Теоретическая часть. Проведение измерений с помощью осциллографа

Измерения параметров электрических сигналов проводят по их изображениям на экране осциллографа. Проведение измере­ний (отличать от наблюдений!) гарантируется только при условии, если изображение сигнала располагается в рабочей части экрана, задаваемой паспортными техническими характе­ристиками осциллографа.

Измерения выполняют с помощью масштабной сетки на экране, деления которой позволяют измерять вертикальные и горизонтальные составляющие изображения.

Цену деления задают положением переключателей коэффи­циента отклонения луча по вертикали (в вольтах на деление) и развертки луча по горизонтали (в единицах времени на деление).

Перед проведением измерений масштабную сетку калибруют с помощью эталонного сигнала, формируемого внутренним эта­лонным генератором.

Порядок проведения измерений с помощью осциллографа, по техническому описанию, содержит следующие этапы: подготовка к проведению измерений; подстройка с калибровкой и собственно выполнение измерений.

При подготовке к работе сначала включают прибор и проверяют его работоспособность.

Точность измерений, указанная в техническом описании прибора, гарантируется лишь в случае, если проведены его настройка и калибровка.

Размер изображения сигнала должен соответствовать требо­ваниям, определенным техническим описанием. Только в этом случае гарантируется класс точности измерения.

Параметры сигнала сначала измеряют в делениях масштабной сетки. Затем значения измеряемого параметра вычисляют в абсолютных единицах умножением числа делений в изображении на масштабные коэффициенты, задаваемые положением пере­ключателей В/дел или Время/дел.

Полученные значения параметров — это их точечная оценка. При измерениях, кроме точечной, необходимо найти интерваль­ную оценку. Интервальная оценка является погрешностью изме­рений. Она складывается из ряда составляющих:

погрешность задания параметров эталонного сигнала;

погрешности коэффициентов отклонения и развертки;

погрешности совмещения эталонного сигнала с масштабной сеткой;

погрешность совмещения измеряемого сигнала с масштабной сеткой.

Пример измерения напряжения

Измерение проводится осциллографом С1-93. Измеряется полный размах переменного напряжения.

Пусть размах вертикального отклонения l_ви на экране составляет 7,6 делений масштабной сетки. Переключатель В/дел установлен в положение 5 мВ/дел, а переключатель «Множитель на 1», «Множитель на 10» установлен в положение «х10».

Требуется определить по изображению значение полного размаха переменного напряжения (т.е. дать точечную оценку), а также погрешность, с которой измерен этот размах (интер­вальную оценку).

РЕШЕНИЕ. 1. Значение напряжения (точечная оценка) составляет;

7,6 дел * 5 мВ/дел * 10 = 380 мВ.

2. Чтобы определить интервальную оценку измерения, надо сначала найти полную погрешность калибровки масштабной сетки. Она складывается из двух составляющих: из погрешности, с которой известно значение амплитуды калибровочного сигнала _ак, и погрешности совмещения, т.е. погрешности, с которой совмещается изображение калибровочного сигнала с масштабной сеткой _ск. Значение _ак находят по техническим условиям на осциллограф, где сказано: "предел допускаемой погрешности напряжения и частоты калибратора ±1,2% в нормальных условиях". Это означает, что _ак = ±0,012. Следовательно, _ак ⁼ _ак *l_к где l_к — размах П-образных импульсов калибро­вочного сигнала, равный шести делениям:

_ак = ±0,012 *6,0 = ±0,072 .

Совмещение П-образных калибровочных импульсов с масш­табной сеткой осуществляется по двум уровням, верхнему и нижнему, по каждому с точностью до ±0,5 нониусного деления или, что то же самое, ±0,05 большого деления масштабной сетки. Следовательно, суммарная предельная погрешность совме­щения будет равна ±0,1 большого деления.

Таким образом, полная абсолютная погрешность калибровки _к масштабной сетки будет в делениях равна

_к = _ак + _ск;

_к = ±(0,072 + 0,1) = ±0,172 .

Полная относительная погрешность калибровки _к масштаб­ной сетки составляет:

;

_к = ±0,0172/6= ±0,0285.

Теперь нужно определить полную погрешность совмещения изображения сигнала с масштабной сеткой. Как и в случае калибровочного сигнала, она складывается из двух составляю­щих: из погрешности, с которой измеряемый сигнал изобража­ется по вертикали на экране _ви, и погрешности совмещения этого изображения с масштабной сеткой _си. Значение _ви находят с учетом погрешности коэффициента отклонения _ви:

_ви =l _ви *_ви,

где l _ви — размер изображения, равный по условию 7,6 делений;

_ви — задается в техническом описании: «предел допускаемой относительной погрешности коэффициентов отклонения каналов 1 и 2 (0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2 В/дел умножено на 1 и на 10) — ±3% при размере изображения от 5,5 до 6 дел. и ±4% при остальных размерах изображения от 4 до 8 делений". Следовательно, в нашем случае

_ви =±0,04 ;

_ви =±0,04 * 7,6 = ±0,304 .

Совмещение изображения по вертикали с масштабной сеткой осуществляется по двум уровням, верхнему и нижнему, с той же абсолютной погрешностью, что и для калибровочного сигнала, т.е. суммарная предельная погрешность совмещения по двум уровням _си =±0,1. Полная абсолютная погрешность совмещения _с изображаемого сигнала с масштабной сеткой

_с = _ви + _си;

_с = ±(0,304 + 0,1) = ±0,404 .

Тогда полная интервальная оценка  измерения напряжения

=_с +_к (l_ви / l_к);

=±(0,404 + 0,0285 *7,6)= ±0,62. Полная относительная погрешность измерения

=/ l_ви;

= ±(0,62/7,6 )= ±0,082.

Это меньше 10%, т.е. укладывается во второй класс точности.

Абсолютную погрешность измерения можно определить, пе­ремножив полный размах вертикального изображения сигнала 380 мВ на относительную погрешность ±0,082. Окончательная запись результата измерения:

полный размах напряжения U= (380±31) мВ;

относительная погрешность измерения = ±0,082.