книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

тором развертки (см. рис. 6.12), достаточно велико и поэто­ му не требует значительного усиления в отличие от канала У. Применение усилителей позволяет повысить чувстви­ тельность осциллографа S 0 к напряжению. Результирую­ щая чувствительность определяется произведением К — коэффициента усиления усилителя на Sy — чувствитель­ ность трубки по данному каналу: S ü= K S v . Величина S0 колеблется от нескольких десятков мм!в в осциллографах низкой чувствительности до нескольких мм/мв в осциллог-

Рис. 6.13. Симметричное и несимметричное вклю­ чение напряжения на электроды

рафах высокой чувствительности. Высокое входное сопро­ тивление и малая входная емкость усилителя обеспечива­ ется обычно тем, что первый каскад усилителя выполняет­ ся по схеме катодного повторителя.

Оконечный каскад усилителя, как правило, выполняет­ ся по двухтактной схеме для получения двух симметричных противофазных напряжений (относительно земли), кото­ рые подаются на отклоняющие электроды. Симметричное напряжен ие на электродах позволяет сохранить неизмен­ ным потенциал средней линии между ними (рис. 6.13, а)] при несимметричном напряжении (рис. 6.13, б) отклоняю­ щее напряжение влияет на скорость движения электронов, что приводит к ухудшению фокусировки луча и искажению формы сигнала.

Если исследуемое напряжение велико (не требует уси­ ления) или его частота находится вне пределов рабочего участка частотной характеристики усилителя, то это напря­ жение подают непосредственно на отклоняющие электроды трубки.

Г е н е р а т о р р а з в е р т к и представляет собой источ­ ник линейно изменяющегося напряжения, который служит для отклонения луча в горизонтальном направлении. Час­

2 3 0

тоту и амплитуду вырабатываемого им пилообразного на­ пряжения можно изменять в широких пределах. Выраба­ тываемое генератором развертки напряжение должно иметь хорошую линейность участка, создающего прямой ход электронного луча, малую длительность времени об­ ратного хода луча и достаточное значение амплитуды. Об­ щий принцип работы генераторов пилообразной развертки

состоит в том, что создаются схемы релаксационных коле­ баний, чаще всего RC, и нужные напряжения получают зарядом и разрядом конденсатора. Переключение с зарядѣ на разряд, и наоборот, производится автоматически с по­ мощью различных коммутирующих схем и реле, работаю­ щих на разных принципах (электромеханических устройств, электронных и ионных приборов). В результате было соз­ дано большое количество схем генераторов линейной раз­ вертки.

Принцип получения пилообразного напряжения рас­ смотрим на примере генератора с тиратроном, схема кото­ рого на рис. 6.14, а. При включении напряжения Е кон-

231

денсатор С\ начинает заряжаться через сопротивление R{ по экспоненциальному закону

(6.7)

Когда величина напряжения ир достигнет напряжения Uз — тиратрон зажигается и его внутреннее сопротивление

гаснет, его сопротивление опять резко возрастает, к цепь разряда автоматически размыкается. После этого конден­ сатор С\ опять начинает заряжаться через сопротивление R\. Этот процесс периодически повторяется с периодом 7p=^np-Ko6p. Известно, что время нарастания напряжения /пр и время его спада ^0бр зависят от постоянных времени зарядной и разрядной цепей. Поэтому при R i > > R i нара­ стание «р будет происходить медленнее, чем его спад

(^пР7> >^обр) •

Из соотношения (6.7) и рис. 6.14, б следует, что линей­ ность развертки будет только при использовании началь­ ной части экспоненты. Поэтому напряжение зажигания тиратрона не должно быть большим (его величину можно

плавно. Диапазон частот ир тиратронных генераторов на­ ходится в пределах от долей герца до нескольких десятков килогерц.

Генераторы развертки с хорошей линейностью получа­ ют с помощью использования электронной лампы типа пен­ тода или тетрода вместо зарядного резистора R ь Можно также быстро заряжать конденсатор до максимального значения напряжения развертки и затем медленно его раз­ ряжать постоянным током, ß этом случае при заряде кон­

жать через пентод и тетрод, так как линейность обратного хода луча несущественна, а разряжать его через пентод — для обеспечения линейности прямого хода. Такой прием линеаризации напряжения используется в электронных

2 3 2

генераторах развертки (на электронных лампах, транзис­

ния точной кратности частот исследуемого и пилообразно­ го напряжений, т. е. для создания на экране неподвижного изображения. Так как частота генератора развертки, а иногда и исследуемого напряжения нестабильны, то соз­ дают принудительную «подгонку» частоты развертки под частоту сигнала. Для этого, например, в генератор раз­ вертки вводят сигнал от усилителя канала У (см. рис. 6.12). В тиратронных генераторах напряжение синхронизации Цсішх подводится к сетке тиратрона (рис. 6.14, а), периоди­ чески изменяя потенциал его зажигания, и так как период Тр в некоторых пределах зависит от этого потенциала, до­ биваются нужного совпадения частот автоматически.

Современные осциллографы кроме рассмотренных эле­ ментов схемы имеют дополнительные специальные устрой­ ства, среди которых отметим калибраторы и линии за­ держки.

Калибраторы служат для измерения параметров иссле­ дуемого сигнала (амплитуды, времени). Измерение верти­ кального отклонения луча на экране производится в едини­ цах напряжения методом сравнения полученного отклоне­ ния с отклонением луча от подачи в этот канал

-ды, представляющим собой схему, позволяющую получать регулируемое напряжение от сети. Различные значения этого напряжения устанавливаются по градуированной шкале потенциометра или контролируются по вольтметру, имеющемуся в осциллографе. При сравнении отклонений пользуются прозрачной масштабной сеткой, расположен­

ной перед экраном электроннолучевой трубки. Погреш­ ность таких измерений составляет ±(5 ~ --7 ) %.

Измерение горизонтального отклонения луча произво­ дится в единицах времени; например, при наблюдении импульсных сигналов определяют длительность импульса, фронта, спада. Для этой цели используется к а л и б р а т о р д л и т е л ь н о с т и . Это генератор, предназначенный для создания калибровочных меток на осциллограмме иссле­ дуемого сигнала.. По количеству меток определяют дли-' тельность импульса или его части.

Образование меток пунктирной линии из штрихов

'(рис. 6.15) .на осциллограмме происходит после подачи на

2 3 3

модулятор трубки напряжения от калибратора, который вырабатывает колебания пли импульсы известной частоты. Происходит модуляция яркости изображения исследуемого процесса: если напряжение от калибратора увеличивает потенциал модулятора, то образуются ярко светящиеся черточки, при обратной полярности напряжения — пропуск. Черточка и пропуск появляются при каждом периоде ко­ лебаний калибратора; зная частоту этих колебаний, опре­ деляют длительность его периода, а умножая этот период

на количество меток, получают дли­ тельность любой части сигнала (ме­ жду метками), например, при ча­ стоте 1 Мгц (У = 1 мкс) длитель­ ность в микросекундах определяет­ ся прямо по количеству меток. За­ пуск ждущей развертки и калибра­ тора производится при помощи ис­ следуемого сигнала. Такая синхро­ низация необходима для того, что­ бы фаза колебаний калибратора от­ носительно фазы напряжения раз­ вертки была всегда одной н той же. Это обеспечивает устойчивость (не­ подвижность) осциллограммы.

Линии задержки необходимы при исследовании им­ пульсных напряжений со ждущей разверткой.

Функциональная схема каналов X и У осциллографа со ждущей разверткой изображена на рис. 6.16. При подаче сигнала на вход У линия задержки задерживает его по­ ступление на пластины У до того момента, пока на пласти­ нах X не появится напряжение-развертки.

Рис. 6.16. Функциональная схема осциллографа со ждущей разверткой

234

С помощью рассмотренного осциллографа можно про­ изводить исследования посредством фигур Лиссажу; для этого на вход X (или вх. пл. X) подается синусоидальное напряжение.

Осциллографы характеризуются размером экрана, чувст­ вительностью каналов, максимальным напряжением иссле­ дуемого сигнала, полосой пропускания каналов, входным сопротивлением и входной емкостью, искажениями иссле­ дуемых сигналов, видами разверток, погрешностью изме­ рения амплитуд и временных интервалов. Обязательные требования — хорошая яркость и четкость изображения и высокая устойчивость осциллограмм.

Стробоскопические осциллографы

Проводить осциллографирование наносекудных им­ пульсов с малой амплитудой (десятки микровольт) обыч­ ными осциллографами практически невозможно, так как чувствительность осциллографов недостаточна, усилители вертикального отклонения не имеют достаточную полосу пропускания, необходима очень большая скорость разверт­ ки, электроннолучевая трубка искажает форму импульса

ит. д. Поэтому наносекудные импульсы и колебания СВЧ успешно исследуются с помощью стробоскопических осцил­ лографов, в которых исследуемый сигнал искусственно «растягивается» во времени. При этом изображение иссле­ дуемого сигнала (импульса) на экране электроннолучевой трубки такого осциллографа получается путем считывания отдельных дискретных значений исследуемого напряжения

иосциллограмма процесса воспроизводится на экране в ви­ де совокупности светящихся точек. Происходит разбиение исследуемого импульса на целый ряд дискретных ординат,

которые затем располагаются друг относительно друга в измененном масштабе времени. С этой целью использует­ ся амплитудная импульсная модуляция коротких прямо­

тельность исследуемых импульсов длительности ти с перио­ дом Тш; б — стробирующие импульсы с периодом следова­ ния Тст, равным или кратным периоду Ти; в — стробирующие импульсы после амплитудной модуляции исследуемыми им­ пульсами; г — исследуемый импульс в измененном масшта-

2 3 5

бе времени. Из рис. 6.17 видно, что начало каждого после­ дующего стробирующего импульса сдвинуто во времени от­ носительно предыдущего импульса на интервал АТ. Значе­ ние интервала АТ должно удовлетворять неравенству т„^> ^>АТ^>тст. Сведения о форме исследуемого импульса заключены только в значениях амплитуды стробирующих импульсов, положение которых относительно исследуемых

Рис. 6.17. К принципу стробоскопического осциллографирования:

а — последовательность исследуемых сигналов; б — стробирую­ щие импульсы; в — стробирующие импульсы после амплитудной модуляции; г — исследуемый импульс в измененном масштабе

времени

должно строго совпадать при многократном повторении процесса стробирования. Это достигается жесткой синхро­ низацией частоты следования стробирующих и исследуе­ мых импульсов.

Изменение масштаба времени, изображенного на экра­ не осциллографа импульса (рис. 6.17,г), характеризуется коэффициентом временной трансформации q = p T H/AT, где pTti — период исследуемого импульса в измененном масш­ табе времени. Поэтому скорость развертки осциллографа, необходимая при этом способе, в q раз меньше, чем при прямом осциллографировании.

236

Модулированные стробирующие импульсы усиливаются, расширяются (без изменения высоты) и подаются на вход усилителя вертикального отклонения осциллографа, где верхушки импульса высвечивают точки на экране.

Промышленностью выпускаются, стробоскопические приставки (например, С1-21), которые вместе с обычными низкочастотными осциллографами позволяют исследовать сигналы наносекундной длительности, а также одно- и двух­ канальные стробоскопические осциллографы (например, Cl-15, Cl-39).

Многолучевые о с ц и л л о г р а ф ы и электронные коммутаторы

Применяются для одновременного наблюдения несколь- - ких процессов. В отличие от обычных в многолучевых ос­ циллографах используют специальные электроннолучевые трубки. При использовании специальных электронных ком­

нолучевой трубкой). Широко распространены двухлучевые осциллографы, электроннолучевая трубка которых содер­ жит две самостоятельные электронно-оптические системы и, соответственно, две системы отклоняющих пластин. Та­ ким образом, создается два электронных луча, действую­ щих на один экран. Один общий генератор развертки соз­ дает напряжение, которое подается через общий усилитель горизонтального отклонения на обе пары горизонтальноотклоняющих пластин. Кроме того, едиными являются ка­ либратор длительности, измеритель амплитуды, генератор импульсов, синхронизирующих запуск ждущей развертки. Каналы же вертикального отклонения являются самостоя­ тельными (их два); они идентичны каналу вертикального отклонения однолучевого осциллографа. Принцип работы двухлучевого осциллографа не отличается от работы одно-' лучевого. Примерами двухлучевых осциллографов служат приборы С 1-7, С1-17, пятилучевого — С 1-33 (исследует одновременно пять различных процессов).

В случае применения электронных коммутаторов иссле­ дуемые напряжения попеременно подключаются ко входу У осциллографа и на экране одновременно наблюдают не­ сколько осциллограмм. Осциллограф с коммутатором вы­ полняет функции многолучевого осциллографа.

Применение осциллографов. Осциллографы (электро­ механические и электронные) используются для измере-

237

ния, регистрации и исследования самых разнообразных,' изменяющихся во времени, процессов. Измерение и иссле­ дование электрических токов, напряжений, мощностей про­ изводится непосредственно, а других физических явлений— после преобразования их в электрический ток или напря­ жение. Осщгллографы применяются для наблюдения, фо­ тографирования и исследования формы кривой электриче­ ского тока и напряжения при различных частотах. Элек­ тронный осциллограф незаменим при исследовании высокочастотных периодических и импульсных процессов.

С помощью электромеханических осциллографов можно записывать несколько процессов, протекающих одновре­ менно. Поэтому они широко используются при изучении процессов в электрических сетях, исследовании работы электрических аппаратов и машин, а также в различных областях науки и техники (например, в авиации — для ис­ следования вибраций элементов конструкции самолетов, ракет, в медицине и т. д.).

Рассмотрим некоторые примеры использования осцил­ лографов для измерения электрических величин.

Измерение напряжения. Осциллографы могут приме­ няться для непосредственного измерения напряжения, так как у них магнитоэлектрический вибратор и электроннолу­ чевая трубка реагируют на изменение напряжения. Если симметричное измеряемое напряжение подавать на зажимы вибратора (при необходимости — через добавочное сопро­ тивление) или на одну пару электродов электронного ос­ циллографа и не использовать развертку, то световой или электронный луч прочертят на экране прямую линию, дли­ на которой будет пропорциональна двойной амплитуде ис­ следуемого напряжения. Зная чувствительность вибратора или канала трубки электронного осциллографа можно оп­ ределить максимальное значение напряжения. При несим­ метричной форме кривой напряжения измерение амплитуд производят на неподвижном развернутом изображении кри­ вой, для этого включают напряжение развертки и синхро­ низируют его с исследуемым напряжением.

Измерение тока производят косвенно. В исследуемую цепь включают известное сопротивление — шунт и измеря­ ют на нем падение напряжения рассмотренным ранее ме­ тодом. Амплитудное значение тока определяют по закону Ома. Точность измерения напряжения и тока сравнительно невелика и поэтому такие измерения обычно выполняются как вспомогательные, совместно с Другими исследованиями.

2 3 8

Измерение частоты производится путем сравнения ко­ лебаний исследуемых с эталонными. Одним из простейших способов является одновременная регистрация на экране или фотопленке двух колебаний, частота одного из кото­ рых известна. При этом исследуемая кривая может быть любой формы. В этом случае электронный осциллограф должен иметь электронный коммутатор или двухлучевую электроннолучевую трубку. Наиболее распространенный и точный способ определения частоты с помощью электрон­ ного осциллографа основан на сравнении двух колебаний синусоидальной формы методом фигур Лиссажу. Схема из­ мерений проста: на вход Y осциллографа подается напря­ жение измеряемой частоты /из, на вход X — напряжение с зажимов измерительного генератора с эталонной частотой /э, которую можно плавно изменять и отсчитывать по лимбу.

Изменяя частоту /э, можно добиться при некотором ее значении неподвижности изображения. Это означает, что отношение частот fylfx равно отношению двух целых чисел. Вид изображения на экране и известное значение /э при этом позволяют определить /из с точностью, которая завцсит только от точности определения частоты /э. Наиболее удобно подбирать частоту (если позволяет частотный диа­

считывается прямо по лимбу измерительного генератора. Анализ движения луча по экрану под воздействием на­ пряжений с частотами f y и fx показывает, что отношение этих частот может быть определено при неподвижном изо­ бражении, как отношение числа пересечений с изображе­ нием фигуры Лиссажу горизонтальной линии а — b и вертикальной с—d (см. рис. 6.8,6). Горизонтальную и вер­ тикальную линии лучше проводить так, чтобы получить мак­ симальное число пересечений с фигурой. Можно проводить эти линии и касательно к ней и через узловые точки, но тогда усложняется способ определения отношения частот. Рассмотренный способ сравнения частот обычно применя­ ют при /у<10/ж, так как при больших соотношениях на эк­ ране получается очень сложная и густая сетка линий фи­

гуры Лиссажу.

При больших соотношениях между частотами можно пользоваться круговой разверткой. Для этого напряжением Up с частотой /э питают генератор круговой развертки

239