Теоретические сведения.

Лабораторная работа №11М

Осциллографическое измерение напряжений и временных интервалов

Цель работы: изучить особенности измерения напряжений и временных интервалов с помощью осциллографа.

Приборы и оборудование: осциллограф, генератор электрических сигналов, инструкции по эксплуатации осциллографа и генератора сигналов.

Теоретические сведения.

Электронно-лучевой осциллограф является универсальным измерительным прибором. С его помощью можно визуально наблюдать и документально фиксировать периодические непрерывные импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, а также мгновенные одиночные явления. Исследуемый сигнал отображается на экране осциллографа в виде светящихся линий или фигур, называемых осциллограммами. Осциллограмма представляет собой функциональную зависимость двух или трех величин: у = f(x) или у = f(x, z). Большинство сигналов удобно рассматривать в реальном масштабе времени, поэтому чаще всего используется функциональная зависимость у = f(t) или у = φ(t,z).

Основной элемент электронно-лучевого осциллографа – это электронно-лучевая трубка. Она имеет две пары отклоняющих пластин: пластины – Х и пластины – Y. На пластины Y подается измеряемый сигнал, а на пластины Х – сигнал, посредством которого измеряемый сигнал разворачивается вдоль оси ОХ. Таким образом, осциллограф позволяет осуществлять прямое измерение лишь двух параметров: напряжения и времени. Однако электронно-лучевые осциллографы применяют так же для измерения длительностей сигналов, частоты и фазового сдвига, параметров модулированных сигналов и многих физических величин, преобразованных в сигналы, которые являются функциями от первых двух. На базе осциллографа созданы приборы для измерения переходных, частотных и амплитудных характеристик различных электрических и радиотехнических устройств. Широкое распространение электронно-лучевых осциллографов обусловлено возможность их использования в полосе частот от 0 до десятков гигагерц, в пределах напряжений сигнала от долей милливольта до сотен вольт при длительностях от единиц наносекунд до нескольких секунд.

Электронно-лучевые осциллографы подразделяются на универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. Все они могут быть одно- и двухлучевыми и двухканальными. Имеется многолучевой осциллограф с пятью каналами С1-33. Наибольшее распространение получили универсальные осциллографы, которые имеют структурную схему, представленную на рис.1. Любой универсальный осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки, трех электрических каналов управления лучом, калибратора и блока питания (на схеме не показан)

По каналу Y поступает исследуемый сигнал U_у, вызывающий вертикальное отклонение луча в электронно-лучевой трубке. В канал Y входят: аттенюатор Am для ослабления больших сигналов; предварительный усилитель У_уок, на входе которого вырабатывается симметричных противофазный сигнал, поступающий на две вертикально отклоняющие пластины Y. Переключателем S1 можно отключить канал Y и соединить пластины Y непосредственно с гнездами «Вход на пластины Y». Этот вход используется в том случае, если частота сигнала выше граничной частоты канала Y, а напряжение его не требует усиления.

По каналу Х поступает напряжение U_х, вызывающие горизонтальное отклонение луча. Одновременное воздействие двух напряжений U_х и U_у на электронный луч трубки вызывает появление осциллограммы, отображающей зависимость U_у = f(U_х) или U_у = f(t). Напряжение U_х называется развертывающим напряжением, а канал Х – каналом развертки. Главным узлом канала Х является генератор развертки G, вырабатывающей напряжение, пропорциональное времени: U_х = mt; для управления частотой развертывающего напряжения используется напряжение синхронизации, поступающее из канала Y или от внешнего источника через селектор синхронизации СС и формирующее устройство ФУ. В канале Х имеется усилитель У_х, вход которого с помощью переключателя S2 можно присоединить к выходу генератора развертки или к зажимам «Вход Х». Выходное двухфазное напряжение усилителя поступает на пластины Х.

По каналу Z через усилитель У_z и переключатель S3 подают напряжение от генератора развертки или внешнего источника через «Вход Z» для управления яркостью электронного луча.

В двухлучевых осциллографах применяются электронно-лучевые трубки с двумя электронными пушками и двумя парами пластин Y; для управления ими предусматривается два отдельных канала Y. В двухканальных осциллографах используется обычная однолучевая трубка и один быстродействующий коммутатор, подключающий входы двух каналов Y к отклоняющим пластинам Y. Канал горизонтального отклонения всегда один.

Основными характеристиками осциллографов являются:

диапазон измеряемых интервалов времени;

полоса пропускаемых частот канала Y или время нарастания переходной характеристики, выброс на ней и ее неравномерность;

диапазон значений коэффициента отклонения канала Y(В/дел);

диапазон значений коэффициента развертки (длительность развертки) с/дел;

входное сопротивление и емкость:

канала Х;

канала Y;

канала Z;

входа синхронизации;

входа на пластины Х;

входа на пластины Y;

диапазон частот и амплитуд напряжений внешней синхронизации (длительность импульсов синхронизации);

диапазон частот и амплитуд напряжений в канале Z;

параметры сигнала на выходе калибратора (амплитуда, частота, форма).

Рис. 1. Структурная схема осциллографа.

Рассмотренный универсальный осциллограф имеет ряд электронных узлов, которые не являются обязательными, но повышают измерительные возможности прибора. Можно выделить минимальный комплект электронных систем, которые позволяют создать простейший осциллограф. Они уже указаны при рассмотрении универсального осциллографа, но мы рассмотрим их подробнее.

Простейший осциллограф состоит из: системы электронно-лучевой трубки, системы канала Х, системы канала Y.

Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом, внутри которого жестко закреплены электронная пушка (прожектор) и две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластины. На дно баллона нанесен слой люминофора, преобразующий кинетическую энергию электронов луча в световое излучение.

В электронную пушку входит подогреваемый катод К, управляющий электрод (модулятор) М и два анода а₁ и а₂ . Изменяя постоянное напряжение на модуляторе относительно катода можно управлять интенсивностью луча, т.е. яркостью свечения экрана. Первый анод служит для фокусировки луча на экране трубки в четкое пятно минимального диаметра, второй – для ускорения электронов. Управляющие напряжения подаются через делители от источника напряжения: -1,5 кВ. Скорость пролета электронов вдоль оси трубки определяется потенциалом второго анода Ú_а2 относительно катода и вычисляется по формуле:

(1)

где, e = 1,6 10^-19 Кл – заряд электрона, m – 0,91 10^{-30 кг – его масса,} v – скорость, м/с.

При исследовании сверхбыстрых процессов с малой частотой повторения или однократных явления луч, при данной скорости, определяемой формулой (1), не успевает возбудить люминофор и яркость осциллограммы может быть недостаточной для наблюдения. Увеличивать напряжение на втором аноде нельзя из-за опасности электрического пробоя между соседними электродами. Поэтому применяют послеускорение электронов при помощи третьего анода а₃, напряжение на котором больше U_а2 . Третий анод располагают между отклоняющими пластинами и экраном; он представляет собой напыленное, металлизированное кольцо (аквадаг), нанесенное на внутреннюю поверхность баллона трубки.

К основным параметрам трубки следует отнести – чувствительность по оси Х, чувствительность трубки по оси Y. Чувствительность отклоняющих пластин Y составляет обычно от 1 до 5 мм/В; а пластин Х – от 0,6 до 1 мм/В. Еще один важный параметр электронно-лучевой трубки – диапазон рабочих частот. Он зависит от времени пролета электрона от электронной пушки до экрана, емкость и индуктивности электродов и не превышает значение 100 МГц.

Положим, исследуемый гармонический сигнал будем подавать на пластины Y. Если в это время на пластины Х не подавать никакого напряжения, то вдоль оси OY будем наблюдать прямую линию, размеры которой будут отображать величину амплитуды поданного сигнала. Чтобы на экране трубки видеть форму синусоидального сигнала, необходимо луч осциллографа «разворачивать» вдоль оси ОХ. Причем, если мы хотим видеть один период сигнала канала Y, то вдоль оси ОХ луч следует разворачивать за время, равное периоду исследуемого сигнала Т_у. Обычно для нормальной индикации исследуемых напряжений выполняют условие: Т_у = n Т_у , где n = 1,2,3,…. Когда разворачивание луча по оси ОХ производится с кратностью периода n больше единиц, на экране наблюдаем большое число периодов исследуемого сигнала, которое вырождается в широкую сплошную горизонтальную линию. При этом оказывается невозможным проводить измерения, связанные с временными интервалами. Если n < 1, то на экране осциллографа можно видеть часть сигнала в течение времени t < Т_у . Разворачивание луча электронно-лучевой трубки вдоль оси ОХ производится с помощью системы развертки.

Линейная развертка – это система, основное назначение которой – генерация линейно изменяющихся напряжений, осуществляющих разворачивание луча вдоль горизонтальной оси осциллографа ОХ. Они выполняются в виде генераторных схем с выходным пилообразным напряжением (рис.2). Т_пр – время пмого хода луча (слева направо); Т_обр – время обратного хода луча; Т_бл – время блокировки (до начала очередного периода горизонтальной разведки); Т_х – период горизонтальной развертки осциллографа

Рис.2. Форма напряжения линейной развертки.

В ходе измерений генератором линейной развертки управляют с передней панели осциллографа. Органы управления выполняют в виде барабана (клавиш), устанавливающего (устанавливающих) параметр: время/дел. При этом предусматривается дискретная и плавная подстройка частоты линейной развертки. Дискретная подстройка частоты осуществляется нижней частью барабана; верхней частью барабана производится точная подстройка. При точной подстройке частоты исследуемого сигнала с частотой линейной развертки осциллографа картинка исследуемого сигнала «замирает», после чего, возможно, проводить измерения.

К каналу линейной развертки следует отнести и систему внешней синхронизации осциллографа. Измеряемые сигналы могут быть непериодическими. Генератор развертки генерирует периодические сигналы. Появляется трудность в синхронизации исследуемого сигнала с сигналом генератора развертки. Для решения возникшей проблемы исследуемый непериодический сигнал подают на вход внешней синхронизации, тем самым заставляя генератор пилообразного напряжения работать под управлением исследуемого сигнала. Это основная функция системы внешней синхронизации осциллографа.

Канал вертикального отклонения луча. Канал Y предназначен для передачи исследуемого сигнала от входа осциллографа на пластины Y с минимальными допустимыми искажениями. На вход осциллографа может быть подан сигнал в виде переменного или постоянного напряжения любого значения, формы, полярности. Как отмечалось ранее, каждая электронно-лучевая трубка имеет свой собственный параметр чувствительности на пластинах Y (количество мм/В). Однако реально измеряемые напряжения произвольны и лишь в редких случаях могут иметь величины, позволяющие наблюдать такое отклонение луча, которое возможно измерить. Появляется необходимость сопряжения величины входного сигнала с величиной чувствительности трубки. При этом входной сигнал может быть очень большим (десятки или сотни), тогда его необходимо ослаблять; или очень маленьким (миливольты, микровольты), тогда его следует усиливать. Поэтому в состав Y канала входит ступенчатый аттенюатор барабанного (клавишного) типа, вынесенный на переднюю панель осциллографа, посредством нижней части которого устанавливаются значения В/дел. Но переключатель барабанного типа имеет (верхняя его часть) и плавную подстройку В/дел. Таким образом, канал вертикального отклонения луча, линейно изменяя входной сигнал, приводит его величину к величине чувствительность электронно-личевой трубки.

На самом деле канал Х и канал Y более сложны в своем устройстве и функциях. Нами рассмотрены лишь основные узлы этого электронного устройства. Более подробно изучить работу осциллографа можно на основе конкретного прибора, осуществляя конкретные измерения. Что мы и сделаем. Однако прежде рассмотрим некоторые параметры сигналов, которые используются в работе цифровой техники.

Прямоугольные импульсы. В современных цифровых системах, к которым относятся и ПЭВМ, основным электрическим сигналом является импульс прямоугольной формы. Он является способом представления знаний в двоичной системе исчисления. Рассмотрим некоторые особенности прямоугольных импульсов как электрических напряжений.

Когда говорят о прямоугольном импульсе, то имеют ввиду идеализированный импульс, представленный на рис.3. Один из основных параметров импульса – скважность. Это отношение периода следования импульса Т к его длительности t_и.

Рис.3. Идеальный прямоугольный импульс.

Идеализированным будем считать такой импульс, у которого время нарастания переднего фронта ∆t_ф и время спада заднего фронта ∆t_с значительно меньше длительности импульса t_и (времени состояния логической «1»). Этим требованиям вполне отвечают импульсы низкочастотного и среднечастотного диапазонов. С повышением частоты длительность импульсов становится более соизмеримой с временем ∆t_ф и ∆t_с , импульс приобретает формы, менее напоминающие прямоугольник. В связи с таким состоянием соотношений между t_и, ∆t_ф и ∆t_с сигналы импульсной формы делятся на:

прямоугольные;

трапециидальные;

экспоненциальные.

Каждый из импульсов имеет свои специфические параметры, но все же основными являются: амплитуда, частота следования импульсов, длительность.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: