Как определить среднеквадратическое значение сигнала на осциллографе
Сразу скажу, не силен в теории.
Собираю (первую в жизни) трансиверную приставку к приемнику. Изучая схемотехнику таких устройств постоянно наталкиваюсь на то, что в схемах авторы указывают эффективное значение напряжения гетеродинов, добавляя сокращение «эфф».
Подскажите, если я буду измерять это напряжение милливольтметром (допустим В3-48), я буду мерить эффективное значение?
Чем тогда я могу измерить амплитудное значение?
Раз авторы делают такое предупреждение, значит предполагают что, мы (по незнанию) можем измерить его чем-то не тем. Тогда чем,
осциллографом, я правильно думаю?
12.11.2015, 14:21
Да, вольтметры показывают эффективное значение напряжения, а осциллографы амплитудное. На этом можно и остановиться.
Но вопрос немного сложнее. На самом деле, и вольтметры меряют амплитудное значение, но вносят поправку, делят его на 1,41. И на шкале получается эффективное. Но значение 1,41 справедливо только для чистой синусоиды, поэтому, если сигнал обогащён гармониками, то вольтметр будет преувеличивать напряжение. Он не врёт только при измерении синусоиды. А осциллограф иметь всегда полезно.
12.11.2015, 14:25
Действующее (эффективное) значение и амплитудное связано соотношением Uэфф=0,707Uампл. Все просто. Измерьте осциллографом амплитудное значение напряжения, умножьте его на 0,707 и получите эффективное значение. Что измеряет именно ваш прибор не знаю, смотрите в инструкции к нему или установите это экспериментально сравнением со значением, измеренным осциллографом (только измерять нужно одновременно, во избежание погрешности). 🙂
12.11.2015, 14:30
Подскажите, если я буду измерять это напряжение милливольтметром (допустим В3-48), я буду мерить эффективное значение?
Будете. «..В3-48, предназначенного для измерения среднеквадратических значений переменного напряжения произвольной формы и..» (аналогичный В3-42,только до 5 мГц),а вот некоторые другие милливольтметры (В3-38,например) могут измерять с достаточной точностью только синусоидальный сигнал. Эффективное напряжение (синусоидального сигнала) вы можете измерить и осциллографом,измери в амплитудное значение,а затем,умножив его на 0,707 или разделив на 1.41. Амплитудное значение доступней измерить осциллографом..
12.11.2015, 14:46
Понял.
Тогда еще вопросик с этим связанный. У меня есть и ВК7-9. Когда-то, в конце девяностых собирал УКВ усилки для радиотелефонов.
Тогда еще не было на руках измерителя ксв и мощности. Мощу я измерял подав выход усилка на тройник, в который вставлялась высокочастотная головка, а на выход тройника подключал ВЧ нагрузку (50ом безиндукционный резистор). Результат измерений определял по формуле U^2/R. Это правильно?
12.11.2015, 14:51
Эффективное напряжение на нагрузке в квадрате,деленное на сопротивление нагрузки. это правильно.
12.11.2015, 14:53
Но вопрос немного сложнее. В общем случае вопрос действительно сложнее, но, на мой взгляд, лезть «в подробности» и морочить голову автору темы не надо.
Большинство «стрелочных» приборов имеют шкалу, градуированную в эффективных значениях для синусоидального напряжения (независимо от того, что они на самом деле измеряют). В подавляющем большинстве случаев в передающей технике имеют дело с сигналами, близкими к синусоидальными. Поэтому то, что покажет В3-48 , то и истина.
В подавляющем большинстве случаев этого достаточно. Если почему-то очень надо амплитудное значение сигнала, достаточно умножить показания В3-48 на 1,41.
А в статьях чаще всего указывают эффективное значение напряжения, потому что его показывает большинство имеющихся в распоряжении радиолюбителя приборов. Искать здесь «глубину» не надо.
Осциллограф действительно покажет амплитудное значение синусоиды — для получения её эффективного значения надо разделить на 1,41.
12.11.2015, 14:55
Результат измерений определял по формуле U^2/R. Это правильно?
Все по формуле P=UU/R, но U в данном случае действующее. Если в качестве U берет амплитудное значение, то формула примет вид P=UU/2R. Это легко проверить через те же самые коэффициенты. А вот что за тройник у Вас был непонятно, не вносил ли он каких-то погрешностей.
12.11.2015, 14:59
БГ,
А я то же самое и написал. Только обозначил рубеж, где нужно остановиться не желающему лезть в тонкости. 🙂
Сигналы не всегда бывают синусоидальными, после умножителей частоты, особенно. Хорошо, в своё время, озаботился посмотреть один сигнал гетеродина сциллоскопом. А то лезли вещалки в любительский диапазон, неведомо откуда. 🙂
12.11.2015, 15:36
Хорошо, в своё время, озаботился посмотреть один сигнал гетеродина сциллоскопом.
Это верно, смотреть (измерять) сигнал надо всеми средствами, какие только есть в шаговой доступности 😛
12.11.2015, 15:58
А вот что за тройник у Вас был непонятно, не вносил ли он каких-то погрешностей.
Были какие-то парочку. От чего не помню уже, но прямо в них ВЧ головка и входила. С виду обычная железяка с хитрыми вроде разъемами. Внутри то ли трубка, то ли пруток который соединяет центральные пины разъемов. В него и входит головка своим кончиком. Аналогичный тройник идет и в комплекте к ВК7-9. Может один из них и есть от него. Просто давно им не пользовался и уже позабыл. Сейчас на работе и нет возможности глянуть. Но он специально для этого и сделан. Думаю, что никаких значимых потерь он не вносит.
Главное в том, что я все правильно мерил. Можно продолжать и сейчас, тем более уже интересует КВ, а тут все не так строго.
12.11.2015, 16:51
Тройниковый переход ТП-2.С помощью тройникового перехода типа ТП-2 прибор ВК7-9 позволяет измерять напряжения в высокочастотных трактах с волновым сопротивлением 75 Ом.
12.11.2015, 16:56
Главное не забыть, что на осциллографе между пиками — размах амплитуды. Для получения амплитуды надо размах поделить на два. А уже для получения эффективного напряжения амплитудное делится на 1,41. Бывает, что новички путают.
12.11.2015, 18:11
Сигналы не всегда бывают синусоидальными, после умножителей частоты, особенно. Хорошо, в своё время, озаботился посмотреть один сигнал гетеродина сциллоскопом. А то лезли вещалки в любительский диапазон, неведомо откуда.
Это конечно, но.
Для трансиверной приставки это вроде не актуально. Ну и «вылизовать» что-то — это уже с осциллографом. Я свою приставку к Кроту (описана в журнале «Радио») настраивал с помощью тестера ТТ1. И ничего.
12.11.2015, 19:07
Всем спасибо, усвоил, а то раньше как-то не придавал этому значения. Приборов разных вокруг много и таких вопросов не возникало, чтобы осциллографом мерить напряжение или частоту. Для всего есть свои приборы. Все время он для меня был просто показометром, чтобы смотреть форму сигнала и его наличие. Когда-то лет 30 назад учил все это, но как-то по жизни не было нужды в этих знаниях и все позабылось. Времени для творчества после армии особо не было и оно было заброшено, а для работы хватало того, что умею. Теперь же все устаканилось и появилось желание паять уже что-то для себя.
Основы осциллографических измерений
08.08.16 16:48 
Среднеквадратичное значение напряжения
При выполнении этого вида измерений определяется среднеквадратичное значение напряжения сигнала. за промежуток времени. Эта величина может использоваться затем для вычисления мощности.
Время нарастания
Этот вид измерений позволяет определять интервал времени, в течение которого напряжение сигнала меняется от самого низкого до самого высокого предельного значения. Обычно измеряется время, необходимое для перехода с 10% до 90% от полного размаха сигнала.
Длительность импульса
При измерении длительности положительного импульса вычисляется промежуток времени, в течение которого напряжение сигнала возрастает от уровня, соответствующего 50% от амплитуды, до его максимального значения, а затем уменьшается до уровня 50%.
При измерении длительности отрицательного импульса вычисляется промежуток времени, в течение которого напряжение сигнала снижается от уровня, соответствующего 50% от амплитуды, до его минимального значения, а затем возрастает до уровня 50%.
Период
Этот вид измерений служит для определения периода, т.е. интервала времени, через который периодический сигнал повторяет свои значения.
Частота
Данный вид измерений служит для определения частоты, т.е. величины, обратной периоду.
Этот перечень примеров приведен здесь для того, чтобы дать вам общее представление о том, какие основные виды измерений можно выполнять с помощью осциллографа. Вместе с тем, следует иметь в виду, что большинство современных осциллографов обеспечивают намного большее количество измерительных функций
Основные математические функции
Помимо описанных выше видов измерений существует множество других математических операций, функций, преобразований которые можно производить над сигналами. Ниже приведены примеры таких операций.
Преобразование Фурье
Эта математическая функция позволяет видеть гармонические компоненты (частоты), из которых состоит исследуемый сигнал.
Абсолютное значение
Эта математическая функция показывает абсолютное значение величины амплитуды сигнала, выраженное в единицах напряжения.
Интегрирование
Эта математическая функция позволяет вычислить интеграл исследуемого сигнала.
Сложение и вычитание
Эти математические функции позволяют складывать или вычитать мгновенные значения исследуемых осциллограмм и отображать на дисплее результирующий сигнал. Хотелось бы еще раз отметить, что этот список — лишь небольшая часть измерительных возможностей, доступных при использовании современных цифровых осциллографов.
Основные технические характеристики осциллографов
Многие собственные характеристики осциллографа оказывают значительное влияние на производительность прибора и, соответственно, на его способность выполнять точные измерения параметров сигналов разрабатываемых устройств или исследуемых процессов. В этом разделе рассматриваются самые важные из этих характеристики.
Кроме того, здесь вы ознакомитесь с терминологией, используемой в осциллографии, а также узнаете, как принять обоснованное решение по выбору модели своего цифрового осциллографа, наилучшим образом отвечающего всем потребностям тестирования.
Полоса пропускания
Полоса пропускания является самой важной характеристикой осциллографа, так как именно она дает представление об измерительном диапазоне прибора в частотной области. Иначе говоря, она определяет частотный диапазон, для которого осциллограф способен корректно отображать и правильно измерять параметры входных сигналов.
Полоса пропускания измеряется в герцах. Если полоса пропускания не достаточно широка, то осциллограф не сможет точно представить реальный сигнал. Так, например, в этом случае величина амплитуда сигнала может быть искажена, фронты осциллограммы окажутся не вполне чистыми, а некоторые детали сигнала могут быть потеряны.
Полоса пропускания осциллографа — это самое низкое значение частоты, на которой входной сигнал ослабляется на 3 дБ. Другими словами полосу пропускания можно определить так: если на вход осциллографа подается чистый синусоидальный сигнал, то полоса пропускания будет равна минимальной частоте, на которой измеренная амплитуда составляет 70,7% от фактической амплитуды сигнала.
Для получения более подробной информации советуем ознакомиться с рекомендациями по применению «Выбор осциллографа с оптимальной полосой пропускания для решения конкретных прикладных задач».
Количество входных каналов
Термин «входной канал» означает независимый вход осциллографа. Количество каналов в осциллографе может изменяться в пределах от двух и до двадцати.
Обычно в цифровом осциллографе имеются два или четыре входных аналоговых канала. Входные каналы могут различаться также в зависимости от типа подаваемого сигнала (аналоговый или цифровой). Некоторые модели осциллографов имеют только аналоговые каналы, и такие приборы называются «цифровые запоминающие осциллографы» (DSO).
Другие, которые называются «осциллографы смешанных сигналов» (MSO), содержат как аналоговые, так и цифровые каналы. Так, например, осциллографы смешанных сигналов Keysight серии InfiniiVision могут иметь до двадцати каналов, из которых шестнадцать — цифровые, а четыре — аналоговые каналы.
Очень важно, чтобы в осциллографе было достаточное для решения данной прикладной задачи количество входных каналов. Если используется двухканальный прибор, но при этом требуется отображать четыре сигнала одновременно, то это, очевидно, может привести к проблемам.
О шуме и его влиянии на осциллографические измерения
О шуме и его влиянии на осциллографические измерения. Измерения в присутствии шума
Часть II.
Измерения в присутствии шума
Все осциллографы обладают одним недостатком — вертикальным шумом, обусловленным аналоговым и цифровым преобразованием измеряемого сигнала. Первая часть данной статьи посвящена тому, как правильно оценивать и сравнивать осциллографы по таким характеристикам вертикального шума, как среднеквадратичное значение и размах. Во второй части статьи дается ряд полезных советов по более точной оценке уровней случайных и детерминированных составляющих шума при измерении малых сигналов в условиях относительно высокого уровня собственного шума осциллографа.
Измерения в условиях шума
При проведении измерений осциллографом на наиболее чувствительных настройках коэффициента отклонения (наименьшая величина В/дел), собственный случайный шум осциллографа может замаскировать измеряемые сигналы. Однако существуют способы, позволяющие минимизировать влияние собственного шума осциллографа. Допустим, выполняется измерение уровня шума и пульсаций на выходе источника питания. В этом случае, возможно, потребуется использовать осциллограф на максимально чувствительных настройках В/дел. Для начала воспользуйтесь пробником с коэффициентом ослабления 1:1, вместо пробника 10:1, который, возможно, был поставлен вместе с осциллографом в стандартной комплектации. Использование пробника 10:1 нежелательно, поскольку в этом случае не только базовый уровень шума осциллографа возрастает в 10 раз, но также в 10 раз возрастает и минимальное значение коэффициента отклонения В/дел, по сравнению с пробником 1:1.
В случае измерений среднеквадратичного значения уровня шума источника питания, необходимо помнить, что полученная величина будет также включать в себя собственный шум осциллографа с пробником. Поскольку эта величина может быть достаточно большой, существенно возрастает погрешность измерений. Данной ситуации можно избежать, тщательно исследовав шумовые характеристики используемого осциллографа и измеряемого сигнала (источника питания). Зная эти характеристики, можно получить более точное значение уровня шума исследуемого источника питания.
Рис. 1. Измерение шума источника питания, включая собственный шум измерительного тракта осциллограф + пробник
На рисунке 1 показаны результаты измерения шума источника питания с помощью осциллографа серии Agilent 6000. Коэффициент деления используемого пробника 1:1; коэффициент отклонения 10 мВ/дел. Для наилучшего представления сигнал смещен по напряжению на постоянную величину, равную 4,7 В (в данном случае исследуется источник питания с выходным напряжением 5 В). Обратите внимание, что не все осциллографы обеспечивают достаточный сдвиг сигнала на постоянную величину смещения (DC offset) при использовании пробников 1:1.
Рис. 2. Измерение собственного шума измерительного тракта (осциллограф + пассивный пробник 1:1)
Таким образом, согласно результатам измерений с использованием пробника 1:1 среднеквадратичное значение уровня шума исследуемого пятивольтового источника питания равно 1,5 мВ. На рис. 2 представлены результаты измерений уровня собственного шума измерительного тракта осциллографа при использовании пассивного пробника 1:1. Для проведения этого измерения заземляющая клемма пробника подсоединялась к измерительному концу пробника. В результате, уровень собственного шума измерительного тракта составил приблизительно 480 мкВ при коэффициенте отклонения 10 мВ/дел (о подробностях измерения характеристик собственного шума осциллографа см. часть I данной статьи). Теперь, исходя из определения среднеквадратичного значения величины (корень из суммы квадратов компонентов), можно определить точное значение уровня собственного шума источника питания. Оно составило около 1.4 мВ.
Важно отметить, что результат измерений сигнала источника питания помимо случайной компоненты может иметь детерминированную составляющую. Если детерминированная составляющая не имеет определенного корреляции с частотой синхронизации осциллографа, использование вышеописанного метода исключения собственного шума из результатов измерений дает очень хороший результат.
Отдельные детерминированные (систематические) составляющие измеряемого сигнала, например, составляющие на частотах переключения силовых ключей источника питания и цифрового тактового сигнала, также могут быть учтены при оценке результатов измерений, даже при наличии значительной случайной составляющей собственного шума осциллографа. Путем задействования дополнительных каналов осциллографа для синхронизации по подозрительным сигналам, пользователь может выполнить многократный сбор данных и усреднение сигнала. При этом отфильтровываются все случайные и некоррелированные составляющие шума, вызванные как осциллографом с пробником, так и измеряемым сигналом. В результате пользователь сможет провести измерения определенной составляющей шума источника питания с высоким разрешением, даже в случае использования наиболее чувствительных настроек В/дел, таких как 2 мВ/дел (см. рис. 3).
Рис. 3. Измерение величины размаха шума, обусловленного сигналом тактовой частоты
Используя описанную технику измерений, было получено значение размаха детерминированной составляющей, равное 4,9 мВ, обусловленной сигналом тактовой частоты цифровой системы управления источника питания (сигнал зеленого цвета внизу на рис. 3). Для поиска других детерминированных составляющих шума, необходимо провести ряд измерений по описанной методике с синхронизацией на предполагаемых сигналах источников помех.
Эффект «утолщения» формы сигналов на экране осциллографа
Существует распространенное заблуждение о том, что цифровые осциллографы имеют больший уровень случайного вертикального шума, чем их аналоговые собратья. Это заблуждение основано на том, что сигналы на экране цифрового осциллографа отображаются обычно толще, чем на экране аналогового. На самом деле, при одинаковой полосе пропускания уровень шума цифрового осциллографа не выше, чем у аналогового. Вертикальный шум на экране аналогового осциллографа либо слабоконтрастный, либо вообще отсутствует, в силу случайной природы. Хотя инженеры часто воспринимают осциллограф как прибор для отображения сигналов в двух измерениях — напряжении и времени — аналоговые осциллографы в силу особенностей электронно-лучевой технологии позволяют отображать сигнал в третьем измерении. В этом измерении осциллограф отображает частоту повторения сигнала посредством модуляции яркости (интенсивности) сигналов, что в результате приводит к визуальному подавлению или «скрытию» выбросов случайного вертикального шума.
Обычные цифровые осциллографы не обладают свойством отображать сигналы в третьем измерении (с градацией яркости). Тем не менее, некоторые современные модели уже позволяют модулировать яркость сигналов, тем самым, достигая качества изображения, свойственного аналоговым осциллографам. В частности, осциллографы новой серии Agilent 6000 с архитектурой MegaZoom III обладают наилучшими в отрасли возможностями по вариации яркости (интенсивности) сигналов с помощью 256 уровней градации яркости осциллограмм, отображаемых на дисплее с XGA разрешением.
Рис. 4. Отображение сигналов на экране без градации яркости
На рис. 4 представлен сигнал малой амплитуды с частотой 10 МГц, захваченный при коэффициенте отклонения 10 мВ/дел и отображенный со 100% яркостью. Эта картинка является типичной для устаревших моделей цифровых осциллографов, не имеющих функции градации яркости сигналов. Не имея возможности отображать сигнал с вариацией яркости, сигнал отображается «жирным», что позволяет выявить максимальные случайные выбросы шума сигнала. Однако «толщина» этого сигнала (примерно 50 мВ в размахе), измеренная при коэффициенте отклонения 10 мВ/дел связана, в основном, с собственным шумом осциллографа, а не шумом входного сигнала. На рис. 5 представлен тот же 10 МГц сигнал при отображении на 20%-м уровне яркости для более точной имитации дисплея аналогового осциллографа, который естественным образом визуально подавляет случайные выбросы шума. Теперь можно наблюдать более «четкий» сигнал без признаков собственного шума осциллографа на сравнительно чувствительных настройках В/дел. Кроме того, на рис. 5 видно, что подавление собственных помех позволяет увидеть ранее неразличимые особенности измеряемого сигнала такие, как небольшие пульсации вблизи максимума амплитуды.
Рис. 5. Отображение сигналов на экране с градацией яркости
Другим вариантом учета собственного шума измерительного тракта является повторное измерение сигнала с последующим усреднением, как показано на рис. 3. В тех случаях, когда данный вариант невозможен (измерения в реальном времени и многократные измерения), существует вариант использования режима высокого разрешения (если это позволяет используемый осциллограф). Оцифровка в режиме высокого разрешения может быть использована для однократных измерений, позволяя отфильтровывать высокочастотные шумовые и детерминированные компоненты сигнала посредством цифровых фильтров. Вертикальное разрешение может быть повышено до 12 бит, но при этом сокращается полоса пропускания измерительного тракта.
При использовании осциллографа на наиболее чувствительных настройках коэффициента отклонения, относительный уровень собственного шума осциллографа может быть достаточно высоким, тем самым снижая точность измерений сигналов с малой амплитудой. Во второй части статьи, рассматривающей характеристики собственного шума осциллографа и их влияние на результаты измерений, были показаны методы учета собственного шума осциллографа при измерении среднеквадратичного значения уровня шумов источника питания. Кроме этого, был представлен метод усреднения сигнала, позволяющий исключить случайные компоненты шума для точного измерения детерминированных составляющих шума.
Часть I. Оценка вертикального шума осциллографа. смотреть.
Джонни Хенкок (Johnnie Hancock), Agilent Technologies
Что означают RMS и True RMS? Здесь мы объясним вам различия
RMS означает среднеквадратичное значение, а TRMS (True RMS) — истинное среднеквадратичное значение. Инструменты TRMS намного более точны, чем RMS при измерении переменного тока. Вот почему все мультиметры в каталоге PROMAX имеют возможности измерения True RMS.
Различия между измерениями с использованием стандартного мультиметра и мультиметра True RMS
Почему необходимо измерение RMS или True RMS?
Поскольку напряжение синусоидальной волны изменяется во времени, оно не равно ее пиковому напряжению. Эффективное напряжение переменного тока является его эквивалентностью в виде напряжения постоянного тока и может быть рассчитано только с помощью RMS True RMS приборов.
Синусоида 170 В и эффективное напряжение 120 В
Что такое RMS?
RMS означает «Среднеквадратичный квадрат», который является математической формулой, которая внутренне вычисляется инструментами, способными использовать RMS значение для проведения измерений. Эта формула упрощена прибором для учета только положительного пика синусоиды:
Математическая формула, применяемая RMS мультиметром
Среднеквадратичное измерение надежно, когда синусоидальная волна идеальна, потому что это измерение учитывает только пиковое значение формы волны.
Итак, что происходит, когда синусоида не идеальна? Это значит, что происходит в РЕАЛЬНОМ мире?
Что такое True RMS? Это самое надежное измерение
RMS измерения нельзя считать надежными, потому что в настоящее время в любой установке имеется множество источников шума, из-за которых форма волны переменного тока никогда не бывает идеальной.
В измерении True RMS (истинное среднеквадратичное значение) используются более сложные математические формулы, которые позволяют приблизить значение к реальности, чем RMS. В дополнение к пиковым значениям они берут несколько выборок значений по каждому циклу.
Математическая формула, применяемая мультиметром True RMS
Идеальная синусоида (слева) и волна ближе к реальности (справа) под воздействием шума
Весь этот шум вызван приводами, переменными переключателями, приборами, компьютерами, дешевыми блоками питания маршрутизаторов, зарядных устройств и т. д
По этой причине, поскольку синусоидальная волна никогда не бывает совершенной, надежные измерения в установках переменного тока — это только измерения, выполненные мультиметрами True RMS.
Краткий обзор мультиметров PROMAX
Поделиться через :
PROMAX является ведущим производителем испытательных и измерительных систем, оборудования для эфирного вещания и для распределения телевизионного сигнала. Наша линия продуктов включает измерительные приборы для кабельного, спутникового и эфирного телевидения, беспроводных и волоконно-оптических сетей, и FTTH GPON анализаторов. DVB-T модуляторы, IP стримеры и IP преобразователи (ASI, DVB-T) являются одними из последних достижений компании.