POMIARY PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO I PARAMETRÓW IMPULSOWYCH SYGNAŁÓW ELEKTRYCZNYCH

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest poznanie oscyloskopowych metod pomiarów przesunięcia fazowego oraz podstawowych parametrów czasowych przebiegów impulsowych.

WPROWADZENIE

Przesunięcie fazowe między dwoma przebiegami okresowymi można określić jako różnicę faz obu przebiegów w chwili ich przejścia przez określony, najczęściej zerowy poziom :

ϕ = Ψ₁ - Ψ₂ ( 1 )

Jeżeli oba przebiegi posiadają jednakową częstotliwość, to przesunięcie fazowe jest stałe, niezależne od momentu wykonywania pomiaru. Przesunięcie można wyrazić również proporcjonalnym przesunięciem czasowym ( wyrażonym w mierze kątowej ), jako stosunek różnicy czasów Δt przejścia przebiegów przez zero, do okresu przebiegu T :

ϕ
[ rad ] ( 2 )

Pomiaru przesunięcia fazowego dokonuje się fazomierzami elektronicznymi (analogowymi lub cyfrowymi) lub za pomocą oscyloskopu. Wykorzystuje się w tym ostatnim przypadku dwie metody. Jedna z nich polega na bezpośredniej obserwacji przesunięcia fazowego między dwoma sygnałami podłączonymi do wejść obu kanałów odchylania pionowego oscyloskopu dwukanałowego.

.

Rys.1. Pomiar przesunięcia fazowego za pomocą oscyloskopu dwukanałowego.

Wartość przesunięcia fazowego określa się wówczas z zależności :

ϕ = 180 ^o ·
( 3 )

Dokładność pomiaru przesunięcia fazowego tą metodą wynosi kilka stopni.

Druga metoda, z wykorzystaniem krzywych Lissajous, w tym przypadku elipsy, umożliwia pomiar przesunięcia fazowego przy wykorzystaniu oscyloskopu jednokanałowego. Polega ona określeniu kąta przesunięcia fazowego na podstawie kształtu i położenia elipsy na ekranie oscyloskopu (rys.2). Jeden z sygnałów podłącza się do wejścia kanału X, a drugi do wejścia kanału Y. W zależności od kąta fazowego między badanymi sygnałami obserwuje się na ekranie różne spłaszczenia i ułożenia elipsy. Wartość przesunięcia fazowego w tej metodzie wyznacza zależność :

ϕ = arc sin
( 4 )

Powyższa metoda, nazywana również metodą funkcji sinusa, zalecana jest do pomiarów kątów ϕ mniejszych od 60 ^o .

Rys.2. Elipsa z zaznaczonymi charakterystycznymi odcinkami.

Korzystając z wymiarów maksymalnego MN i minimalnego KL promienia elipsy można również określić wartość przesunięcia fazowego, z zależności :

ϕ / 2 = arc tg
( 5 )

Metoda funkcji tangensa kąta zalecana jest dla kątów ϕ > 60 ^o .

Źródłami błędów pomiarowych kąta fazowego w metodzie elipsy są :

- niedokładność pomiaru długości odpowiednich odcinków na ekranie lampy oscylosko-powej;

• nieliniowość wzmocnienia i odchylania promienia w obu kanałach oscyloskopu;

• zniekształcenia badanych napięć;

• pasożytnicze przesunięcia fazowe w obwodach wzmacniaczy oscyloskopu.

Ponieważ wynik uzyskuje się na podstawie odczytów długości odpowiednich odcinków, o dokładności pomiaru δϕ decydują niepewności ich wyznaczenia na ekranie lampy :

δ ϕ = δa + δb =
% ( 6 )

gdzie : a, b - długości mierzonych odpowiednich odcinków, np. OA i OB., AB i CD itd.;

Δa, Δb - niedokładność odczytu tych odcinków, najczęściej równa 0,1 cm;

Wypadkowy błąd pomiaru kąta fazowego może wynosić kilka procent.

W wielu gałęziach elektroniki wykorzystuje się sygnały impulsowe, np. prostokątne, których kształt z różnych przyczyn ulega zniekształceniu. Ocena małych zniekształceń impulsów [5] jest bardzo trudna, gdyż nigdy nie ma stuprocentowej pewności, które ze zniekształceń zawierał impuls, a które wprowadził oscyloskop. Do poprawnego pomiaru kształtu impulsów należy stosować oscyloskopy o czasie narastania przynajmniej 3 ÷ 5 razy krótszym niż czas narastania impulsu.

Najlepsze wyniki w zakresie oceny czasowych parametrów impulsów daje zerokoopasmowy oscyloskop próbkujący. Praktycznie przyjmuje się, że szerokość pasma przenoszenia wzmacniacza odchylania pionowego oscyloskopu powinna być przynajmniej 100 razy większa od częstotliwości powtarzania impulsów.

Sposób definiowania wielkości charakteryzujących impulsy, przedstawia rys. 3.

- amplitudę impulsu określa się, jako różnicę między wartością maksymalną i minimalną (bez uwzględniania przerostów).

Oprócz amplitudy interesującym parametrem jest czas przejścia od dolnej do górnej wartości amplitudy albo odwrotnie, czyli tzw.

- czas narastania i czas opadania zboczy impulsu. Punkty charakterystyczne, między którymi powinny być mierzone owe czasy, określane są na poziomie 10 % i 90 % wartości amplitudy impulsu. Pomiary czasów narastania i opadania ułatwia zwykle skala oscyloskopu, na której znajdują się dodatkowe linie (na poziomie 10% i 90 %).

- szerokość impulsu zgodnie z przyjętą definicją mierzy się na poziomie 50 % wartości amplitudy.

- zwis grzbietu impulsu jest stosunkiem zmiany napięcia wyjściowego ΔA w czasie trwania impulsu, odniesionej do amplitudy A, wyrażonym w procentach. Wartość zwisu jest zależna od ograniczeń charakterystyki częstotliwościowej oscyloskopu od strony małych częstotliwości, powodowanych przez stałe czasowe układów sprzęgających.

- przerosty - zafalowania (oscylacje) na grzbiecie impulsu, określane w % całkowitej amplitudy; powodowane są ograniczonym pasmem charakterystyki częstotliwościowej w zakresie wysokiej częstotliwości, przez parametry wzmacniaczy i lampy oscyloskopowej.

czas trwania oscylacji pasożytniczych

przerost (+ Δ%)

100 % 0 %

90 % przerost ( - Δ %) 10 %

50 % szerokość impulsu 50 % amplituda

impulsu

10 % linia odniesienia 90 %

0 % 100 %

czas czas

narastania opadania

Rys.3. Parametry impulsu prostokątnego.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

1. Pomiary kąta przesunięcia fazowego:

1. metodą bezpośredniej obserwacji przebiegów :

• korzystając z pracy dwukanałowej oscyloskopu zmierzyć przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym przesuwnika fazowego; pomiary powtórzyć dla trzech częstotliwości sygnału.

• przed pomiarem sprawdzić czy pokrywają się osie czasu obu przebiegów.

2. metodą elipsy :

• korzystając z pracy X - Y oscyloskopu, pomierzyć w funkcji częstotliwości odpowiednie

odcinki elipsy, pozwalające na określenie przesunięcia fazowego metodą funkcji sinusa i tangensa kąta;

• przed pomiarem przeprowadzić regulację wzmocnienia w torze X i Y tak, aby dopro-wadzić do równości przemieszczeń plamki w osi x i y (inaczej wpisać elipsę w umowny kwadrat skali pomocniczej lampy oscyloskopowej).

- przykładowa tabela pomiarowa :

Tabela 1.

fgen	metoda bezpośrednia			metoda sinusa			metoda tangensa
		OB	OA	ϕ	AB	CD	ϕ	KL	MN	ϕ
kHz	mm		°	mm		°	mm		°

2. Pomiary parametrów impulsowych :

• przeprowadzić pomiary podstawowych parametrów impulsu prostokątnego. Pomiary powtórzyć dla innej częstotliwości generowania impulsów.

Pomiary amplitudy oraz zwisu przeprowadzić przy skalibrowanym wzmacniaczu Y

( pokrętło płynnej regulacji wzmocnienia w prawo do zaskoku ). Natomiast pomiar czasów dokonać przy rozkalibrowanym wzmacniaczu kanału Y, wykorzystując pokrętło płynnej regulacji wzmocnienia w ten sposób aby obraz impulsu mieścił się pomiędzy liniami określającymi poziomy 0 i 100 %;

• przerysować oscylogram obserwowanego przebiegu, zaznaczyć na nim podstawowe mierzone parametry.

Tabela 2.

częstotliwość sygnału f	amplituda A	szerokość impulsu t i	czas narastania t n	czas opadania to	zwis ΔA / A	Uwagi :
kHz	V	μ s			%

OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW

W sprawozdaniu należy m.in. przedstawić:

1. Rezultaty pomiarów przesunięcia fazowego stosowanymi w ćwiczeniu metodami.

2. Oscylogram przebiegu oraz wyniki pomiarów parametrów dynamicznych impulsów. Przeanalizować zmiany parametrów w funkcji ich częstotliwości powtarzania.

PRZYKŁADOWE ZAGADNIENIA DO TEORETYCZNEGO PRZYGOTOWANIA

1. Pojęcie przesunięcia fazowego i metody jego pomiaru (pomiar bezpośredni i pośredni).

2. Podstawowe parametry czasowe (dynamiczne) impulsów, ich definicje, zasady pomiaru.

3. Zasady działania fazomierzy elektronicznych.

Kolegium Karkonoskie Laboratorium miernictwa

5

Pomiary oscyloskopowe wybranych...

ΔA

A

Zwis =
%

---