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

Средства и методы измерения быстропротекающих процессов и переменных электрических сигналов

Общие положения

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.

Задачи работы.

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.

Методические указания.

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».

Место выполнения работ

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

Оборудование

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.

4. Соединительные кабели с зажимами

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

Меры безопасности.

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.

Краткая теория

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 - показывается только сигнал по входу А,

o Б - показывается только сигнал по входу Б,

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