зависимости амплитуды исследуемого сигнала от времени в прямоугольной системе координат.
Входное устройство служит для согласования входа осциллографа с выходом источника исследуемого сигнала. Линия задержки и устройство синхронизации обеспечивают подачу управляющих напряжений на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины в нужные моменты времени.
Калибратор представляет собой встроенный в осциллограф генератор сигнала известной амплитуды и частоты, которые воспроизводятся с высокой точностью (обычно это прямоугольное напряжение «меандр» с частотой 1 кГц). Калибратор используется для проверки и настройки коэффициентов отклонения осциллографа. В данной лабораторной работе используется внешний виртуальный калибратор.
Вид изображения на экране определяются такими характеристиками осциллографа, как коэффициент вертикального отклонения КВ и коэффициент развертки КР. Под коэффициентом отклонения КВ понимают отношение значения напряжения U на входе канала «Y» к величине вертикального перемещения D луча на экране ЭЛТ под воздействием этого напряжения:
Коэффициент КВ имеет размерность В/дел, мВ/дел (имеется в виду «большое» деление).
Под коэффициентом развертки Кр понимают отношение значения времени Тп прямого хода луча к величине горизонтального перемещения L луча на экране ЭЛТ за время Тп
Коэффициент Кр имеет размерность мс/дел, мкс/дел.
Фиксированные калиброванные значения коэффициентов КВ и Кр устанавливаются с помощью поворотных переключателей на передней панели осциллографа. Калиброванные значения КВ и Кр соответствуют ряду (1, 2, 5) × 10 n , где n = –3; –2; –1; 0; 1; 2. Основные погрешности коэффициентов отклонения КВ и Кр нормируется в соответствии с классом осциллографа (табл. 1).
Таблица 1. Метрологические характеристики электронных осциллографов
| Наименование параметра | Норма для осциллографов класса |
| Основная погрешность измерения напряжения, % не более | |
| Основная погрешность коэффициентов отклонения, % не более | 2,5 |
| Основная погрешность измерения временных интервалов, % не более | |
| Основная погрешность коэффициента развертки, % не более | 2,5 |
| Неравномерность вершины переходной характеристики, % не более | 1,5 |
Измерение с помощью осциллографа амплитуды гармонического напряжения Um методом непосредственной оценки проводится в соответствии с соотношением
где D – вертикальный размер изображения синусоиды от верхнего до нижнего края в делениях шкалы (двойная амплитуда).
Погрешность измерения амплитуды напряжения зависит от погрешности коэффициента отклонения ΔКв и ширины линии луча на экране осциллографа. Часто приходится учитывать также погрешность от параллакса, вызванную тем, что свечение люминофора возникает на внутренней поверхности экрана ЭЛТ, а координатная сетка нанесена на внешней поверхности защитного стекла. Толщина стекла экрана и защитного стекла (аналог расстояния между стрелкой и шкалой у стрелочных приборов) и служит причиной этой погрешности. Погрешность от параллакса проявляется, если направление взгляда оператора отклоняется от нормали к поверхности экрана. Погрешности, обусловленные шириной линии луча и параллаксом, примерно постоянны (порядка 0,1 деления шкалы). Поэтому, чем больше вертикальный размер осциллограммы, тем меньшую относительную погрешность дают эти составляющие.
Абсолютная погрешность измерения амплитуды напряжения рассчитывается по формуле
(2)
где γm – основная погрешность измерения напряжения для осциллографов 2 класса (табл. 1), %;
N = 8 – количество делений экрана по вертикали.
Относительная погрешность измерения амплитуды напряжения с учетом выражения (1) определяется по формуле, %
(3)
где Um – измеренная амплитуда гармонического напряжения.
Отсюда следует, что относительная погрешность δm снижается при увеличении размера изображения D. При D = N погрешность принимает минимальное значение δm = γm.
Измерение периода Т гармонического напряжения методом непосредственной оценки выполняется в соответствии с выражением
где L – период синусоиды на экране ЭЛТ в делениях шкалы.
Зная период, можно найти частоту колебаний
Абсолютная погрешность измерения периода сигнала
(6)
где γТ – основная погрешность измерения временных интервалов для осциллографов 2 класса (табл. 1), %;
N = 8 – количество делений экрана по горизонтали.
Относительная погрешность измерения периода напряжения, %
(7)
Отсюда следует, что относительная погрешность δT снижается при увеличении размера изображения L. При L = N погрешность принимает минимальное значение δT = γТ.
Относительная погрешность измерения частоты δf определяется из соотношения
Абсолютная погрешность измерения частоты
Если φ1 и φ2 не зависят от времени, то угол φ постоянен. При φ = 0 гармонические напряжения называются синфазными, при φ = ± π – противофазными.
 |
Рис. 2. Измерение угла сдвига фаз способом линейной развертки
Измерение угла сдвига фаз с помощью осциллографа может выполняться способом линейной развертки или способом эллипса (фигур Лиссажу). В первом случае оценивается сдвиг кривых U1(t) и U2(t) по горизонтали на экране двухлучевого осциллографа. Значение угла сдвига фаз φ в градусах вычисляют по формуле
(10)
где ab и ac – измеренные длины отрезков осциллограммы, дел (рис. 2).
Абсолютная погрешность измерения угла сдвига фаз методом линейной развертки составляет ± (5…10)°.
При измерении фазового сдвига способом эллипса (фигур Лиссажу) напряжение U1(t) подается на вход канала вертикального отклонения осциллографа, а U2(t) – на вход канала горизонтального отклонения. Генератор линейной развертки при этом выключен. На рис. 3 показано изображение, которое получается на экране при разных углах фазового сдвига.
Рис. 3. Измерение угла сдвига фаз способом эллипса
Угол сдвига фаз определяют по формуле
(11)
где h и H – длины отрезков, измеренные на осциллограмме, дел (рис. 3).
Перед измерением h и H необходимо совместить центр эллипса с началом координат шкалы. Для этого поочередно отключают напряжения U1(t) и U2(t) и совмещают середины получаемых вертикального и горизонтального отрезков с центром шкалы. Из формулы (6) следует, что результаты измерений однозначно интерпретируются только в диапазоне от 0 до 180 о . Погрешность измерения не превышает ± 2 о при углах φ, близких к 0 и 180 о . При углах φ, близких к 90 о , погрешность возрастает до ± 10 о .
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник