Голубятникова Н.О., А.И. Чередов. Лаб.раб. Метрология электрорадиоизмерений

экране. Для отклонения луча используется электростатическое управление.

Всостав ЭЛТ входят следующие устройства:

–электронная пушка (катод с нагревателем К, управляющий электродмодулятор М, фокусирующий анод А1, ускоряющий анод А2);

–горизонтальные пластины канала Y для создания электрического поля, отклоняющего луч по вертикальной координате экрана;

–вертикальные пластины канала Х для создания электрического поля, отклоняющего луч по горизонтальной координате экрана;

–один или несколько электродов А3 для создания поля, ускоряющего электроны луча после отклонения;

–экран Э с люминесцентным покрытием, который преобразует кинетическую энергию электронов луча в световое излучение;

–стеклянный баллон Б, обеспечивающий вакуум внутри ЭЛТ и жесткое крепление электродов.

Рис. 6.1. Структурная схема осциллографа

Большинство ЭЛТ имеет экран прямоугольной или квадратной формы со шкалой, нанесенной на внутреннюю поверхность стекла.

Основной параметр ЭЛТ для универсальных осциллографов – это чувствительность SЭЛТ, лежащая в пределах 1–4 мм/В. По каналу вертикального откло-

71

нения луча поступает исследуемый сигнал Uy, вызывающий вертикальное отклонение луча в ЭЛТ. Исследуемый сигнал подается на входной делитель (ВД), при помощи которого устанавливается необходимое ослабление сигнала. Это позволяет обеспечить работу усилителя вертикального отклонения (УВО) в режиме минимальных нелинейных искажений. С выхода ВД исследуемый сигнал через предварительный усилитель (ПУ) подается на линию задержки (ЛЗ). Задержка сигнала необходима для срабатывания канала горизонтального отклонения, т. е. блока синхронизации (БС), генератора развертки (ГР) и усилителя горизонтального отклонения (УГО). Движение луча по горизонтали должно начинаться раньше, чем усиленный сигнал поступит на вертикально отклоняющие пластины.

На горизонтально отклоняющие пластины канала X поступает напряжение Uх, вызывающее горизонтальное отклонение луча. Напряжение Uх называется развертывающим напряжением. Для управления частотой развертывающего напряжения используется напряжение синхронизации, поступающее из канала Y (внутренняя синхронизация) или от внешнего источника (внешняя синхронизация) через БС. ГР формирует пилообразное линейное напряжение для временной развертки луча ЭЛТ. Время прямого хода луча tпр значительно превышает время обратного хода tобр (рис. 6.2), поэтому период развертки ТГР tпр. Выходной сигнал ГР поступает на УГО, который выполняет преобразование пилообразного напряжения, поступающего с ГР, в два противофазных сигнала.

Одновременное воздействие двух напряжений Uх и Uy на электронный луч трубки вызывает появление осциллограммы. Для того чтобы изображение сигнала на экране было неподвижным, необходимо соблюдение равенства: TГР = k·T, где ТГР – период пилообразного напряжения ГР, k – число, показывающее, сколько периодов сигнала Т укладывается в период развертки TГР.

Рис. 6.2. Форма напряжения, формируемого генератором развертки

72

В осциллографе предусмотрена возможность поступления внешнего сигнала на горизонтально отклоняющие пластины (внешний сигнал должен быть подан на вход Х). В этом режиме УГО отключен от ГР и присоединен ко входу X.

Генератор развертки имеет три режима работы: автоколебательный, ждущий и одиночной развертки. Автоколебательный режим используется для наблюдения синусоидальных сигналов и импульсов небольшой скважности. Для наблюдения импульсных сигналов большой скважности используется ждущий режим (режим ждущей развертки). Для наблюдения одиночных импульсов применяется режим одиночной развертки.

Для получения устойчивого изображения применяют три вида синхронизации: внешним сигналом, исследуемым сигналом (внутренняя синхронизация) и сигналом от сети.

Частота напряжения ГР обычно синхронизирована с частотой напряжения исследуемого сигнала с помощью схемы синхронизации и запуска. Данная схема служит для выработки импульса синхронизации постоянной амплитуды в тот момент, когда входной сигнал произвольной формы достигает определенного уровня.

При автоколебательном режиме работы ГР импульс синхронизации корректирует длительность обратного хода луча, а при ждущем режиме осуществляет запуск генератора развертки.

По каналу управления яркостью луча (вход Z) подается напряжение от внешнего источника для увеличения яркости электронного луча. Управление яркостью также возможно с использованием ГР.

Для повышения точности измерений в состав осциллографа входят калибратор амплитуды (КА) и калибратор длительности (КД), которые представляют собой генераторы сигналов с точно известными параметрами (амплитудой и периодом).

6.1.2. Порядок работы с осциллографом

Двухлучевой осциллограф С1-55 (рис. 6.3) предназначен для одновременного визуального наблюдения и исследования форм двух электрических процессов путем измерения их временных и амплитудных значений [13].

73

Органы управления и регулировки. Передняя панель

Тумблер «▲» – для включения и выключения прибора.

Ручки «Яркость I» и «Яркость II» – для установки необходимой яркости луча ЭЛТ каналов УI и УII (при включении устанавливают в среднее поло-

жение).

Ручки «Фокус I» и «Фокус II» – для фокусировки луча ЭЛТ каналов УI и УII (при включении устанавливают в среднее положение).

Ручки «Астигм. I» и «Астигм. II» – для устранения астигматизма ЭЛТ каналов УI и УII (при включении устанавливают в среднее положение).

Ручка «Шкала» – для регулировки освещения шкалы экрана прибора. Ручки, обозначенные «↔», с надписями «Плавно» и «Грубо» – для пере-

мещения лучей ЭЛТ по горизонтали.

Рис. 6.3. Двухлучевой осциллограф С1-55

Усилители УI и УII

Тумблер «~», «» – для выбора закрытого или открытого входа усилителя (при включении устанавливают в положение «~»).

Коаксиальное гнездо «Вход 1МΩ 40pF» – для подачи исследуемых сигналов на усилитель.

74

Большая ручка переключателя «Вольт/дел.» – для переключения входного аттенюатора канала УI или УII (при включении устанавливают в положение

«0,01»).

Малая ручка на оси переключателя «Вольт/дел.» – «Усиление» – для плавной регулировки коэффициента отклонения усилителя УI или УII (при включе-

нии устанавливают в крайнее правое положение).

Ручка, обозначенная «↕», – для перемещения луча канала УI или УII по вертикали.

Выведенный шлицом потенциометр «Корр.» – для калибровки коэффициента отклонения усилителя.

Выведенный шлицом потенциометр «Баланс» – для балансировки усилителя.

Развертка

Тумблер «х1», «х0,2» – для умножения длительности развертки (при включении устанавливают в положение «х1»).

Большая ручка переключателя «Длительность, Время/дел.» – для переключения длительности развертки (при включении устанавливают в положе-

ние «0,1 ms»).

Малая ручка на оси переключателя «Длительность, Время/дел.» – «Плавно» – для плавной регулировки длительности развертки (при включении устанавливают в крайнее правое положение).

Синхронизация (получение неподвижного изображения)

Большая ручка переключателя вида синхронизации «Внеш., Внутр. I, Внутр. II, Вход Х» – для установки внутренней или внешней синхронизации, а также для подключения входа усилителя «Х» к гнезду «Вход» синхронизатора (при включении устанавливают в положение «Внутр. I», при условии, что исследуемый сигнала подан на усилитель УI).

Малая ручка на оси переключателя вида синхронизации «Уровень» – для выбора уровня запуска развертки.

Ручка «Стаб.» – для выбора режима работы генератора развертки: ждущего, автоколебательного (при включении устанавливают в крайнее правое по-

ложение).

75

Ждущая развертка с синхронизацией исследуемого сигнала

Установить ручку выбора рода синхронизации в положение «Внутр. I» или «Внутр. II» в зависимости от используемого канала.

Вращая ручку «Стаб.» из крайнего левого положения вправо, добиться появления изображения на экране ЭЛТ. Вращением той же ручки в обратную сторону установить ее в положение, при котором развертка срывается (исчезает изображение с экрана). Поворачивая ручку «Уровень» синхронизации, установить ее в такое положение, при котором появляется устойчивое изображение сигнала.

Для получения устойчивой синхронизации низкочастотных сигналов ручка «Стаб.» должна находится в положении, максимально близком к срыву развертки.

6.1.3. Определение параметров электрического сигнала на экране осциллографа

Амплитудный параметр – размах сигнала UР – рассчитывается по показа-

Временной параметр – период сигнала Т – рассчитывается по показаниям осциллографа:

где lр – это количество делений по горизонтали, дел.,

β – коэффициент отклонения по горизонтали, с/дел.

76

Рассмотрим пример. На рис. 6.3, 6.4 изображена осциллограмма.

Рис. 6.4. Сигнал с генератора на экране осциллографа

Длительность размаха сигнала по вертикали составляет 5 клеток и 3 риски (цена деления риски 0,2 дел.), получаем l = 5,6 дел. Развертка по вертикали определяется по показаниям ручки переключателя «Вольт/дел.» (см. рис. 6.3), которая установлена на «5», что соответствует = 5 В/дел. Рассчитаем размах сигнала по формуле (6.1): UР = 5,6·5 В.

Длительность периода сигнала по горизонтали составляет 3 клетки и 3 риски (цена деления риски 0,2 дел.), получаем lР = 3,6 дел. Развертка по горизонтали определяется по показаниям ручки переключателя «Длительность, Время/дел.», которая установлена на «0,5 ms», что соответствует β = 0,5·10–3 c/дел. Рассчитаем период сигнала по формуле (6.4): T = 3,6·0,5·10–3 c.

77

6.1.4. Конструкция измерительного генератора

Измерительные генераторы (ИГ) – это источники стабильных испытательных сигналов с известными параметрами (частотой, напряжением, формой и т. д.). Они применяются для исследований и испытаний радиоэлектронной аппаратуры. ИГ обладают возможностью точной установки и регулировки выходных параметров колебаний (частоты, формы и уровня напряжения или мощности) в широких диапазонах. Параметры ИГ имеют высокую стабильность.

С помощью измерительных генераторов снимают амплитудные, ампли- тудно-частотные и переходные характеристики четырехполюсников, определяют их пороговую чувствительность и измеряют нелинейные искажения.

Измерительные генераторы различают по диапазону частот генерируемых сигналов, по форме генерируемых сигналов, по виду модуляции.

Низкочастотные измерительные генераторы (звуковых и ультразвуковых частот) вырабатывают гармонические колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц – 200 кГц), амплитудой (от долей милливольта до 15 В) при нескольких фиксированных значениях сопротивления нагрузки. Максимальная мощность – от 1 мВт до 10 Вт.

Измерительный генератор состоит из задающего генератора (ЗГ), выходного усилителя (ВУ), аттенюатора, согласующего трансформатора (СТ), электронного вольтметра V (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Структурная схема генератора

ЗГ (возбудитель) создает стабильные по частоте и амплитуде гармонические колебания в требуемом диапазоне частот. Он во многом определяет характеристики ИГ (форму и периодичность выходного сигнала).

В зависимости от схемного решения ЗГ измерительные генераторы делятся на LC-генераторы, генераторы на биениях и RC-генераторы.

78

Выходное устройство обеспечивает развязку между задающим генератором и нагрузкой, усиливает напряжение (мощность) генерируемых колебаний на заданной нагрузке, т. е. выполняет функции согласования.

Электронный вольтметр V служит для контроля уровня выходного напряжения, подводимого к нагрузке. Согласующий трансформатор (СТ) предназначен для уравнивания выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки, что обеспечивает получение максимальной выходной мощности и минимальных нелинейных искажений.

6.2. УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ

Исходные данные к работе представлены в табл. 6.1.

1.Включить и выполнить подготовку осциллографа согласно п. 6.1.2. Подключить кабель к коаксиальным гнездам «Выход 1» генератора и «Вход 1МΩ 40pF» осциллографа.

2.Включить генератор и выставить согласно выданному преподавателем варианту из табл. 6.1 напряжение U, для этого установить переключатель пределов на «15V» и с помощью ручки «Регулировка вых.» добиться требуемого значения напряжения. Далее выставить частоту fГ, для этого установить переключатель «Множитель частоты» на «10» и ручкой регулировки частоты задать требуемую частоту с учетом множителя.

3.Выполнить синхронизацию (добиться неподвижного изображения на экране) осциллографа, как описано в п. 6.1.2. Измерить c помощью осциллографа параметры сигнала l, α и рассчитать по формуле (6.1) размах сигнала UР.

79

4. Изменяя напряжение на генераторе с шагом, заданным в табл. 6.1, и выполняя при необходимости синхронизацию осциллографа, произвести измерение 10 различных значений напряжения. Рассчитать по формулам (6.2) и (6.3) амплитудное и среднеквадратическое значения напряжения.

Данные занести в табл. 6.2, учитывая, что вольтметр, встроенный в генератор, показывает среднеквадратическое (действующее) значение напряжения U.

Таблица 6.2

Результаты измерения амплитудных параметров сигнала с помощью осциллографа

5.Произвести измерение и расчет периода и частоты синусоидального напряжения с помощью осциллографа. С этой целью при закрытом входе «Y» осциллографа (переключатель стоит в положении «~») установить на генераторе согласно выданному преподавателем варианту из табл. 6.1 напряжение U

ичастоту fГ.

6.Выполнить синхронизацию осциллографа. Измерить на осциллографе

параметры сигнала lр, β и рассчитать по формуле (6.4) период сигнала Т. Изменяя частоту на генераторе fГ с шагом, заданным в табл. 6.1, измерить

10 различных значений периода Т. Рассчитать по формуле (6.5) частоту сигнала f. Данные занести в табл. 6.3.

80