Измерения с помощью цифрового запоминающего осциллографа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Тарасенко Дмитрий Евгеньевич

ОТЧЕТ

о лабораторной работе

«Измерения с помощью цифрового

запоминающего осциллографа»

Измерительный практикум, 1 курс, группа 9321

Преподаватель измерительного практикума

С.Ю. Таскаев

«»  2009 г.

Преподаватель компьютерного практикума _____________С.А.Бордзиловский

«»  2009 г.

Новосибирск, 2009 г.

Аннотация

В данной работе проводится изучение возможностей цифровых осциллографов. Изучение "Фигур Лиссажу",полупроводникового выпрямителя, затухающих колебаний и линии накаливания.

1.Введение

Цель работы:

1) Закрепление навыков работы с осциллографом. Измерение параметров и характеристик синусоидальных сигналов.

2) Изучение с помощью цифрового осциллографа сигналов, проходящих через “Однополупериодный выпрямитель”.

3) Освоение осциллографа и методику снятия показаний в режиме одиночного запуска. Изучение затухающих  колебаний.

4) Освоение методики измерений осциллографом в режиме одиночного запуска на двух каналах; определение величины холодного Rх и горячего Rг сопротивления нити накаливания.

2.Описание

Оборудование:

Цифровой осциллограф Tektronix TDS1012 с накопительным модулем, генератор сигналов GFG8255А, набор панелей (макетов) со схемами для выполнения экспериментов.

На рис.1 приведен вид передней панели цифрового осциллографа типа Tektronix TDS1012, используемого в работе.

Рис. 1. Передняя панель осциллографа:

1 – экран с полями надписей (затенены); 2 – функциональные клавиши; 3 –клавиши меню; 4 – область клавиш и ручек панели; 5, 6 – входы каналов 1 (CH 1) и 2 (CH 2); 7 – вход внешней синхронизации (EXT TRIG).

2.1.Методика измерений

Принцип получения изображения сигнала на экране:

Осциллографы предназначены для исследования функциональных зависимостей двух типов:

1) зависимостей типа U = F(t), т. е. изменения сигнала во времени;

2) U1 = F(U2), т.е. зависимости одной функции U1от другой U2, причем обе функции могут являться, в свою очередь, функциями времени U1,2 = F(t).

Примеры:

1) К задачам первого типа относится наблюдение формы и измерение параметров периодических или одиночных сигналов U(t) (параметры: амплитуда Uа, период Т, начальная фаза φ0, угол наклона k и

т. д.) (рис. 2, а, б).

                     

Рис.21. Типы функциональных зависимостей сигналов:

а– синусоидальный сигнал U=Uasin(ωt-φ0); б– пилообразное напряжение Uп = kt; в – функциональная зависимость типа фигуры Лиссажу:U1(t) = F[U2(t)]; г – функциональная зависимость типа ВАХ: I = F(U)

2) К задачам второго типа относятся измерения с помощью фигур Лиссажу (рис. 1, в) и получение вольтамперных характеристик (ВАХ) какого-либо электронного устройства (рис. 1, г).

В первых двух примерах ось Х должна быть прокалибрована в единицах времени, а ось Y – в единицах напряжения.

В случае фигуры Лиссажу (см. рис. 1, в) оба сигнала Ux и Uу являются функциями времени (например, сигналами типа U(t), какна рис. 1, а, сдвинутыми относительно друг друга по фазе).

В случае ВАХ (см. рис. 1, г) обе функции U и I в принципе от времени могут не зависеть. В общем случае это есть отображение некоторой "таблицы", состоящей из двух колонок цифровых значений: каждому значению Xk сопоставлено соответствующее Yk.

3.Эксперименты

1) Измерение и снятие параметров цифровым осциллографом двух синусоидальных сигналов, полученных с помощью генератора GFG8255А и электрической схемы фазосдвигающей RC-цепочки (“Фигура Лиссажу”)

Описание:

Изменяя частоту генератора, проследим, как изменяется соотношение амплитуд и сдвиг фазы сигналов обоих входов.

Используя функцию цифрового осциллографа, курсоры, также проведём измерение параметров (амплитуда, сдвиг по фазе, период) синусоидальных сигналов (рис.3).

Рис. 3. Курсорные измерения

Переведём изображение в режим "XY". Дополним исследование RC-цепи, выполнив измерение в режиме "ХY" (рис. 4).

Рис. 4. Фигура Лиссажу

Повторим все вышеперечисленные измерения при фиксированных частотах в 50Гц и 50кГц.

Изменяя частоту генератора, получаем на экране сигналы по входам СН1 и СН2, сдвинутые относительно друг друга по времени на заметную величину и имеющие разные соотношения амплитуд.

Фигурами Лиссажу называются замкнутые кривые, получаемые на экране осциллографа, включенного в режиме XY, под действием двух переменных сигналов, отклоняющих луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Пусть на входы Х и Y осциллографа поданы синусоидальные сигналы

Uy (t) = Uy₀ cos(ωt +ϕ) и Ux (t) = Ux₀ cos(ωt)   (1.П)

с амплитудами Uy₀ и Ux₀ , с одной и той же частотой ω, но сдвинутые по фазе на ϕ. Тогда на экране осциллографа в общем случае получится эллипс. Действительно, исключая время из уравнений

(1.П), получим

Из этого уравнения видно, что при ϕ = 0, π, 2π…оси эллипса будут совпадать с осями координат Х и Y, а при промежуточных значениях ϕ эллипс будет наклонен по отношению к осям (рис. 4).

Измерение значения сдвига по фаз в режиме YT(y = f(t)):

ΔТ/Т = φ/2π → φ (рад) = 2πΔТ/Т.

Измерение значения сдвига по фаз в режиме XY(y = f(x)):

Для того чтобы найти величину ϕ, подставим в уравнения (1.П) значение ωt = π/2. Тогда из второго уравнения имеем Uх' = Uх0

cos(π/2) = 0, а из первого Uy ' = Uy0 cos(π/2+φ) = -Uy0 sinφ, откуда

sinφ = -Uy' /Uy0.   (2.П)

Здесь Uy' – значение напряжения по вертикальной оси при ωt =π/2, т. е. в тот момент, когда напряжение на оси Х равно нулю, а U_y0 – это максимальное (амплитудное) значение напряжения по оси Y.

Легко понять, что при равенстве амплитуд и сдвиге фаз, равном π/2, получится окружность (круговая развертка). При отношении частот сигналов ωх / ωу = 1/2 или 2/1 на экране получатся горизонтальные или вертикальные "восьмерки". Поэтому фигуры Лиссажу можно использовать для измерения частоты неизвестного генератора. Для этого на вход Y (или Х) подают сигнал от неизвестного генератора, а на другой вход– сигнал от генератора с известной регулируемой частотой. Изменяя частоту известного генератора, добиваются получения на экране одной из неподвижной фигуры Лиссажу и по ее виду определяют частоту (рис. 5).

Рис. 5. Фигуры Лиссажу при ωх = n ωу

Макет "Фигуры Лиссажу"

Результаты измерений (таблица):

f	Режим XY				Режим YT
	Ux0	Ux	Uy0	Uy	Автоматический				Курсоры
					1	2	3	4	1	3
50Гц	1.6В	11,2В	1.6В	11,2В	5,6В	3.91В	5.8В	4В	5.6В	5.92В
1кГц	2В	11.2В	2В	11.2В	5.6В	3.86В	5.8В	3.99В	5.6В	5.68В
50кГц	1.2В	0.4В	10,8В	11,2В	0.00058В	0.38В	0.0057В	0.00378В	0.0006В	0.0056В

1 – амплитуда напряжения Uсн1; 2 – среднеквадратическое значение напряжения Uсн1; 3 и 4 – то же для сигнала Uсн2.

Примечание: погрешность осциллографа составляет около 3%.

2) Закрытый и открытый вход

Описание:

Соберём схему однополупериодного выпрямителя (рис. ), используя макет "Однополупериодный выпрямитель". Подключим к входу макета генератор синусоидальных колебаний (частота 50 – 100 Гц, амплитуда 5 – 6 В).

С помощью осциллографа определите форму сигнала на входе и выходе выпрямителя с включенным и выключенным ключом S (измерения на входе и выходе проведём одновременно, используя входы СН1 и СН2).

При включенном ключе S сравним форму выходного сигнала при закрытом и открытом входе.