Лабораторная работа №1 Осциллографические измерения

1. Электронно-лучевой осциллограф

Электронно-лучевой осциллограф (от латинского слова «осциллум» – колебание и греческого «графо» – пишу) или осциллоскоп (греч. «скопео» – вижу) – прибор, предназначенный для наблюдения формы электрических сигналов в координатах Х, У и измерения их амплитудных и временных параметров (характеристик) в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до десятков гигагерц. Основным элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), в которой сфокусированный пучок электронов (луч) используется как «карандаш», рисующий на экране с напыленным химическим соединением (люминофором) светящееся изображение (см. рис. 1).

Для различных сигналов (периодически повторяющихся и однократных, медленно изменяющихся и быстропротекающих) используют различные осциллографы. Осциллографы для периодически повторяющихся сигналов называют универсальными и обозначают С1-ХХ. Для визуализации медленно изменяющихся сигналов используют ЭЛТ с люминофором длительного послесвечения, а для быстроизменяющихся сигналов – ЭЛТ с люминофором короткого послесвечения.

Универсальный электронно-лучевой осциллограф имеет следующие блоки (узлы) (рис. 1):

• блок ЭЛТ с органами управления и регулировки;

• блок управления лучом, включающий:

• канал Y – для управления перемещением луча вдоль оси y исследуемым сигналом U(t),

• канал X – для управления перемещением луча вдоль оси x с постоянной выбранной оператором скоростью υ_x,

• канал Z – для управления током луча.

ЭЛТ состоит из источника электронов, системы формирования сфокусированного узкого электронного пучка, системы его отклонения в направлении оси Х и У и люминесцирующего экрана. Все системы электродов размещены в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух. Источником электронов является нагреваемый катод. Подогрев катода осуществляется с помощью переменного тока 0,1…1 А при напряжении 6,3 В.

Для управления величиной тока электронного пучка рядом с катодом располагается модулятор (диск с малым отверстием). На модулятор подается отрицательный относительно катода потенциал. Изменением разности потенциалов в промежутке пространства модулятор – катод (U_MK – единицы-десятки вольт) регулируют количество электронов в луче (регулировка «Яркость»). При достаточно большом отрицательном потенциале модулятора электронный луч можно полностью запереть.

Тонкий электронный луч формируется электронным прожектором, состоящим из катода, модулятора, анодов А₁, А₂, высокими положительными потенциалами; в несколько сотен вольт. Между электродами прожектора создается сильно неоднородное электрическое поле, которое сжимает электронный пучок в тонкий луч. Фокусировку луча изменяют, регулируя напряжение (регулировка «Фокус»). Сформированный электронный луч, двигаясь вдоль оси трубки, попадает в отклоняющее поле, создаваемое двумя парами отклоняющих пластин Х и У, и достигает люминесцирующего экрана. Простейшая конструкция отклоняющих пластин соответствует плоскому конденсатору. Одна пара пластин служит для отклонения электронного луча в вертикальном направлении, а другая – в горизонтальном.

Процесс отклонения электронного луча в электростатическом поле иллюстрируется на рис. 2.

.

Величина отклонения пятна на экране h определяется с помощью формулы:

,

где – напряжение второго анода, В;

l – длинна пластин, мм;

L – расстояние от центра пластины до экрана, мм;

d – расстояние между пластинами, мм.

Важным параметром ЭЛТ является чувствительность по отклонению, мм/В. Чем выше чувствительность ε, тем легче управлять лучом.

Рис. 2. Отклоняющая система.

Яркость В изображения на экране определятся током луча i_л (регулировка «Яркость»), скоростью электронов при бомбардировке люминофора , скоростью движения луча по экрану и химическим составом люминофора B = f(i_л, V_z, V_э).

Участки быстрых изменений сигнала U_с(t) на экране имеют меньшую яркость. Усиление яркости свечения можно достичь увеличением либо ускоряющего напряжения , либо плотности электронного пучкаj. Однако увеличение приводит к снижению чувствительности по отклонению ε. Чтобы разрешить это противоречие, в ЭЛТ применяется принцип послеускорения электронов. Как известно, скорость электрона в электростатическом поле определятся потенциалом той точки пространства, в которой он находится:

Подобрав надлежащим образом потенциалы электродов, можно отклонять луч при малой скорости υ (менее высокое значение потенциала ) и этим обеспечить большое значение чувствительности по отклонению ε, а ускорить электроны можно за пределами отклоняющей системы. Для этого на стенки баллона ЭЛТ наносятся проводящее покрытие (графит), которое служит третьим анодом.

Для исключения расфокусировки луча в процессе его отклонения между пластинами Х и У отклоняющие напряжения на одноименные пластины х₁, х₂, и Y₁, Y₂ подают в противофазе, так, чтобы сумма напряжений на одноименных пластинах не изменялась и равнялась нулю.

Начальное положение луча на экране вдоль  оси Y устанавливается напряжением «Смещение Y» (или «»), а начальное положение луча вдоль осиХ устанавливается напряжением «смещение Х» (или «»).

2. Получение осциллограммы исследуемого сигнала.

Для получения осциллограммы необходимо управлять движением светового пятна на экране ЭЛТ в горизонтальном и вертикальном направлении. Смещение пятна в вертикальном направлении осуществляется сигналом, а в горизонтальном – напряжением развертки. Генератор развертки вырабатывает колебания пилообразной формы (см. рис. 3).

U_x

Рис. 3. Пилообразное напряжение.

На участке ас напряжение развертки U_x линейно нарастает_. T_пр – время прямого хода луча. T_обр – время обратного хода. Под действием напряжения U_x электронный пучок будет отклоняться только в горизонтальной плоскости. При максимальном отрицательном значении U_x (точка а на рис. 4) светящееся пятно находится в крайне левом положении (точка а^/) на экране. При линейном нарастании U_x пятно постепенно переместится в точку b^/, а потом в точку с^/. На участке а^/с^/ скорость движения пятна будет постоянной. С точки с^/ в исходное состояние луч возвращается за время T_обр<< T_пр, поэтому скорость движения пятна в обратном направлении значительно выше.

Образование изображения на экране ЭЛТ при воздействии напряжения развертки U_x и напряжения сигнала U_c(t) показано на рис. 5. При построении осциллограммы принято, что период пилообразного напряжения T_p равен периоду сигнала T_c, а T_обр = 0.

Период развертки условно разделен на четыре равных интервала с границамиt₀, t₁, t₃, t₄. В момент t₀, U_c=0, U_x имеет максимальное отрицательное значение и световое пятно находится в точке а. В момент t_1, напряжение сигнала имеет максимальное положительное значение, а , и пятно находится в точкеb. Аналогично можно найти положение точек c, d и e на экране ЭЛТ. По окончании развертки световое пятно по прямой линии еа мгновенно возвращается в исходное положение. В последующие циклы развертки осцилло-граммы получаются также, причем все её точки совпадут с аналогичными точками осциллограммы, изображенной на рис.4.

Формирование изобра-жения при нарушении кратности частот развёртки и сигнала показано на

рис. 5.

Период сигнала синусоидальной формы T_c>T_p. При первом цикле развертки на экране отображается осциллограмма в виде отрезка синусоиды между точками 0-1, при втором отрезок 1-2, при третьем 2-3 и.т.д.

Последовательное появление осциллограммы I-IV, создает ощущение дви-

Рис. 5

жения изображения в направлении, показанном стрелкой на рис.5. Скорость движения осциллограммы тем выше, чем больше отличается период развертки от периода сигнала. Если T_c < T_p, осциллограмма будет перемещаться справа на лево.

Для получения неподвижной осциллограммы необходимо подобрать период развертки равным (или кратным) периоду сигнала. Для этого служит система синхронизации: внутренняя, внешняя, от сети (рис. 1).

3. Функциональная схема осциллографа

Блок управления лучом включает канал Y для управления положением луча по вертикали исследуемым сигналом, поданным в гнездо «Вход У», канал X – для формирования линейно-изменяющегося («пилообразного») напряжения, под действием которого луч ЭЛТ перемещается по горизонтали и канал Z для формирования прямоугольного импульса, открывающего луч на время прямого хода.

Канал Y включает масштабный преобразователь МП1 амплитуды сигнала U(t) с коэффициентом масштабного преобразования К_МП1 (К_МП1 > 1 (усиление) или К_МП1 < 1 (ослабление)), линию задержки ЛЗ для задержки во времени сигнала без искажения его формы, оконечный масштабный преобразователь МП2 с коэффициентом масштабирования К_МПY > 1 и парафазным выходом.

Таким образом, некоторое мгновенное значение U_i входного сигнала на выходе канала Y будет:

.

Отклоняющие пластины Y осуществляют функцию измерительного преобразователя (ИП) - преобразуют значения напряжения, поданного на пластины Y в длину следа на экране ЭЛТ по вертикали, соответствующего этому напряжению с коэффициентом h_y:

l_y = h_y•U_yi = h_y• K _МП1•К_МПY•U_i

Из формулы видно, что для определения значения напряжения U_i необходимо определить длину следа l_y, соответствующего напряжению U_i

или

Значение h_у и K_МПY не изменяются.

Значение К_у считывается по положению переключателя «Вольт/см» (или «Вольт/дел.»).

Переключатель П1, находящийся в канале Y, предназначен для установки режимов «вход открыт» ( переключатель П1 замкнут «~») или « вход закрыт» ( переключатель П1 разомкнут «~»,. В положении «~» входной сигнал U(t): поступает на МП1, а в положении «~» на вход МП1 поступает напряжение U₁(t)

,

где U₀(t) – постоянная составляющая или среднее значение периодически повторяющегося сигнала U(t) (рис. 6).

Канал X содержит селектор синхронизации (СС) – для выбора момента t₀ формирования пилообразного напряжения в зависимости от установленного оператором уровня (регулировка «Уровень») по отношению к входному сигналусинхронизации (сигналу, запускающему канал X), измерительный преобразователь (ИП), формирующий линейно нарастающее напряжение момента t₀ с установленной оператором скоростью нарастания напряжения U_х(t) (рис. 7).

Н

Рис. 6. Смешение луча на экране при переключении П1.

На участке прямого хода (t₀ – t₁) напряжение U_х(t) увеличивается с выбранной оператором скоростью v_t , .

Рис. 7. Формирование линейно-нарастающего напряжения с различной скоростью нарастания.

,

Пилообразное напряжение через парафазный масштабный преобразователь МП_Х поступает на пластины X. Пластины X выполняют функцию измерительного преобразователя, преобразующего напряжение U_x(t) в длину следа l_x на экране c коэффициентом преобразования h_х.

, .

Параметр h_x не изменяется в осциллографе. Поэтому значение интервала времени t_i, соответствующее длине следа луча вдоль X определится:

, или.

Значение К_у по положению переключателя «Время/деление» или «Время/см».

Переключатель П2 предназначен для выбора источника синхронизации канала X.

Переключатель ПЗ - для выбора режима «~» или «~» по отношению к сигналу источника синхронизации.

Переключатель П4 - для выбора момента синхронизации t₀ при заданном уровне при положительном или при отрицательном значении производной сигнала выбранного источника синхронизации (рис. 8).

Регулировка «Стабильность» в канале X необходима для установления кратности в целое число раз периода повторения пилообразного напряжения и периода повторения входного сигнала в канале Y.

МП_z в канале Z служит для усиления прямоугольного сигнала, длительность которого соответствует прямому ходу пилообразного напряжения канала X.

Рис. 8. Выбор полярности синхронизации.

Калибровка осциллографа. Проводить измерения амплитудных и времен-ных характеристик, отображаемых на экране ЭЛТ сигналов, можно после проверки правильности установки коэффициентов К_у «В/дел.» и К_х

«Время/дел.». Этот процесс проверки называют калибровкой.

Для проведения калибровки в осциллографе имеются встроенная

нерегулируемая мера напряжения и времени с заданными значениями U_M = const

и T_M = const (рис. 9).

Выходной сигнал меры подают на вход Y осциллографа, получают изображение одного периода на экране и измеряют значения U_{М изм} и Т_{М изм} . Если

измеренные значения не равны, то производят регулировки амплитуды и времени

Рис. 9. Выходной сигнал меры (калибратора).

ручками плавной регулировки, расположенными в центре переключателей «В/дел.» и «Время/дел». После проведения калибровки в процессе работы с осциллографом плавные регулировки амплитуды и времени смещать нельзя.

Режим внутренней синхронизации. В этом режиме сигналом синхронизации канала X является исследуемый сигнал U(t), поданный в канал Y. Переключатель П2 ставится в положение «Внутр.».

Входной сигнал U(t) (рис. 10а) подают в гнездо «Вход Y». Переключатель «В/дел.» ставят в такое положение, чтобы на экране получить изображение на весь экран (по априорным знаниям об амплитуде входного сигнала). Вращая регулировку «Уровень», добиваются появления изображения на экране. Если изображение сигнала на экране неустойчивое, то регулировкой «Стабильность» добиваются неподвижного изображения.

В моменты равенства установленного уровня и уровня входного сигнала U(t) возникают сигналы «-», соответствующие отрицательной производной U(t) , «+» соответствующие положительной производной U(t). Переключателем П4 выбираем полярность синхронизации (на рис. 10в выбрана полярность «+»). С момента t₀₁ начнется формирование пилообразного напряжения с выбранной

Рис. 10. Временные диаграммы при внутренней синхронизации.