Лабораторная работа №1
Изучение осциллографа
Цель работы: знакомство с устройством и изучение основных принципов работы с электронным осциллографом.
Приборы и принадлежности: осциллограф, генератор, соединительные кабели.
Краткая теория
По назначению и электрическим характеристикам осциллографы делятся на универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. По количеству воспроизводимых на экране ЭЛТ электрических процессов различают одно- и двухлучевые (многолучевые), одно- и двухканальные (многоканальные) осциллографы.
Электронно-лучевой осциллограф предназначен для визуализации периодических и однократных электрических сигналов и измерения их параметров. Входное сопротивление большинства осциллографов составляет (0,5...1)·106 Ом, а с дополнительным пробником – свыше 107 Ом. Благодаря столь высокому входному сопротивлению, осциллограф обычно используется как вольтметр, т.е. подключается параллельно участку цепи, на котором следует измерить напряжение.
Универсальные осциллографы позволяют исследовать в реальном времени разнообразные электрические процессы и сигналы с широким спектром. Они имеют полосу пропускания в канале сигнала до сотен мегагерц, отличаются высокой надежностью в работе, просты в управлении, компактны.
Скоростные осциллографы предназначены для исследования быстропротекающих процессов с длительностью, равной долям и единицам наносекунд. Как правило, в этих приборах используются широкополосные ЭЛТ бегущей волны для наблюдения в реальном времени электрических процессов с верхней частотой спектра более 1 ГГц.
Стробоскопические осциллографы применяются для исследования только повторяющихся сигналов с длительностью до нескольких пикосекунд (10-12 с). Изображение сигнала на экране ЭЛТ формируется в течение многих периодов повторения из выборок его мгновенных значений. Выборки сдвинуты на определенный временной интервал. Осциллографы преобразуют сигнал с трансформацией масштаба времени. Поэтому исследуемый сигнал на экране ЭЛТ не воспроизводится в реальном времени.
Запоминающие осциллографы используются при исследованиях однократных или редко повторяющихся электрических сигналов. Специальные ЭЛТ с запоминанием в этих осциллографах воспроизводят изображение сигнала на экране после его исчезновения на входе осциллографа.
Специальные осциллографы позволяют решать задачи, связанные, например, с наблюдением и выделением сигналов с определенными параметрами, временных участков электрических процессов и т.п. Наибольшее распространение среди этого вида приборов получили телевизионные осциллографы, снабженные блоками для обработки телевизионного кадра.
В последнее время всё большее распространение получают цифровые осциллографы, в которых все операции преобразования и обработки сигналов осуществляются с помощью цифровых схем на базе микропроцессоров. Для отображения сигналов в таких осциллографах обычно используются матричные жидкокристаллические индикаторные панели. Иногда цифровые осциллографы выполняются в виде небольшой приставки к компьютеру с возможностью наблюдения сигналов на экране монитора.
В настоящей работе изучается универсальный осциллограф с ЭЛТ - наиболее распространённый в настоящее время радиоизмерительный прибор.
Упрощённая блок-схема универсального аналогового осциллографа представлена на рис. 1. В таком осциллографе используется ЭЛТ с электростатическим отклонением, которая содержит термоэлектронный источник 1 (катод), модулятор 2, систему фокусировки 3, две пары пластин, отклоняющих пучок по горизонтали (Х) 4 и вертикали (Y) 5, и люминесцентный экран 6.
Исследуемый сигнал через разъём «Вход Y» и аттенюатор (ступенчатый ослабитель) поступает на усилитель, далее на линию задержки и на оконечный усилитель «Y». В оконечном усилителе исследуемый сигнал преобразуется в два противофазных сигнала, которые подаются на пластины вертикального отклонения. На горизонтально отклоняющие пластины подается изменяющееся по определённому закону напряжение развёртки. Совместное и одновременное воздействие на электронный луч напряжений сигнала и развёртки формирует на экране ЭЛТ осциллограмму наблюдаемого электрического колебания.
Периодические процессы (рис. 2 а) удобно наблюдать, используя линейную периодическую развёртку. Напряжение развёртки Uр периодически линейно нарастает (рис. 2 в) за время рабочего хода tр.х, а затем очень быстро спадает за малый промежуток времени обратного хода tо.х. Соответственно, электронный луч во время рабочего хода развёртки равномерно перемещается во экрану ЭЛТ слева направо, а во время обратного хода быстро возвращается в исходное левое крайнее положение. Этот процесс периодически повторяется, и в случае, если исследуемый сигнал на вертикально отклоняющих пластинах трубки отсутствует, на экране ЭЛТ получается горизонтальная линия, называемая линией развёртки или просто – развёрткой. При подаче сигнала Uс на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ электронный луч во время рабочего хода развёртки дополнительно отклоняется по вертикали, и на экране ЭЛТ появляется осциллограмма. Для того, чтобы во время обратного хода луча на экране не появлялось изображение, на модулятор ЭЛТ с момента окончания рабочего хода подаются запирающие импульсы гашения длительностью tо.х..
Для удобства наблюдения осциллограммы необходимо правильно выбрать скорость развёртки (время пробега лучом 1 см экрана ЭЛТ по горизонтали), а также обеспечить устойчивость (неподвижность) осциллограммы. Обычно следует выбрать такую скорость развёртки, чтобы за время одного рабочего хода получать два или три периода исследуемого сигнала.
Рис. 2. Временные диаграммы а) исследуемого сигнала; б) импульсов синхронизации; в) напряжения развёртки.
Устойчивость осциллограмм достигается при жесткой связи исследуемого сигнала с развёрткой. Поэтому на экране ЭЛТ начало каждого рабочего хода развёртки должно строго совпадать с одной и той же характерной точкой исследуемого периодического сигнала (например, точкой А на рис. 2 а), т.е. сигнал и развёртка должны быть синхронизированы. Это достигается путём формирования тем или иным способом импульсов синхронизации (рис.2 б).
Автоколебательный режим синхронизации развёртки обеспечивается с помощью сформированных из исследуемого сигнала импульсов синхронизации Uсх (рис. 2 б) и осуществляется путем принудительного навязывания генератору развёртки периода повторения Тр, кратного периоду сигнала Тс (Tр = nTс, n = 1,2,3,...). Период развёртки при синхронизации подстраивается под период сигнала и осциллограмма на экране ЭЛТ получается неподвижной.
Периодические импульсные сигналы часто характеризуются скважностью – безразмерной величиной, равной отношению периода повторения импульсов к длительности одиночного импульса (см., например, сигнал на рис.2 б). Для наблюдения периодических сигналов с очень большой скважностью и непериодических процессов в осциллографах используется ждущая развёртка. В этом режиме генератор развёртки запускается либо самим исследуемым сигналом (внутренняя синхронизация), либо внешним импульсом (внешняя синхронизация), либо от сети с промышленной частотой 50 Гц. Сформированный в осциллографе импульс запуска вызывает однократный (только на время Тр) запуск генератора развёртки.
Для получения устойчивой осциллограммы сигнала с большой скважностью и для обеспечения возможности наблюдения на экране ЭЛТ переднего фронта импульса момент запуска развёртки должен опережать каждый импульс сигнала на строго постоянный временной интервал. При работе с внутренней синхронизацией для наблюдения на экране ЭЛТ переднего фронта импульса сигнала Uс в канал Yосциллографа введена линия задержки на время tзад (см. рис.1). Линия задержки обеспечивает поступление исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ после запуска развёртки импульсами синхронизации.
Поскольку осциллографы используются не только для наблюдения, но и для измерения параметров сигналов, необходимо обеспечить стабильность параметров самого осциллографа с целью уменьшения систематической погрешности. Для этого перед измерениями необходимо произвести калибровку – подать на вход осциллографа периодический сигнал с известными значениями частоты и амплитуды, либо известное постоянное напряжение. Это позволяет контролировать и, при необходимости, подстраивать величину коэффициента отклонения луча по вертикали и длительность развёртки. Многие осциллографы имеют встроенный калибратор.
Практическая часть
Упражнение 1. Поиск луча и калибровка электронного осциллографа.
Включите осциллограф и дайте ему прогреться 1-2 минуты. Ручками перемещения луча по вертикали и горизонтали установите его в середине экрана.
Для проверки калибровки осциллографа подайте с помощью соответствующего кабеля сигнал с гнезда калибратора на вход Y, либо включите режим калибровки (в зависимости от модели осциллографа).
Калибровка усилителя вертикального отклонения проводится так: проверьте, что ручка плавного изменения коэффициента усиления повёрнута вправо до щелчка. Установите аттенюатор в положение, при котором между линиями калибровки не более 5 см. Умножая это расстояние на чувствительность (число против риски аттенюатора), убедитесь, что произведение равно паспортной амплитуде калибровочного напряжения (указана вблизи гнезда калибровочного напряжения). В противном случае подстройте коэффициент усиления (при консультации преподавателя).
Калибровка генератора развёртки осуществляется так: установите переключателя синхронизации в положение Внутр, ручку Уровень – в среднее положение. Плавным поворотом ручки Стаб до момента начала срыва развёртки и подстройкой Уровень получите устойчивую осциллограмму калибровочного сигнала. Установите переключатель Длительность в положение, при котором один период калибровочного меандра занимает 5 см на экране, убедитесь в равенстве паспортной величины этого периода (в микросекундах) произведению его длины в см на величину развёртки (мкс/см) и при необходимости подстройте последнюю. Проконтролируйте линейность развёртки, т.е. произведите сравнение длин периодов калибровочного меандра в начале, середине и конце экрана.
Результаты калибровки занесите в лабораторный журнал.
