книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

с помощью которого на вход усилителя периодически включается

Рис. 3.11.

также резистор R. Усилитель постоянного тока изменяет поляр­ ность входного напряжения и на противоположную.

Физически линейный характер изменения выходного напряже­ ния в схеме при включении переключателя ГГ в верхнее положение можно пояснить следующим образом. Так как коэффициент уси­

Е— и

'К - R

почти не изменяется ( K ^ E R ) .

При и-^-0 и любом конечном значении входного сопротивления

50

Можно показать, что полное операторное выражение К(р) для коэффициента усиления интегрирующего усилителя имеет вид

Из формулы для К(р) следует, что при достаточно большой ве­ личине Ко (обычно Ко > Ю3) вторым членом в квадратных скобках знаменателя можно пренебречь. Тогда

т. е. при Л"о со выходное напряжение изменяется по линейному закону. В реальной схеме выходное напряжение имеет небольшую нелинейность, причем коэффициент нелинейности тем меньше, чем больше Ко-

Синусоидальная, круговая и спиральная развертки

Синусоидальная развертка получается при подаче на Х-плас- тины напряжения синусоидальной формы «р = Upmsin <о t. Для итого канал горизонтального отклонения переводится в режим усиления (генератор линейной развертки выключен) и на Х-вход осциллографа подключается внешний источник синусоидальных колебаний.

Эллиптическая (в частном случае круговая) развертка полу­ чается при одновременной подаче на Z -вход и У-вход осциллогра­ фа двух синусоидальных напряжений одной и той же частоты, сдвинутых по фазе на некоторый угол <р. Если угол ф= 90°, а откло­ нения луча по горизонтали и вертикали одинаковы, на экране по­ лучается круг. Луч совершает оборот за время, равное периоду синусоидального развертывающего напряжения.

На практике круговая развертка осуществляется с помощью одного внешнего генератора синусоидального напряжения, напри­ мер, измерительного генератора низкой частоты. Для получения двух напряжений, сдвинутых по фазе на 90°, используется фазо­ сдвигающая цепочка, состоящая из резистора и конденсатора (рис. 3.12). Одинаковые отклонения луча по вертикали и горизон­ тали подбираются регулировкой усиления каналов У и X (канал X работает в режиме усиления).

В специальных осциллографических измерителях интервалов времени круговая развертка создается внутренним генератором.

Спиральная развертка получается при одновременной подаче на обе пары отклоняющих пластин двух напряжений, отличающих­ ся от применяемых для создания круговой развертки тем, что их

(рис. 3.13,6), двигаясь по одной и той же траектории в каждый пе­ риод огибающей, если последний будет кратен периоду То. На­ пряжение ир может быть получено путем модуляции пилообраз­ ным напряжением двух синусоидальных напряжений, вызывающих круговую развертку.

§ 3.4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСЦИЛЛОГРАФОВ

Для правильного выбора осциллографа при исследовании сиг­ налов необходимо знать следующие его характеристики:

—размер экрана электроннолучевой трубки;

—чувствительность канала вертикального отклонения, т. е. отношение отклонения луча к величине вызвавшего его входного сигнала (мм/В или мм/мВ). Обычно в справочниках и паспортах указываются два значения чувствительности: при подаче сигнала через усилитель и при подаче сигнала непосредственно на откло­ няющие пластины;

—максимально допустимую амплитуду входного сигнала;

—полосу пропускания канала вертикального отклонения, т. е. полосу частот, в которой частотные искажения не превышают оп­ ределенной величины;

52

—чувствительность и полосу пропускания канала горизонталь­ ного отклонения (при работе последнего в режиме усиления);

—схему входа (открытый или закрытый), входное сопротив­ ление и входную емкость канала У при различных положениях переключателя входного делителя и при подаче сигнала непосред­ ственно на пластины;

—виды разверток, диапазоны частот непрерывной линейной развертки, диапазон длительностей или скоростей ждущей раз­ вертки;

—степень нелинейности линейной развертки;

—погрешности измерения амплитуд и длительностей иссле­ дуемых сигналов;

—параметры синхронизирующих сигналов;

—полосу пропускания и чувствительность канала Z.

Параметры исследуемых сигналов должны быть согласованы с соответствующими характеристиками осциллографа.

§ 3.5. ПОГРЕШНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ФОРМЫ СИГНАЛОВ (ИСКАЖЕНИЯ ОСЦИЛЛОГРАММ)

При исследовании формы напряжения основным требованием, предъявляемым к осциллографу, является обеспечение минималь­ ного искажения сигнала, т. е.

наиболее полного соответствия осциллограммы истинной фор­ ме напряжения. Рассмотрим наиболее характерные погреш­ ности (искажения) воспроиз­ ведения формы сигнала.

Эти искажения могут быть разделены на три группы в за­ висимости от источников их возникновения.

1. Искажения, обусловлен­ ные несовершенством элект­ роннолучевой трубки:

1) Неодинаковое качество фокусировки по обеим осям

(астигматизм — рис, 3.14,а)

вызывается неправильным взаимным расположением электронно­

ся ^неодинаковыми. Коррекция астигматизма достигается раздель­ ной регулировкой средних потенциалов каждой пары пластин.

2) Нелинейные искажения осциллограммы (рис. 3.4) объясня­ ются несимметричной подачей напряжения на У-пластины, а так­ же неоднородностью электрического поля отклоняющих пластин

53

(краевым эффектом), которая особенно проявляется, когда верши­ на кривой приближается к краю экрана электроннолучевой трубки.

графа. Снижение вершины импульса обусловлено завалом частот­ ной характеристики усилителя вертикального отклонения в облас­ ти низких частот и встречается при осциллографировании импуль­ сов с большой длительностью. Такие искажения устраняются при­ менением осциллографа, имеющего открытый вход.

2) Нелинейные искажения изображения импульса (или сигна­ ла другой формы), проявляющиеся в наличии очень плоских участ­ ков изображения в верхней или нижней его части (рис. 3.14,а), могут быть вызваны ограничением в усилителе вертикального от­ клонения при подаче на У-вход сигнала слишком большой величи­ ны или неправильным выбором коэффициента деления входного делителя.

3. Искажения, обусловленные нелинейностью развертки. На­ чальная часть изображения более растянута, чем конечная (рис. 3.14,г). Причина — экспоненциальный характер напряжения раз­ вертки. Подобные искажения наблюдаются также при несиммет­ ричной подаче напряжения развертки на йі-пластины.

Весьма часто неопытному экспериментатору не удается получить удобное для наблюдения изображение из-за неправильного выбо­ ра режима развертки и режима синхронизации. Поэтому необхо­ димо твердо знать, в каких случаях применяется тот или иной ре­ жим развертки, тот или иной вид синхронизации, та или иная по­ лярность напряжения синхронизации.

§ 3.6. ТЕХНИКА ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ

Выбор осциллографа и режимов его работы

Выполняя те или иные осциллографические исследования, не­ обходимо четко представлять, что требуемый режим работы от­ дельных узлов и осциллографа в целом выбирается, исходя из ха­ рактера и параметров исследуемого сигнала, а также из стоящей перед исследователем задачи.

При исследовании гармонических и других периодических на­ пряжений используется режим непрерывной развертки при внут­ ренней синхронизации. Для осциллографирования одиночных им­ пульсов, последовательности импульсов с большой скважностью, кодовых групп импульсов применяется режим ждущей развертки как при внутренней, так и при внешней синхронизации.

54

При исследовании малых напряжений максимальная чувстви­ тельность осциллографа по каналу вертикального отклонения должна быть достаточной для получения удобного для наблюде­ ния размера изображения. Максимальная чувствительность У-ка- нала определяется по формуле

£пі Н у , ММ, мВ,

где Кт — максимальный коэффициент усиления У-канала; Ну— чувствительность трубки по вертикальному отклоне­

нию. мм/мВ.

Чувствительность е можно уменьшать, изменяя усиление усили­ теля и коэффициент деления входного аттенюатора. Исследуя сиг­ налы большой амплитуды, нужно знать максимально допустимую величину напряжения, которую можно подавать на У-вход. Иногда применяется выносной делитель, прилагаемый .к осциллографу, или же внешний делитель.

При выборе осциллографа следует обращать серьезное внима­ ние на его амплитудно-частотную характеристику, что особенно важно при исследовании импульсных сигналов. Неправильно вы­ бранная характеристика является главной причиной искажения формы исследуемого сигнала.

Полосу пропускания У-канала обычно выбирают равной актив­ ной ширине спектра исследуемого импульса, т. е. полосе, в которой

(Однако и при этом возможны искажения формы импульса, прояв­ ляющиеся в уменьшении крутизны фронта и спада. Верхняя гра­ ничная частота полосы FB (фактически ширина полосы &F — = F B—FB^ F B\ необходимая для передачи импульса с небольшими искажениями фронтов, определяется по формуле

Применяя осциллограф для измерения длительности п ампли­ туды сигналов, важно знать погрешность измерения этих пара­ метров. При выборе осциллографа следует также учитывать вели­ чины входного сопротивления и входной емкости. В случае иссле­ дования импульсов с крутыми фронтами необходимо выбрать прибор с минимальной входной емкостью, так как значительная емкость увеличивает длительность фронтов. Импульсы с очень крутым фронтом рекомендуется подавать непосредственно на У-

55

пластины даже при достаточно широкополосном усилителе, так

•как входная емкость пластин значительно меньше емкости У-входа осциллографа. В этом случае используется внешняя синхрониза­ ция развертки.

При подключении осциллографа к исследуемой схеме следует иметь в виду, что в некоторых случаях его входное сопротивление и входная емкость могут заметно изменить режим работы схемы. Например, подключение осциллографа с входной емкостью 50 пФ к колебательному контуру LC, емкость конденсатора которо­ го тоже равна 50 пФ, приводит к уменьшению резонансной часто­

ты контура в У'2 раз. Это значит, что высокодобротный контур, настроенный в резонанс при подключенном осциллографе, после отключения последнего окажется полностью расстроенным.

Если исследуется напряжение на высокоомном участке цепи (на­ пример, на резисторе сопротивлением 2 МОм), то входное сопро­ тивление осциллографа порядка 0,5 МОм заметно шунтирует ре­ зистор, изменяя условия работы схемы. Для ослабления влияния входной цепи осциллограф подключают к измеряемому объекту через катодный повторитель, имеющий большое входное сопротив­ ление, малую входную емкость, широкую полосу пропускания и близкий к единице коэффициент передачи.

Исследуемый сигнал подводится к входу осциллографа обычны­ ми проводниками или коаксиальным кабелем. Обычные проводни­ ки применяются при наблюдении непрерывных сигналов не очень высоких частот, а высокочастотные кабели — при исследовании импульсов и напряжений высоких частот.

Измерение амплитуды напряжения

Измерение величины напряжения производится с помощью ка­ либратора напряжения путем сравнения величины вертикального отклонения луча под действием измеряемого сигнала с отклонени­ ем, полученным при воздействии известного калиброванного на­ пряжения.

Методика сравнения и схемы калибраторов в различных осцил­ лографах неодинаковы. В частности, в ряде современных осцилло­ графов калибратор вырабатывает напряжение прямоугольной формы («меандр») со стабильной амплитудой. Схема калибратора обычно состоит из мультивибратора и катодного повторителя-ог­ раничителя, нагрузкой которого является образцовый делитель на резисторах с рядом фиксированных значений коэффициента деле­ ния. Такой калибратор выдает ряд фиксированных напряжений

(например, 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50 В).

Перед измерением одно из этих напряжений подают в У-канал и, устанавливая в определенные положения органы регулировки усиления этого канала, производят калибровку чувствительности канала. При этом каждому из калиброванных напряжений соот­ ветствует определенная цена деления вертикальной масштабной

56

рах, умножают его на цену деления. Погрешность измерения на­ пряжений обычно не превышает 5—10%.

Измерение временных параметров колебаний

Временные параметры колебаний (в частности, длительность импульса и его отдельных участков) измеряются либо с помощью калиброванной по времени линейной развертки, либо с помощью калибровочных меток. В последнем случае в осциллографе преду­

Пусть изображение импульса длительностью т имеет горизон­ тальный размер /. Если скорость развертки ѵх (мм/мкс) извест­ на и калибрована, то после измерения с помощью масштабной сетки горизонтального размера исследуемого импульса можно най­ ти его длительность:

Т = 1/ѵх.

Напомним, что при одной и той же амплитуде £/р скорость раз­

вертки ѵх однозначно связана с ее длительностью (ѵх = —Р-Н Л . V Тжд /

Следовательно, данной фиксированной длительности развертки соответствует определенная цена деления горизонтальной масштаб­ ной сетки экрана в мкс/см.

В осциллографах обычно предусматривается ряд калиброван­ ных фиксированных длительностей развертки (например, в осцил­ лографе С1-20 24 фиксированных длительности развертки).

При измерении длительности временных интервалов из набора имеющихся фиксированных длительностей развертки устанавли­ вается такая, при которой изображение импульса занимает боль­ шую часть экрана трубки. Подсчитав горизонтальный размер изо­ бражения в сантиметрах и умножив его на цену деления в мкс/см, получают результат измерения. Погрешность измерения этим ме­ тодом зависит от степени линейности развертки и обычно состав­ ляет 5—10%. Этим же методом можно измерить период Т перио­ дического сигнала и определить его частоту f=\/T.

Метод калибровочных меток предусматривает использование «генератора меток» (калибратора длительности), который выраба-

57

іывает калиброванное по частоте периодическое напряжение. Это напряжение подается па модулятор (или катод) электроннолуче­ вой трубки, вызывая модуляцию изображения по яркости: положительные полуиериоды вы­ зывают увеличения яркости, отрицательные— гасят луч. В результате изображение получа­ ется «пунктирным» (рис. 3.15). Расстояние между серединами двух ярких (темных) ме­ ток равно периоду напряжения генератора меток. Таким образом, период определяет це­ ну метки. Длительность исследуемого импуль­ са определяется произведением числа меток, укладывающихся на его изображении, на це­

ну метки.

В качестве калибратора длительности используется схема ге­ нератора ударного возбуждения, запускаемого одновременно с ге­ нератором ждущей развертки. Каждой длительности ждущей раз­ вертки соответствует своя частота калибратора длительности и, следовательно, своя цена метки. Абсолютная погрешность изме­ рения составляет +0,5 метки.

Измерение глубины амплитудной модуляции

С помощью осциллографа можно легко измерить коэффициент ілубины амплитудной модуляции. Для этого на У-вход подают ис­

зонтального отклонения работает в режиме усиления). На экране наблюдается замкнутая фигура, имеющая форму трапеции (рис. 3.16,6). Глубина модуляции определяется по прежней формуле,

58

При тщательных измерениях отрезков А и В и не слишком малых значениях т погрешность измерения не превышает 5—10%.

§3.7. ОСЦИЛЛОГРАФИРОВАНИЕ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ

ИКОЛЕБАНИИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

динамическая чувствительность трубки зависит от частоты иссле­ дуемого гармонического сигнала и, как показывает теория, изме­ няется по закону

ется в нуль всякий раз, когда длина пластин I равна четному чис­ лу полуволн исследуемого сигнала, т. е. когда время пролета рав­ но целому числу периодов Т.

На рис. 3.17 показан временной график исследуемого колеба­ ния (рис. 3.17,а) и траектория электрона между Упластинами дли­ ной I (рис. 3.17,6) для случая, когда электрон пролетает по гори­ зонтали путь I за время tnp— Т. Стрелками показаны направле­ ния вектора скорости электрона в различные моменты периода Г (0; Т/4; Т/2; ЗТ/4; Т). Из рис. 3.17,6 следует, что при Т = tnp элект­ рон, влетевший в пространство между пластинами по горизонтали,

59