ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ЛАБОРАТОРНЫМ СТЕНДОМ: ОПИСАНИЕ

Цель работы – ознакомиться с лабораторным стендом и лабораторным оборудованием, которое применяется совместно со стендом для целей изучения аналоговой схемотехники.

Стенд для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Аналоговая Схемотехника» представляет собой 2-стороннюю текстолитовую печатную плату с паяльной маской размерами 200х300 мм, с установленными на ней компонентами и разъёмами для коммутации:

Рис. 1. Общий вид стенда, вариант исполнения для собственных нужд каф. ЭПУ СПБГЭТУ «ЛЭТИ»

Питание стенда осуществляется от внешнего двуполярного источника напряжения. Максимальное рекомендованное напряжение питания составляет +/-12 В. Работоспособность (целостность) стенда сохраняется при напряжениях питания вплоть до +/-18 В. В зависимости от выполняемой лабораторной работы требуются различные напряжения питания.

Рабочее поле разделено на 19 зон, описанных ниже.

Выводы всех компонентов подключены к группам разъемов типа PLS с шагом 2.54 мм. Для сборки требуемой схемы выводы компонентов соединяются монтажными проводами различной длины, поставляемыми вместе со стендом в необходимом количестве (см. рис. 2).

Кабели осциллографа и генератора подключаются к парам тестовых точек (разъемы типа TEST-2 или аналоги, в зависимости от исполнения). В каждой паре одна из тестовых точек соединена с «землей» стенда, вторая – с разъемом PLS-2 для подключения монтажного провода:

а

б

Рис. 4. Зоны подключения лабораторного оборудования, общий вид (а) и крупный план зоны канала №3 осциллографа (б)

Щупы мультиметра подключаются к пружинным клеммам типа 142R без применения насадок типа «крокодил».

Для защиты от короткого замыкания при использовании мультиметра в режиме измерения тока последовательно щупам мультиметра установлена заменяемая плавкая вставка (предохранитель) на ток 250 мА. Допускается установка плавких вставок на иные токи в пределах

1 А.

Рис. 5. Зона для подключения мультиметра

Стенд снабжен несъемным 3-жильным кабелем питания, заканчивающимся либо разъемами типа «Banana», либо U-образными клеммами под винт в зависимости от исполнения.

На входах питания в плате стенда установлено два электролитических конденсатора на

220 мкФ.

Рис. 6. Зона подключения источника питания

Контроль наличия питания осуществляется при помощи двух индикаторных светодиодов

иизмерения напряжения на разъемах типа PLS-2.

Взоне «Переменные резисторы» установлено три переменных резистора, линейных, типа PTV111-3420A-B, номиналами 10 кОм (2 шт.), 500 кОм (1 шт.).

Рис. 7. Зона «Переменные резисторы».

Мощность резисторов составляет 50 мВт, износостойкость – 15 000 циклов. Для защиты переменных резисторов от выхода из строя вследствие короткого замыкания в крайнем положении последовательно выводу скользящего контакта установлены постоянные резисторы

0603 на 100 Ом.

Зона «Диоды, стабилитроны» содержит набор диодов. Каждый из диодов вставляется в цанговые колодки для быстрой замены при выходе из строя.

Рис. 11. Зона «Диоды, стабилитроны»

Всего в стенде доступно:

1.Диоды LL4148 – 4 шт.

2.Диоды Шоттки BAT43 – 2 шт.

3.Стабилитрон на 4.3 В 1N4731A – 1 шт.

4.Стабилитрон на 5.1 В 1N4733A – 1 шт.

Примечание: допускается установка в стенд диодов и стабилитронов иного типа с аналогичными или схожими параметрами.

В зоне «Биполярные транзисторы» установлены, аналогично диодам, в цанговые колодки, два n-p-n транзистора типа BC547 и два p-n-p транзистора типа BC557 (модификации указанных транзисторов могут отличаться коэффициентом передачи по току базы).

значения падения напряжения в прямом направлении варьируются, напряжение пробоя в обратном направлении – 5 В, максимальное значение тока в прямом направлении – до 20 мА.

Тип фотодиода, установленного в соответствующей зоне – BPV10NF. Фотодиод лишен пропускающего ИК-фильтра, его спектральная характеристика охватывает область видимого света.

а

б

Рис. 14. Зоны «Сетодиоды» (а) и «Фотодиод» (б)

Все компоненты установлены в цанговые зажимы для быстрой замены.

Компараторы и ОУ представлены компонентами LM339 и TL084 соответственно. Микросхемы снабжены блокировочными конденсаторами в цепях питания, разведенных по микросхемам (т.е. при сборке схемы питание монтажными проводами подключать не требуется). Быстрой замене не подлежат, установлены пайкой.

Рис. 15. Зоны «ОУ» (а) и «Компараторы» (б)

В каждой микросхеме содержится 4 секции.

Компоненты в зонах, предназначенных для исследования схем линейных источников питания, в стенде представлены двумя микросхемами, линейным регулятором напряжения LM1117 в припаянном к плате планарном корпусе SOT-223, и шунтирующим источником опорного напряжения TL431 в быстрозаменяемом корпусе TO-92:

Рис. 16. Зоны «LM1117» и «TL431»

Линейный регулятор напряжения снабжен входными и выходными конденсаторами (танталовые конденсаторы на 10 и 22 мкФ, 25 В, соответственно), расположенными по близости к нему. Ввиду того, что компонент LM1117 позволяет создавать множество различных схем источников тока и напряжения, ни один из конденсаторов не подключен каким-либо выводом к цепи питания либо выводу линейного регулятора.

Акустические компоненты представлены в стенде двумя излучателями звука и одним микрофоном.

а

в

Рис. 17. Зоны «Излучатели звука» (а) и «микрофон» (б), схема включения микрофона (в)

Один из излучателей звука – компактная динамическая головка HSM23A-8, второй – пьезоизлучатель HPM14A.

Микрофон типа EM-6027P – электретный. На плате смонтированы компоненты, обеспечивающие работу микрофона, а именно схема питания на шунтирующем регуляторе напряжения (R39, C46, D14) и разделительный конденсатор на 1 мкФ.

В стенде присутствует реле типа RT314012 (обмотка возбуждения на 12 В, коммутация тока до 16 А, напряжение до 250 В).

Выводы контактной группы реле отделены от других цепей зазором по плате в 3 мм, что позволяет, теоретически, коммутировать при помощи реле нагрузки, питающиеся от сети переменного тока. При выполнении лабораторных работ использование опасных напряжений, поступающих от внешних неизолированных источников, тем не менее, не рекомендуется.

Рис. 18. Зона «Реле»

Тип контактной группы реле – SPDT (один переключающий контакт). Обмотка возбуждения реле шунтирована планарным диодом LL4148, исключающем пробой управляющего транзисторного ключа в момент его закрытия.

Лабораторный стенд комплектуется монтажными проводами различных длин. Более длинные провода универсальны и позволяют подключить друг к другу даже выводы компонентов, расположенных на максимальном удалении друг от друга. Более коротких проводов для этого недостаточно. Тем не менее, по возможности, рекомендуется использовать более короткие провода. Это снижает суммарную длину проводников и делает собранную схему более защищенной от электромагнитных помех.

Сборку схемы можно начинать в любом порядке. Не существует единственно верного способа собрать ту или иную схему – любая схема, даже самая простая, может быть собрана поразному. Вместе с тем, можно дать ряд практических рекомендаций, которые облегчают выполнение лабораторных работ:

Все выводы электронных компонентов, подключаемые к цепям земли и питания, рекомендуется подключать отдельными проводами, идущими от вывода того или иного электронного компонента непосредственно в группу штырьковых разъемов, соединенных с питанием или землей проводниками платы. Это снижает взаимное влияние компонентов друг на друга, а также позволяет избежать технических ошибок сборки.

Избегайте промежуточных соединений монтажных проводов на выводах неиспользуемых в схеме компонентов платы стенда, так как это чревато ошибками. Для промежуточных соединений используйте либо выводы компонентов, используемых в схеме, либо промежуточные нумерованные точки с разъемами желтого цвета.

Для цепей, куда подключается более двух выводов компонентов, всегда есть выбор, на каком из компонентов осуществить соединения, т.к. каждый вывод снабжен группой из двух штырьковых разъемов. При равном выборе следует отдавать предпочтение группам, подключенным к выводам таких компонентов, как транзисторы или операционные усилители, а не резисторы или конденсаторы. Студент, собирающий схему, интуитивно называет такие узлы ясными и четкими именами: «коллектор, база, выход ОУ, инвертирующий вход», в отличие от менее очевидных названий «нижняя обкладка конденсатора», «правый вывод резистора». Соответственно, вероятность ошибки при соблюдении этой рекомендации оказывается ниже.

Подключать компоненты, входящие в состав схем, следует по одному, полностью и не сбиваясь. Например: «подключаем резистор, задающий ток в базу между базой транзистора и цепью питания (2 провода)… подключаем коллекторный резистор между коллектором и цепью питания (2 провода)… подключаем разделительный конденсатор между базой транзистора и генератором импульсов (2 провода)».

Если собранная схема не работает, оцените ток потребления по амперметру, встроенному в лабораторный блок питания. Если он составляет более 0.1 А, блок питания следует

выключить и искать неисправность в схеме. Исключение из этого правила составляют макеты схем усилителей мощности под нагрузкой.

Найти неисправность в неработающей схеме визуально, как правило, весьма и весьма затруднительно. Уместнее диагностировать состояние схемы при помощи осциллографа и мультиметра, сравнивая напряжения в узлах цепи с расчетными значениями. В случае если такой способ найти неисправность не дает быстрого результата, следует оставить попытки найти ошибку, и собрать схему заново, перед этим полностью ее разобрав. Обычно это экономит время.

Сколько-нибудь сложные схемы можно собирать и отлаживать по частям. Например, сначала собрать шунтирующий регулятор опорного напряжения на стабилитроне / микросхеме TL431, и проверить его, затем подключить его к схеме источника тока на транзисторе или ОУ.

Выход компонентов из строя в процессе проведения исследований – хоть и нежелательное, но весьма типичное событие, и не является большой проблемой. Лабораторные стенды снабжаются достаточным количеством запасных компонентов, а их стоимость невелика.

Большая часть схем рассчитана на сборку в течение 10-15 минут. В случае если 2-3 попытки собрать и отладить схему не увенчались успехом, следует, не затрачивая больше времени, обратиться за помощью к преподавателю. Такая неудача никоим образом не указывает на низкий уровень способностей студента, но является естественной частью процесса обучения.

Для выполнения лабораторных работ совместно со стендом используются: лабораторный двухканальный блок питания, формирующий напряжения +U, -U (или два одноканальных, соединенных соответствующим образом); мультиметр; генератор сигналов специальной формы; осциллограф. Перечисленное оборудование не входит в состав стенда, поэтому приемы работы с ним в разных лабораториях отличаются. Вместе с тем, все перечисленное выше современное лабораторное оборудование имеет схожие функции, освоение которых является задачей первой лабораторной работы.

Одноканальные лабораторные блоки питания в обязательном порядке имеют возможность работы в одном из двух режимов – стабилизации напряжения (C.V., от англ. «Constant Voltage») и ограничения тока (C.C., от англ. «Constant Current»), работая по алгоритму «выдавать не более установленного ограничения напряжения и не более установленного ограничения тока». Режим определяется нагрузкой – при высокоомной нагрузке и на холостом ходу устанавливается режим C.V., при низкоомной нагрузке и коротком замыкании – режим C.C. Работа на короткое замыкание не является аварийным режимом для лабораторного блока питания и не может вывести его из строя. Текущий режим, как правило, индицируется светодиодами. Все исследуемые на стенде схемы предполагают, что блок питания будет работать в режиме C.V.

Уровень напряжения и тока в простейших блоках питания выставляется соответствующими регуляторами «Ток» («Current») и «Напряжение» («Voltage»), в более сложных – при помощи меню, цифровой клавиатуры. Для того чтобы отрегулировать напряжение, необходимо, чтобы блок работал в режиме C.V. Перед работой это можно сделать, включив блок питания без нагрузки. Чтобы отрегулировать максимально допустимый ток следует, соответственно, использовать регулятор «Ток», закоротив выход блока питания. Индикаторы блока питания отображают текущее напряжение и ток, либо одно из двух на выбор пользователя в зависимости от конструкции блока питания.

Плата лабораторного стенда требует в большей части работ двуполярного питания, т.е. положительного напряжения +U и отрицательного –U, действующих относительно общей цепи GND. Для обеспечения такого режима питания следует соединить выходные клеммы каналов блока питания (или клеммы независимых блоков питания) последовательно. Цепь, которой соединены каналы/блоки, соединяется с землей стенда.

Мультиметр – универсальный прибор для измерения параметров электрических сигналов и двухполюсников (иногда – и параметров транзисторов). Любой современный мультиметр является цифровым устройством с LCD или OLED дисплеем, имеющим большое количество

функций. Остановимся на основных функциях, которые необходимы для выполнения лабораторных работ по практикуму.

Типичный мультиметр имеет четыре гнезда для подключения щупов:

Общее гнездо «COM». Черный щуп мультиметра должен быть подключен к этому гнезду для проведения измерений любого типа.

Гнездо для измерения всего, кроме тока, как правило, обозначенное как « C / Емкость

/V / / Hz». Используется для проведения измерений, соответственно, температуры (требуется специальный щуп, в данных лабораторных работах не используется), напряжений, сопротивлений, частот.

Гнезда для измерения тока, обычно их два – «mA» и «А», используются только для измерения малых токов (до нескольких сотен мА) и больших токов (обычно до 10 А).

Важно: подключать щупы мультиметра к гнездам для измерения токов при измерении напряжений категорически запрещается. При измерении тока между щупами мультиметра ручкой выбора вида измерений подключается низкоомный резистор (токовый шунт), падение напряжения на котором автоматически преобразуется в ток по закону Ома. При подключении такой схемы к каким-то узлам цепей они оказываются практически закороченными, что может привести к выходу из строя элементов схемы или плавкого предохранителя, встроенного в мультиметр или стенд. Амперметр включается в разрыв какойлибо цепи для измерения тока в ней. Рекомендуется всегда оставлять мультиметр со щупами,

подключенными в гнезда «COM» и « C / Емкость / V / / Hz». Подавляющее большинство

инцидентов, возникших как при учебной работе, так и при выполнении инженерных задач, и связанных с использованием мультиметра, являются следствием того, что экспериментатор, измерявший ток, оставил красный щуп мультиметра в соответствующем гнезде, а при проведении следующего эксперимента с измерением напряжения такое подключение не было изменено.

Для измерения какой-либо величины следует правильно подключить щупы установить вид измерений (обычно поворотной ручкой) в соответствующее положение. В лабораторных работах используются следующие виды измерений:

1.измерение больших и малых напряжений (зачастую у мультиметров это два разных вида измерений);

2.измерение сопротивления;

3.проверка диода (измерение падения напряжения на переходе в прямом направлении);

4.проверка наличия контакта между щупами («прозвонка»: при наличии контакта между щепами звучит звуковой сигнал);

5.измерение малых и больших токов;

6.измерение емкостей.

Для каждого вида измерений у мультиметров обычно существуют режимы работы, выбираемые при помощи дополнительных кнопок на приборе. Так, для измерения токов существует два режима – измерение постоянных токов/напряжений (DC, «direct current») и переменных (AC, «alternating current»). Последовательно нажимая на кнопку выбора режима работы, следует установить необходимый режим. Для любого сигнала можно измерять ток/напряжение как в режиме AC, так и в режиме DC, т.к. какая-то ненулевая составляющая на постоянном/переменном роде тока есть в любом сигнале. При измерениях на переменном роде тока мультиметр отображает действующее значение тока/напряжения. Как известно, для

синусоидальных сигналов оно в √2 раз меньше значения амплитуды. В большей части лабораторных работ используется режим DC, а для оценки параметров переменных составляющих напряжений используется не мультиметр, а цифровой осциллограф.

Если результат измерений для типичного мультиметра имеет вид «0.L», это значит, что измеряемая величина находится за пределами, доступными для прибора (например, разрыв между щупами при измерении сопротивлений). Ведущий ноль перед десятичным разделителем может отсутствовать.

Для увеличения срока службы элементов питания, установленных в мультиметр, при работе его рекомендуется отключать всегда, когда он не используется, а также не включать, без

необходимости, подсветку дисплея. При разряде элемента питания мультиметра (обычно при этом на дисплее включена пиктограмма «аккумулятор» – ), следует обратиться к преподавателю.

Лабораторные генераторы предназначены для выполнения лабораторных работ, где исследуемые схемы требуют внешнего источника сигналов. Например, генератор необходим для исследования схем усилителей на транзисторах и операционных усилителях.

Как правило, у генераторов имеется несколько выходов – цифровой ТТЛ, основной, дополнительные со специальными функциями. Во всех работах используется основной выход.

Интерфейсы генераторов очень разнятся в зависимости от производителя и модели, и изучать генератор следует при помощи его инструкции по эксплуатации. Для выполнения лабораторных работ необходимо освоить и уметь настраивать следующие параметры выходного сигнала лабораторного генератора:

1.Форма выходного сигнала. Обычно на выбор доступны, как минимум, следующие формы: синусоидальная, пилообразная, прямоугольные импульсы. В большей части работ используется синусоидальная форма сигнала.

2.Частота выходного сигнала. В работах необходимо задавать частоту от единиц Гц до нескольких МГц.

3.Амплитуда. Важно понять, как настраивается величина выходного напряжения вашего генератора. При помощи интерфейса пользователь, обычно, вводит одно из следующего: действующее значение напряжения, амплитудное значение напряжения, двойной размах выходного сигнала. В лабораторных работах нужно уметь программировать либо амплитуду, либо двойной размах напряжения.

4.Смещение выходного сигнала: постоянное напряжение, добавляемое к выходному синусоидальному, прямоугольному или пилообразному напряжению.

Такие функции современных генераторов, как модуляция, настройка асимметрии сигнала (или коэффициента заполнения сигнала в форме прямоугольных импульсов), модуляция, в лабораторных работах не используются. Выходное сопротивление генератора по основному выходу практически всегда составляет 50 Ом, максимальное значение амплитуды сигнала на выходе обычно достигает 10 В, что вполне достаточно для выполнения лабораторных работ.

Такой прибор, как осциллограф, является основным контрольно-измерительным инструментом инженера-схемотехника, его «глазами» в мире электроники. Все современные осциллографы являются цифровыми устройствами, т.е. снабжены предусилителями и быстродействующим аналогово-цифровым преобразователем. Данные, отображаемые на экране, могут быть обработаны, отфильтрованы, сохранены в виде графического или табличного файла. Наиболее современные цифровые осциллографы являются, по сути, персональными компьютерами, снабженными дополнительным аппаратным и программным обеспечением. Как любые компьютеры, они снабжены портами USB, Ethernet, имеют встроенные веб-серверы и т.д. Существует множество профессиональных осциллографов, построенных на ARMили Intelсовместимых процессорах и работающих под управлением операционных систем, характерных для ПК. Предполагается, что для выполнения лабораторных работ каждое рабочее место оснащено двухили четырехканальным цифровым осциллографом с полосой 100 МГц и выше.

Даже у простейшей модели любого цифрового осциллографа количество функций многократно превышает минимальный набор, необходимый для выполнения лабораторных работ. Для выполнения работ студенту необходимо освоить только основные функции, самостоятельно изучив руководство по эксплуатации прибора.

Осциллограф – устройство, которое, главным образом, используется для отображения временных диаграмм электрических сигналов (хотя почти у всех осциллографов есть функция построения двухмерных картин, где координата светящихся точек по оси X пропорциональна величине одного сигнала, а по оси Y – другого).

Число каналов осциллографа – максимальное число сигналов, отображаемых на экране одновременно. Существует ряд настроек, применимых к конкретным каналам. Как минимум, это:

Масштаб по оси Y (количество вольт или милливольт в клетке).

Предделитель (аттенюатор) щупа. В каждый из щупов осциллографа обычно встроен делитель напряжения, он управляется переключателем «1х / 10х» на самом щупе. В положении «1х» входное сопротивление щупа ниже, и, как правило, составляет 1 МОм, а входная емкость – порядка 100 пФ, для положения «10х» – обычно 10 мОм и 10-20 пФ, соответственно. Для исследования цепей, включающих в себя высокоомные (сотни кОм) резисторы и для исследования высокочастотных (десятки МГц и выше) сигналов рекомендуется режим «10х». В этом случае емкость щупа ниже, сопротивление выше, но входной сигнал делится на 10 по напряжению, после чего осциллограф его усиливает, что приводит к более заметному уровню шумов в осциллограмме. С другой стороны, влияние щупа на цепи в таком режиме минимально. Во всех остальных случаях следует использовать предделитель «1х». Всегда проверяйте

соответствие настройки канала осциллографа и настройки аттенюатора, встроенного в щуп.

Тип щупа – напряжение, ток, дифференциальный. В работах используются только обычные щупы, измеряющие напряжение. Для щупов, измеряющих ток (аналогично токовым клещам) в настройках осциллографа указывается масштабный коэффициент в размерности В/А.

Настройка рода тока (англ. «Coupling», «связь» – по постоянному, переменному току) позволяет сделать выбор из двух режимов – AC и DC (переменный род тока и постоянный, соответственно). Установка режима AC позволяет вычесть постоянную составляющую напряжения из сигнала перед его усилением и оцифровкой. Это режим чрезвычайно полезен при осциллографировании малых переменных напряжений, имеющих большие постоянные смещения. Без вычитания постоянного смещения осуществить предварительное усиление сигнала невозможно, сигнал зрительно оказывается «за пределами экрана». Режим DC полезен для того, чтобы видеть полный неискаженный сигнал, оценивать значения напряжений узлов цепей в статическом режиме и т.д.

Режим ограничения полосы (англ. «BW (bandwidth) limit») включает встроенный в осциллограф фильтр нижних частот, той или иной частоты среза. При осциллографировании низкочастотных сигналов такой фильтр позволяет получить менее зашумленную картину.

Опция инвертирования сигнала (англ. «Invert») позволяет отразить осциллограмму канала относительно горизонтальной оси координат.

Горизонтальные оси координат для каждого из каналов в осциллографе – свои. Положение оси (уровень по Y) для каждого канала, как правило, показывается вдоль края

осциллограммы стрелками и цифрами с номером канала, например, «2 ». В случае если вход осциллографа заземлен, на осциллограмме будет видна горизонтальная линия, совпадающая с положением стрелки. Уровень нуля каждого канала можно смещать вверх и вниз индивидуальными настройками.

Остальные настройки осциллографа не привязаны к конкретному каналу и настраиваются при помощи своих меню и экранных кнопок, а также отдельных регуляторов.

Масштаб осциллограмм по оси времени (ось Х) выбирается для всех каналов одновременно. Текущий масштаб обычно показан внизу или вверху экрана надписью, например, «250 s» (250 мкс в одной клетке).

Любой цифровой осциллограф позволяет смещать осциллограмму влево и вправо вдоль оси времени относительно точки, где возникло событие синхронизации. При осциллографировании даже строго периодических сигналов не рекомендуется устанавливать

горизонтальное смещение так, что точка синхронизации (см. ниже) оказывается далеко за пределами экрана, так как небольшие вариации периода/формы сигнала от цикла к циклу («jitter») приводят к тому, что осциллограмма начинает зрительно «дрожать».

Особенности механизма синхронизации заслуживают отдельного объяснения. Для эффективной работы с осциллографом необходимо понимать, что такое, собственно, синхронизация. В случае, когда масштаб осциллограммы по оси времени составляет порядка 100 мс в клетке и более, человек в состоянии воспринять весь объем информации, собираемой осциллографом в режиме реального времени. Осциллограф постоянно обновляет данные,

полученные с аналогово-цифрового преобразователя, осциллограмма обновляется слева направо. На полное обновление экрана уходит, соответственно, 1 секунда и более. Понятие «синхронизация» к данной ситуации неприменимо, человек успевает воспринимать осциллограммы сигналов любой формы, в том числе, случайной, апериодической и т.д. Данный режим, в зависимости от производителя осциллографа, включается автоматически (выбором масштаба по оси времени) или вручную (в меню), и называется режимом «сканирования», «прокрутки» или «режимом самописца». В таком режиме осциллограф и правда похож на механический самописец, фиксирующий форму какого-то сигнала на бумажной ленте.

Все меняется, когда масштаб по оси времени составляет менее 100 мс в клетке. Если осциллограф будет показывать на экране все данные, полученные в результате оцифровки сигналов, и обновлять экран в режиме реального времени, информация станет обновляться слишком часто, и кривые на экране зрительно сольются в нечто нечитаемое. Изучать сигналы в таком режиме невозможно и вводится понятие синхронизации. Оператор вводит в осциллограф настройки следующего плана: в момент, когда уровень напряжения на указанном канале пересечет в указанном направлении указанное значение, нужно сделать кадр размером, соответствующим масштабам по осям Х и Y, и показать его на экране. Факт пересечения указанным сигналом указанной величины в указанном направлении (вверх или вниз) является событием синхронизации. Алгоритм работы синхронизации иллюстрируется следующим рисунком:

Рис. 19. К объяснению принципа действия синхронизации

Источником событий синхронизации может выступать любой из каналов, напряжение на отдельном специальном входе для синхросигнала, напряжение промышленной сети 220 В 50 Гц и т.д. В лабораторных работах достаточно уметь настраивать синхронизацию по одному из активных каналов. При исследовании периодических сигналов кадр от кадра меняется несильно, картинка не «плывет» и человек в состоянии воспринять всю нужную ему информацию.

Любой цифровой осциллограф можно ввести в режим съемки и отображения одного кадра. При этом первое же событие синхронизации остановит сбор данных и сделает «стопкадр». Данный режим полезен для поиска одиночных «событий» в исследуемом сигнале, а также

вслучаях, когда он апериодический.

Восциллографах есть настройки, которые управляют способом определения наступления события синхронизации. Во всех случаях для выполнения лабораторных работ должен быть использован режим синхронизации по фронтам («Edge»). В этом случае событием синхронизации является факт пересечения напряжением источника сигнала для синхронизации указанного значения (уровня синхронизации), как описано выше. Вместе с тем, сложные цифровые осциллографы могут иметь и другие режимы поиска в сигнале специфических «событий». Выбор фронта синхронизации определяет, что синхронизация должна случаться, когда сигнал источника напряжения синхронизации пересекает заданный уровень снизу-вверх (фронт, положительный фронт или «Rising»), или сверху-вниз (срез, отрицательный фронт или

«Falling»).

Отдельно настраивается поведение осциллографа в ситуации, когда нет событий синхронизации (например, уровень синхронизации находится за пределами диапазона изменения

напряжения на выбранном канале). Опция «автоматический режим» (рекомендовано во всех работах) означает, что в указанной ситуации осциллограф будет обновлять экран с данными, полученными в произвольные моменты времени, а картинка на экране будет «плыть» или вовсе представлять собой нечто нечитаемое. Периодический сигнал на экране осциллографа в таком случае при неправильной настройке уровня будет дрейфовать вдоль оси времени. Опция «Нормальная синхронизация» или «Ждущий режим» блокирует обновление экрана, если событий синхронизации нет.

Интересной настройкой синхронизации у любого осциллографа является т.н. удержание запуска (англ. «holdoff»). Данная настройка показывает, в течение какого времени после того, как событие синхронизации случилось, осциллограф будет игнорировать следующие валидные события синхронизации, которые, строго говоря, могут иметь место в том же кадре, что и первое. Менять данную настройку (увеличивать время удержания запуска) имеет смысл при возникновении проблем с синхронизацией для исследования сигналов сложной формы.

В лабораторных работах часто требуется измерять при помощи осциллографа те или иные параметры периодических электрических сигналов. Добившись качественной осциллограммы и настроив синхронизацию, обычно это можно сделать двумя способами.

Первый способ заключается в использовании курсоров. Курсоры осциллографа – вертикальные или горизонтальные линии (реже – также вертикальные + горизонтальные), привязанные к одному из каналов, которые пользователь перемещает по экрану. Они служат для измерения диапазона напряжений или интервалов времени. Перемещая курсоры при помощи органов управления осциллографа и глядя на текстовую индикацию их положений, пользователь выполняет измерения, видя положение первого курсора, второго курсора и расстояние между ними в секундах и/или вольтах. Так можно измерить амплитуду, период, частоту, длительности фронта и среза прямоугольных импульсов, временной интервал между какими-то событиями и т.д.

Второй способ заключается в использовании встроенных в программное обеспечение

(ПО) осциллографа возможностей по автоматическому измерению параметров электрических сигналов. Как правило, ПО осциллографа позволяет измерять для выбранных каналов частоту периодического сигнала, его период, амплитуду, двойной размах, действующее значение (RMS), среднее значение, минимум, максимум, длительно импульса и паузы для прямоугольных импульсов, коэффициент заполнения и т.д.

При использовании меню измерений следует учитывать, что алгоритмы используют для расчета те же данные, что и выводятся на экран в виде осциллограмм. Иными словами, для точного измерения, скажем, длительности фронта, необходимо, чтобы фронт был хорошо виден на осциллограмме, т.е. занимал 3-4 клетки по шкалам времени и напряжения. Если масштаб осциллограммы неудачный и в экран входит несколько десятков периодов сигнала, его амплитуда зрительно мала, а время фронта почти неразличимо глазом, то и результат измерений будет крайне неточным.

Профессиональные осциллографы имеют множество не описанных выше функций вплоть до математических операций над данными осциллограмм и декодирования битовых потоков распространенных последовательных цифровых интерфейсов, однако, в настоящих лабораторных работах данный функционал не используется.

Наконец, практически у всех щупов осциллографов есть настройка, которая выполняется при помощи миниатюрной отвертки – компенсация.

В аттенюатор щупа осциллографа, активируемый переключателем (например, «10х») встроен не только резистор, сопротивлением, скажем, 9 МОм, который с учетом входного сопротивления осциллографа в 1 МОм формирует делитель с коэффициентом деления 1/(9+1) = 0.1. В него также встроен небольшой подстроечный конденсатор емкостью 10…20 пФ. Устанавливая его величину, можно обеспечить коэффициент аттенюации «10х» (деление на 10) во всем рабочем диапазоне частот без искажений, которые могут возникать ввиду того, что и у кабеля щупа (между центральным проводником и экраном), и у входа осциллографа есть своя ненулевая емкость, реактивность которой зависит от частоты.

Если при осциллографировании прямоугольных импульсов на экране осциллографа видны неожиданные для экспериментатора выбросы на фронтах и срезах сигнала, либо фронты и срезы сигнала имеют длительность, существенно превышающую ожидаемую, не исключено, что щуп нуждается в настройке компенсации. В этом случае его необходимо отключить от исследуемой схемы, подключить и землю, и вход щупа к специальным клеммам для компенсации (обычно выведены на переднюю панель осциллографа). На этих клеммах осциллограф формирует эталонный сигнал в форме прямоугольных импульсов (обычно размахом 5 В, частотой 1 кГц). Затем, вращая подстроечный конденсатор диэлектрической отверткой, следует добиться минимальных длительностей фронтов и срезов сигнала на осциллограмме без выбросов.

Выполнять данную процедуру следует преподавателю.