Министерство образования Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. А. Н.ТУПОЛЕВА
ПОВЕРКА УНИВЕРСАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННО - ЛУЧЕВЫХ
ОСЦИЛЛОГРАФОВ
Методические указания к лабораторной работе
Казань 2014
Министерство образования Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. А. Н.ТУПОЛЕВА
Кафедра электронного приборостроения
ПОВЕРКА УНИВЕРСАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННО - ЛУЧЕВЫХ
ОСЦИЛЛОГРАФОВ
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине
“Прикладная метрология, стандартизация и сертификация”
Казань 2014
Составитель: старший преподаватель
УДК 621.317.75
Поверка универсальных электронно-лучевых осциллографов: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Прикладная метрология, стандартизация и сертификация»/Казан. гос. техн. ун-т; Сост. старший преподаватель , Казань, 2014 г./.
Рассматриваются вопросы выполнения лабораторной работы по поверке универсальных электронно-лучевых осциллографов в соответствии с существующей научно-технической документацией. Предназначено для специальности 200700 «Радиотехника», специализация «Информационно-измерительная техника».
Табл. 6 . Ил. 2 . Библиог.: 9 назв.
Рецензент: к. т.н. . Кафедра теоретической радиотехники и электроники.
Целью настоящих методических указаний является овладение студентами практических навыков при проведении поверочных и калибровочных работ, а также правил оформления протоколов поверки и калибровки универсальных электронно-лучевых осциллографов.
1. ЗАДАНИЕ
Перед выполнением лабораторной работы слушатель должен:
1.1. Изучить основные вопросы теории и принцип работы универсальных электронно-лучевых осциллографов, используя соответствующий раздел конспекта лекций по курсу и учебные пособия [1, 2, 3].
1.2. Ознакомиться с перечнем метрологических характеристик универсальных осциллографов [7] и изучить методы их поверки [1,6,8].
1.3. Ознакомиться с инструкциями по эксплуатации поверяемого осциллографа и других средств поверки, используемых в лабораторной работе.
1.4. Выполнить поверку осциллографа в соответствии с ГОСТ 8.311-78.
2. ОПЕРАЦИИ ПОВЕРКИ
В процессе лабораторной работы слушатели выполняют следующие операции поверки:
2.1 Опробование;
2.2. Определение ширины линии луча;
2.3. Определение погрешности коэффициента отклонения;
2.4. Определение погрешности измерения напряжения;
2.5. Определение погрешности коэффициента развертки;
2.6. Определение погрешности измерения временных интервалов;
2.7. Определение параметров переходной характеристики;
2.8. Определение параметров амплитудно-частотной характеристики.
3. СРЕДСТВА ПОВЕРКИ
3.1. Состав средств поверки и требования к ним.
Для поверки могут быть использованы следующие средства:
3.1.1. Образцовые измерительные приборы:
- установки для поверки вольтметров (В1-8);
- вольтметр переменного тока (В7-16 от 10мВ…300В);
- частотомер;
- импульсный калибратор осциллографов (И1-9).
3.1.2. Образцовые меры:
- генератор импульсов (Г5-54);
- генератор сигналов (ГСС).
Применяемые средства поверки (измерительные приборы и образцовые меры) должны удовлетворять следующим требованиям.
Допустимая погрешность измерения (для образцового прибора) или установки значения параметра сигнала (для образцовой меры) не должна превышать 1/3 допустимой погрешности измерения (параметра) поверяемого осциллографа. Кроме этого, должны быть выдержанны соотношения между параметрами искажений генератора импульсов и параметрами переходной характеристики осциллографа.
В отчете по каждому пункту поверки перед заполнением таблицы протокола слушателям следует по данным технических описаний, инструкций по эксплуатации и других документов записать значения необходимых для поверки основных характеристик приборов, используемых в лабораторной работе.
3.2. Установка для поверки вольтметров В1-8, является источником точных постоянных напряжений и напряжений синусоидальной формы с малыми нелинейными искажениями, выдающая напряжения в диапазоне 10мВ – 300В с основной погрешностью номинальных выходных напряжений на переменном токе, не
превышающей значения 
%.
Структурная схема установки представлена на рис.1. Установка содержит два источника напряжения:
- источник стабилизированного напряжения постоянного тока, создающего напряжение U1, которое может регулироваться в пределах ± 10 % от нормального; источник переменного напряжения U2, уровень которого регулируется с помощью устройства сравнения.
Постоянное U1 и переменное U2 напряжения в системе выходных делителей и аттенюатора формируются в выходное напряжение Uвых установки.
Источник опорного напряжения предназначен для поддержания на требуемом уровне переменного напряжения, а также для регулировки его в пределах ± 10 % от нормального, которое осуществляется с помощью регулируемого опорного напряжения
U0рег. на выходе 1. На выходе 2 создается нерегулируемое номинальное опорное напряжение U0ном.
Установка работает следующим образом. При переводе переключателя II в положение 1 на систему выходных делителей и аттенюатора подается постоянное напряжение. Если значение U1 равно номинальному, то напряжения выходного делителя Uд, также покажет соответствующие значения погрешности в процентах.
При работе в режиме переменного тока (переключатель II находится в положении 2) на устройство сравнения подаются переменное Uд и опорное U0рег напряжения. На микроамперметр подаются постоянное номинальное U0ном и регулируемое U0рег напряжения.
Изменяя U0рег в пределах ± 10 % на выходе источника переменного напряжения, получают изменение его уровня также в заданных пределах. Микроамперметр покажет изменение погрешности в этих же пределах.
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПОВЕРКИ
4.1. Опробование осциллографа. Опробование поверяемого осциллографа слушатели проводят в автоколебательном режиме и режиме внешнего запуска. Проверяют:
- наличие развертки на всех диапазонах; регулировку яркости и фокусировку луча; смещение луча в горизонтальном и вертикальном направлениях; соответствующее изменение коэффициента развертки при всех положениях переключателя; уровень синхронизации; соответствующее изменение коэффициента отклонения при всех положениях переключателя.
Поверку по трем последним пунктам осуществляют с помощью генератора импульсов.
В соответствии с ГОСТ 8.311-78 перед поверкой проводят калибровку коэффициентов отклонения и развертки по методике, представленной в НТД на поверяемый осциллограф.
4.2. Определение ширины линии луча. В лабораторной работе студенты определяют ширину линии луча только в вертикальном направлении.
Значение её определяется косвенным методом, при котором предварительно устанавливаются значения двух параметров:
- напряжение сигнала генератора
U1, при котором две светящиеся линии на экране осциллографа соприкоснутся; коэффициент отклонения по вертикали αв, равный 5 В/дел. Затем вычисляется ширина линии луча по формуле:
. (4.1)
В качестве образцового источника сигналов используется генератор импульсов. Для получения двух светящихся линий на экране осциллографа необходимо поверяемый осциллограф перевести в автоколебательный режим развертки, а генератор импульсов – в режим внутреннего запуска. При этом значение коэффициента развертки, периода следования импульсов генератора и длительности импульсов следует выбирать пропорционально соотношению 1 : 20 : 5 (например, коэффициент развертки – 10 мкс/дел.; период следования импульсов – 200 мкс; длительность импульсов 50 мкс).
В отчете по данному пункту поверки должны быть представлены:
- схема измерения; формула для вычисления ширины линии луча; значения напряжения
U1; коэффициент отклонения αв; результат вычисления dав. 4.3. Определение погрешности коэффициента отклонения, погрешности измерения напряжения. Слушатели проводят поверку по тому параметру, на который установлено требование в НТД на поверяемый осциллограф.
4.3.1. Погрешность коэффициента отклонений может быть определена непосредственно с помощью установки для поверки вольтметров (В1-4, В1-8, В1-9) или импульсного калибратора осциллографов И1-9 и косвенно – изменением напряжений от образцового генератора импульсов.
Слушатели выбирают схему измерений, исходя из состава приборов, предназначенных для проведения этой лабораторной работы.
При измерениях осциллограф переводится в режим внутреннего запуска, а установка для поверки вольтметров – в режим выдачи синусоидального сигнала амплитудного значения с частотой 1кГц. На экране осциллографа должна наблюдаться светящаяся широкая полоса или две линии (в зависимости от установленного значения коэффициента развертки).
Органами регулировки смещения луча по вертикали добиваются симметричного положения полос (линий) относительно центральной горизонтальной линии шкалы осциллографа.
При использовании генератора импульсов одну светящуюся линию, соответствующую паузе сигнала, устанавливают на центральную линию шкалы.
Для определения погрешности коэффициента отклонения (измерения напряжения) от установки для поверки вольтметров или калибратора осциллографов подается ряд значений напряжений, при которых верхняя светящаяся линия на экране устанавливается на соответствующее деление шкалы.
Погрешность коэффициента отклонения должна быть определена для одного из значений коэффициента отклонения при всех размерах изображения h, уменьшающегося в четном числе делений шкалы, и для остальных значений коэффициента отклонения при одном из размеров h (в пределах 60-100 % рабочего участка экрана).
При использовании установки для поверки вольтметров В1-8 или импульсного калибратора И1-9 погрешность отсчитывается по шкале образцового прибора. При использовании генератора импульсов погрешность вычисляется по формуле:
% , (4.2)
где αном – номинальное значение коэффициента отклонения, установленное на осциллографе; αд – действительное значение коэффициента отклонения, вычисляемое по результатам косвенных измерений по формуле:
. (4.3)
Здесь U – напряжение на выходе генератора в В; h – высота изображения в дел.
Результаты измерений и вычислений заносятся в табл.6.1 протокола.
4.3.2. Погрешность измерения напряжения определяется путем прямого измерения напряжений, выдаваемых любыми из приведенных выше образцовых приборов, по методу, предусмотренному для поверяемого осциллографа. Измерения должны проводиться при всех значениях коэффициента отклонения и не менее чем в пяти точках диапазона измеряемых осциллографом напряжений, включая две крайние точки – минимальную и конечную, соответствующую 100% отклонения изображения.
Погрешность измерения напряжения рассчитывается по формуле:
(4.4)
где U – измеренное осциллографом напряжение входного сигнала; Uд – действительное значение напряжения входного сигнала.
Результаты измерений и вычислений заносятся в табл.6.2 протокола.
4.4. Определения погрешности коэффициента развертки, измерения временных интервалов. В лабораторной работе по данному пункту проводится поверка осциллографа по параметру, на который установлено требование в техническом описании осциллографа.
4.4.1. Погрешность коэффициента развертки может быть определена методом прямых измерений при помощи импульсного калибратора осциллографов И1-9 или косвенно – путем определения действительного коэффициента развертки при измерении осциллографом длительности временных интервалов периодического сигнала, выдаваемых генератором сигналов или генератором импульсов. Слушатели выбирают схему измерений, руководствуясь составом приборов, комплектующих лабораторную работу, и НТД на осциллограф.
При измерениях элементами регулировки осциллографа и генератора (калибратора) следует добиться устойчивого изображения сигнала на экране осциллографа. Высота изображения по вертикали должна составлять не менее 40%рабочего поля шкалы, а определенное количество периодов сигнала – точно умещаться на таком же числе делений (т. е. период сигнала должен быть приблизительно равен в единицах времени коэффициенту развертки). Следует иметь в виду, что совмещение изображения с горизонтальными отметками шкалы нужно проводить в точках, имеющих максимальную крутизну (для синусоидального сигнала), и для одинаковых границ линии луча.
Погрешность коэффициента развертки находится для всех значений коэффициента развертки осциллографа и длины изображения сигнала, равных четному числу делений, а также наименьшему допустимому числу делений, оговоренному в НТД на поверку, и максимальному числу делений в пределах рабочего участка ЭЛТ.
Погрешность коэффициента развертки определяют по формуле:
(4.5)
где βном - номинальное значение коэффициента развертки, установленное по шкале осциллографа 
- действительное значение коэффициента развертки 
, f T – частота и соответственно период, отсчитанные по шкале генератора или измеренные с помощью ЭСЧ; l – количество делений шкалы, на которых производится отсчет числа периодов.
При использовании калибратора осциллографов отсчет погрешности проводят непосредственно по его шкале. Результаты измерений заносятся в табл.6.3 протокола.
4.4.2. Погрешность измерения временных интервалов определяется путем прямого измерения временных интервалов, задаваемых генератором сигналов (генератором импульсов) или импульсным калибратором по методу, предусмотренному в технической документации для поверяемого осциллографа. Измерения необходимо проводить при всех значениях коэффициента развертки и не менее чем в пяти точках диапазона измеряемых временных интервалов, включая две крайние точки.
Погрешность измерения временных интервалов определяют по формуле:
(4.6)
где Т= β⋅l – длительность временного интервала, рассчитанного по результатам измерений; l – число делений, отсчитанных по шкале ЭЛТ; 
- значение длительности временного интервала, рассчитанное по частоте генератора сигналов; n - число периодов, уложившихся на l делениях.
Результаты измерений и вычислений заносятся в табл.6.4 протокола.
4.5. Определение параметров переходной характеристики. В лабораторной работе выполняются операции поверки, в которых определяются следующие параметры переходной характеристики:
- время нарастания; время установления; неравномерность плоской вершины; выброс; спад вершины при закрытом входе.
Для определения параметров переходной характеристики тракта вертикального отклонения осциллографа в качестве источника испытательных импульсов следует использовать генератор импульсов.
При поверке осциллограф переводят в режим внешнего запуска (коэффициент развертки – минимальный), а генератор – в режим внутреннего запуска. Параметры переходной характеристики определяют для всех фиксированных значений коэффициента отклонения при положительной и отрицательной полярности испытательного импульса. Однако в лабораторной работе слушатели определяют параметры переходной характеристики для одного фиксированного значения коэффициента отклонения при положительном импульсе. Время нарастания переходной характеристики определяется на экране ЭЛТ следующим образом. Изображение переходной характеристики размещается в нижней половине рабочего поля экрана. Регулируя поочередно ручками регулировки уровня сигнала генератора и смещения по вертикали осциллографа, добиваются того, чтобы 80 % высоты средней части изображения занимало ровно четыре деления. Остальные части импульса – нижний и верхний – должны выходить за пределы этого поля соответственно вниз и вверх на 0,5 (или 1/3) деления (рис.2).
Рис.2. Переходная характеристика электронного осциллографа: τн – время нарастания; τу – время установления; ΔА – выброс на вершине; ΔАн – неравномерность плоской вершины; А – установившееся значение амплитуды.
Таким образом устанавливают уровни изображения, а затем смещают изображение по горизонтали до пересечения нижней части изображения с вертикальной линией шкалы (точка 1). Расстояние от этой линии до пересечения фронта с контрольной, горизонтальной линией шкалы (точка 2) равно времени нарастания τн. Полученное значение заносят в табл. 6.4 протокола.
Время установления τу определяют путем отсчета длительности переходного процесса от точки 1 до конца переходного процесса. Значение τу заносят в табл. 6.5 протокола. Выброс 
Ав определяют путем отсчета числа делений (амплитуды) максимального отклонения переходного процесса от установившегося значения. Значение 
Ав в процентах заносят в табл. 6.5 протокола.
Аналогично определяет неравномерность δАн в точке отклонения вершины переходной характеристики от установившегося процесса. Относительные значения выброса и неравномерности определяют по формуле:
, (4.7)
где А – амплитуда изображения испытательного импульса (в делениях шкалы).
Измеренные и вычисленные значения заносятся в табл. 6.5 протокола.
4.6. Определение параметров амплитудно-частотной характеристики. В лабораторной работе слушатели выполняют операции поверки, в которых определяются следующие параметры амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта вертикального отклонения:
- неравномерность в нормальном и расширенном диапазонах частот; полоса пропускания.
Параметры АЧХ определяются по кривой, которую снимают с помощью генераторов сигналов. Уровень входного сигнала контролируется с помощью встроенного в генератор или отдельного вольтметра. При снятии АЧХ осциллограф работает в режиме внутреннего запуска. Высота изображения сигнала на опорной частоте должна составлять 80 % рабочего участка экрана ЭЛТ. Значение опорной частоты задается в НТД на осциллограф. Изменяя частоту сигнала генератора и поддерживая его амплитуду постоянной, измеряют высоту изображения на экране ЭЛТ, которая заносится в табл. 6.6 протокола.
Для определения АЧХ число точек должно быть не менее 20, в том числе в пределах нормального и расширенного диапазонов АЧХ не менее 10.
Относительные значения неравномерности в пределах нормального δн и расширенного диапазонов δр вычисляют по формулам:
; 
, (4.8)
где lн и lр – абсолютные значения неравномерности в нормальной и расширенной областях частот, в делениях; lо – изображения на опорной частоте амплитуды сигнала в делениях шкалы.
Полоса пропускания Δf определяется частотой, при которой амплитуда изображения равна 0,7 lо.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какие операции поверки универсальных электронных осциллографов вы знаете? В чем заключается методика определения ширины линии луча в горизонтальной плоскости? Какие существуют источники погрешности коэффициента отклонения? Как осуществляется определение погрешности коэффициента отклонения (измерение напряжения)? Какие существуют источники погрешности коэффициента развертки? Как осуществляется определение погрешности коэффициента развертки (измерение интервалов времени)? Как определяются переходная характеристика осциллографа и ее параметры.
6. ПРОТОКОЛ ПОВЕРКИ
Таблица 6.1
Результаты поверки, выполненной по п. 2.3
αном, В/дел | U, B | h, дел | αд, B/дел | δα, % | δα допустимая |
Таблица 6.2
Результаты поверки, выполненной по п. 2.4
αном, В/дел | Uд, B | h, дел | U, B | δU, % | δU допустимая |
Таблица 6.3
Результаты поверки, выполненной по п. 2.5
βном, мкс/дел | l, дел | f, Гц | βд, мкс/дел | δβ, % | δβ допустимая |
Таблица 6.4
Результаты поверки, выполненной по п. 2.6
β, мкс/дел | l, дел | Т, мкс | Тд, мкс | δτ, % | δτ допустимая |
Таблица 6.5
Результаты поверки, выполненной по п. 2.7
Параметр | Обозначение | Измеренные значения | Допустимые значения |
Время нарастания | τн | ||
Время установления | τу | ||
Выброс | ΔА | ||
Неравномерность | ΔАн |
Таблица 6.6
Результаты поверки, выполненной по п. 2.8
Частота сигнала | fon | f1 | f2 | … | fn |
Абсолютное значение неравномерности | |||||
Неравномерность, % |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
и др. Измерители параметров формы радиосигналов и их поверка.- М., 1984г. , Саенко , 1983г. Мирский измерения, 1975г. Справочник по радиоизмерительным приборам / Под ред. . Т.1. – М.: Сов. Радио, 1978г Справочник по радиоизмерительным приборам / Под ред. . Т.2. – М.: Сов. Радио, 1979г.. , , Фельдман средств измерений. Радиотехнические измерения, 1982г. ГОСТ 227.37 – 77 Осциллографы электронно-лучевые. Технические требования и методы испытаний. ГОСТ 8.311 – 78 Осциллографы электронно-лучевые универсальные. Методы и средства поверки. ГОСТ 8.331 – 78 Измерители нелинейных испытаний. Методы и средства поверки.
