Измерение мгновенных значений напряжений

 

Возможность измерения мгновенных значений напряжений - одно из основных преимуществ ЭЛО. Подобные измерения осуществляют обычно одним из двух способов.

Первый способ. Исследуемое напряжение подается на вход У и включается генератор развертки. Регулировкой чувствительности S_y, S_x и частоты запуска генератора развертки (ГР) устанавливается устойчивое изображение исследуемого напряжения на экране. Измеряется отрезок, соответствующий интересующему мгновен­ному значению этого напряжения.

Затем исследуемое напряжение отключается, и на вход У подается образцовое напряжение (обычно прямоугольное или синусоидальное), амплитуду которого можно достаточно плавно менять и измерять каким-либо способом. Не изменяя чувствительность S_y (не меняя положения «V/дел») регулировкой ампли­туды образцового напряжения добиваются того, чтобы на экране от­резок двойной амплитуды соответствовал отрезку, который был изме­рен ранее. Очевидно, что при этом измеряемое мгновенное значение исследуемого напряжения равно двойной амплитуде образцового напряжения.

При измерении напряжения данным способом можно выделить три основных источника погрешностей: точность определения ампли­туды образцового напряжения; ограниченная точность измерения от­резков, соответствующих измеряемому и образцовому напряжениям, что связано с субъективными ошибками наблюдателя, а также конеч­ной шириной светящегося луча ЭЛО (обычно 0,5-0,8мм); наконец зависимость коэффициента усиления УВО от частоты.

Второй способ. В этом случае необходимо предваритель­но осуществить калибровку чувствительности ЭЛО. Затем образцовое напряжение отключается, на вход У подается исследуемое напряжение и устанавливается устойчивое изображение экрана ЭЛО. Чувствительность S_у при этом изменять нельзя. Зная S_у и измерив отрезок У_н,соответствующий искомому мгновен­ному значению исследуемого напряжения, можно определить его величину.

Для данного способа присущи все источники погрешности первого способа и, кроме того, дополнительная погрешность, связанная с тем, что чувствительность S_у ЭЛТ не является постоянной величиной и зависит от положения изображения на экране ЭЛО.

Для получения высокой точности необходимо использовать доста­точно большие отрезки, но не выходящие за пределы рабочей части экрана ЭЛО.

Часто вместо чувствительности S_у используется обратная величина (1/S_у), которая указывается на передней панели ЭЛО.

 

Измерение временных интервалов

 

Для измерения временных параметров исследуемых напряжений (период, длительность импульсов, его фронтов и т.д.) необходимо знать масштаб изображения по оси Х, т.е. скорость движения луча в горизонтальном направлении.

В ряде ЭЛО скорость движения луча регулируется плавно и непосредственно не измеряется. В этом случае для измерения временных интервалов используется калибратор длительности (КД), представляющий собой генератор прямоугольного или синусоидального напряжения, период которого известен и может регулироваться лишь дискретно. Это напряжение подается на катод ЭЛТ. Тогда между сеткой и катодом помимо постоянного напряжения будет приложено дополни­тельное переменное напряжение, период которого известен.

При поступлении положительной полуволны яркость участка изображения уменьшается, а отрицательной увеличивается. Изображение получается состоящим из чередующихся темных и ярких участков (меток). Зная период модулирующего напряжения и подсчитав число меток, можно определить этот временной интервал.

В более совершенных ЭЛО горизонтальная скорость движения луча может принимать лишь несколько фиксированных, заранее известных значений (калиброванная развертка). Любое из этих значений устанавливается переключателями "Длительность развертки" и "Множитель". Каждой комбинации положений этих переключателей соответствует определенная скорость движения луча q, измеряемая в мкс/см или мкс/мм. Измерив горизонтальную прямую между двумя точками изображения исследуемого напряжения, можно вычислить временной интервал

∆t = q ∆x.

 

Точность измерения определяется точностью, с которой известно значение q, и точностью измерения отрезка ∆x.

 

Измерение частоты

 

Для измерения частоты синусоидального напряжения используют более точный метод - метод фигур Лиссажу. В этом случае на вход У подается напряжение неизвестной частоты f, на вход X, при отключенном ГР - напряжение плавно регулируемой известной частоты f₀, снимаемое с выхода генератора синусоидального напряжения. Регулировкой частоты добиваются неподвижного изображения на экране фигуры Лиссажу. Тогда частота f определится из соотношения

(7.5)

где Nг - наибольшее число точек пересечения фигуры Лиссажу горизонтальной секущей, а Nв -вертикальной (рис.7.4). При измерении частоты методом фигур Лиссажу необходимо добиться, чтобы числа Nг и Nв были малы, иначе расшифровка фигуры становится затруднительной.

 

Рисунок 7.4 – Фигуры Лиссажу для измерения частоты

Точность измерения частоты f данным методом не зависит от свойств осциллографа, а целиком определяется точностью, с которой известна образцовая частота f₀. Это связано о тем, что при измерениях ЭЛО выступает в роли нуль-индикатора, а не самостоятельного измерительного прибора.

 

Измерение сдвига фаз

 

Для измерения фаз между двумя синусоидальными напряжениями одинаковой частоты с помощью ЭЛО используют так называемый метод эллипса. На входы X и У подаются напряжения и , сдвиг фаз φ между которыми необходимо измерить. Генератор развертки должен быть отключен.

Рисунок 7.5 – Осциллограмма фазового сдвига при синусоидальной развертке

На экране появится осциллограмма в форме эллипса (рис.7.5), уравнение которого получается путем следующих преобразований:

(7.6)

где a,b – амплитуда отклонения луча в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно. В зависимости от фазового сдвига между U_x и U_y форма и наклон эллипса будут изменяться (рис.7.6).

Рисунок 7.6 – Фигуры Лиссажу для измерения фаз

Из осциллограммы на (рис.7.5) и уравнения эллипса (7.6) следует, что при х=0 получается вертикальный отрезок , а при у=0 – горизонтальный отрезок . Если перед измерением обеспечить равенство максимальных отклонений по горизонтали и вертикали, т.е. обеспечить a=b, то

Тогда

(7.7)

Таким образом, для вычисления фазового сдвига φ достаточно определить по осциллограмме значения отрезков 2х_о (2у_о), 2а (2b) и подставить в формулу (7.7). Знак угла φ данным методом определить нельзя. По наклону эл­липса можно лишь судить о величине разности фаз исследуемых напряжений.

Точность измерений определяется погрешностями измерений соответствующих отрезков, зависимостью чувствительности от положения луча на экране, а также тем, что усилители горизон­тального и вертикального отклонений имеют неодинаковые фазо-частотные характеристики.

Второй способ измерения сдвига фаз между двумя сигналами одной частоты можно осуществить, используя двухлучевые или двухканальные ЭЛО.

При подаче на вход 1 опорного сигнала, а на вход 2 – сравниваемого установить такую скорость развертки, чтобы обеспечи­ть один период сигналов на экране. Измерив период опорного сигнала L₁ и разность по горизонтали между соответствующими точками сигналов L₂ в делениях шкалы, определяется вели­чина фазового сдвига φ: φ = 360^o (L₁/L₂).