8 Список літератури

8.1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 440 с.

8.2. Мурзін В.К. Загальна електротехніка. – Полтава: Кременчук, 2001. – 323 с.

8.3. Трегуб А.П. Электротехника. - К.: Вища школа, 1987. - 599 с.

8.4. Электротехника: Учебник для неэлектрических спец. вузов / Зайдель Х.Э., Коген-Далин В.В., Крымов В.В. и др.; Под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1985. - 480 с.

8.5. Иванов А.А. Справочник по электротехнике. – К.: Высшая школа. – 1984. – 304 с.

Лабораторна робота N 9

Дослідження електронно-променевого осцилографа та осцилографічної цифрової приставки

1 Мета роботи

1.1. Вивчити будову електронного осцилографа і принцип його роботи.

1.2. Навчитися користуватися осцилографом в режимах дослідження періодичних електричних сигналів.

1.3. Вивчити блок-схему осцилографічної цифрової приставки (ОЦП) до персонального комп’ютера і принцип роботи віртуального осцилографа, навчитися ним користуватися.

1.4. Навчитися вимірювати розмах (амплітуду) постійної і змінної напруги, періоду, частоти і часу зростання фронту досліджуваного сигналу.

1.5. Провести вимірювання напруг та струмів при пуску асинхронного двигуна за допомогою віртуального ПК-осцилографу.

2 Загальні теоретичні відомості

Електронно-променеві осцилографи (рис. 9.1) застосовуються для дослідження періодичних електричних сигналів в діапазонах частот від 0 до 1000 мГц залежно від типу осцилографу. Електронно-променеві осцилографи (рис. 9.2) мають такі основні вузли: електронно-променеву трубку; блок живлення; вхідний атенюатор (подільник напруги); підсилювачі горизонтальної і вертикальної розгортки; генератор безперервної розгортки. Електронно-променева трубка (ЕПТ) являє собою вакуумовану скляну колбу (рис. 9.3) і є фактично вимірювальним механізмом осцилографа. В ній розміщено підігрівний катод, керуючий електрод (модулятор), прискорюючий А1 і фокусуючий А2 аноди, дві пари відхиляючих пластин (X та Y) і флуоресціюючий екран. Електроди трубки живляться від високовольтного випрямляча через подільник напруги із сталих і змінних опорів, за допомогою яких встановлюють відповідні потенціали електродів відносно катода. Катод, модулятор і аноди створюють так звану електронну гармату-прожектор, під дією якої електрони з великою швидкістю досягають екрана, спричинюючи його світіння. Щоб отримати вузький пучок електронного потоку, його фокусують. В більшості осцилографів застосовують електростатичне фокусування. Для керування променем до пластин розгортки X-X і Y-Y прикладають змінну напругу. Лінійне відхилення електронного потоку на екрані прямо пропорційне прикладеній до пластин напрузі. Якщо до однієї пари пластин Х-Х прикласти змінну (пилкоподібну) напругу, яка лінійно зростає, то на екрані промінь рівномірно переміщуватиметься перпендикулярно до площини

п

Рисунок 9.1 - Зовнішній вигляд електронно-променевого

осцилографа типу С1-67

ластин зліва направо з частотою, що дорівнює частоті прикладеної напруги. При частоті понад 20Гц на екрані буде світла смужка у вигляді відрізка прямої. Щоб не було видно зворотного ходу променю, на цей час від генератора „гасіння променю” на модулятор надходить імпульс негативного потенціалу і закриває його (рис. 9.2). Одночасно на пластини Y-Y підведена досліджувану напругу, в результаті чого електронний потік відхилятиметься і по вертикалі. Таким чином, отримаємо візуальне зображення досліджуваного сигналу. Оскільки досліджуваний сигнал може бути невеликим (кілька мілівольт) і значним (до 300 В), в осцилографах встановлюють подільник напруги (або виносний подільник напруги), що дає можливість послабити значний сигнал. Для підсилення невеликого сигналу застосовують підсилювач вертикальної розгортки. Одним із найважливіших параметрів підсилювача вертикального відхилення є його чутливість. Вона відповідає мінімальному значенню коефіцієнта відхилення променю на екрані [мВ/под]. Атенюатор призначений для регулювання амплітуди досліджуваного сигналу на екрані осцилографа. Його виконують за схемою частотно–компенсованого подільника. Ручки керування цими вузлами виведено на передню панель.

Горизонтальна розгортка забезпечується генератором безперервної розгортки, який виробляє пилкоподібну напругу, частоту якої можна змінювати в широких межах перемикачем, що знаходиться на передній панелі осцилографа. Напруга, яка необхідна для створення горизонтальної (часової) розгортки, може подаватися на горизонтальні пластини ЕПТ або від внутрішнього генератора (генератора розгортки), або від зовнішніх джерел періодичних коливань через спеціальний вхід.

Форма сигналу, який використовується для створення горизонтальної розгортки, може бути будь-якою залежно від мети вимірювання. Але для забезпечення рівномірного переміщення променю по екрану необхідно, щоб розгортаюча напруга змінювалася лінійно за часом.

Верхня межа частотного діапазону досліджуваних коливань визначається мінімально можливою для даного типу осцилографа тривалістю прямого ходу променю Т_n. В осцилографах тривалість прямого ходу променю

Рисунок 9.2 - Узагальнена структурна схема осцилографу: 1 - подільник напруги; 2 - підсилювач вертикальної розгортки; 3 - електронно-променева трубка; 4 - генератор гасіння променю; 5 - підсилювач горизонтальної розгортки; 6 - вузол синхронізації; 7 - генератор безперервної розгортки; 8 - випрямляч високої напруги

задають у вигляді коефіцієнтів розгортки, де L – довжина відрізку горизонтальної осі, яка відповідає тривалості Т_n. Чисельне значення коефіцієнтів вказують на лицевій панелі приладу. Швидкість розгортки вибирають перемикачем “час/под”.

Біля перемикача діапазонів горизонтальної розгортки проставлені значення тривалості періоду пилкоподібних коливань, а не частота. Тому потрібно вміти переводити цю одиницю вимірів в частоту і навпаки.

Обчислюють це за формулами:

або , (9.1)

де: F - частота коливань, Гц;

Т - період одного коливання, с.

Для забезпечення синхронізації з каналу вертикального відхилення на генератор розгортки подають частину сигналу. Така синхронізація називається внутрішньою. При зовнішній синхронізації сигнал подають до каналу горизонтального відхилення безпосередньо через контактне з’єднання (“Вхід Х”). В осцилографах передбачається ще один варіант синхронізації – від мережі живлення. Такий вид синхронізації конче необхідний при дослідженні електронних пристроїв, в яких за основу тривалості періодичних процесів

Рисунок 9.3 - Електронно-променева трубка осцилографа: а) - будова; б) - схема вмикання в мережу

вибрані частота живильної мережі або її гармоніки. Джерело синхронізації в осцилографі обирає оператор залежно від конкретної ситуації.

Щоб зображення на екрані було стійким, частота горизонтальної лінійної розгортки повинна дорівнювати або бути кратною частоті досліджуваного сигналу, початкова фаза розгортки повинна збігатися з фазою досліджуваного сигналу. Для цього до генератора безперервної розгортки підводиться змінна напруга з лінії досліджуваного сигналу, що забезпечує узгоджену його роботу. Це називається внутрішньою синхронізацією. Крім того, синхронізацію можна забезпечити від іншого зовнішнього джерела змінної напруги.

Для переміщення світлового променю по екрану осцилографа до пластин горизонтальної і вертикальної розгорток підводять постійну напругу, яку регулюють потенціометрами і досягають при цьому потрібного розміщення променю на екрані.

Основним критерієм імовірності вимірів є відповідність осцилограми напрузі досліджувану сигналу. Виконання цієї вимоги залежить не тільки від типу використовуваного приладу, але й від правильності його приєднання до об’єкту дослідження, вибору режимів роботи, використання певного виду синхронізації розгортаючої напруги тощо. Якість майбутньої осцилограми визначають, виходячи з чутливості осцилографа, його смуги пропускання, значень вхідного опору і ємності каналу вертикального відхилення.

Чутливість приладу задає мінімально можливий рівень досліджуваного сигналу, параметри якого ще можливо виміряти. Максимальну чутливість визначають за значенням мінімального коефіцієнта поділки вхідного атенюатора. Чим менше це значення, тим вища чутливість і більший розмах осцилограми на екрані електронно-променевої трубки. Чутливість осцилографа можна зменшувати, змінюючи коефіцієнт передачі вхідного атенюатора. Це дозволяє спостерігати сигнали з більшою амплітудою. Досліджуючи такі сигнали, необхідно знати максимально допустиме значення напруги, яке можна подавати на вхід каналу вертикального відхилення.

Допустимий розмах напруги визначають шляхом множення значення максимального коефіцієнта поділки вхідного атенюатора на розмір робочої частини екрана трубки осцилографа по вертикалі.

При роботі з такими сигналами краще використовувати спеціальні зовнішні подільники напруги, що дозволить значно підвищити максимальну межу досліджуваної напруги та зберегти осцилограф від можливих пошкоджень.

Смуга пропускання каналу вертикального відхиленнявизначається верхньою граничною частотоюF_B, оскільки нижня гранична частота F_H або дорівнює нулю (при роботі з відкритим входом осцилографа), або становить одиниці герц (при роботі з закритим входом). Для отримання задовільної імовірності вимірювання необхідно, щоб значення смуги пропускання осцилографа перевищувало ширину спектра вхідного сигналу. Це особливо важливо при дослідженні імпульсних сигналів, фронт і спад яких не повинен зазнавати значних спотворень.

Для визначення смуги пропускання вертикального підсилювача осцилографа керуються такими співвідношеннями: для прямокутних імпульсів , деΔF – МГц, Т_ф – тривалість фронту прямокутного імпульсу, мс; для трикутних - ; гармонічних (синусоїдна напруга) -.

Від значення співвідношення вхідного опору джерела сигналу, до якого приєднують осцилограф, залежить величина енергетичної похибки. Шунтуючий вплив осцилографа буде мінімальний у тому випадку, коли його активний вхідний опір в багато разів перевищуватиме вихідний опір джерела, а значення вхідної ємності – менше вихідної ємності цього джерела.

При синхронізації генератора розгортки від зовнішнього джерела сигналу потрібно звернути увагу на необхідне значення синхронізуючої напруги і її полярність.

Для дослідження динамічних механічних характеристик, зняття осцилограм струмів та напруг при пуску електродвигуна, контролю форми кривих струму і напруги та фазового зсуву між ними і відносного фазового зсуву струмів напівобмоток статора асинхронного електродвигуна використовується віртуальний ПК-осцилограф Velleman PCS500А.

Даний осцилограф є основним інструментом при дослідженні та налагодженні різних електротехнічних пристроїв, де присутній перехідний процес. В останні роки поряд із звичайними аналоговими осцилографами часто використовуються цифрові і запам'ятовуючі осцилографи, що дозволяють проводити підключення до персонального комп'ютера (ПК). Однак відомі прилади такого типу, наприклад, що випускаються фірмами Tektronix або Fluke, дуже дорогі і недоступні більшості фахівців. Крім того, існують визначені проблеми при їхньому підключенні до ПК за допомогою досить дорогих додаткових аксесуарів.

У зв'язку з цим становлять інтерес так називані віртуальні осцилографи, виконані у виді осцилографічної приставки (ОЦП) до ПК (рис. 9.4). Їх "віртуальність" виявляється лише в тому, що передня панель осцилографа створюється на екрані дисплея ПК відповідними програмними засобами. Керування осцилографом здійснюється за допомогою графічного маніпулятора - миші.

Рисунок 9.4 – Схема приєднання осцилографічної приставки: ПК – персональний комп’ютер; LPT1 – порт зв'язку; ОЦП – осцилографічна цифрова приставка; СН1, СН2 – канали входу; МГР – модуль гальванічної розв’язки

У дійсності подібні апарати є стробоскопічними осцилографічними приставками до настільного або мобільного ПК, що дозволяють спостерігати на екрані монітора цілком реальні й високоякісні осцилограми з відсутністю геометричних перекручувань. Принцип дії таких осцилографів полягає в дискретизації вхідного сигналу шляхом виділення з нього коротких вирізок-результатів. Вони оцифровуються (квантуються) за допомогою швидкодіючого аналого-цифрового перетворювача і коди результатів передаються в ПК через порт зв'язку із зовнішніми пристроями.

Застосування стробоскопічних осцилографічних приставок для ПК дає наступні переваги:

• різко спрощується конструкція приладу, оскільки стають непотрібними електронно-променева трубка, органи керування осцилографом, потужне й високовольтне джерело живлення тощо;

• зменшується вартість приладу;

• реалізується природне стикування з ПК (настільним або ноутбуком), що

забезпечує легкість цифрової обробки даних, наприклад, за допомогою систем комп'ютерної математики;

• з'являється можливість легко реалізувати цифрові методи обробки сигналів;

• побудова спектра методом швидкого перетворення Фур'є або реєстрації сигналів протягом тривалого проміжку часу із записом сигналу в пам'ять ПК.

Приставка PCS500А (рис. 9.5) забезпечує створення віртуального двоканального осцилографа з частотами вертикального відхилення до 50 МГц та має ряд позитивних особливостей таких, як поліпшена вхідна чутливість та часова розгортка осцилографа, знижений рівень шумів у каналі вертикального відхилення, можливість відображення суми й різниці сигналів на входах і інвертованому сигналі, тощо.

Основні характеристики ОЦП PCS500А наведені в табл. 9.1. На задній панелі приставки (рис. 9.6) розташовуються клеми приєднання паралельного принтерного порту LPT та клеми приєднання для підключення зовнішнього адаптера живлення від мережі змінного струму з вихідною напругою 9 В.

Прилад може використовуватися як самопис. Чутливість входів і режими їхньої роботи змінюються програмним шляхом. Можливе застосування щупа-подільника з відношенням 1/10.

Таким чином, приставка (ПК-осцилограф) власне кажучи замінює три прилади: осцилограф, спектроаналізатор і електронний реєстратор.

Рисунок 9.5 – Зовнішній вигляд та комплектація приставки типу РCS500A

Рисунок 9.6 - Зовнішній вигляд задньої панелі приставки типу PCS500А

Таблиця 9.1 – Основні характеристики осцилографічної приставки PCS500А

Параметри	Значення
1. Тип приладу	PCS500А
2. Кількість каналів	2
3. Вхідний імпеданс	1 МOм/30 пФ
4. Розрядність, біт	8
5. Чутливість, В/под.	0,005...15
6. Максимальна вхідна напруга, В	100
7. Діапазон частот, МГц	0...50
8. Нерівномірність АЧХ, дБ	±3
9. Похибка відліку,%	2,5
10. Часове розгорнення, мс/под.	20 нс...100
11. Частота стробування	1,25 кГц...50 МГц
12. Максимальна частота стробування, ГГц	1
13. Довжина запису, рядків	4096
14. Режими входів	AC, DC, Ground (у К 8031 немає)
15. Інтерполяція	лінійна або згладжена
16. Маркери	для напруги і частоти
17. Напруга живлення, В	9...10
18. Розміри, мм	230x165x45
19. Вага, г	490

У режимі осцилографа (рис. 9.7) частота дискретизації вхідного сигналу задається режимом роботи осцилографа. Основний режим - режим реального часу, при цьому частота дискретизації автоматично задається досить велика,

тому для з'єднання крапок осцилограми використовується лінійна інтерполяція або інтерполяція зі згладжуванням. Можливий також режим однократного запуску. Керування осцилографом здійснюється групами віртуальних кнопок: двох каналів вертикального відхилення під вікном осцилограми та групами кнопок горизонтального розгорнення праворуч. Таке керування ґрунтується на аналогії із звичайним сучасним осцилографом.

У приставці PCS500А передбачений ще один режим для перегляду осцилограм періодичних сигналів. При цьому дискретизація задається генератором випадкових чисел, що створює еквівалентну частоту дискретизації до 1 ГГц. Обробка осцилограм при цьому займає кілька секунд, але дозволяє спостерігати осцилограми сигналів із частотами до декількох десятків МГц. Більш високочастотні сигнали спостерігати не доречно, оскільки верхня гранична частота підсилювачів вертикального відхилення обмежена значенням 50 МГц, та й тригер синхронізації на таких частотах працює нестійко.

Рисунок 9.7 - Вікно приладу PCS500А у режимі осцилографа

Зверху вікна “віртуального” осцилографа (рис. 9.7) розташоване звичайне меню системи Windows і під ним кнопки для переключення видів роботи приставки. На рис. 9.8 наведений вид вікна в режимі Фур'є-аналізу сигналу на нижньому вході (спектроаналізатор). Фур'є-аналізатор заснований на швидкому перетворенні Фур'є (ШПФ) з розширенням 2048 рядків.

Рисунок 9.8 - Вікно віртуального Фур'є-аналізатора приставки PCS500А

На рис. 9.9 представлене вікно в режимі самопису перехідних процесів. Даний самопис дозволяє записувати сигнали в автоматичному режимі протягом 1 року. Далеко не кожний, навіть запам'ятовуючий осцилограф дозволяє вести подібні записи. Будь-яку осцилограму (спектрограму), що спостерігається на віртуальному екрані, можна записати у виді файлу - графічного з розширенням ".bmp" і текстового з розширенням ".txt". Текстовий файл записується у форматі ASCII, причому кожна крапка, представлена своїм номером (від 0 до 4095) і значенням від 0 до 255 (нуль відповідає числу 128). Це дозволяє використовувати отримані дані для обробки програмами, написаними на практично будь-якій мові програмування.

Передбачено виведення на екран цифрових даних у масштабах по вертикалі (напруга або дБ) і горизонталі (час). Можна також нанести напис і вивести курсори для проведення курсорних вимірів.

Потрібно відзначити, що стробоскопічні осцилографічні приставки все-таки не є повноцінною заміною сучасного аналогового осцилографа. Їм властиві досить характерні сильні перекручування виду сигналів при їхній дискретизації. Наприклад, при спостереженні навіть синусоїдальних сигналів на повільних розгорненнях форма сигналу різко спотворюється і він нагадує перемодульований сигнал. Це зв'язано зі спотвореннями, що виникають при взаємодії частоти сигналу з частотою генератора стробуючих імпульсів. Звичайний осцилограф такого ефекту не має і дає неспотворене представлення синусоїди навіть при тривалих розгорненнях. Із зазначеної причини практично неможливо спостерігати амплітудно-модульовані високочастотні сигнали, хоча на

Рисунок 9.9 - Вікно віртуального самопису перехідних процесів приставки PCS500А

звичайному осцилографі вони спостерігаються легко. Природно, що в приставці немає спеціальної синхронізації для телевізійних сигналів, наприклад, виділення рядків, що може бути в звичайних аналогових осцилографів.

Враховуючи те, що осцилографічна приставка PCS500A дозволяє досліджувати напругу до 100 В та незначні величини струмів, тому для дослідження напруги змінного струму 380 В та значних пускових струмів в асинхронних двигунах (при перехідних процесах), потрібно застосувати модуль гальванічної розв’язки, який призначений для гальванічної ізоляції і перетворення вхідних аналогових сигналів. Можна застосувати, наприклад модуль гальванічної розв’язки SDI–AO–2 (розроблений кафедрою ЕМ і ЕЕО разом з компанією “Сатурн Дейта Интернешнл”).

Застосування такого модуля дозволяє розширити використання осцилографічної приставки PCS500A, а саме досліджувати як змінну, так і постійну напругу до 400 В; струм до 5 А (короткочасно до 8А). В разі виникнення задачі з більшими значеннями вимірювальної величини можливе застосування дільників напруги та шунтів або трансформаторів струму та напруги.

Приставка PCS500А (рис. 9.3) разом із звичайним персональним комп'ютером утворюють мініатюрну багатофункціональну лабораторію, що дозволяє досліджувати і налагоджувати різні електронні схеми, пристрої і системи. Необхідно також установити програмне забезпечення - програму PC-LAB 2000 із прикладеного CD-диску. Установка цієї програми нічим не відрізняється від установки будь-якого Windows-додатка. Однак треба враховувати, що для ПК з операційною системою Windows NT або Windows 2000 потрібно додатково установити драйвер локального адміністратора, що також є на CD-диску. Після установки програми PC-LAB 2000 створюється папка з її ярликом і допоміжні файли довідки, що містить опис програми і роботи з основними компонентами лабораторії. Можливості лабораторії PC-LAB 2000 досить великі і практично необмежено розширюються можливістю комп'ютерної обробки даних і результатів експериментів. Будь-яку осцилограму, спектрограму, запис перехідних процесів можна зберігати у файлах даних.