МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» (ПГУ)

Электронный осциллограф

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Составители: К. В. Сафронова, Б. П. Сибринин

Пенза

Издательство ПГУ

2010

УДК 737.3.08

Э45

Р е ц е н з е н т

кандидат технических наук, начальник учебно-научного центра НИИФИ

В. М. Кастеров

Электронный осциллограф : метод. указания к выполне-

Э45    нию лаб. работ / сост.: К. В. Сафронова, Б. П. Сибринин. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. – 52 с.

Рассмотрены устройство, принцип действия, основные технические характеристики электронного аналогового осциллографа. Даны методические указания по наблюдению сигналов различной формы, измерению их параметров и экспериментальному исследованию погрешностей измерений напряжения и временных интервалов. Приведены методики измерения частоты, фазовых сдвигов, комплексного сопротивления.

Методические указания подготовлены на кафедре «Метрология и системы качества» и предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Метрология, стандартизация и сертификация», а также для студентов других специальностей, изучающих дисциплины, связанные с метрологией и техническими измерениями.

УДК 737.3.08

© ГОУ ВПО «Пензенский государственный                                                университет», 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа Л-04-1 5

Электронный аналоговый осциллограф 5

Используемое оборудование и документация: 6

Таблица 1  Основные характеристики осциллографа 12

Рисунок 6 16

Рисунок 13 21

Лабораторная работа Л-04-2 23

Осциллографические измерения 23

Тогда . 37

Таблица 2 39

Таблица 3 40

Список литературы 42

ПРИЛОЖЕНИЕ А 43

1 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ 43

2 ПОРЯДОК РАБОТЫ 44

2.1 Правила эксплуатации 44

2.1.1 Регулировка яркости 44

2.1.2 Регулировка астигматизма 44

2.1.3 Регулировка усиления усилителя (калибровка по амплитуде). 45

2.1.4 Входное соединение 45

2.1.5 Коэффициент отклонения усилителя Y 46

2.1.6 Источник запуска 46

2.1.7 Уровень запуска 47

2.1.8 Режимы запуска развертки 47

2.1.9 Калибровка длительности развертки 47

2.1.10 Выбор длительности развертки 48

2.1.11. Растяжка длительности развертки 48

2.2 Проведение измерений 49

2.2.1 Измерение переменного напряжения 49

2.2.2 Измерение постоянной составляющей переменного напряжения 50

2.2.3 Измерение временных интервалов 51

Рисунок А.2 52

2.2.4 Измерение частоты 53

2.2.5 Измерение времени нарастания 53

Рисунок А.3 54

Учебное издание 55

Лабораторная работа л-04-1 Электронный аналоговый осциллограф

Цель работы: изучить устройство, принцип действия и технические характеристики электронного осциллографа и приобрести навыки наблюдения сигналов разной формы.

Электронные аналоговые осциллографы (ЭО) общего назначения позволяют:

• наблюдать форму кривой электрического напряжения в широком диапазоне частот от нуля до десятков и сотен мегагерц;

• измерять амплитудные и временные параметры исследуемых сигналов;

• по отдельности наблюдать и измерять постоянную и переменную составляющие входного сигнала;

• осуществлять наблюдение семейства характеристик полупроводниковых приборов;

• наблюдать петли гистерезиса магнитных материалов и т.д.

Осциллографы обладают высокой чувствительностью по напряже­нию и поэтому могут быть использованы в качестве нуль-инди­ка­то­ров, а также для наблюдения всех электрических величин, которые можно преобразовать в напряжение (ток, сопротивление, мощность и др.).

Задачи данной лабораторной работы:

• изучение устройства, принципа действия и основных технических характеристик ЭО;

• овладение навыками подготовки прибора к работе (освоение регулировок, проведение калибровки по амплитуде и по времени);

• наблюдение сигналов различной формы:

• сигналов синусоидальной формы;

• импульсных однополярных и двухполярных сигналов раз        личной скважности;

• наблюдение постоянной и переменной составляющих входного сигнала;

• наблюдение постоянного напряжения разной полярности;

• наблюдение фигур Лиссажу;

• наблюдение искажений осциллограммы.

Используемое оборудование и документация:

• осциллограф универсальный С1-65 (С1-67);

• два генератора синусоидальных сигналов типа Г3-109 (Г3-102; Г3-111; Г3-118);

• генератор импульсов типа Г5-54 (Г5-60);

• модуль с четырехполюсником;

• осциллограф универсальный С1-65. Техническое описание и инструкция по эксплуатации (приложение А).

1 Изучение устройства, принципа действия и основных технических характеристик эо

1.1 Изучение устройства и принципа действия эо

Для изучения принципа действия и устройства ЭО рекомендуется использовать [1, с. 173185] или [2, с. 235247].

В отчете следует привести структурную схему и основные технические характеристики осциллографа С1-65.

Структурная схема аналогового ЭО приведена на рисунке 1 и включает в себя следующие основные узлы:

• электронно-лучевую трубку (ЭЛТ);

• канал вертикального отклонения (ВО);

• канал горизонтального отклонения (ГО);

• канал управления яркостью луча (канал Z);

• калибратор.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) определяет принцип действия прибора, и от ее характеристик в значительной мере зависят метрологические характеристики и область применения осциллографа в целом. В осциллографах используют ЭЛТ с электростатическим управлением лучом. Исследуемое напряжение является функцией времени, отображаемой в прямоугольных координатах графиком u = f(t). Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси  пропорционально исследуемому напряжению в каждый момент времени. Для этого к горизонтально отклоняющим пластинам подводят линейно-изменяющееся напряжение, которое заставляет луч перемещаться по горизонтали с постоянной скоростью слева направо (и быстро возвращаться обратно). Расстояние, проходимое лучом вдоль горизонтальной оси, – линейная функция времени.

Рисунок 1

Исследуемое напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины, и следовательно, положение луча в каждый момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в этот момент. За время действия линейно изменяющегося напряжения луч вычерчивает кривую исследуемого сигнала. Наблюдаемое на экране изображение называют осциллограммой.

Канал Y вертикального отклонения предназначен для передачи напряжения источника исследуемого сигнала на вход вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ. Исследуемый сигнал подается на вход непосредственно (вход Y, открытый « ») или через разделительный конденсатор (вход Y, закрытый « ») на аттенюатор (делитель напряжения).

С помощью аттенюатора устанавливается необходимое ослабление сигнала, что позволяет обеспечить работу усилителя ВО в режиме минимальных нелинейных искажений. С выхода аттенюатора исследуемый сигнал через входной каскад, обеспечивающий большое входное сопротивление, подается на предварительный усилитель. Усиленный сигнал задерживается линией задержки на время, необходимое для запуска генератора развертки, чтобы движение луча по горизонтали началось раньше, чем усиленный сигнал поступит на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Выходной усилитель ВО усиливает сигнал с выхода линии задержки до значения, удобного для наблюдения на экране, и преобразует сигнал в симметричный относительно нулевого уровня. С выхода усилителя симметричные сигналы поступают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

Канал X горизонтального отклонения, или канал развертки, служит для создания напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорциональное времени. Вторая функция этого канала  усиление (ослабление) сигнала, передаваемого от входа X на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. В состав канала входят генератор развертывающего напряжения (далее – генератор развертки), создающего горизонтальное отклонение луча; усилитель, усиливающий вырабатываемое генератором напряжение до значения, необходимого для отклонения луча в горизонтальном направлении; схема синхронизации, с помощью которой получают устойчивую неискаженную осциллограмму. Генератор развертки (ГР) вырабатывает пилообразное напряжение для временной развертки луча ЭЛТ. Выходной сигнал ГР поступает на выходной усилитель канала ГО, предназначенный для преобразования пилообразного напряжения, поступающего с ГР в два симметричных сигнала, и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по горизонтали на весь экран ЭЛТ.

ГР может работать в режиме:

• автоколебательной периодической развертки;

• в режиме ждущей развертки (запускается только при наличии синхронизирующего сигнала).

Устойчивость изображения на экране достигается синхронизацией развертывающего напряжения с исследуемым напряжением. Частота развертывающего напряжения f_р должна быть равна или в целое число раз меньше частоты f исследуемого сигнала:

Соответственно, период развертывающего напряжения T_р должен быть равен или в целое число раз больше периода T исследуемого сигнала: T_р = n Т, где n = 1, 2, 3, …

Схему синхронизации можно запускать как от внутреннего, так и от внешнего сигналов. Кроме того, эта схема дает возможность изменить уровень и полярность сигнала синхронизации. При работе ЭО в режиме внутренней синхронизации из канала ВО (до линии задержки) снимается часть исследуемого сигнала и подается на вход схемы синхронизации. Последняя совместно со схемой запуска ГР вырабатывает короткие запускающие импульсы определенной формы, полярности и амплитуды, независимо от значения и формы сигнала, приходящего на вход схемы синхронизации.

Для запуска ГР может быть использован также внешний сигнал, который подается на вход внешней синхронизации.

Развертка может осуществляться также и внешним сигналом, подаваемым на вход X. На входе канала X имеется аттенюатор.

Канал Z управления яркостью луча предназначен для передачи со входа Z на управляющий электрод ЭЛТ сигналов, модулирующих яркость свечения. Он содержит усилитель и схему, позволяющую изменять полярность модулирующего напряжения.

Для повышения точности измерений в состав осциллографа входит калибратор напряжения и интервалов времени, предназначенный для проверки правильности масштаба вертикальной и горизонтальной осей экрана осциллографа.