НАБЛЮДЕНИЕ СИГНАЛОВ И ИЗМЕРЕНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННЫМИ ОСЦИЛЛОГРАФАМИ

 

1. Цель работы.

Приобретение практических навыков использования электронных осциллографов для наблюдения сигналов, а также измерения их параметров с оценкой погрешностей измерения.

 

2. Пояснения к лабораторной работе.

 

2.1 Назначение осциллографа.

Электронный осциллограф (ЭО) обеспечивает получение на своем экране графика изменения во времени напряжения, поданного на его вход. Наблюдая форму сигналов в различных точках электрической цепи, можно судить о состоянии и свойствах цепи. Способность визуализировать сигналы является чрезвычайно важным качеством осциллографа, позволяющим оперативно проводить контроль и диагностику электрических цепей. Кроме этого, современные ЭО предоставляют оператору график сигнала с известными и весьма точно выдержанными масштабами по осям координат, что позволяет определить значения сигнала в различные моменты времени, период сигнала, частоту, сдвиг сигналов по фазе. Таким образом, осциллограф является также и универсальным измерительным прибором.

 

2.2. Упрощенная структурная схема ЭО.

Упрощенная структурная схема типового ЭО (рис.3.1) включает в себя электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и устройства управления лучом (канал Х и канал Y). Питание ЭЛТ и всех электронных узлов схемы осуществляется от встроенного источника стабилизированного напряжения (на схеме не показано).

ЭЛТ представляет собой стеклянный вакуумный баллон, в котором размещены электронная пушка, люминесцирующий экран (Э) и две пары отклоняющих пластин (X, Y). Основными деталями электронной пушки являются: подогреватель (П), катод (К), модулятор (М), первый и второй аноды (А1 и А2).

Электронная пушка инжектирует поток электронов и формирует его в тонкий электронный луч. Экран – это покрытая люминофором внутренняя поверхность баллона, на которую направлен луч. Люминофор – специальный состав, который имеет свойство светиться под действием удара электронов. В месте попадания электронов на люминесцирующий экран появляется светящееся пятно. Напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины, создает электрическое поле, которое отклоняет луч от оси трубки и изменяет по двум координатам положение пятна на экране.

Вход Y

«Вольт/дел»

УВО

К

ВДН

А2

Канал Y

Канал X

П

Э

А1

М

К

«Яркость»

«Фокус»

«Y»

«X»

ЭЛТ

«X»

Вход Х

Подогреватель представляет собой спираль из тугоплавкого материала, через которую пропускается электрический ток. Выделяющаяся энергия разогревает спираль до высокой температуры. Подогреватель, в свою очередь, разогревает катод, торцевая поверхность которого покрыта специальным составом, облегчающим выход электронов из материала катода. Таким образом, разогретый катод испускает электроны. Вблизи катода создается электронное облако. Напряжения, поданные на модулятор и аноды, создают у поверхности катода электрическое поле, ускоряющие электроны в направлении экрана. Поскольку модулятор, первый и второй аноды расположены на различных расстояниях от катода, каждый из этих электродов оказывает специфическое действие на формируемый электронный луч. Изменяя напряжение на модуляторе, можно изменять количество электронов, проходящих от катода в направлении экрана, и тем самым регулировать яркость светящегося пятна на экране. При напряжении на модуляторе относительно катода порядка -10 В электрическое поле становится тормозящим для электронов, и они вообще не проходят в направлении экрана.

Напряжение на первом аноде оказывает фокусирующее действие на электронный луч. При определенном его значении электронный луч будет сфокусирован на экране. Люминесценция экрана под действием электронной бомбардировки имеет место только при достаточно высокой энергии электронов, бомбардирующих экран. Назначение второго анода – увеличить скорость электронов до скорости, необходимой для получения четкого изображения на экране. Поэтому на второй анод подается достаточно высокое положительное напряжение относительно катода (от 600 до 2000 В).

Во всех типах ЭО на переднюю панель осциллографа выведены ручки переменных резисторов, с помощью которых регулируются напряжения на модуляторе («Яркость») и на первом аноде («Фокус»).

Отклоняющие пластины ЭЛТ представляют собой две пары плоскопараллельных пластин, расположенных взаимно перпендикулярно. Если, например, на пластины Y подать постоянное напряжение, то между пластинами будет образовано электрическое поле (рис.3.2). Под действием поля электроны отклоняются от оси ЭЛТ и, соответственно, изменяется положение светящегося пятна на экране. Как видно из рисунка, отклонение его произойдет в вертикальном направлении, т.е. по координате y. Аналогично отклоняют луч пластины X, но в горизонтальном направлении. Смещение светящегося пятна на экране пропорционально приложенным к пластинам напряжениям, т.е. y = S_y∙ U_y, x = S_x∙ U_x, где x, y – смещение светящегося пятна по горизонтали и вертикали; U_x, U_y – напряжения на пластинах X и Y; S_x, S_y – коэффициенты пропорциональности, называемые чувствительностью ЭЛТ по горизонтали и вертикали.

 

 

 

Рис. 3.2. Траектория движения электрона в ЭЛТ

 

Для удобства считывания координат светящегося пятна экран ЭЛТ снабжен координатной сеткой.

Устройства управления электронным лучом. Канал Y (см. рис.3.1) содержит усилитель вертикального отклонения (УВО), входной делитель напряжения (ВДН) и калибратор (К). Рассмотрим назначение этих устройств. Чувствительности S_x и S_y ЭЛТ сравнительно малы по той причине, что для получения люминесценции электроны необходимо разогнать до достаточно высоких скоростей. Поэтому они быстро пролетают между отклоняющими пластинами, и чтобы отклонить их за это короткое время от оси трубки на требуемый угол, к пластинам надо приложить значительные напряжения U_x (или U_y) – десятки вольт. Поэтому, обеспечить наблюдение слабых сигналов U_y(t) можно, только предварительно усилив их. Следовательно, любой осциллограф включает в себя усилитель вертикального отклонения УВО.

Но на практике приходится наблюдать не только малые сигналы, но и достаточно большие (порядка сотен вольт). Эти сигналы надо уже не усиливать, а ослаблять, что осуществляется с помощью входного делителя напряжения ВДН.

Так как параметры радиоэлементов и ЭЛТ зависят от температуры окружающей среды, а также могут изменяться и с течением времени (старение элементов), то предусмотрена регулировка, (в некоторых пределах) коэффициента усиления усилителя. Для его корректировки используется калибратор К (см. рис.3.1). Калибратор вырабатывает стабильное напряжение, обычно прямоугольной формы (меандр), которое подается при калибровке на вход канала Y. На экране осциллографа наблюдают этот сигнал и корректируют коэффициент усиления усилителя так, чтобы изображение сигнала на экране занимало по вертикали определенное число делений координатной сетки, указанное в техническом описании осциллографа. Тем самым устанавливается коэффициент усиления канала номинальным.

Кроме плавной регулировки в усилителе горизонтального отклонения предусмотрена возможность дискретного изменения коэффициента усиления. Дискретно изменяется и коэффициент деления входного делителя. Эти изменения осуществляются одним переключателем, который выведен на лицевую панель. Цена деления координатной сетки по оси y называют коэффициентом отклонения. Благодаря усилителю и делителю коэффициент усиления можно изменять в широких пределах. Это дает возможность наблюдать на экране входные напряжения от долей милливольт до десятков вольт, а с внешним делителем 1: 10 – до сотен вольт.

Канал X (см. рис.3.1) содержит усилитель горизонтального отклонения (УГО), по назначению и свойствам аналогичный усилителю вертикального отклонения, и генератор развертки (ГР). Калибровка канала по временной оси осуществляется аналогично калибровке канала Y.

 

2.3. Функционирование электронного осциллографа.

Как правило, основное назначение осциллографа заключается в визуальном наблюдении, анализе и измерениях временных функций. Отклонение луча, рисующего изображение на экране осциллографа, по осям y и x, пропорциональны приложенным к пластинам напряжениям. Для того, чтобы на экране осциллографа отображалась функция времени, напряжение, подаваемое на пластины X, при прохождении луча в пределах экрана осциллографа должно изменяться прямо пропорционально времени. Этому условию удовлетворяет так называемое линейно возрастающее (пилообразное) напряжение развертки, график которого изображен на рис. 3.3. И чем линейнее будет зависимость изменения этого напряжения во времени, тем точнее будет отображаться на экране временная функция. Устройство, вырабатывающее в осциллографе пилообразное напряжение развертки, называется генератором развертки ГР.

При этом на вход осциллографа Y должно подаваться исследуемое входное напряжение

Практически невозможно получить линейно возрастающее напряжение в течение неограниченного времени. К тому же в этом нет необходимости. Достаточно иметь такое напряжение в течение хотя бы одного периода исследуемого напряжения U(t). Тогда на экране электронный луч воспроизведет один период сигнала U(t). Если многократно и достаточно часто воспроизводить один период сигнала, причем так, чтобы траектория луча была одной и той же, а не смещалась от периода к периоду, то из-за инерционности зрения оператор увидит на экране непрерывный график одного периода U(t).

Добиться такого положения, чтобы луч на экране от периода к периоду перемещался по одной и той же траектории, значит получить на экране устойчивое изображение. Для этого необходима синхронность напряжения развертки и исследуемого сигнала U(t). Для осуществления этой синхронизации, на переднюю панель осциллографа выведены соответствующие органы управления. Если напряжение развертки линейно нарастает в течение нескольких периодов исследуемого сигнала, то на экране получаем изображения этих нескольких периодов U(t) (естественно, при наличии синхронности напряжений U(t) и развертки).

Как уже говорилось, форма выходного напряжения генератора развертки изображена на рис. 3.3. Во время T_пр луч на экране перемещается по оси x слева направо с постоянной скоростью (прямой ход луча). Этот интервал является рабочим. Именно в это время воспроизводится на экране исследуемый сигнал.

Во время Т_обр луч быстро возвращается справа налево (обратный ход луча). Обратный ход является нерабочим интервалом времени. На время Т_обр в осциллографах на модулятор подается импульс отрицательного напряжения относительно катода, благодаря которому яркость светящегося пятно падает до нуля. Такое «гашение» луча устраняет фрагменты изображения на экране, появляющиеся во время обратного хода луча и затрудняющие наблюдение изображения сигнала.

 

 

 

Рис.3.3. Форма выходного напряжения генератора развертки

 

Генератор развертки может работать в двух режимах: автоколебательном и ждущем. В автоколебательном режиме он непрерывно вырабатывает пилообразное напряжение, а в ждущем – всего один период этого напряжения и только тогда, когда на вход генератора поступает напряжение определенного уровня: положительного или отрицательного. Длительность развертки Т_пр в обоих режимах можно изменять с помощью переключателя, расположенного на передней панели осциллографа. Положение этого переключателя определяет скорость перемещения луча по оси x экрана. Цена деления по оси x называется коэффициентом развертки.

Синхронизация развертки. Под синхронизацией понимается приведение двух или более периодических процессов к такому их протеканию, когда соответствующие элементы процессов совершаются одновременно или с неизменным сдвигом по фазе. При исследовании периодических напряжений для получения неподвижного изображения на экране ЭЛТ необходимо, чтобы период напряжения развертки был кратен периоду исследуемого сигнала: Т_x/T_y= n, {n = 1, 2, 3, …}. В этом случае момент начала развертки при каждом ее цикле будет приходиться на одно и то же значение сигнала и перемещение луча по экрану будет происходить по одной и той же траектории.

В автоколебательном режиме выполнение условия кратности периодов частот развертки и исследуемого сигнала добиваются изменением коэффициента развертки с помощью регулировок на передней панели. Однако непрерывное поддержание выполнения этого условия вручную практически весьма сложно из-за нестабильностей частот генератора развертки и сигнала. Поэтому для поддержания стабильности настройки используется цепь синхронизации, на которую подается входной сигнал. Из входного сигнала цепь синхронизации формирует короткие импульсы с периодом этого сигнала, к которым привязывается начало развертки.

При ждущей развертке генератор не работает до тех пор, пока не приходит запускающий, т.е. синхронизирующий импульс, который обычно также формируется из исследуемого сигнала. Запуск ждущей развертки исследуемым сигналом приводит к некоторой задержке начала развертки относительно начала импульса и, следовательно, к потере изображения части переднего фронта сигнала. Для исключения этого явления исследуемый сигнал задерживается с помощью линии задержки, расположенной в канале вертикального отклонения. Ждущий режим используется для наблюдения импульсных сигналов с большой и переменной скважностью. В остальных случаях может использоваться как ждущий, так и автоколебательный режим. Имеются осциллографы, у которых переход от автоколебательного режима к ждущему осуществляется автоматически. После включения осциллографа генератор развертки работает в автоколебательном режиме (на экране ЭЛТ видна горизонтальная линия), а с появлением запускающего импульса внутренней или внешней синхронизации генератор развертки автоматически переводится в ждущий режим.

Рассмотренная синхронизация в автоколебательном режиме и запуск развертки в ждущем от входного сигнала (из канала Y) носят название внутренней синхронизации. Однако в осциллографах предусматривается также внешняя синхронизация от внешнего источника и внешняя синхронизация от сетевого напряжения (50 Гц).

Если сигнал непериодический, точнее, неповторяющийся, то наблюдать его на обычных осциллографах не представляется возможным. Для этой цели существуют специальные, запоминающие осциллографы.

При исследовании низкочастотных процессов (частота менее 10 Гц) инерционность зрения уже трудно использовать. При подобных исследованиях применяют осциллографы, экран ЭЛТ которых покрыт люминофором с длительным послесвечением.

 

2.4. Двухканальные осциллографы.

 

Двухканальные осциллографы применяются для одновременного наблюдения на экране одной ЭЛТ изображений двух синхронных сигналов, например при измерении фазового сдвига. Такие осциллографы содержат два канала Y, выходы которых с помощью коммутатора попеременно подключаются к отклоняющим пластинам Y электронно-лучевой трубки. Обычно предусматриваются следующие режимы работы двухканального осциллографа:

1. Одноканальный режим, при котором работает либо первый, либо второй канал.

2. Попеременный режим, при котором происходит поочередное подключение каналов после каждого хода развертки.

3. Прерывистый режим, при котором работают оба канала, но за время рабочего хода развертки переключение каналов производится с высокой частотой.

«Попеременный» режим используется для наблюдения быстрых процессов, а «прерывистый» - для относительно медленных процессов по сравнению со временем переключения каналов.

 

2.5. Измерения с помощью электронного осциллографа.

 

Измерение напряжений и временных интервалов с помощью большинства ЭО осуществляется весьма просто с использованием координатной сетки, которой снабжен экран. Для этого надо подать на вход Y осциллографа исследуемое напряжение и получить на экране его устойчивое изображение. Погрешности измерения амплитуды сигнала и его периода будут наименьшими, если их изображения максимальны. Это достигается регулировкой коэффициента отклонения (ось y) и коэффициента развертки (ось x). Результаты измерения амплитуды и периода будут соответствовать: U = K_откл∙ N_y и Т = K_разв∙ N_x, где N_y и N_x – число делений шкалы, занимаемое изображением амплитуды и изображением периода соответственно. Погрешности измерения амплитуды и периода определяются из технического описания используемого осциллографа.

Измерение амплитуды и временных интервалов в современных высокоточных оциллографах осуществляется с помощью встроенных цифровых измерительных приборов.

Несколько сложнее выглядит процесс измерения фазового сдвига. Пусть имеется два напряжения одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе:

U₁ = U_m1∙ sinω t,

U₂ = U_m2∙ sin(ω t+φ).

Если напряжение U₂ отстает по фазе от U₁ на угол φ, то перед φ надо поставить знак минус. Такие напряжения для эксперимента можно получить с помощью RC - цепи, показанной на рисунке 3.4. Для нее φ = - arctgω RC = - arctg(2π fRC). Если 2π fRC = 1, то фазовый сдвиг будет равен π /4 т.е. 45^о. При указанных на рис.3.4 значениях R и C примерно такой сдвиг по фазе будет при частоте напряжения U₁, равной 660 Гц.

Если осциллограф двухканальный, то напряжение U₁ и U₂ следует подать на входы Y₁ и Y₂ соответственно, запуск генератора развертки производить внешним сигналом U₁. При устойчивом изображении на экране будут видны U₁ и U₂. Их взаимное расположение дает искомый сдвиг (рис.3.5): φ ^о = .

Если осциллограф одноканальный, то по-прежнему необходимо использовать внешнюю синхронизацию развертки напряжением U₁. На вход Y подают сначала напряжение U₁, отмечая на экране положение некоторой опорной точки периода, например, точки 1 на рис.3.6. Затем, оставляя на входе синхронизации по-прежнему напряжение U₁, на вход Y подают напряжение U₂, сдвинутое по фазе относительно U₁. При этом ручки синхронизации обязательно должны оставаться в том же положении, при котором была отмечена опорная точка на экране. Отмечают вторую опорную точку на экране (точка 1^’ на рис.3.6). Измерив по координатной сетке отрезок X между опорными точками и длину периода X₀, рассчитывают фазовый сдвиг, как и ранее, по формуле .

 

 

Рис.3.4. Фазосдвигающая цепь

 

 

 

Рис.3.5. К определению фазового сдвига

 

 

 

Рис.3.6. К определению фазового сдвига с помощью одноканального осциллографа

 

3. Состав лабораторной установки.

· Электронный осциллограф.

· Генератор синусоидальных колебаний.

· Генератор импульсного напряжения.

· Панель элементов и соединений.

 

4. Задание и порядок выполнения работы.

 

4.1. Изучите пояснения к лабораторной работе. Пользуясь инструкцией по эксплуатации, уясните назначение органов управления осциллографа.

4.2. Получите на экране осциллографа изображение сигнала с выхода генератора синусоидальных колебаний, предварительно задав произвольные значения амплитуды и частоты колебаний.

4.3. Зарисуйте наблюдаемое изображение сигнала, указав численные значения масштабов (вольт/дел, время/дел). Измерьте амплитуду и период колебаний. Оцените погрешность измерений.

4.4. Получите на экране изображение сигнала с выхода генератора импульсов, предварительно задав на генераторе произвольное значение амплитуды и частоты следования. При этом значение длительности импульсов задайте на генераторе так, чтобы отношение периода повторения к длительности импульса составило не менее 10.

4.5. Зарисуйте наблюдаемое изображение сигнала, указав численные значения масштабов (вольт/дел, время/дел). Измерьте период повторения импульсов. Оцените погрешность измерений.

4.6. Изменяя коэффициент развертки, получите изображение импульса для определения с максимальной точностью его длительности. Зарисуйте осциллограмму с указанием масштабов. Измерьте длительность импульса и оцените погрешность измерений.

4.7. Поочередно измерьте длительность переднего и заднего фронтов импульса, обеспечив при этом возможность получения результата с максимальной точностью. Изобразите осциллограммы с указанием масштабов, оцените погрешность измерений.

4.8. В режиме внешней синхронизации измерьте фазовый сдвиг между двумя синусоидальными колебаниями. Для этой цели используйте генератор синусоидальных колебаний и фазосдвигающую RC – цепочку, размещенную на панели лабораторного стенда. Зарисуйте осциллограммы колебаний с указанием масштабов. Определите значение фазового сдвига и погрешность измерения.

4.9. Составьте отчет о проделанной работе.

 

5. Содержание отчета.

o Цель работы.

o Осциллограммы наблюдаемых сигналов.

o Результаты измерений и оценки погрешностей.

 

6. Контрольные вопросы.

1. Назовите основное назначение электронных осциллографов.

2. Объясните устройство ЭЛТ и назначение всех ее электродов.

3. Что будет видно на экране ЭЛТ, если:

 

а) U_y = 0; U_x = 0? д) U_y = U_msinω t; U_x = 0?

б) U_y = const; U_x = 0? е) U_y = 0; U_x = U_msinω t?

в) U_y = 0; U_x = const? ж) U_y = U_msin t; U_x = U_msin t?

г) U_y = const; U_x = const? з) U_y = U_msinω t; U_x = U_mcosω t?

4. Предложите способ нахождения траектории светящегося пятна на экране осциллографа при произвольных U_y(t) и U_x(t).

5. При каких условиях возможно получение изображения временного процесса на экране осциллографа?

6. Объясните назначение всех блоков структурной схемы электронного осциллографа.

7. В каких режимах может работать генератор развертки?

8. Дайте определение синхронизации развертки; объясните, для чего необходима синхронизация?

9. Какие виды синхронизации применяются в осциллографах?

10. Объясните назначение линии задержки в канале вертикального отклонения.

11. Как измерить с помощью осциллографа напряжение, период и частоту?

12. Какие новые возможности появляются в двухканальных осциллографах по сравнению с одноканальными?

13. Как измерить разность фаз с помощью двухканального осциллографа? Одноканального?

14. Перечислите назначение всех органов управления на лицевой панели изучаемого осциллографа.