2012_Лекция 3_Введение в физпрактикум

Лекція 3. Електронний осцилограф

1.4.1. Вступ

Електронно-променевий осцилограф застосовують для спостереження форми, реєстрації та вимірювання амплітудних та часових параметрів електричних сигналів (рис. 1.7). Осцилограф дозволяє вимірювати частоту, тривалість імпульсу та, зсув фаз між двома сигналами; визначити функціональну залежність двох сиг-

налів Y (X ), за допомогою якої визначаються характеристики електронних ламп,

транзисторів, діодів, інтегральних схем, а також електричних і магнітних матеріалів і ін.

Рис. 1.7. Передня панель електронного осцилографа С1-72.

Осцилограф використовується для дослідження неелектричних процесів, якщо вони перетворяться в електричні сигнали. Сучасні осцилографи дозволяють досліджувати сигнали амплітудою від долі мілівольта до сотень вольт, в діапазоні частот від сталого струму до десятків Ггц. Похибка вимірювання за допомогою осцилографа складає, як правило, 3 - 12 %.

1.4.2. Блок-схема осцилографа

Стандартний електронно-променевий осцилограф складається з наступних блоків (рис. 1.9):

•електронно-променевої трубки (ЕПТ);

•вхідного дільника (атенюатора);

•підсилювача вертикального відхилення;

Рис. 1.8. Блок-схема електроннопроменевого осцилографа.

1.4.3. Електронно-променева трубка

Електронно-променева трубка перетворює електричний сигнал у зображення, що спостерігається на екрані осцилографа. Вона уявляє собою вакуумну колбу з системою електродів: розжарення H , катод K , модулятор M , перший A1 та другий A2 аноди і дві пари пластин - вертикального Y та горизонтального X від-

хилення електронного променя (рис. 1.10). Макет електронно-променевої трубки представлений в лабораторії “Електрики та магнетизму”.

Рис. 1.10. Електроннопроменева трубка.

В результаті термоелектронної емісії електрони вилітають з нагрітого катоду та потрапляють в електричне поле керуючого електроду, який знаходиться під

Лекція 3. Електронний осцилограф 3 Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

потенціалом, від’ємним відносно катоду, та називається модулятором. Регулюючи потенціал модулятора можна змінювати інтенсивність пучка, що виходить за межі модулятора, а, отже, і яскравість променя на екрані осцилографа.

Формування електронного пучка після модулятора відбувається під дією електричного поля прискорюючого A1 та фокусуючого A2 анодів.

Електрод розжарення, катод, модулятор, прискорюючий та фокусуючий аноди утворюють електронну гармату, яка формує вузький електронний пучок необхідної інтенсивності.

Електронний пучок, пройшовши між двома парами взаємно перпендикулярними відхиляючими пластинами X та Y , потрапляє на люмінесцентний екран, свічення якого в залежності від типу люмінофора може продовжуватися від декількох мікросекунд до десятків секунд.

Електронно-променеві трубки (ЕПТ) бувають одно -, дво - та багатопроменеві, що дозволяють спостерігати, відповідно, одночасно один, два або декілька сигналів. Існують ЕПТ, що запам'ятовують на екрані зображення сигналу тривалий час. В даний час широко застосовуються цифрові осцилографи, які перетворюють аналоговий сигнал в цифрову форму, заносять його в пам'ять, а потім можуть відтворювати його на екрані в різних режимах або вводити в ЕОМ.

Якщо до відхиляючих пластин X або Y прикласти різницю потенціалів, то електронний промінь відхилятиметься відповідно в горизонтальному або вертикальному напрямі. Відхилення променя h прямо пропорціональне відхиляючій напрузі U , що прикладена до пластин h = S U , де S - чутливість трубки, що залежить від конструкції трубки та напруги на прискорюючому аноді A1 .

Якщо на вертикально відхиляючі пластини Y подати змінну напругу синусоїдальної форми, то електронний промінь буде коливатись у вертикальному напрямі, утворюючи на екрані вертикальну світлу лінію. При подачі такої ж напруги тільки на горизонтально відхиляючі пластини X , на екрані спостерігається горизонтальна світла лінія.

При одночасній подачі змінної напруги на обидві пари взаємно перпендикулярних пластин можна отримати осцилограми, форма яких залежить від амплітуд, фаз і частот напруг, що подаються на пластини. У разі синусоїдальних сигналів з однаковими частотами і фазами на екрані отримаємо пряму лінія (рис. 1.11 а), кут нахилу якої залежить від відношення амплітуд. При рівних частотах, але різних фазах отримаємо еліпс (рис. 1.11 б).

Рис. 1.11. Суперпозиція синусоїдальних сигналів.

Якщо сигнали однакової амплітуди, а зсув фаз між ними дорівнює π / 2 , то результуючий сигнал уявляє собою коло. При зсуві фаз, більшому π / 2 , коло переходить в еліпс, велика вісь якого розташована в інших квадрантах. Виміривши на осцилограмі параметри еліпса, можна визначити величину зсуву по фазі.

Рис. 1.12. Визначення зсуву фаз по еліпсу на екрані осцилографа.

При інших співвідношеннях частот і фаз криві на екрані осцилографа мають складніший вигляд. Якщо відношення частот сигналів, що подаються на вза-

Якщо ωY =ωX ϕY −ϕX =π / 2 , або ϕY −ϕX = 3π / 2 , то на екрані буде еліпс, ексцентриситет якого визначатиметься співвідношенням амплітуд U0Y і U0 X . (рис. 1.13в)

1.4.4. Генератор розгортки

Для отримання на екрані осцилографа залежності сигналу, поданого на вхід Y , від часу, необхідно переміщати електронний промінь в горизонтальному напрямі зі сталою швидкістю. Для цього на пластини X необхідно подати пилкоподібну напругу (рис. 1.14), яка називається напругою розгортки. Напруга розгортки виробляється генератором розгортки (ГР). Під дією цієї напруги за час зростання напруги t1 промінь переміститься в горизонтальному напрямі зліва направо, за час спаду напруги t2 промінь повертається в початковий стан. В результаті, за пе-

ріод розгортки T =t1 +t2 промінь здійснює прямий та зворотний хід. Напруга розгортки сформована таким чином, щоб t1 >>t2 . У цьому випадку період розгор-

тки практично співпадає з часом прямого ходу променя T ≈ t1 .

Рис. 1.14. Пилкоподібна напруга генератора розгортки.

Внаслідок малого часу зворотного ходу променя, на екрані він зазвичай є невидимим. Оскільки напруга на пластинах X зростає пропорційно часу, то вісь X асоціюється з віссю часу.

Якщо під час розгортки на вертикально відхиляючі пластини Y подати напругу, що досліджується, то положення променя в кожен момент часу однозначно відповідатиме значенню цієї напруги, а на екрані осцилографа спостерігатиметься ділянка сигналу, що досліджується (рис. 1.15).

Після цього пилкоподібна напруга різко падає до нуля, і промінь повертається в початкове положення. При наступному періоді пили на екрані з'явиться нова ділянка досліджуваного сигналу.

Якщо період T напруги, що досліджується, дорівнює періоду розгортки Tp ,

то на екрані спостерігатиметься один період досліджуваного сигналу. Якщо ж Tp = n Ty , де n - ціле число, то осцилограма уявляє собою нерухому криву, що

складається з n - періодів напруги, яка досліджується.

При нецілому значенні n осцилограма буде рухатись уздовж вісі X , а екран буде заповнений рядом подібних кривих, зсунутих одна відносно іншої. Стійкість зображення досягається за допомогою схеми синхронізації.

Рис. 1.15. Розгортка синусоїдального сигналу в часі.

Пилкоподібна напруга повинна мати: високу лінійність ділянки, що створює прямий хід променя; велику крутизну ділянки на зворотному ході променя; амплітуду, достатню для відхилення променя на весь екран; широкий діапазон регулювання тривалості розгортки. Для зручності вимірювань в ГР передбачено ступінчасте перемикання тривалості розгортки та її плавне регулювання в межах кожного ступеня.

Слід мати на увазі, що значення тривалості розгортки, що калібрується, відповідає показам ступінчастого перемикача тільки тоді, коли ручка плавного регулятора повернута за годинниковою стрілкою до характерного “клацання”.

Генератор розгортки може працювати в двох режимах: автоколивальному (неперервному) режимі та в режимі чекання.

У неперервному режимі запуск генератора розгортки відбувається автоматично, при цьому промінь здійснює по екрану періодичний рух з певною швидкістю. Автоколивальний режим роботи розгортки використовується при дослідженні неперервних періодичних процесів або періодичної послідовності імпульсів з невеликим відношенням Q =T / τ , де T - період сигналу, τ - тривалість сигналу.

Для спостереження імпульсних сигналів з великим значенням Q =T / τ та неперіодичних (одиночних) імпульсів використовується розгортка, що чекає. У цьому режимі запуск генератора розгортки відбувається тільки під час надходження спеціального імпульсу, який виробляється схемою синхронізації та запус-

Лекція 3. Електронний осцилограф 9 Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

ку. При цьому генерується тільки один період пилки, після чого генератор розгортки "чекає" приходу чергового запускаючого імпульсу від блоку синхронізації.

Перевід генератора в режим, що чекає, здійснюється спеціальним перемикачем або регулятором стабільності.

Окрім внутрішнього генератора розгортку променя можна здійснювати За допомогою зовнішнього джерела, сигнал якого подається на вхід X осцилографа. Перемикач роду роботи генератора розгортки в цьому випадку ставиться в положення X . Такий режим робот використовується при дослідженні явищ гістерезису в сегнетоелектриках та магнетиках, що виконуються в лабораторії “Електрика та магнетизм”

1.4.5. Блок синхронізації

Якщо період сигналу, що досліджується, та період розгортки не співпадають, то осцилограма переміщається по екрану. Для усунення цього недоліку в осцилографі передбачений блок синхронізації. Синхронізація - процес, при якому робота генератора розгортки залежить від сигналу, що досліджується.

Режим синхронізації може бути внутрішнім або зовнішнім. При роботі осцилографа в режимі внутрішньої синхронізації з каналу вертикального відхилення знімається частина посиленого сигналу, що досліджується, та подається на вхід схеми синхронізації, яка спільно з схемою запуску генератора розгортки виробляє короткі імпульси певної форми, полярності та амплітуди.

Формування запускаючих імпульсів відбувається в той момент, коли напруга на вході блоку синхронізації досягає певної величини, яка визначається положенням регулятора "рівень синхронізації". Полярність синхронізації визначає ту частину ділянки синхронізуючого сигналу, яка використовується при формуванні імпульсів запуску: додатна (+) або від’ємна (-) так як показано на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Синхронізація генератора розгортки. U y - сигнал, що до-

сліджується, U0 - рівень синхроні-

зації, Uc - синхроімпульс , Uх -

напруга горизонтальної розгортки.

При цьому може аналізуватися абсолютний рівень сигналу, тобто обидві його складові - змінна та стала (=), або тільки амплітуда змінної складової (~). Ці режими роботи блоку синхронізації аналогічні роботі підсилювача вертикального відхилення з "відкритим" та "закритим" входом.

При роботі в режимі зовнішньої синхронізації сигнал, що керує запуском генератора розгортки, подається ззовні. Необхідний режим роботи блоку синхронізації задається перемикачем роду роботи (внутрішня, зовнішня), перемикачем режиму синхронізації ( = ± або ±) та ручкою "рівень синхронізації".

Чутливість ЕПТ досить низька (необхідно прикласти напругу в кілька вольт, для того, щоб відхилити електронний промінь на 1 см), тому для спостереження сигналів малої амплітуди необхідно використовувати підсилювачі.

Підсилювач характеризується вхідним опором, який дорівнює загальному опору дільника, безпосередньо приєднаного до вхідного коаксіального роз'єму осцилографа. Підключення осцилографа еквівалентне включенню у відповідні точки схеми опору Rвх >1МОм.

Гранична чутливість підсилювача показує, який мінімальний сигнал може бути зареєстрований осцилографом.

Частотна характеристика (або смуга пропускання) - основна динамічна характеристика підсилювача, яка показує діапазон частот, в якому можна спостерігати синусоїдальні сигнали без суттєвих спотворень. Смугою пропускання підси-