Лаб. работа: Измерение параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа

1. Цель работы

 

Приобретение навыков измерения параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа. Получение сведений о характеристиках и устройстве элект­ронного осциллографа.

2. Сведения, необходимые для выполнения работы

 

Повторите вопросы обработки и представления результатов прямых и косвенных измерений и, используя рекомендованную литературу [4, 5, 10, 14], настоящее описание и приложение 1 к Практикуму, ознакомьтесь со следующими вопросами:

• Переменное электрическое напряжение и параметры, которые его характе­ризуют.

• Измерение амплитуды, частоты и угла фазового сдвига для синусоидально­го электрического напряжения.

• Измерение длительности временных интервалов.

• Устройство, принцип действия и основные характеристики электронного осциллографа.

• Содержание и способы реализации методов измерения, используемых при выполнении работы.

• Устройство и характеристики средств измерений, используемых при выполнении работы.

Гармоническое напряжение характеризуется тем, что его текущее значение U(t) изменяется с течением времени по синусоидальному закону:

 

U(t) = U₀sin(ωt + φ), (3.5.1)

 

где U₀ - амплитуда гармонического напряжения, t - время, ω - угловая частота гармонического напряжения, (ωt + φ) - фаза, а φ - начальная фаза гармонического напряжения.

Существует множество измерительных приборов, позволяющих измерять от­дельные параметры гармонического напряжения. Это аналоговые и цифровые вольтметры переменного тока, частотомеры и фазометры различных видов и сис­тем. С помощью этих приборов можно добиться высоких показателей точности измерении, обеспечить выполнение измерении в широком диапазоне амплитуд и частот, провести измерения как в лабораторных, так и в цеховых условиях. Однако ни одно из перечисленных средствизмерений не позволяет измерить одновре­менно все параметры гармонического напряжения и не обладает таким дружественным пользовательским интерфейсом, кик электронный осциллограф.

Электронные осциллографы обеспечивают возможность наблюдения функ­циональной связи между переменными величинами, одной из которых, как пра­вило, является время. При измерении гармонического напряжения изображение, наблюдаемое на экране осциллографа (осциллограмма), несет информацию о значениях амплитуды и частоты (периода) напряжения и, если осциллограф двухлучевой, о разности фаз между двумя гармоническими напряжениями. Осциллографические измерения можно выполнять в широком диапазоне частот, в электрических цепях различного назначения (промышленных, радиотехниче­ских, компьютерных и т. д.), в лабораторных и цеховых условиях. Все эти преиму­щества в значительной степени искупают основной недостаток осциллографических измерений - невысокую точность.

Существует несколько разновидностей электронных осциллографов, а именно универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные. Универсальные осциллографы наиболее распространены. Рассмотрим упрощен­ную структурную схему такого прибора (рис. 3.5.1).

 

 

Рис. 3.5.1. Упрощенная структурная схема универсального осциллографа: ЭЛТ - электронно-лучевая трубка, УВО - усилитель вертикального отклонения, УГО - усилитель горизонтального отклонения

 

Осциллограмма на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) возникает в результате перемещения электронного луча по поверхности экрана, покрытого лю­минофором. Перемещение в вертикальном направлении происходит под действием электрического поля вертикально отклоняющих пластин, а в горизонтальном направлении - горизонтально отклоняющих.

На вертикально отклоняющие пластины подается управляющее напряжение с выхода усилителя вертикального отклонения (УВО). Значение этого напряжения пропорционально амплитуде исследуемого напряжения на одном из входов канала вертикального отклонения «Y». На горизонтально отклоняющие пластины подается управляющее напряжение с выхода усилителя горизонтального от­клонения (УГО). Если вход УГО подключен к выходу 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 линейную пилообразную форму, луч на эк­ране ЭЛТ будет перемещаться в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. В результате осциллограмма представит собой график зависимости амплитуды исследуемого сигнала от времени, изображенный в прямоугольных координатах.

Входное устройство служит для согласования входа осциллографа с выходом источника исследуемого сигнала. Линия задержки и устройство синхронизации служат в первую очередь для того, чтобы синхронизировать между собой момен­ты прихода управляющих напряжений на вертикально и горизонтально отклоня­ющие пластины. Калибраторы длительности и амплитуды представляют собой встроенные в осциллограф генераторы сигналов, амплитуда и частота выходного напряжения которых известны и воспроизводятся с высокой точностью.

Из сказанного ясно, что погрешность в воспроизведении формы исследуемого сигнала на экране ЭЛТ будет определяться в первую очередь двумя факторами:

1) точностью, с которой соблюдается отношение пропорциональности между текущим значением исследуемого напряжения и значением управляющего напряжения, приложенного к вертикально отклоняющим пластинам;

2) точностью, с которой соблюдается постоянство скорости луча при его перемещении вдоль горизонтальной оси ЭЛТ.

Для нормирования этих факторов используются такие метрологические характеристики осциллографа, как коэффициент отклонения канала «Y» - К_в, называемый также коэффициентом вертикального отклонения, и коэффициент развертки – К_р.

Под коэффициентом отклонения понимают отношение значения напряжения U на входе канала вертикального отклонения к величине вертикального перемещения h луча на экране ЭЛТ, произошедшего под воздействием этого напряжения:

 

К_в = U/h. (3.5.2)

 

Таблица 3.5.1. Нормы на метрологические характеристики осциллографа

Параметр	Норма для осциллографа класса
I	II	III	IV
Основная погрешность коэффициента отклонения, %, не более	2,5
Основная погрешность коэффициента развертки, %, не более	2,5

 

Эта величина имеет размерность В/см, мВ/см или В/дел, мВ/дел. Выбор раз­мерности зависит от того, в каких единицах измеряется перемещение луча - в сан­тиметрах или делениях шкалы координатной сетки, нанесенной на экран ЭЛТ осциллографа. Коэффициент отклонения характеризуется диапазоном калибро­ванных значений и основной погрешностью. Калиброванные значения выбира­ются из ряда К_в (1, 2, 5) × 10ⁿ, где n = -3, -2, -1, 0, 1 и 2. Основная погрешность К_в нормируется в соответствии с классом осциллографа (см. табл. 3.5.1).

Под коэффициентом развертки К_р понимают отношение длительности прямо­го хода Т_п луча на экране ЭЛТ к величине произошедшего за время Т_п горизон­тального перемещения L луча на экране ЭЛТ:

 

К_р = Т_п/L. (3.5.3)

 

Эта величина имеет размерность время/см, или время/дел. Коэффициент раз­вертки характеризуется диапазоном калиброванных значений и основной по­грешностью. Калиброванные значения выбираются из ряда К_в (1, 2, 5) × 10ⁿ, где n = -3, -2, -1, 0, 1 и 2. Основная погрешность К_р нормируется в соответствии с классом осциллографа (табл. 3.5.1).

Измерения с помощью осциллографа можно проводить как методом непосред­ственной оценки, так и методом сравнения с мерой.

Измерение значения напряжения методом непосредственной оценки сводится к определению К_п, фактически являющегося ценой деления шкалы, и к определе­нию вертикальных размеров изображения h на экране ЭЛТ. Оценка значения из­меряемого напряжения U_х получается из соотношения

 

U_х = К_в · h. (3.5.4)

 

Определение коэффициента К_в проводится путем калибровки канала верти­кального отклонения. Эта процедура выполняется с помощью калибратора амп­литуды (рис. 3.5.1). Из соотношения (3.5.4) видно, что оценка значения измеряе­мой величины выполняется на основании известной зависимости между искомой величиной и другими величинами, значения которых получают в результате пря­мых измерений. Таким образом, осциллографические измерения методом непос­редственной оценки являются косвенными измерениями. Следовательно (см. работу 1.1), предел относительной погрешности результатов измерения напряже­ния можно оценить по формуле

 

∆U_х/ U_х = ∆К/К + ∆h/h. (3.5.5)

 

Как указывалось, погрешность коэффициента отклонения определяется классом осциллографа. Ясно, что это инструментальная составляющая погрешности. Погрешность определения размеров изображения ∆h зависит, в первую очередь, от толщины линия луча на экране ЭЛТ. Ширина линии в зависимости от размытости и расфокусировки изображения на экране составляет от 0,2 мм до 1,0 мм, для разных типов осциллографов. Таким образом, погрешность определения размеров изображения на экране также по своей сути является инструментальной, но в нее входит и погрешность параллакса при снятии отсчетов, поэтому погрешность определения размеров изображения на экране осциллографа обычно называют погрешностью отчета. Погрешность отсчета тем меньше, чем больше размер изображения, наблюдаемого на экране, и чем тоньше луч. Современные осциллографы имеют поперечные размеры экрана до 10-15 см, типовая погрешность отсчета для них составляет от 0,5% до 2%.

При измерении напряжения с помощью осциллографа методом сравнения с мерой используется разновидность метода, известная как метод замещения. Метод замещения состоит в том, что измеряемая величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой (например, встроенным калибратором амплитуды). Напряжение на выходе калибратора, при котором показания осциллографа такие же, как при измерении искомого напряжения, равно измеряемому значению.

Измерение периода Т гармонического напряжения методом непосредственной оценки выполняется практически так же, как измерение U_х, и сводится к определению К_р, являющегося ценой деления шкалы, и к определению горизонтальных размеров изображения L на экране ЭЛТ. Отличие заключается в том, что для калибровки коэффициента К_р, используется калибратор длительности. Оценка длительности измеряемого периода производится по формуле

 

Т = К_р · L (3.5.6)

 

Измерения косвенные, и предел относительной погрешности результатов измерения периода вычисляется по формуле

 

∆Т/ Т = ∆К_р/К_р + ∆L/L. (3.5.7)

 

Частота колебаний - величина, обратная их периоду. Сначала с помощью осциллографа измеряется значение периода Т исследуемого напряжения, а значение частоты f в герцах определяется но формуле f = 1/Т. Для определения значения круговой (циклической) частоты ω служит соотношение ω = 2πf.

При измерении периода и частоты с помощью осциллографа методом сравнения с мерой используется разновидность метода, называемая методом совпадения. Метод совпадения состоит в том, что разность значений измеряемой величи­ны и величины, воспроизводимой мерой (например, встроенным калибратором длительности или образцовым генератором сигналов), определяют, используя со­впадение отметок шкал или периодических сигналов. Именно таким образом вы­полняются измерения методом интерференционных фигур (фигур Лиссажу) и методом круговой развертки.

Угол сдвига фаз представляет собой модуль разности фаз двух гармонических сигналов U₁(t) и U₂(t) одинаковой частоты. Таким образом, если U₁(t) = U_1msin(ωt + φ₁), а U2(t) = U_2msin(ωt + φ₂), то согласно определению угол сдвига фаз φ равен:

 

φ = φ₁ – φ₂, (3.5.8)

 

если φ₁ и φ₂ постоянны во времени, то φ от времени не зависит. При φ = 0 гармони­ческие напряжения называются синфазными, при φ = ±π -противофазными.

Измерение угла сдвига фаз методом не посредственной оценки может выпол­няться способом линейной развертки или способом эллипса (фигур Лиссажу). В первом случае на экране двухлучевого осциллографа получают изображение кривых U₁(t) и U₂(t), взаимное расположение которых несет искомую информа­цию (рис. 3.5.2). Значение угла сдвига фаз φ в градусах вычисляют по формуле

 

φ = 2π × (ab/ac), (3.5.9)

 

где аb и ас - длина соответствующих отрезков осциллограммы. Измерения кос­венные, следовательно, предел относительной погрешности результатов измере­ния угла сдвига фаз можно вычислить по формуле

 

∆φ/φ = (∆ab/ab) + (∆ac/ac). (3.5.10)

 

Рис. 3.5.2. Измерение угла сдвига фаз способом линейной развертки

Соотношением (3.5.10) можно пользоваться, если погрешности, обусловлен­ные смещением горизонтальных осей изображения относительно друг друга и не­линейностью развертки, достаточно малы. В целом абсолютная погрешность из­мерения этим методом составляет, как правило, ±(5° + 10°).

Несколько лучшие результаты могут быть достигнуты при использовании способа эллипса (фигур Лиссажу). При выполнении измерении этим способом одно из напряжений подается на вход канала вертикального, а другое - горизон­тального отклонения осциллографа. Генератор линейной развертки при этом выключен. На рис. 3.5.3 показано изображение, которое получается на экране при разных углах фазового сдвига.

 

 

Рис. 3.5.3. Измерение угла сдвига фаз способом эллипса

 

При использовании способа эллипса угол сдвига фаз можно определить по формуле

 

φ = arcsin(h/H), (3.5.11)

 

где h и Н - длина отрезков на осциллограмме (рис. 3.5.3).

Перед измерением h и Н необходимо совместить центр эллипса с началом координат шкалы. Для этого поочередно отключают напряжения U_x и U_y и совмещают середины полученных вертикального и горизонтального отрезков с центром шкалы. При использовании метода результаты измерения, как видно из формулы (3.5.11), однозначно интерпретируются только в диапазоне от 0 до 180°. Абсолют­ную погрешность измерений можно определить по формуле

 

(3.5.12)

 

Эта погрешность не превышает ±2° при φ, близких к 0 или 180°, и возрастает до ± 10° при приближении φ к 90°.

При измерении угла сдвига фаз методом сравнения с мерой используется раз­новидность метода, называемая нулевым методом. В этом случае в цепь одного из исследуемых напряжений включают фазовращатель, например RC-цепочку, мос­товую или трансформаторную схему. При равенстве фаз между исследуемыми напряжениями на экране осциллографа вместо эллипса будет наблюдаться отре­зок прямой. Этот метод измерений заметно точнее, чем предыдущий, - относи­тельная погрешность измерений составляет 1-2%, а частотные свойства фазовра­щателя определяют диапазон рабочих частот.