книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

Umx 11 Um подбираются таким образом, чтобы соблюдалось условие

& UxUmx ~~ ^UyUmy ~~В.

Тогда, возводя в квадрат оба параметрических уравнения и складывая чіх с учетом, что sin2 at -f- cos2co£ ~ 1, получим уравне­ ние, описывающее траекторию движения пятна по экрану, в виде:

х* - j - y2--=R2,

что, как известно, представляет собой уравнение окружности с радиусом равным R.

Круговую развертку удобно применять при наличии специаль­ ной трубки, имеющей дополнительный электрод в виде металличе­ ского стержня, впаянного в центре экрана. Наблюдаемый сигнал прикладывается между дополнительным электродом и ускоряющим

Рис. 142. Схема для получения круговой развертки и ос­ циллограмма колебании при подаче сигнала на радиальный электрод: а — схема; б — осциллограмма

анодом, создавая радиальные перемещения луча. Круговая развертка может быть использована также и в осциллографе с обычной труб­ кой. В этом случае наблюдаемое напряжение либо модулирует на­ пряжение развертки на одной из пар отклоняющих пластин, либо подается в цепь сетки электроннолучевой трубки, модулируя яр­ кость пятна и создавая тем самым ряд разрывов на осциллограмме.

Схема для получения круговой развертки и осциллограмма на экране осциллографа при использовании трубки с радиальным электродом показаны на рис. 142, а а б.

Достоинствами круговой развертки являются удлиненная линия времени и отсутствие обратного хода. Эда развертка чаще всего при­ меняется для измерения фазовых соотношений и соответственно про­ межутков времени.

Существенным недостатком обычных электронных осциллографов является невозможность одновременного наблюдения нескольких кривых. Этот недостаток устраняется применением многолучевых трубок. Особенностью таких трубок является то, что они имеют не одну, а несколько систем фокусирующих и отклоняющих элект­ родов. В остальном действие их ничем не отличается от действия трубок, рассмотренных выше.

210

которые подают па пластины вертикального отклонения попере­ менно несколько испытуемых напряжений. Если частота переклю­ чений будет достаточно велика, то глаз воспримет на экране не­ сколько изображений одновременно. Переключатели могут иметь самое разнообразное оформление. Чаще всего применяются переклю­ чатели в виде электронных схем, называемые электронными пере­ ключателями. Обычно они выполняются для попеременного вклю­ чения пластин осциллографа в две различные цепи. Такие схемы представляют собой совокупность двух усилителей с общей нагруз­ кой и переключающего устройства, управляющего их работой. IIa вход усилителей подаются исследуемые напряжения, выходные на­ пряжения усилителей подводятся к вертикальным отклоняющим электродам. Переключающие устройства в большинстве случаев вы­ полняются по принципу мультивибратора.

Электронные переключатели, как правило, не входят в схему осциллографа, а изготовляются в виде отдельных приставок. При­ менение этих приборов сильно ограничено, так как они работают достаточно надежно только при невысоких частотах переключений и, следовательно, позволяют наблюдать лишь сравнительно медлен­ ные и преимущественно периодические процессы.

Широкое развитие импульсной техники потребовало соответст­ венно развития и совершенствования импульсных измерений. Эти измерения обладают рядом специфических особенностей, определяе­ мых в основном чрезвычайно малой длительностью процессов при прохождении коротких импульсов, большим содержанием гармо­ ник и разнообразием форм импульсных явлений, не позволяющим во многих случаях измерить количественные параметры импульса без визуального наблюдения его формы. Эти специфические особен­ ности обусловили роль электронного осциллографа как основного прибора для импульсных измерений и привели к созданию специаль­ ных типов осциллографов.

К импульсным осциллографам предъявляются высокие требова­ ния, и поэтому они являются более сложными и точными приборами, чем низкочастотные осциллографы лабораторного типа. Импульс­ ные осциллографы имеют намного большую ширину полосы пропу­ скаемых частот, меньшие входные емкости, значительно более высо­ кую частоту линейной развертки и содержат ряд дополнительных элементов, важнейшими из которых являются генератор ждущей развертки, генератор меток времени и канал электрода, управляю­ щего яркостью луча.

Осциллографы этого типа всегда имеют оба вида линейной раз­ вертки — периодическую и ждущую, и поэтому являются универ­ сальными приборами, предназначенными для исследования как пе­ риодических, так и непериодических процессов. Оценивать качество широкополосных усилителей, применяемых в импульсных (универ­ сальных) осциллографах, удобно по переходной характеристике (рис. 143), показывающей искажение идеального прямоугольного импульса при прохождении его через усилитель. Основными пара­ метрами переходной характеристики являются время нарастания

211

фронта, обычно измеряемое на участке от 0,1 до 0,9 амплитуды им­ пульса, спад плоской вершины и выбросы. Спад и выбросы изме­ ряются в процентах от амплитуды. Величина выбросов в усилителях для осциллографов обычно очень мала. Искажениями фронта им­ пульса можно пренебречь, если время нарастания для усилителя меньше Ѵ5 времени нарастания исследуемого колебания. Это озна­ чает, что если усилитель осциллографа имеет время нарастания переходной характеристики, например, 0,04 мкс, то с его помощью можно исследовать импульсы с временем нарастания фронта 0,2 мкс и выше. Искажение, вносимое спадом переходной характеристики, легко может быть учтено путем вычитания этого спада из спада вер­ шины импульса на осциллограмме. К усилителям для импульсных

осциллографов предъявляются также весьма жесткие требования в отноше­ нии линейности амплитудной характе­ ристики.

Если изучается неуправляемое яв­ ление (например, случайно возникаю­ щие импульсы), то запуск генератора ждущей развертки осуществляется са­ мим исследуемым напряжением. При этом происходит запаздывание разверт­ ки, так как для включения ее необхо­ димо, чтобы напряжение сигнала до­ стигло некоторой критической вели­

чины. Таким образом, начальные стадии процесса остаются вне наблюдения. Для того чтобы избежать этого, в усилительный канал осциллографа вводится линия задержки, ^компенсирующая запазды­ вание начала развертки. Время задержки этой искусственной линии обычно составляет несколько десятых микросекунды. В случае когда начало исследуемого процесса фиксировано и определяется внешним воздействием, последнее используется также и для одно­ временного включения развертки. Обычно в импульсном осцилло­ графе имеется устройство для создания переменной задержки вре­ мени. Подавая пусковой импульс на генератор развертки через это устройство и подбирая ту или иную выдержку времени, можно детально наблюдать любой желаемый участок исследуемого про­ цесса.

Часто бывает удобно пусковые импульсы, включающие исследуе­ мый процесс и развертку, вырабатывать в самом осциллографе. Этим обеспечивается надежная синхронизация развертки и наблю­ даемых колебаний. Современные высококачественные осциллографы содержат генератор пусковых импульсов, обычно представляющий собой блокинг-генератор со схемой формирования импульсов тре­ буемого вида. Импульс для пуска развертки, или импульс для вклю­ чения источника изучаемых сигналов, может быть подан через уст­ ройство переменной задержки времени. Таким образом можно полу­

212

ложность наблюдать в деталях начальные стадии изучаемого про­ цесса.

Схема формирования импульсов может быть использована для образования пусковых импульсов из внешних колебаний, имеющих синусоидальную или какую-либо другую форму.

Как уже отмечалось, импульсные осциллографы имеют дополни­ тельный канал для управления яркостью луча, иногда называемый каналом z 1 . Изменение яркости пятна на экране позволяет полу­ чать дополнительные сведения из осциллограмм — отметить, напри­ мер, какие-либо характерные моменты явления, связь одного изучае­ мого явления с другим и т. п. Канал z, так же как и все другие ка­ налы осциллографа, имеет свой усилитель и выходные зажимы.

Для построения масштаба времени осциллограммы используются генераторы меток времени или калибраторы. Эти устройства выпол­ няются в большинстве случаев в виде генераторов синусоидальных колебаний стабильной частоты, синхронизированных с напряжением развертки. Последнее необходимо для неподвижного изображения меток времени на экране осциллографа. Синусоидальные колебания преобразуются в очень короткие остроконечные импульсы с точно известным периодом их следования. Импульсы обычно подаются в канал z, т . е . на сетку трубки, создавая в зависимости от выбран­ ной их полярности разрывы или, наоборот, яркие пятна на осцилло­ грамме через определенные, строго фиксированные промежутки времени.

В некоторых типах осциллографов имеется так называемый ка­ либратор амплитуды, представляющий собой генератор напряжения прямоугольной формы (частота колебаний от 50 Гц до 1—2 кГц). Это напряжение подается на пластины у, причем на экране наблю­ даются две параллельные линии, соответствующие плоским верши­ нам кривой. Расстояние между линиями пропорционально двойной амплитуде напряжения и может регулироваться. Измерение произ­ водится путем сравнения амплитуды исследуемого сигнала с ампли­ тудой калибровочного напряжения. Импульсные осциллографы обычно снабжаются выносными приставками, представляющими собой катодный повторитель с собственным делителем напряжения. Эти приставки служат для уменьшения входной емкости усилителя вертикального отклонения.

В настоящее время в Советском Союзе и за границей изготавливают много различных типов одно- и многолучевых (преимущественно двухлучевых) осцил­ лографов.

Д л я иллюстрации параметров осциллографов приведем в качестве примера основные данные некоторых типов осциллографов из числа выпускаемых оте­ чественной промышленностью.

Осциллограф типа С1-1 (ЭО-7) представляет собой осциллограф низкочастот­ ного типа а . Чувствительность усилителя вертикального отклонения не ниже

1 Следует иметь в виду, что название это весьма условно и никакой геоме­ трической интерпретации, подобно существующей для каналов х и у, не имеет.

2 Осциллограф типа'Cl-1 в настоящее время не выпускается, однако в эксплу­ атации находится еще большое количество осциллографов этого типа.

213

0,25 см/мВя фф. Частотные искажения в диапазоне от 2 Гц до 300 кГц соста­ вляют ± 3 д Б . Входное сопротивление'порядка 2 МОм параллельно с емкостью 30 п к Ф . Тиратронныіі генератор развертки обеспечивает линейно изменяющееся напряжение с частотой от 2 Гц до 50 кГц. Частота развертки разделена на 8 диа­ пазонов с плавной регулировкой в пределах каждого диапазона.

Максимальная частота синхронизации 50 кГц. Ждущая развертка отсут­ ствует.

Взамен осциллографа типа С1 -1 промышленностью в настоящее время выпу­ скается низкочастотный осциллограф типа С1-19, обладающий улучшенными параметрами: верхняя граница полосы пропускания 1 МГц, чувствительность канала вертикального отклонения 0,5 см/мВ, частота развертки от 0,1 Гц до 100 кГц, максимальная частота синхронизации 1 МГц. В приборе наряду с не­

ставки (щупа-делителя) сопротивление входа равно 1,1 МОм параллельно с ем­

Большинство ручек управления отдельными блоками осциллографа, а также зажимы или коаксиальные входы для присоединения внешних цепей располо­ жены на передней панели прибора и снабжены соответствующими надписями.

Существует определенный порядок установки этих ручек перед включением осциллографа и манипулирования ими в процессе работы. Этот порядок изло­ жен в инструкциях и специальных руководствах и должен быть известен ка­ ждому, приступающему к работе с осциллографом.

26. Применение электроннолучевых осциллографов

Общие замечания. Электроннолучевой осциллограф имеет настолько большое распространение для измерения и исследования самых раз­ нообразных процессов, что трудно перечислить все области его ис­ пользования. Существует ряд книг, в которых достаточно подробно рассматриваются вопросы конструирования и использования осциллографических устройств 1 .

Осциллограф широко применяется для наблюдения и фотографи­ рования формы кривой напря/кения и тока в цепях как низких, так и высоких частот. В последнем случае осциллограф является неза­ менимым прибором. Весьма большое значение имеет осциллограф также при исследовании кратковременных импульсных явлений. С помощью осциллографа можно наблюдать и фотографировать се­ мейства характеристик электронных ламп и полупроводниковых при­ боров, петли гистерезиса магнитных материалов, определять основ-

1 Новопольскпй В. А. Электроннолучевой осциллограф. «Энергия», 1969. Чех И. Осциллографы в измерительной технике, «Эноргця», 1965.

214

ныс параметры радиоприемных и телевизионных устройств, резо­ нансных и полосовых фильтров, а также выполнять многие другие исследования.

В настоящем параграфе мы рассмотрим некоторые примеры ис­ пользования электронного осциллографа для различных электри­ ческих измерений.

Измерение напряжения и тока. Из принципа действия электронно­ лучевой трубки следует, что осциллограф является прибором, реаги­ рующим на изменения напряжения. Следовательно, любые электри­ ческие или неэлектрические явления, которые можно преобразовать в соответствующие изменения напряжения, могут быть исследованы при помощи осциллографа. Осциллограф можно использовать для непосредственного измерения напряжения, а также для определения тока, который может быть вычислен по измеренному падению на­ пряжения на известном сопротивлении.

При использовании осциллографа в качестве амплитудного вольт­ метра измеряемое напряжение подается на одну пару пластин обычно при отключенной развертке. Вторая пара пластин остается свобод­ ной. Электронный луч при этом будет прочерчивать на экране пря­ мую линию, длина которой пропорциональна двойной амплитуде измеряемого напряжения. Зная чувствительность трубки или опре­ делив ее предварительным приключением известного по величине напряжения, можно найти амплитуду измеряемого напряжения. Однако таким образом можно измерять только симметричное напря­ жение переменного тока или же напряжение постоянного тока. Если, как это в большинстве случаев бывает, нет уверенности в том, что амплитуды положительной и отрицательной полуволн равны, измерение можно произвести следующим путем. Зафиксировав с по­ мощью масштабной сетки начальное положение светящегося пятна (например, в центре экрана), надо измерить отклонение луча в обе стороны от этого положения. Аналогичный результат можно полу­ чить, если подать на вторую пару пластин напряжение развертки и, установив неподвижное изображение, измерить амплитуду ка­ ждой полуволны в отдельности. Большое входное сопротивление цепи отклоняющих пластин, а также большое входное сопротивление осциллографического усилителя позволяют измерять в достаточно широких пределах напряжения источников, обладающих очень высо­ ким внутренним сопротивлением.

Следует иметь в виду, что это положение остается справедливым только при относительно медленных изменениях исследуемого на­ пряжения. В случае же быстроперемешшх процессов основным фак­ тором, ограничивающим применение осциллографа, является соб­ ственная емкость отклоняющих пластин и подводящих проводов или входная емкость усилителя, если испытуемое напряжение по­ дается через усилитель. В этом случае постоянная времени измери­ тельной цепи, т. е. произведение емкости отклоняющих пластин и подводящих проводов (или входной емкости усилителя) и сопротив­ ления участка схемы, с которого снимается измеряемое напряжение, должно быть существенно меньше длительности, или периода, иссле-

215

дуемого процесса. Несоблюдение этого условия приводит к погреш­ ностям .

Для измерения тока на пластины осциллографа подается падение напряжения на известном сопротивлении — шунте, включенном последовательно в цепь источника тока. Весь процесс осциллографпрования производится так же, как и при измерении напряжения. Значения тока подсчитываются. При осциллографировании быстро меняющихся токов необходимо учитывать влияние индуктивности шунта. Искажения, обусловленные индуктивностью шунта, можно скорректировать, изготовив контрольный шунт той же конфигура­ ции, что и измерительный, но из материала с предельно низким со­ противлением. Тогда активным сопротивлением контрольного шунта можно пренебречь и считать, что осциллограмма, снятая-с его по­ мощью, позволяет внести поправку на искажения, создаваемые ин­ дуктивностью шунта. Обычно эта поправка вносится графически пу­ тем вычитания по точкам двух осциллограмм — снятой с контроль­ ным шунтом и снятой с измерительным шунтом.

Чем больше измеряемые токи, тем сильнее проявляется влияние индуктивности. Это понятно, если учесть, что при больших токах приходится уменьшать сопротивление шунта во избежание ухода осциллограммы за пределы экрана. Уменьшение же активного со­ противления шунта обычно не влечет за собой пропорционального уменьшения его индуктивности. Поэтому при измерении даже весьма значительных токов стремятся использовать шунты с не слишком малым сопротивлением, применяя осциллографические трубки с низ-

шунты и влиянием индуктивности можно пренебречь. Однако суще­ ственное значение здесь приобретает входная емкость осциллографа подобно тому, как при измерении напряжения источника с большим внутренним сопротивлением.

Точность измерения напряжений и токов с помощью осцилло­ графа сравнительно невелика, и поэтому в большинстве случаев такие измерения выполняются при осциллографировании как вспо­ могательные, попутно с другими исследованиями. Однако в неко­

к тем случаям, при которых необходимо измерять напряжения в раз­ личных точках исследуемой кривой несинусоидального вида, напри­ мер напряжения фронта .и среза импульса и т. п.

Измерение частоты и фазы. Измерения частоты и фазы электри­ ческих колебаний при помощи осциллографа широко распростра­ нены. 'Измерение частоты в общем случае производится путем сравнения исследуемых колебаний с колебаниями эталонной частоты. Весьма удобным приемом является одновременная фиксация на экране двухлучевого осциллографа (или однолучевого с помощью электронного переключателя) двух колебаний, частота одного из которых заранее известна. Аналогичные результаты могут быть

216

получены при определении масштаба времени путем наложения на осциллограмму меток времени от специального вспомогательного генератора (калибратора). Основным преимуществом этих способов измерения частоты является возможность исследования колебаний любой формы, недостатком — невысокая точность.

Более точные результатьі могут быть получены при сравнении двух колебаний синусоидальной формы методом фигур Лиссажу. Определение частоты этим способом основано на том, что любая фигура Лиссажу вписывается в прямоугольник, стороны которого соответственно равны амплитудам складываемых колебаний. Отно­

кратности частот, будет медленно «вращаться». Число оборотов в секунду будет точно соответствовать разности между частотами /„ и fx. Таким образом,

где т/п = fa/fx,1 причем m и в — число точек касания фигуры со сторонами описанного около нее прямоугольника. Этот метод, даю­ щий высокую точность, определяемую точностью генератора эталон­ ной частоты, целесообразно применять только при относительно небольшой кратности измеряемой и эталонной частот, обычно не превышающей 6—8, и А/ порядка 2—3.

Если же сравниваемые колебания значительно различаются по частоте, то фигуры Лиссажу становятся весьма запутанными и под­ даются расшифровке с большим трудом. Поэтому в подобных слу­ чаях предпочтительнее пользоваться круговой разверткой. Одна из схем, иллюстрирующих этот метод, изображена на рис. 144.

Трубка осциллографа не должна иметь соединения между гори­ зонтальной и вертикальной пластинами. Два напряжения t/j и с72, частоты которых Д и / 2 подлежат сравнению, приключены соответ­ ственно к цепям гх — Сх и г2 — С2 , представляющим собой фазосмещающие устройства. Падения напряжения на сопротивлении и емкости в каждой цепи сдвинуты относительно друг друга на угол,

217

равный я/2 . Эти напряжения подаются на обе пары пластин осцил­ лографа. Вначале источники напряжения Ux и U2 включаются по­ очередно, и регулировкой соответствующих сопротивлений и емко­ стей добиваются появления па экране трубки окружности ( г — -^г- •

Затем оба напряжения включаются одновре­ менно. На экране при этом появляется многолепестковая фигура, которая будет не­ подвижной, если отношение частот fx!f2 вы­ ражено отношением двух целых чисел Nx

иN2.

Такая схема может быть использована и для трубок с внутренним соединением одной горизонтальной и одной вертикальной пластин.

Вэтом случае схема дополняется разделительным трансформатором.

Возможны и другие схемы измерения частоты методом круговой развертки.

Вчастности, находят применение схемы, в которых одно напряжение (с более

низкой частотой) через фазосмещающую цепь, аналогичную одной из цепей г — С предыдущей схемы, подается к пластинам осциллографа. На экране появляется окружность. Другое напряжение (более высокой частоты) подводится к моду­ лирующему электроду трубки и меняет яркость пятна. Тогда на диаграмме виден ряд светящихся дуг, разделенных томными промежутками. По количеству этих дуг можно судить о соотношении сравниваемых частот. При наличии в осцил­ лографе трубки с центральным электродом напряжение высшей частоты подается на этот электрод. На экране при этом появляется изображение в виде зубчатого колеса (рис. 142, б). Соотношение частот определяется количеством зубцов ос­ циллограммы.

Определить фазовые сдвиги между двумя напряжениями можно также путем одновременного наблюдения двух кривых на экране осциллографа. Кроме того, сдвиг фаз может быть измерен и при помощи фигур Лиссажу. На рис. 146 показаны фигуры Лиссажу, получающиеся при подаче на пластины осцилло­ графа двух синусоидальных колебаний одинаковой частоты и амплитуды, но отли­ чающихся по фазе. Если на полученной осциллограмме построить осп, как это показано на рис. 146, то отношение ординаты пересечения оси с фигурой Лис­

поочередно напряжения с каждой пары отклоняющих пластин. Получающиеся при этом прямые линии и будут осями осциллограммы.

Более высокую точность измерепия можно получить, включая регулируемое фазовращающее устройство (например, реостатно-емкостный мост) последова­ тельно в цепь одной пары отклоняющих пластин. Фазовый сдвиг регулируется до тех пор, пока эллипс на экране осциллографа не превратится в прямую ли­ нию. Измеряемая разность фаз в этом случае отсчптывается непосредственно по шкале фазовращателя.

ч218

Фазовый сдвиг можно определить также и при помощи круговой развертки. Один из способов измерения заключается в следующем. Одно из напряжений используется для получения круговой развертки. Затем оба напряжения с по­ мощью формирующего устройства преобразуются в серию кратковременных

Рис. 146. Фигуры Лнссажу для различных фазовых сдвигов двух синусоидальных колебаний, одинаковых но частоте и амплитуде

импульсов (соответствующих обычно моменту перехода кривых через нуль в по­ ложительном направлении). Эти импульсы подаются на модулирующий элект­ род трубки, образуя на осциллограмме затемненные метки, расстояние между которыми соответствует искомой разности фаз.

Измерение сопротивлений. Электронный осциллограф целесооб­ разно применять для измерения активных сопротивлений только в тех случаях, когда необходимо выяс­ нить поведение сопротивления в какихлибо особых условиях, например при больших перегрузках, при воздействии высоковольтных импульсов и др. В этих условиях сопротивления не могут на­ ходиться более или менее длительное время, необходимое для измерений обычными способами.

реактивная составляющие измеряемого сопротивления Z. В каче­ стве генератора напряжения, питающего схему, может быть исполь­ зован любой имеющийся источник переменного тока, подключаемый к схеме через реостат г1. Перед началом измерений путем регули-

219