Осциллографические методы измерения физических величин

Краткие сведения из теории

Для наблюдения и регистрации, изменяющихся во времени напряжений, токов и ряда связанных с ними физических величин широко используются электронно-лучевые и светолучевые осциллографы. К достоинствам электронно-лучевых осциллографов следует отнести широкий частотный диапазон, большое входное сопротивление, возможность применения специальных видов развертки, внешней синхронизации и т.д. Светолучевые осциллографы удобны для одновременной регистрации нескольких процессов при необходимости гальванического разделения между каналами.

Упрощенная структурная схема электронно-лучевого осциллографа (ЭЛО) представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Упрощенная структурная схема электронно-лучевого осциллографа.

Она состоит из электронно-лучевой трубки ЭЛТ делителя напряжения Д, усилителей вертикального и горизонтального отклонения Y_с , V и У_с. X и блока развертки БР.

Простейшая электронно-лучевая трубка (рис.2) представляет собой тщательно откачанный стеклянный баллон с электродами. Катод К, подогреваемый с помощью нити накала Н, эмитирует электроны, которые под действием поля положительно заряженных анодов А₁ и А₂ устремляются в направлении экрана Э. Конфигурация, взаимное расположение анодов и напряжения на них выбираются так, чтобы электрическое поле ускоряло и фокусировало поток электронов.

Внутренняя поверхность экрана, на которую направляется электронный луч, покрыта специальным составом, светящимся под действием электронов. Для удаления с экрана электрического заряда на внутренней поверхности баллона, вблизи экрана, наносится проводящее покрытие П, электрически соединенное с анодом А.

Рисунок 2 – Электронно-лучевая трубка.

Рисунок 3 – Напряжение развертки

На управляющую сетку (модулятор) С подается отрицательное относительно катода напряжение для регулировки яркости изображения. При достаточно большом отрицательном напряжении на сетке трубка может быть полностью "заперта".

На пути к экрану электронный луч проходит в поле двух пар отклоняющих пластин П₂ и П₂' расположенных горизонтально, и П₁ П₁' расположенных вертикально. Если на пластины П₁ и П₁' подать электрическое напряжение, то их поле будет смещать луч в вертикальной плоскости, поэтому пластины П₁и П₁' называются вертикально отклоняющими. Поле пластин П₂ и П₂' смещает луч в горизонтальной плоскости и поэтому эти пластины называются горизонтально отклоняющими.

Практически в достаточно широком диапазоне частот можно считать электронный луч безынерционным. Поэтому координаты х₁ и y₂ светящегося пятна на экране в любой момент времени пропорциональны мгновенным значениям напряжений U₁ и U₂, приложенным соответственно к горизонтально отклоняющим и вертикально отклоняющим пластинам.

Начало координат, соответствующее нулевым значениям напряжений U₁и U₂ выбирают обычно в центре экрана. Для этого на отклоняющие пластины подаются дополнительные постоянные напряжения того или иного знака, смещающие на экране по вертикали и горизонтали.

Для ослабления или усиления входных напряжений служат Д и усилители Y_с, Y и Y_c, X, выходы которых соединены соответственно с вертикально отклоняющими и горизонтально отклоняющими пластинами. В рабочем диапазоне частот коэффициенты усилителей мало зависят от частоты.

Если на вход Y подано исследуемое напряжение U_y( t), то координата у светящегося на экране пятна в любой момент времени пропорциональна мгновенному значению исследуемого напряжения:

Y = S_y U_y(t) (3-1)

Величину S_y,.зависящую от коэффициентов передачи Д и Y_с, Y и от чувствительности трубки, называют чувствительностью осциллографа по входу Y.

Если на вход X подать напряжение U_x(t), то для ко­ординаты х светящегося пятна аналогично получим:

х = S_x U_x (t) (3-2)

Система уравнений (3-1) и (3-2) полностью описывает движение светящегося пятна на экране осциллографа для любых U_x(t) и U_y(t), действующих одновременно.

Для получения на экране кривой исследуемого напря­жения U_y(t) в прямоугольной системе координат необходимо, чтобы напряжение U_x(t) изменялось в течение некоторого промежутка времени по линейному закону. Поэтому напряжение развертки U_x (t), вырабатываемое БР, имеет пилообразную форму (рис.3).

Отрезок времени t₁ называют временем прямого (рабочего) хода луча. В течение t₁ под действием линейно нарастающего напряжения U_x(t) светящееся пятно движется по экрану слева направо с равномерной скоростью.

В течение t₂ - времени обратного хода луча - луч движется справа налево в исходное состояние. Время t₂ стремятся сделать возможно меньше t₂<< t₁. Во время паузы t₃ горизонтальная координата светящегося пятна не меняется.

В некоторых осциллографах в течение времени t₁ на сетку электронно-лучевой трубки подают дополнительное напряжение, увеличивающее яркость. При отсутствии этого напряжения яркость настолько мала, что части изображения, соответствующие отрезкам времени t₂ и t₃ на экране незаметны.

При исследовании периодического напряжения изображение на экране будет неподвижным и удобным для наблюдения лишь в том случае, когда период Т (рис.3) равен или в целое число раз больше периода исследуемого напря­жения U_y(t).

При заданных напряжениях U_y(t) и U_х(t) нетрудно построить изображение у = f(x), получающееся на экране осциллографа, если учесть, что система уравнений (3-1) и (3-2) представляет собой уравнение изображения в параметрической форме. На рис.4 приведен пример такого построения. Тонкими линиями показана невидимая часть изображения, соответствующая интервалам времени t₂ и t₃. Стрелки указывают направление движения светящегося пятна.

Рисунок 4 – Пример построения изображения на экране электронно-лучевой трубки.

Обычно БР может работать в двух режимах: непрерывном и ждущем. В режиме непрерывной развертки, предназначенном для исследования только периодических напряжений, пауза t₃ отсутствует (t₃ = 0), регулируя время рабочего хода t, можно менять период T и, следовательно, добиться неподвижности изображения (время обратного хода луча t₂ не регулируется).

В режиме ждущей развертки момент начала прямого хода луча соответствует определенному уровню (определенному мгновенному значению) исследуемого напряжения. При этом время прямого хода луча можно устанавливать произвольным. После окончания обратного хода луча БР "ждет" (время t₃) до тех пор, пока исследуемое напряжение вновь не достигнет уровня запуска. Режим ждущей развертки может применяться при исследовании как периодических, так и непериодических напряжений.

Измерения мгновенных значений напряжений производятся обычно следующим способом.

На вход Y подаётся образцовое напряжение (обычно с калибратора амплитуды осциллографа), амплитуда которого известна. Регулировкой чувствительности S_y добиваются того, чтобы этой амплитуде соответствовал определенный отрезок Y₁ на экране осциллографа и вычисляет S_y пользуясь соотношением (3-1). Затем на вход Y подается исследуемое напряжение и устанавливается устойчивое изображение на экране. Зная S_y и измерив отрезок, соответствующий искомому мгновенному значению исследуемого напряжения, можно определить это напряжение.

Для измерения временных интервалов между различными значениями исследуемых напряжений необходимо знать масштаб изображения по оси X, т.е. скорость движения светящегося пятна в горизонтальном направлений. В осциллографах с "калиброванной разверткой" масштаб К может принимать лишь несколько фиксированных заранее известных значений. В этом случае, измерив горизонтальную проекцию х между двумя точками изображения, можно вычислить соответствующий временной интервал

At = Кх (8-30)

Если масштаб К в осциллографе регулируется плавно, то для его измерения используется вспомогательный гене­ратор напряжения известной частоты (обычно этот генератор-- калибратор длительности - встраивается в осциллог­раф). Это напряжение подается на сетку электронно-лучевой трубки и вызывает модуляции изображения по яркости -изображение оказывается состоящим из последовательности чередующихся ярких и темных участков (меток). Подсчитав число меток, соответствующее измеряемому временному ин­тервалу, и зная период напряжения калибратора длитель­ности, можно найти временный штурвал.

Измерение частоты исследуемого напряжения обычно сводят к измерению временного интервала - периода. Подобное измерение возможно при произвольной форме исследуемого напряжения.

При изменении частоты синусоидального напряжения часто используют метод фигур Лиссажу. При этом на вход Y подают напряжение неизвестной частоты f, а на вход X(предварительно отключив БР) – напряжение плавно регулируемой известной частоты f₀. Регулировкой частоты f₀ добиваются неподвижного изображения на экране фигуры Лиссажу. Частоту f находят из соотношения

(3-4)

где N_г – наибольшее число точек пересечения фигуры Лиссажу горизонтально секущей, а N_в – вертикальной.

Если напряжение неизвестной частоты f подавать на вход X, а

f₀ – на вход Y, то фигура повернется на 90^о. Для расчета частоты f в этом случае следует в (3-4) поменять местами N_r и N_в.

Одним на из распространенных методов измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями с помощью электронно-лучевого осциллографа является так называемый метод эллипса. Измерение производится при отключенном блоке развертки.

Установив предварительно светящееся пятно в центре экрана, подают на входы X и Y два напряжения, сдвиг фаз между которыми измеряется. Можно показать, что на экране осциллографа появится эллипс и что искомый угол можно найти из соотношения

(3-5)

где - длины отрезков, показанных на рис.5

Рисунок – 5. К измерению сдвига фаз между синусоидальными напряжениями

Рисунок – 6. Схема для из­мерения составляющих комплексного сопро­тивления.

С помощью электронно-лучевого осциллографа можно измерять составляющие комплексного сопротивления Z по схеме рис. 6. Перед началом измерений необходимо отключить блок развертки и установить светящееся пятно в центре экрана.

Переключатель П устанавливают в положение 1. При этом на оба входа осциллографа подается одно и то же падение напряжения, на известном сопротивлении r_o и на экране появляется наклонный отрезок прямой (рис. 7, а). Измеряют вертикальную проекцию полученного отрезка.

Затем переключатель П устанавливают в положение 2. При этом напряжение на входе X не изменяется, а на вход Y подается напряжение на измеряемом сопротивлении Z. На экране осциллографа появляется эллипс (рис.7, б). Измерив отрезки и можно найти активную (r) и реактив­ную (х) составляющие комплексного сопротивления Z из уравнений

(3-6)

(3-7)

С ветолучевой осциллограф представляет собой электромеханический регистрирующий прибор [Д5]. Измеряемый ток, проходя через осциллографический гальванометр, вызывает колебание его подвижной части и соответственно светового луча, отраженного от зеркальца гальванометра.

а) б)

Рисунок – 7. К измерению составляющих комплексного сопротивления.

Луч света прочерчивает на экране, фотопленке или фотобумаге световую линию по оси ординат с удвоенной амплитудой 2а = 2 Im/Ci, где Ci - постоянная осциллографического гальванометра.

Для развертки изображения фотопленку с равномерной скоростью перемещают в направлении, перпендикулярном направлению перемещения светового луча, т.е. по оси абсцисс. Для визуального наблюдения исследуемого процесса используется зеркальный многогранник. При вращении зеркального многогранника отраженный от его грани луч перемещается по экрану вдоль оси абсцисс из одного крайнего положения в другое. Каждая следующая грань повторяет процесс перемещения луча в том же направлении и на тo же расстояние по экрану. При числе, оборотов зеркального многогранника в секунду, равном n, и числе его граней m частота развертки fp=nm, а период развертки Трт=1/nm. Неподвижное изображение на экране имеет место при Tp=NT, где T - период исследуемого процесса, а N -целое число. Для выполнений указанного выше условия необходимо регулировать частоту вращения двигателя, вращающего зеркальный многогранник. В современных осциллографах применяется фотобумага, чувствительная к ультрафиолетовым лучам, что обеспечивает получение осциллограмм без предвари­тельного проявления. Светолучевые осциллографы снабжены осциллографическими гальванометрами разных типов, имеющими различные чувствительности и рабочие полосы частот. В качестве примера в приложении 1 приведены характеристики магнито­электрических гальванометров двенадцатиканального осциллографа H115. Рабочая полоса частот, указанная в приложений 5, определяется как диапазон частот, в котором постоянная гальванометра по току отличается от его постоянной на нулевой частоте не более чем на ± 5 или ±10%. Нужно отметить, что некоторые осциллографические гальванометры должны включаться в цепи с определенным выходным сопротивлением. В противном случае их рабочие полосы частот не будут соответствовать данным таблицы.

Расшифровка осциллограмм, полученных с помощью светолучевого осциллографа, возможна в случае, когда известны масштабы по вертикали и горизонтали. Масштаб по вертикали определяется чувствительностью (или постоянной) осциллографического гальванометра. Нужно лишь учесть, что обычно даются чувствительности, приведенные к длине луча, равной 1 м, от зеркала гальванометра до экрана или до поверхности светочувствительной бумаги, в то время как действительная длина луча может быть иной. Например, для осциллографа H115 она равна 0,3 м.

Масштаб по горизонтали (по оси времени) в некоторых светолучевых осциллографах задается с помощью отметчика времени, представляющего собой генератор механических колебаний определенной частоты. Эти колебания записываются на светочувствительную бумагу одновременно с исследуемым процессом.

Для получения масштаба по оси времени в осциллографе H115 используется оптико-механический щелевой отметчик времени линующего типа с интервалами времени между отметками 2; 0,2; 0,02 и 0,002 с.

В настоящей работе используется универсальный ос­циллограф С1-94.

Описание осциллографа типа С1-94

Универсальный осциллограф С1-94 предназначен для визуальных наблюдений и исследований электрических сигналов. С его помощью можно производить измерения напряжений, фазовых сдвигов, частоты электрических сигналов и т.д.

1. Наблюдать периодические сигналы частотой от 5 до 10⁷ Гц.

2. Наблюдать форму импульсов обеих полярностей длительностью от 0,1·10^—6 до 0,5 с.

3. Исследовать импульсные сигналы в амплитудном диапазоне от 0,01 до 300 В и синусоидальных сигналов амплитудой от 5·10^-3 до 150 В.

У рассматриваемого осциллографа:

1. Входное сопротивление при непосредственном входе 1±0,05 Мом с параллельной емкостью 40±4 пФ (с делителем 1:1 - 1±0,05 Мом с параллельной емкостью порядка 150 пФ, с делителем 1:10 - 10±1 Мом с параллельной емкостью не более 25 пФ)

2. Погрешность измерения калибрированных коэффициентов отклонения не более ±5%, с делителем 1:10 не более ±8%.

В структурную схему прибора входят:

- канал вертикального отклонения (КВО), предназначенный для усиления сигнала в заданном частотном диапазоне 0-10 МГц до уровня, необходимого для получения заданного коэффициента отклонения 10 мВ/деление -5 В/деление, с минимальными амплитудными и частотными искажениями. КВО включает: входной делитель, предварительный усилитель, линию задержки, оконченный усилитель;

- канал горизонтального отклонения (КГО), предназначенный для обеспечения линейного отклонения луча с заданным коэффициентом развертки. КГО включает: усилитель синхронизации, триггер синхронизации, схему запуска, генератор развертки, схему блокировки, усилитель развертки;

- калибратор, предназначенный для формирования сигнала, калиброванного по амплитуде и времени;

- электронно-лучевой индикатор, предназначенный для визуального исследования сигналов, который включает схему подсвета и схему питания ЭЛТ;

- низковольтный источник питания, предназначенный для обеспечения электропитанием всех функциональных устройств.

Исследуемые электрические сигналы подаются на вход КВО прибора и через один из входных делителей (1:10) или 1:100) или непосредственно поступают на вход предварительного усилителя. Предварительный усилитель совместно с оконечным усилителем усиливают исследуемый сигнал до величины, достаточной для наблюдения на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Заданный диапазон коэффициентов отклонения обеспечивается схемами входного делителя и предварительного усилителя и устанавливается переключателем V/ДЕЛ. Смещение луча по вертикали ↕ и изменение коэффициента усиления (КОРР, УСИЛ) производятся в каскаде предварительного усилителя. Прибор имеет открытый и закрытый входы, переключение которых осуществляется переключателем ≈.

Исследуемый сигнал из КВО со схемы предварительного усилителя поступает на вход схемы усилителя синхронизации КГО, (переключатель ВНУТР, ВНЕШ установлен в положение ВНУТР).

Усилитель синхронизации совместно с тригерром синхронизации формирует сигнал, идущий на схему запуска генератора развертки. Генератор развертки формирует линейно – падающее пилообразное напряжение, которое усиливается в усилителе развертки и подается на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ.

В канале синхронизации осуществляется подстройка уровня синхронизации (УРОВЕНЬ) и переключение полярности синхронизирующего сигнала ( ).

Схема запуска и генератор развертки формируют пилообразное напряжение развертки, обеспечивают автоколебательный и ждущий режимы развертки (АВТ, ЖДУЩ), переключение диапазонов коэффициентов развертки (КОРР. РАЗВЕРТКИ). В усилителе развертки осуществляется смещение луча по горизонтали (↔).

Прибор имеет простейшую схему калибратора амплитуды и времени. Калибрационные сигналы видны на экране ЭЛТ при положении ▼ переключателя V/ДЕЛ.

Э лектронно-лучевой индикатор позволяет наблюдать и исследовать сигналы на экране ЭЛТ. Схема подсвета, входящая в электронно-лучевой индикатор, формирует и подает положительные импульсы на модулятор ЭЛТ во время рабочего хода развертки. Схема питания обеспечивает ЭЛТ всеми необходимыми напряжениями, регулировку яркости ☼ и фокусировку луча

Источник низковольтного питания обеспечивает прибор всеми необходимыми питающими напряжениями.

Назначение органов управления:

	Передняя панель
☼	– регулирование яркости;
	– регулирование фокусировки;
↔	– смещение луча по горизонтали;
↨	– смещение луча по вертикали;
УРОВЕНЬ	– выбор уровня запуска развертки;
Р азъем Y	– подключение исследуемых сигналов к КВО
Гнездо ЗАПУСКА	– подключение сигнала внешней синхронизации
ВРЕМЯ/ДЕЛ	– ступенчатое переключение коэффициента развертки
V/ДЕЛ	– переключение коэффициентов отклонения
ms s	– грубое переключение коэффициентов развертки
АВТ.ЖДУЩ	– переключение автоматического и ждущего режимов работы развертки
	– переключение полярности запускающего сигнала
ВНУТР, ВНЕШ,	– переключение режимов синхронизации
	– переключение открытого и закрытого входов КВО
Клемма 	– клемма заземления
	Задняя стенка
	– выход пилообразного напряжения
Х	– подключение сигнала внешней развертки
Р АСТЯЖКА	– изменение коэффициента усиления усилителя развертки
	– защитное заземление корпуса

Контрольные вопросы

1. Почему осциллограф позволяет наблюдать кривые зави­симости исследуемых величин от времени?

2. Чем обусловлен выбор пилообразного напряжения раз­вертки в осциллографе?

3. Какова теоретическая величина сдвига фаз между i и u?

4. Как изменяется сдвиг фаз при увеличении активного сопротивления R и неизменной емкости С ?

5. Каков сдвиг раз между напряжениями, поданными на входы "X" и "У" осциллографа, если на его экране видна наклонная прямая ?

6. Что будет наблюдаться на экране осциллографа, если на его входы "X" и "У" подать гармонические напряже­ния разных частот?

Литература

1. Аналоговые электроизмерительные приборы. Под ред. Преобра­жен­ского А.А., М.: Высшая школа, 1979.

2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических вели­чин. М.: Высшая школа, 1982.

3. Касаткин А. С., Немцов М.В., Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 2002г.

4. Касаткин А.Г. Основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973.

5. Куликовский К.П. Методы и средства измерений., М.: Энергоатом­издат, 1986.

6. Основы метрологии и электрические измерения. Под ред. Е.М. Ду­шина, Л.: Энергоатомиздат, 1987.

7. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

8. Электрические измерения. Под ред. А.В. Фремке и Е.М. Душина, Л.: Энергия, 1980.

9. Электрические измерения. Под ред. Малиновского. М.: Энергоиздат, 1985.

10. Электротехника с основами промышленной электроники, А. Е. Зорохович, В.К. Калинин: М., Высшая школа, 1975.

98