Краткая теория. Средства и методы измерения быстропротекающих процессов и переменных электрических сигналов

💸 Как сделать бизнес проще, а карман толще?

Тот, кто работает в сфере услуг, знает — без ведения записи клиентов никуда. Мало того, что нужно видеть свое раписание, но и напоминать клиентам о визитах тоже. Проблема в том, что средняя цена по рынку за такой сервис — 800 руб/мес или почти 15 000 руб за год. И это минимальный функционал. Нашли самый бюджетный и оптимальный вариант: сервис VisitTime.
⚡️ Для новых пользователей первый месяц бесплатно. А далее 290 руб/мес, это в 3 раза дешевле аналогов. За эту цену доступен весь функционал: напоминание о визитах, чаевые, предоплаты, общение с клиентами, переносы записей и так далее.
✅ Уйма гибких настроек, которые помогут вам зарабатывать больше и забыть про чувство «что-то мне нужно было сделать».
Сомневаетесь? нажмите на текст, запустите чат-бота и убедитесь во всем сами!

Средства и методы измерения быстропротекающих процессов и переменных электрических сигналов

Цель работы: дать начальные навыки работы со средствами измерений переменных электрических величин - измерительным генератором сигналов и электронным осциллографом, и продемонстрировать влияние параметров измерительной цепи на результаты измерений формы и амплитуды сигналов.

1. Ознакомиться с принципами работы и основными характеристиками измерительных генераторов сигналов и осциллографов, назначениеи и функционированием органов их управления.

2. Получить представление о измерении характеристик переменных сигналов различной формы и частоты.

3. Изучить влияние параметров измерительного прибора (входной цепи осциллографа) и измерительной цепи (линий связи) на результат измерений характеристик сигнала.

Основные принципы работы и расчета RC цепей в средствах измерений были рассмотрены на лекциях и практических занятиях и содержатся в курсе «Электротехника и электроника» и учебном пособии по курсу «Технические измерения и приборы, Часть II. Измерения электрических величин».

Экспериментальная часть лабораторной работы выполняется в лаборатории лазерных и оптических технологий.

1. Генератор сигналов специальной формы Г6-125. Частота 0, 1 Гц – 1, 0 МГц, синусоидальный, прямоугольный, треугольный и пилообразный сигналы.

2. Электронный осциллограф С7-9. Полоса пропускания 0-1 МГц, цифровая индикация напряжения и длительности и частоты сигнала.

3. Макетный стенд с установленным набором переключаемых резисторов и конденсаторов, имитирующих комплексное выходное сопротивление источника сигналов и цепей передачи сигналов.

5. Компьютер с установленными программами обработки данных (MathCad, MS Excel или другие)

Используемые в работе значения напряжения электрического тока являются безопасными. Тем не менее:

· Все операции по подключению/переключению измерительной схемы должны проводиться при выключенном источнике напряжения (генератора).

· Запрещается при включенном источнике напряжения прикасаться к неизолированным токопроводящим элементам стенда без использования специальных средств – измерительных проводов, кабелей и щупов, инструмента с изолированными рукоятками и т.п.

Все измерительные цепи содержат наряду с активными сопротивлениями реактивные элементы – емкости и индуктивности. При измерении постоянных сигналов их наличие в измерительных цепях практически не сказывается на результатах измерений. Иное дело переменные сигналы. Реактивные элементы в электрической цепи искажают их амплитудные, частотные и фазовые характеристики, форму импульсного сигнала. Источниками реактивных элементов в измерительных цепях являются:

· Измерительные преобразователи (датчики), принцип действия которых основан на изменении емкости или индуктивности электрической цепи под воздействием того или иного физического агента – емкостные, индуктивные, индукционные и другие типы датчиков.

· Емкости (конденсаторы) и катушки индуктивности являются электронными компонентами датчиков, измерительных преобразователей и измерительных приборов.

· Паразитные емкости и индуктивности линий связи (проводники, провода и кабели) и конструктивных элементов датчиков и других измерительных средств, которые присущи любому элементу электрических цепей (конденсаторы имеют сопротивление утечки и собственную индуктивность, резисторы обладают некоторой емкостью и индуктивностью).

Существует два похода к анализу цепей переменного тока с реактивными элементами. Первый подход основывается на рассмотрении изменения токов и напряжений в цепи как функций времени и применяется главным образом при анализе импульсных и импульсно-периодических сигналов. Второй базируется на изучении амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик цепи и применяется в основном при рассмотрении цепей переменного тока и частотной фильтрации сигналов.

Цепи переменного тока представляют собой комплексное сопротивление, состоящее из активного сопротивления R и емкостного сопротивления Z _C = -i/wC. Поскольку комплексное сопротивление (импеданс) зависит от частоты, то варьируя соотношение между активной и реактивной составляющими можно изменять амплитудно-частотные характеристики этих цепей таким образом, что они будут пропускать только сигналы нужной нам частоты, а остальные подавлять.

Для переменного сигнала измерительная цепь – соединительные провода и вход любого измерительного прибора, в том числе и осциллографа, представляет собой комплексную электрическую нагрузку, величина и характер которой определяется параметрами цепи и характером входного усилителя прибора.

Входная цепь измерительного прибора (Рис.1) представляет собой нагрузку, которая состоит из параллельно включенных входного сопротивления прибора R2 и его входной емкости С2. Кроме того, сама измерительная цепь обладает собственным конечным сопротивлением R 1 и емкостью С1. При измерении быстропротекающих процессов часто на входе прибора емкость С1 устанавливается специально для реализации режима «закрытого» входа, при котором измеряется только переменная составляющая сигнала.

Рисунок 1. Входная цепь измерительного прибора.

Для переменных сигналов все эти сопротивления и емкости образуют делитель напряжения (интегрирующая и дифференцирующая R C цепи, RС фильтры нижних и верхних частот), который изменяют амплитудно-частотную характеристику всего измерительного тракта, уменьшают коэффициент передачи сигнала в определенных диапазонах частот.

Электронные осциллографы – наиболее распространенный вид электронных приборов, предназначенный для наблюдения и анализа формы и амплитудно-частотных характеристик произвольных сигналов в диапазоне их длительности»1-10^-9 с. Существуют различные разновидности осциллографов – однолучевые и многолучевые, одноканальные и многоканальные, запоминающие, стробоскопические, цифровые.

С точки зрения пользователя наиболее важной является передняя панель осциллографа, на которой расположены основные органы управления и дисплей (электронно-лучевая трубка).

Передняя панель каждого осциллографа разбита на четыре группы органов управления:

· Управление параметрами электронного луча - яркость, фокусировка, астигматизм (органы управления поз. 1- 6 на рис.2.64)

· Управление параметрами входных усилителей – выбор параметров входной цепи по каждому из входов (усиление, тип входа - открытый/закрытый, заземленный, ограниченный по частоте, инвертированный), а также вертикальное перемещения лучей. (органы управления поз. 7- 15 на рис.2.64) В многоканальных и многолучевых осциллографах возможны комбинации входов. Например, в двухканальном осциллографе (входы А и Б) возможны следующие комбинации:

o А и Б - одновременно показываются сигнал А и сигнал Б,

o А+Б - показывается алгебраическая сумма сигналов по входам А и Б – дифференциальный режим, если одни из сигналов инвертирован,

o А или Б - сигналы по каналам А и Б показываются попеременно на каждый ход горизонтальной развертки

· Управление режимами горизонтальной развертки (органы управления поз. 16- 23 на рис.2.64) - как правило в осциллографах предусматривается три режима работы:

o автоколебательный, т.е. периодический (для наблюдения синусоидальных и импульсных сигналов с небольшой скважностью),

o ждущий (для наблюдения исследуемых сигналов с большой и переменной скважностью),

o одинократный – разовой развертки (для фотографирования, а в запоминающих осциллографах и для непосредственного изучения одиночных сигналов).

В некоторых осциллографах имеется режим растяжки развертки, позволяющий получить более крупный масштаб изображения по горизонтальной оси, а также режим двойной развертки - часть развертки выполняется с одной скоростью, часть – с другой.

Управление режимами синхронизации. (органы управления поз. 24- 32 на рис.2.64), т.е. режимами согласования частоты и длительности развертки с частотой исследуемого сигнала обеспечивает блок синхронизации. Существует три варианта синхронизации: внешняя, внутренняя и от сети.

· В режиме «синхронизация от сети» запуск горизонтальной развертки синхронизуется с частотой электросети (50 Гц). Этот режим применяется для исследования сигналов, частота которых равна или кратна частоте питающей сети (50 Гц), а также в случаях, когда привязка начала развертки к определенной фазе сигнала не существенна..

· Режим «внутренняя синхронизация» означает синхронизацию горизонтальной развертки с определенной фазой исследуемого сигнала. Всегда существует орган управления, позволяющий настроиться на требуемую фазу сигнала. В многоканальных и многолучевых осциллографах обычно существует возможность выбора канала, по которому будет осуществляться синхронизация.

· В режиме «внешняя синхронизация» запуск горизонтальной развертки производится по дополнительному сигналу, подаваемому на отдельный вход осциллографа от внешнего источника сигнала. Как и для внешней синхронизации всегда существует возможность подстройки настройки на нужную фазу.

Кроме перечисленных систем в состав осциллографа обычно входит устройство, называемое «калибратор». Калибратор представляет собой генератор напряжения с известной амплитудой и частотой. Чаще всего используются постоянные напряжения и напряжения в виде меандра (прямоугольные импульсы напряжения со скважностью равной двум, т.е. длительность импульса равна длительности паузы). Наличие калибратора позволяет простым образом проверить работоспособность прибора, повысить