Skhemotekhnika_1

пользуется режим внутренней развертки. В этом режиме напряжением горизонтальной развертки служит линейно изменяющееся во времени напряжение встроенного генератора осциллографа, называемого

генератором внутренней развертки. В режиме внутренней развертки луч, пробегая по экрану осциллографа, фактически рисует на нем график зависимости напряжения, подаваемого на вход Y осциллографа, от времени.

Генератор внутренней развертки вырабатывает пилообразное напряжение, зависимость которого от времени приведена на рис. 5.2. Если на вход Y осциллографа подается периодический во времени

Рис. 5.2. Пример входного напряжения осциллографа (вверху) и выходного напряжения генератора внутренней развертки (внизу) при отсутствии их взаимной синхронизации

сигнал (рис. 5.2), и при этом не предпринимается никаких дополнительных мер, частота пилообразного напряжения не будет совпадать с частотой входного сигнала, и изображение на экране осциллографа примет вид, показанный на рис. 5.3. Такое изображение не позволяет получить какой-либо существенной информации об исследуемом сигнале. Для того, чтобы при наблюдении периодического сигнала картина на экране осциллографа оставалась неподвижной, и действительно отражала бы зависимость исследуемого сигнала от времени, применяют синхронизацию развертки, когда частоты исследуемого сигнала и напряжения развертки совпадают. Диаграммы работы гене-

51

хронизации: положительный — начало развертки привязывается к моменту времени, когда исследуемый сигнал пересекает уровень синхронизации снизу вверх, и отрицательный, когда этим моментом является пересечение сигналом уровня синхронизации сверху вниз (см. рис. 5.4). Оба рассмотренные режима являются режимами внутренней синхронизации, когда импульс синхронизации, запускающий развертку, вырабатывается при совпадении исследуемого сигнала с уровнем синхронизации. Альтернативой внутренней синхронизации является режим внешней синхронизации, при котором исследуемый сигнал поступает только на вход вертикальной развертки, а импульсы синхронизации вырабатываются при пересечении уровня синхронизации другим сигналом, поступающим на вход внешней синхронизации.

Режим внешней развертки удобно использовать для измерения временных параметров сигнала. Если в качестве сигнала внешней синхронизации использовать короткие импульсы, то координата X точки изображения на экране осциллографа полностью соответствует времени задержки этой точки относительно импульса синхронизации.

Генератор развертки осциллографа может работать в двух режимах. Первый из них называется автоматической разверткой. Генератор развертки работает в автоколебательном режиме, и как только его выходное напряжения достигает максимального значения (луч осциллографа доходит до крайнего правого положения), оно сбрасывается в 0 (луч скачком перемещается в крайнее левое положение), и начинается очередной период горизонтальной развертки. Если при

52

Рис. 5.4. Положительная и отрицательная внутренняя синхронизация. Диаграммы напряжений и изображения на экране осциллографа

этом луч находится вблизи крайнего правого положения (близость регулируется отдельной ручкой «стабильность»), и на генератор развертки приходит импульс синхронизации, то развертка принудительно начинается с крайнего левого положения.

Другой режим носит название ждущей развертки. Генератор развертки выдает однократный пилообразный импульс, начало которого определяется моментом прихода импульса синхронизации. Если импульс синхронизации отсутствует, то отсутствует и горизонтальная развертка. Режим ждущей развертки удобен при анализе повторяющихся сигналов, не являющихся точно периодическими.

Диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу осциллографа в режимах автоматической и ждущей разверток, и соответствующие им изображения на экране осциллографа приведены на рис. 5.5.

Для прецизионных измерений в современных осциллографах предусмотрен режим маркерных измерений. В этом режиме на экран осциллографа, помимо основного луча, выводится маркер в виде вертикальной линии. Маркер пересекает линию изображения на экране осциллографа в точке, координаты которой (значение напряжения и время от начала развертки) выводятся на цифровые индикаторы ос-

53

Рис. 5.5. Автоматическая и ждущая горизонтальная развертка. Диаграммы напряжений и изображения на экране осциллографа

циллографа. Положением маркера можно управлять, совмещая его с основными точками изображения.

Контрольные вопросы

1.Можно ли использовать осциллограф для просмотра видео-

записей?

2.Какая фигура Лиссажу будет наблюдаться на экране осцил-

лографа, если на его входы X и Y подается один и тот же переменный сигнал? А если на вход X подается напряжение U0 sinωt, а на вход Y

—напряжение U0 cosωt?

3.Определите амплитуды входных напряжений осциллографа (рис. 5.1), если усилитель горизонтальной развертки имеет коэффици-

ент усиления 10 В/дел., а усилитель вертикальной развертки — 20 мВ/дел.

54

4.Каково назначение переключателя «развертка», находящегося на передней панели осциллографа и имеющего два положения — «внешн.» и «внутр.»?

5.Возможны ли положительная и отрицательная синхронизация в режиме внешней развертки осциллографа?

6.Будут ли отличаться изображения на экране осциллографа в режимах ждущей и автоматической развертки при наблюдении синусоидального сигнала?

7.Каким образом с помощью маркерных измерений измерить частоту синусоидального сигнала?

Программа лабораторной работы

1.Установить осциллограф в режим внешней развертки. Подать на входы X и Y осциллографа синусоидальные напряжения различных частот. Подобрать такое соотношение частот, при котором изображение на экране осциллографа остается неизменным. Зарисовать получившееся изображение для нескольких (не менее 3) разных соотношений частот. Объяснить результаты.

2.На генераторе цифровых последовательностей по указанию преподавателя установить последовательность импульсов. Выходной сигнал генератора через RC-цепочку (по указанию преподавателя) подать на вход осциллографа. Установить режимы работы осциллографа (развертку и синхронизацию) так, чтобы на экране наблюдалась неизменяющееся изображение.

3.Пользуясь маркерными измерениями, составить таблицу координат основных точек изображения.

4.С помощью полученной таблицы построить график исследуемого сигнала.

5.Переключить усилитель осциллографа в режим «~» (вычитание постоянной составляющей из входного сигнала). Измерить изме-

55

нение уровня исследуемого сигнала. Объяснить полученный результат.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1.Срисованные с экрана осциллографа (не менее 3) фигуры Лиссажу с параметрами входных сигналов осциллографа (частота и амплитуда входных сигналов).

2.Заданные преподавателем цифровую последовательность и RC-цепочку.

3.Режимы работы осциллографа (развертка, синхронизация, усиление), при которых наблюдается устойчивое изображение.

4.Таблицу координат основных точек изображения.

5.График исследуемого сигнала.

6.Нарисованный на том же графике исследуемый сигнал с устраненной постоянной составляющей.

56

ТЕМА 6. ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

амплитуда частота, циклическая частота, период колебаний фаза, разность фаз

конденсатор, емкость катушка индуктивности, индуктивность

комплексная амплитуда комплексное сопротивление, импеданс

активное сопротивление реактивное сопротивление частотная характеристика

амплитудно-частотная характеристика фазово-частотная характеристика

децибелл

В цепях переменного тока все напряжения и токи изменяются во времени по гармоническому закону x(t)= X0 cos(ωt + ϕ) (или x(t)= X0 sin(ωt + ϕ)). Величину X 0 называют амплитудой, величину ω — частотой переменного тока или напряжения. Иногда частотой называют не величину ω , а величину f = ω(2π); в этом случае величину ω называют циклической частотой. Физический смысл частоты f состоит в том, что число периодов переменной величины за одну секунду равно величине f, то есть f =1T , где T — период колебаний. Параметр ϕ называется фазой и в случае, когда рассматривается только одна переменная величина, собственного смысла не имеет. Физический смысл имеет только разность фаз двух переменных сигналов. Если два периодических сигнала с одной частотой оказываются сдвинуты один относительно другого на время , то разность их фаз составляет величину ϕ = 2π T . Все упомянутые параметры переменных токов и напряжений показаны на рис. 6.1.

Основные элементы цепей переменного тока, помимо резисторов, — конденсаторы и катушки индуктивности.

Эти элементы являются двухполюсниками, но в отличие от ранее рассмотренных двухполюсников, разность потенциалов на этих элементах и сила тока, протекающего через них, связаны не локаль-

57

I0 = U0 (1 jωC). Таким образом, комплексная амплитуда напряжения на конденсаторе связана с комплексной амплитудой тока через него

соотношением:

I&0 = U&0 (1 jωC).

Аналогично, при воздействии того же переменного напряжения на катушку индуктивности ток через нее будет определяться вы-

ражением

I(t)= (1L)òU (t)dt =

= (U0 L)òe jωt dt =

= (U0 jωL)e jωt ,

т.е. будет иметь амплитуду I0 = U0 jωL . С использованием комплексных амплитуд тока и напряжения последнее выражение записы-

Таким образом, как конденсатор, так и катушка индуктивности проявляют себя аналогично обыкновенному резистору, у которого связь между амплитудой переменного напряжения и амплитудой переменного тока выглядит как I0 = U0 R . Этот факт дает основание ввести понятие комплексное сопротивление, или импеданс. Каждый из трех рассмотренных линейных двухполюсников обладает своим импедансом: для конденсатора это Z = 1 jωC , для катушки индуктивности Z = jωL и для резистора Z = R (рис. 6.4). Для каждого из двухполюсников можно записать аналог закона Ома: I = UZ , в котором вместо мгновенных значений токов и напряжений фигурируют комплексные амплитуды переменных токов и напряжений, а вместо сопротивления — импеданс или комплексное сопротивление. Импеданс резистора, таким образом, является чисто действительной величиной, а импедансы конденсатора и катушки индуктивности — чисто мнимые величины. Линейные двухполюсники, использующиеся на практике, в общем случае обладают комплексным сопротивлением Z = X R + jX I , т.е. их импеданс содержит как действительную часть X R , так и мнимую X I . Действительную часть импеданса часто называют активным сопротивлением двухполюсника, а мнимую — его реактивным сопротивлением.

60