70855

Измерение параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа

Лабораторная работа

Физика

Получение навыков измерения параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа. Приобретение сведений о характеристиках и устройстве электронного осциллографа. Ознакомьтесь с принципом работы устройством и характеристиками универсального электронного осциллографа.

Русский

2014-10-28

361 KB

1 чел.

РАБОТА №3.5. Измерение параметров

гармонического напряжения с помощью

осциллографа

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

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

2. ЗАДАНИЕ ДЛЯ ДОМАШНЕЙ ПОДГОТОВКИ

1. Ознакомьтесь с методами измерения амплитуды гармонического напряжения.

2. Ознакомьтесь с методами измерения периода и частоты гармонического напряжения.

3. Ознакомьтесь с методами измерения фазового сдвига между двумя гармоническими напряжениями.

4. Ознакомьтесь с принципом работы, устройством и характеристиками универсального электронного осциллографа.

5. Ознакомьтесь со способами обработки результатов измерений при наличии методической и инструментальной составляющей погрешности.

3. СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

РАБОТЫ

Осциллографом называется прибор, предназначенный для наблюдения, регистрации и измерения параметров исследуемого сигнала, как правило, зависящего от времени.

Имеется два основных класса осциллографов: светолучевые, предназначенные для наблюдения медленных процессов, и электронно-лучевые, способные отображать как медленные, так и быстропротекающие процессы. Светолучевые осциллографы используют электромеханическое отклонение светового луча под действием исследуемого напряжения и запись на фотопленку.

Электронно-лучевые осциллографы строятся на основе электронно-лучевых трубок. Отклонение электронного луча осуществляется непосредственно электрическим сигналом и является практически безынерционным. Исследуемый процесс отображается на люминесцентном экране и может быть зарегистрирован фотографическими средствами. Управление электронным лучем осуществляется посредством трех каналов: вертикального отклонения  Y, горизонтального отклонения  X   и управления яркостью  Z. Исследуемый сигнал обычно подается на вход канала Y. Канал  X  формирует развертку, обеспечивая возможность наблюдения временного поведения сигнала. Канал  Z  служит для управления яркостью свечения экрана. В некоторых случаях на входы каналов  Y  и  X  подаются два разных сигнала, параметры которых подлежат сравнению.

Электронно-лучевые осциллографы характеризуются рядом технических и метрологических параметров. К наиболее важным относятся следующие:

- калиброванные значения коэффициента отклонения;

- полоса пропускания, т.е. диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления канала вертикального отклонения уменьшается на 3 дБ по отношению к некоторой опорной частоте;

- диапазон изменения длительности развертки;

- входное сопротивление и входная емкость канала  Y;

- точностные параметры, характеризующие погрешности измерения напряжения и интервалов времени.

Из многих типов осциллографов наиболее употребительными являются универсальные осциллографы. Они позволяют проводить исследования электрических сигналов в широком диапазоне частот, амплитуд и длительностей сигнала. Полоса пропускания достигает 200 –350 МГц, диапазон амплитуд от единиц милливольт до сотен вольт. Возможно измерение длительностей импульсов от нескольких наносекунд до секунд. Осциллографы содержат в своем составе калибраторы  амплитуды и длительности, которые являются источниками напряжений с известной амплитудой и длительностью. Эти напряжения подаются с выхода калибратора на вход Y  для контроля масштабов (коэффициентов отклонения) по осям  Y  (В/см, мВ/см  или  В/деление, мВ/деление)  и   X  (мкс/см, мс/см,  с/см или мкс/дел., мс/дел.,  с/дел.). Знание масштабов необходимо для измерения напряжений и интервалов времени, поскольку непосредственно оператору доступно считывание только расстояний  (сантиметры, деления) по масштабной сетке на экране. В современных осциллографах измерение осуществляется автоматически при помощи цифрового устройства. Результат отображается на экран в цифровой форме.

При помощи осциллографов возможно измерение периода и частоты гармонического напряжения, а также сдвига фаз между двумя гармоническими напряжениями. Если задействован только один канал вертикального отклонения, на вход которого подается исследуемое напряжение, то наличие калибраторов дает возможность непосредственно измерить его амплитуду и период. Частота и сдвиг фаз могут быть измерены посредством наблюдения на экране фигур Лиссажу. Если частоты двух гармонических напряжений равны, то фигура Лиссажу представляет собой эллипс, ориентация и соотношение размеров осей которого дают сведения о сдвиге фаз напряжений.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторный стенд представляет собой персональный компьютер, на рабочем столе которого расположены модели электронного осциллографа и калибратора фазовых сдвигов (рис. 3.5.4).

Рис. 3.5.4 Вид экрана лабораторного стенда при проведении

работы №3.5.

Схема включения приборов при выполнении измерений приведена на рис.3.5.5.

При выполнении работы манипуляция органами управления средствами измерений и других устройств производится с помощью мыши в таком же порядке, как это предусмотрено при работе с реальными приборами и устройствами.

Используемый в данной работе осциллограф имеет класс точности II.

5. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Изучите описание работы и рекомендованную литературу. Запустите программу-оболочку лабораторного практикума, нажав кнопку RUN (“стрелка направо” в левом верхнем углу окна программы), и выберите  лабораторную работу №5 «Измерение параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа» в группе работ «Измерение электрических величин».

2. При необходимости еще раз почитайте описание работы, ответьте на вопросы коллоквиума и получите допуск к выполнению работы. После сдачи коллоквиума на рабочем столе автоматически появится окно лицевой панели ВП и окно лабораторного журнала, созданного в программе MS Excel. В лабораторный журнал в процессе выполнения работы будут вноситься данные, необходимые для последующего составления отчета.

3. Приготовьте к работе проверенную на отсутствие вирусов, отформатированную 3,5-дюймовую дискету и вставьте её в дисковод.

4. Изучите органы управления, находящиеся на передней панели приборов.

На лицевой панели калибратора фазовых сдвигов расположены:

-  тумблер «Сеть», предназначенный для включения прибора;

-  три кнопки «F» для установки частоты выходного сигнала;

- три кнопки «»,  из них (слева направо) первая – для установки знака фазового сдвига, вторая – для установки разряда сотен численного значения угла фазового сдвига, третья – для установки разряда десятков угла фазового сдвига;

- два регулятора для установки выходного напряжения соответствующего канала Вых.1 и Вых.2;

- две коаксиальных розетки Вых.1 и Вых.2, представляющие выходы гармонического сигнала первого (опорного) и второго каналов калибратора;

- цифровой индикатор частоты;

- цифровой трехразрядный индикатор фазового сдвига.

На лицевой электронного осциллографа расположены:

- кнопка «Сеть», предназначенная для включения прибора;

- переключатели чувствительности «В/дел.» первого и второго каналов;

- регуляторы перемещения луча в вертикальном направлении первого и второго каналов;

- переключатель управления режимом входных каналов осциллографа «III –  I+II»;

- регулятор перемещения луча в горизонтальном направлении;

- переключатель «Время/дел.» генератора развертки;

- переключатель режима развертки «Внутр./Внеш.» для подачи напряжения от внутреннего генератора развертки или от внешнего источника;

- переключатель «X-X/X-Y», который в положении X-X обеспечивает подачу исследуемых сигналов на пластины Y (режим линейной развертки), а напряжения  развертки – на пластины X, а в положении «X-Y» обеспечивает подачу одного исследуемого сигнала на пластины Y, а второго исследуемого сигнала – на пластины X (режим круговой развертки);

-  переключатель режима запуска развертки и регулятор, устанавливающий уровень срабатывания синхронизации.

6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Подготовьте модели приборов к работе.

1.1. Включите с помощью тумблера «Сеть» калибратор фазовых сдвигов. После включения прибора на его лицевой панели загорятся индикаторы.

1.2. С помощью регуляторов уровня выходных сигналов калибратора в среднее положение.

1.3. С помощью кнопок «» установите значение угла фазового сдвига между сигналами на выходах калибратора, равным 0 градусов.

1.4. Включите осциллограф с помощью тумблера «Сеть».

1.5. Установите переключатель управления режимом входных каналов осциллографа в положение II (одноканальный режим, ко входу подключен II-ой канал).

1.6. Установите переключатель чувствительности входных каналов осциллографа в такое положение, чтобы входной сигнал целиком умещался на экране и был наибольшего размера.

1.7. Установите переключатель коэффициента развертки осциллографа в такое положение, чтобы видеть примерно два периода сигнала на экране.

1.8. Установите переключатель режима развертки осциллографа в положение «Внутр.».

2. Опробуйте расположенные на рабочем столе модели средств измерений.

В процессе опробования, установив частоту сигнала на выходе калибратора, равной 1 кГц, подберите нужный коэффициент развертки.

Изменяя напряжение и частоту сигнала на выходе калибратора, а также коэффициент развертки и чувствительность осциллографа, проследите за изменениями изображения на экране осциллографа, добиваясь каждый раз устойчивого изображения примерно двух периодов сигнала.  

Если приборы работоспособны, переходите к выполнению задания. В случае, если хотя бы одна из моделей окажется неработоспособной, обратитесь к преподавателю.

3. Измерьте с помощью осциллографа амплитуду гармонического напряжения.

3.1. Установите частоту напряжения на выходе калибратора, равной 10кГц.

3.2. Выберите для измерения канал II осциллографа и включите режим линейной развертки с внутренней синхронизацией (переключатель «Внутр-Внеш» находится в положении «Внутр»).

3.3. Подберите такой коэффициент развертки, чтобы на экране умещалось несколько периодов исследуемого напряжения.

3.4. Подберите подходящий коэффициент вертикального отклонения, при котором размер изображения по вертикали будет максимальным. Измерьте размер изображения. Результаты занесите в лабораторный журнал по форме, приведенной в таблице 3.5.1.

Повторите задание предыдущего пункта для 5-6 других значений напряжения на выходе калибратора.

Таблица 3.5.1

Результаты измерения амплитуды гармонического напряжения с помощью электронного осциллографа (частота сигнала 10кГц)

№ п/п

Вертикал. размер изображения, дел.

Цена деления, В(мВ)/дел.

Показания, В(мВ)

Абсолютная погрешность, мВ

Относит. погрешность,%

Результат измерения

4. Измерьте с помощью осциллографа период и частоту гармонического напряжения.

  1.  Установите частоту напряжения на выходе калибратора, равной 50 Гц.
    1.  Выберите для измерения канал II осциллографа и включите режим линейной развертки с внутренней синхронизацией (переключатель «Внутр-Внеш» находится в положении «Внутр»).
    2.  Подберите такой коэффициент развертки, чтобы на экране умещалось 2-3 периода исследуемого напряжения.
    3.  Подберите подходящий коэффициент вертикального отклонения, при котором размер изображения по вертикали будет максимальным. Измерьте размер изображения, соответствующий одному периоду исследуемого напряжения. Результаты занесите в лабораторный журнал по форме, приведенной в таблице 3.5.2.
    4.  Повторите задание предыдущего пункта, последовательно устанавливая на выходе калибратора частоту сигнала равной: 500 Гц, 5кГЦ, 50кГц, 0,5МГц, 5МГц.

Таблица 3.5.2

Результаты измерения периода и частоты гармонического напряжения с помощью электронного осциллографа

№ п/п

Частота сигнала на выходе

калибратора

Размер изображения, дел.

Цена деления, мс(мкс)/дел.

Абсол. погрешн. измер. периода, мс(мкс)

Относ. погрешн измер. периода,%

Результат измерения

Период, мс(мкс)

Частота, Гц

5. Измерьте с помощью осциллографа угол сдвига фаз между двумя гармоническими напряжениями методами линейной развертки и эллипса.

  1.  Установите на выходах калибратора одинаковое максимальное значение напряжения, частоту сигнала, равной 10кГц, а угол сдвига фаз 30 градусов.
  2.  Выберите для измерения каналы I+II осциллографа и включите режим линейной развертки с внутренней синхронизацией (переключатель «Внутр-Внеш» находится в положении «Внутр»).
  3.  Подберите такой коэффициент развертки, чтобы на экране умещалось примерно 2 периода исследуемых напряжений.
  4.  Подберите подходящий коэффициент вертикального отклонения, при котором размер изображения по вертикали будет максимальным. Измерьте размеры изображения, соответствующие одному периоду исследуемых напряжений и сдвигу фаз между ними.
  5.  Включите режим круговой развертки «X-Y» и подберите такие коэффициенты вертикального отклонения, чтобы полученный эллипс занял практически весь экран. Зарисуйте осциллограмму.
  6.  Измерьте размеры отрезков h и H. Результаты занесите в лабораторный журнал по форме, приведенной в таблице 3.5.3.

Таблица 3.5.3

Результаты измерения разности фаз с помощью электронного осциллографа

Показания калибратора, град.

Показания осциллографа, дел.

Абсолютная погрешность, град

Относит. погрешность, %

Результат измерений, град.

Метод линейной

развертки

Метод эллипса

Метод линейн. развертки

Метод эллипса

Метод линейн. развертки

Метод эллипса

Метод линейн. развертки

Метод эллипса

ab

ac

h

H

  1.  Повторите задание предыдущего пункта, последовательно устанавливая сдвиг фаз между сигналами на выходах калибратора, равным 40, 60, 90, 180, 270 и 360 градусам и не меняя частоту и амплитуду выходных сигналов.

6. Нажмите кнопку СТОП.

7. Сохраните файл лабораторного журнала на дискете под оригинальным именем.

7. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

При оформлении лабораторного отчета необходимо полностью заполнить имеющиеся в распоряжении студента таблицы 3.5.2 – 3.5.4.

Помимо заполненных таблиц в отчете должны содержаться:

- сведения о цели и порядке выполнения работы,

- данные о характеристиках использованных приборов, с указанием источника информации,

- электрические схемы,

- осциллограммы,

- примеры расчетов, выполнявшихся при заполнении таблиц,

- графики зависимости абсолютной и относительной погрешностей измерений амплитуды, периода и частоты гармонического сигнала от показаний осциллографа.

- графики зависимости абсолютной и относительной погрешностей измерений фазового сдвига от показаний осциллографа при использовании методов линейной развертки и эллипса.

- выводы по результатам проделанной работы.

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие параметры полностью характеризуют гармоническое напряжение?

2. Начертите график гармонического напряжения с определенной амплитудой, частотой и фазой.

3. Нарисуйте векторную диаграмму гармонического напряжения.

4. Почему при наблюдении гармонических сигналов и измерении их параметров одним из основных приборов является осциллограф?

5. Отчего зависит погрешность измерения амплитуды при ее измерении методом линейной развертки?

6. Отчего зависит погрешность измерения частоты при помощи осциллографа?

7. Что означает выражение «разность фаз»?

Какие параметры гармонического напряжения и как можно измерить при помощи фигур Лиссажу?

8. В каком случае фигуры Лиссажу, наблюдаемые на экране осциллографа, не изменяются со временем?

9. Как определить разность фаз двух гармонических сигналов по форме и ориентации наблюдаемого на экране эллипса?

10. Чем определяется погрешность измерения угла сдвига фаз методом линейной развертки и методом эллипса?

11. Почему при осциллографических измерениях размер изображения на экране стремятся по возможности увеличить?

12. Чем ограничивается целесообразность упомянутого в предыдущем вопросе увеличения изображения?

Рис.3.5.5 Схема соединения приборов

при измерениях

Вх.2

Вх.1

Электронный

осциллограф

Вых.2

Вых.1

Калибратор

фазовых

сдвигов


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49576. Виготовлення матрьошки 480 KB
  Матрьошка (зменьш. від імені «Матрьона», який походить від латинського слова «Matrona» - знатна дама, мати сімейства) - російська деревяна іграшка у вигляді розписної ляльки, всередині якої знаходяться подібні їй ляльки меншого розміру.
49577. Разработка зоны ТР в АТП на 512 автомобилей МАЗ-64229 900.5 KB
  Диагностирование как отдельный вид обслуживания не планируется, и работы по диагностированию подвижного состава входят в объем работ по ТО и ТР. При этом в зависимости от метода организации, диагностирование автомобилей может проводиться на отдельных постах или быть совмещено с процессом ТО.
49578. Аналіз мотивації менеджерів середньої ланки в США та запровадження їх досвіду в укр. реаліях 102 KB
  Актуальність даної роботи полягає у тому що на сьогоднішній день вкрай важливою стоїть проблема мотивації менеджерів середньої ланки в обов’язки явки входить практична реалізація стратегічних цілей та втілення рішень топменеджерів. Різноманітні системи мотивації які досить часто являються конгломератом із багатьох систем стимулювання закордонних та з СРСР. Тому вкрай важливо зробити аналіз мотивації менеджерів середньої в США та спробувати перенести отримані знання на українські реалії.
49579. Нетрадиційні концепції управління персоналом 314.88 KB
  Загальні принципи управління персоналом організації. Теоретичні основи поняття принципів управління персоналом. Традиційні методи управління персоналом організації. Відбуваються зміни, повязані з необоротністю економічних реформ і рухом до здорової конкуренції, змушують керівництво організацій і підприємств приділяти значну увагу аспектам управління кадровою політикою, що базується на науково обґрунтованому плануванні.
49582. РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ЕЛЕКТРОННИХ СХЕМ У РІЗНИХ РЕЖИМАХ ЇХ РОБОТИ 1.71 MB
  До основних якісних показників і параметрів підсилювача відносяться коефіцієнт передачі коефіцієнт підсилення Кр вхідний і вихідний опори Zвх Zвих динамічний діапазон коефіцієнт нелінійних викрівлень коефіцієнт шуму...
49584. Програмне забезпечення систем захисту інформації. Методичні рекомендації 287 KB
  Варианты заданий Шифрування методом простої підстановки. Шифрування методом афінною системою підстановки Цезаря. Шифрування методом підстановки Цезаря з ключовим словом. Шифрування методом таблиць Трисемуса.