Практикум по электричеству / LAB3

герц до 10МГц — является большим достоинством усилителя.

2.3.2.2. Генератор развертки.

Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение для задания равномерного хода луча по экрану слева направо. Роль пилообразного напряжения в формировании изображения на экране ЭЛТ состоит в следующем.

Для получения на экране графика исследуемого сигнала u(t) надо этот сигнал (или пропорциональное ему напряжение) подать на вертикально отклоняющие пластины Y:

uy=u(t),

а на пластины Х при этом подать линейно растущее напряжение: ux=kt.

Тогда луч осциллографа, равномерно перемещаясь по горизонтали слева направо, будет по вертикали отклоняться в соответствии с сигналом u(t), вычерчивая график у(х), который и соответствует поведению u(t), так как x~ux~t.

Однако на обычном (универсальном) осциллографе наблюдать однократные процессы практически невозможно, так как их изображение на экране, мелькнув один раз, исчезнет. Как уже отмечалось, для наблюдения таких процессов применяют специальные запоминающие осциллографы. На универсальных же осциллографах исследуются лишь периодические процессы. Для получения их изображения на экране, как правило, используется так называемый режим непрерывной развертки. Рассмотрим работу осциллографа в этом режиме.

Пусть на пластины Y подается исследуемый периодический сигнал, например, uy=U0 sin t. Если на пластины Х при этом подать линейно растущее напряжение с таким коэффициентом k , чтобы луч прошел весь экран по горизонтали за время, равное периоду сигнала T=2 / , то на экране появится изображение одного периода синусоиды (рис.2.3.2). Дальнейший рост напряжения ux уже ничего не дает, так как луч уходит за экран, т.е. картинка мелькнет и исчезнет. Чтобы изображение синусоиды на экране было постоянным, надо в момент достижения лучом точки 2 быстро сбросить напряжение ux до нуля и снова равномерно его увеличивать, т.е. на пластины X надо подать пилообразное напряжение с периодом исследуемого сигнала Т, как показано на рис.2.3.3 сплошной линией. Тогда при достижении точки 2 луч почти мгновенно вернется в точку 1 и по тому же

следу прочертит на экране второй цикл синусоиды 2-3 (рис.2.3.3). Далее процесс многократно повторяется и на экране будет постоянное изображение одного периода синусоиды. Период пилообразного напряжения может быть в общем случае кратен периоду исследуемого сигнала, если кратность равна N, то на экране будет N циклов сигнала. На рис.2.3.3 пунктиром изображен вариант N=2, так что на экране в этом случае будет два цикла, т.е. весь участок 1-3.

Пилообразное напряжение в осциллографе вырабатывает генератор развертки. Режиму непрерывной развертки соответствует автоколебательный режим работы генератора, когда “пила” вырабатывается постоянно без внешнего воздействия на генератор. Скорость развертки (т.е. горизонтальную компоненту скорости луча по экрану) можно регулировать ступенчато и плавно соосны-

ми ручками “время/дел” и “плавно” от 100 нс/дел до 50 мс/дел.

В осциллографе предусмотрен также режим ждущей развертки, при котором генератор пилообразного напряжения запускается некоторым внешним по отношению к нему синхроимпульсом только на один шаг “пилы”. Если синхроимпульсы следуют в генератор периодически, то и “пила” будет вырабатываться с периодом этих импульсов. Синхроимпульсы поступают в генератор развертки из блока синхронизации (рис.2.3.1), который в свою

очередь формирует их либо из внешних синхроимпульсов, подаваемых на вход X осциллографа (два нижних положения ключа K1 на рис.2.3.1), либо из напряжения с сетевой частотой 50 Гц, либо же из части исследуемого сигнала (верхнее положение ключа K1). Режим ждущей развертки полезен при изучении формы коротких сигналов длительности с, следующих с очень большим периодом: с Т. При непрерывной развертке в этом случае мы увидели бы на экране лишь узкие пички с неразличимой структурой.

Есть в осциллографе и редко используемый режим ручного однократного запуска развертки. Он бывает удобен при исследовании очень медленных процессов (порядка секунды). Генератор развертки в этом режиме запускается на один период нажатием кнопки “готов” при свечении в ней лампочки.

Режим работы генератора развертки задается на передней панели осциллографа переключателем “авт., ждущ., однокр.”, что соответствует непрерывному, ждущему и ручному (однократному) запуску генератора. На рис.2.3.1 первые два режима обозначены в переключателе K2, а последний режим не указан. Ключ K3 позволяет ступенчато увеличивать частоту генератора развертки в 10 раз (множитель “0,1”), а также переключить осциллограф в режим развертки от внешнего напряжения, подаваемого на вход X. В этом случае внешний сигнал с входа X подается на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ по цепи: — входной делитель — усилитель канала Х — ЭЛТ (рис.2.3.1). При этом ключ K1 устанавливается в одно из нижних положений, а ключ K3 — в левое. На передней панели осциллографа это соответствует установке переключателя “ 1, 0,1, X” в положение “ X”, а переключателя синхронизации “внутр., сеть, 1:1, 1:10” - в положение “1:1” или “1:10”.

2.3.2.3. Блок синхронизации

Блок синхронизации служит для обеспечения неподвижности изображения сигнала на экране ЭЛТ. Это достигается следующим образом. Чтобы изображение на экране оставалось неподвижным, надо чтобы период развертки был равен или кратен периоду исследуемого сигнала:

Однако точно это условие никогда не выполнится в силу ограниченной стабильности генераторов, и при малейшем его нарушении изображение на экране будет перемещаться влево или вправо, превращаясь в сплошное мелькание при возрастании этого нарушения. Действительно, пусть период развертки немного больше периода сигнала (рис.2.3.4). Тогда при каждом очередном прямом ходе луча сигнал на экране будет разворачиваться с некоторым запаздыванием по фазе по сравнению с предыдущим циклом развертки, т.е. если сначала

сигнал разворачивался от точки 1, то во втором цикле — уже от точки 2, в третьем — от точки 3 и т.д. Таким образом, на экране мы увидим как бы двигающееся влево изображение отрезка синусоиды, длина которого определяется скоростью развертки (наклоном пилы генератора развертки). На рис.2.3.4 показано несколько последовательных циклов изображения отрезка синусоиды при нарушенной синхронизации.

Для обеспечения точной кратности частот исследуемого сигнала и пилообразного напряжения, т.е. для поддержания на экране совершенно неподвижного изображения, в осциллографе и установлен блок синхронизации. Сущность синхронизации состоит в том, что запуск развертки производится, всегда начиная с некоторого уровня исследуемого сигнала, который устанавливается регулятором “уровень” в блоке синхронизации. Так как один и тот же уровень запускающего сигнала достигается

как при росте, так и при спаде напряжения, в блоке синхронизации установлен тумблер “ “, который позволяет выбрать нужный участок для запуска развертки. Когда тумблер включен

в положение “+”, развертка синхронизируется для растущей части исследуемого сигнала, а в положении “ “ — для спадающей части сигнала.

Управлявший частотой развертки сигнал формируется в блоке синхронизации от одного из трех источников:

1)из части напряжения исследуемого сигнала (внутренняя синхронизация);

2)от напряжения сетевой частоты 50 Гц (синхронизация от сети);

3)от синхронизирующего сигнала какого-либо внешнего устройства (внешняя синхронизация).

Выбор источника синхронизации осуществляется переключателем “внутр., сеть, 1:1, 1:10” (в положении “1:10” внешний синхронизирующий сигнал ослабляется в 10 раз).

2.3.2.4. Усилитель канала X

Усилитель Х предназначен для усиления пилообразного напряжения генератора развертки или сигнала, непосредственно подаваемого на вход X осциллографа. С выхода усилителя X напряжение поступает на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. В схеме усилителя Х предусмотрено умножение скорости развертки в 10 раз. Коэффициент умножения устанавливается переключателем “ 1, 10”. В положении “ X” генератор развертки отключается и устанавливается прямая связь входа Х осциллографа с усилителем канала Х (см.

рис.2.3.1).

2.3.2.5. Калибратор.

2.3.2.6.Некоторые технические характеристики осциллографа

1.Рабочая часть экрана: 64 80 мм (8 10 дел).

2.Ширина линии луча: 0.6 мм.

3.Характеристики канала Y:

а) полоса пропускания: 0-10 МГц; б) входное сопротивление: 1 МОм; в) входная емкость: 25 пФ;

г) максимальная амплитуда исследуемого сигнала: 60 В; д) минимальное значение исследуемого сигнала, при котором обеспечивается класс точности осциллографа: 15 мВ.

е) предел погрешности измерения амплитуды сигналов при размере изображения по вертикали от 3 до 6 делений шкалы составляет 5%.

ж) предел погрешности измерения временных интервалов при размере изображения по горизонтали от 4 до 10 делений шкалы составляет 5%.

4. Характеристики канала X:

а) полоса пропускания: 20 Гц — 3 МГц; б) входное сопротивление: 1 МОм; в) входная емкость: 50 пФ;

г) цена деления экрана по горизонтали: не более 0.3 В/дел;

5. Задержка изображения сигнала относительно начала развертки на экране: не менее

40 нс.

6. Время выхода на технические характеристики после включения тумблера “сеть”: 15

мин.

2.3.3.Описание органов управления

2.3.3.1.Органы управления ЭЛТ.

регулятор фокусировки луча (четкости изображения).

регулятор яркости изображения.

регулятор освещения шкалы экрана.

2.3.3.2. Органы управления канала Y

“V/дел” — ступенчатый переключатель цены деления экрана по вертикали.

“плавно” — плавный регулятор цены деления экрана по вертикали. При точных измерениях амплитуды этот регулятор должен быть повернут по часовой стрелке до щелчка.

“ “ — смещение изображения на экране по вертикали.

“ , , ~” — выбор способа подачи исследуемого сигнала на вход усилителя Y: “ “ — все составляющие входного сигнала проходят на вход усилителя Y;

“ “ — заземляет входную цепь усилителя, оставляя незаземленным входной сигнал; “~” — пропускает только переменную составляющую входного сигнала.

“ “ — входное гнездо для подачи исследуемого сигнала. “ “ — корпусная клемма.

2.3.3.3. Органы управления синхронизацией

“ “ — выбор режима синхронизации развертки:

“+” — синхронизация развертки по фронту импульса; “ “ — синхронизация развертки по спаду импульса.

“ , ~” — установка режима запуска блока синхронизации: “ “ — проходит любой запускающий сигнал от 0 до 50 МГц;

“~” — проходит только переменная составляющая сигнала частотой более 30Гц. “уровень” — регулятор уровня относительно исследуемого сигнала, при котором происходит запуск развертки.

“ВЧ” — регулятор устойчивости изображения сигнала частотой свыше 10МГц. “внутр, сеть, 1:1, 1:10” — выбор источника синхросигнала:

“внутр” — развертка синхронизируется частью исследуемого сигнала, поступающей из канала Y;

“сеть” — развертка синхронизируется сигналом с частотой питающей сети; “1:1” — развертка синхронизируется внешним сигналом; “1:10” — внешний синхросигнал ослабляется в 10 раз.

“ X” — входное гнездо для внешнего синхросигнала. Это гнездо используется также в качестве внешнего входа канала X, когда переключатель “ 1, 10, X” установлен в положе-

ние “X”.

2.3.3.4. Органы управления разверткой

“время/дел” — ступенчатый переключатель цены деления по горизонтали.

“плавно” — плавный регулятор цены деления по горизонтали. При точных измерениях временных интервалов этот регулятор должен быть повернут вправо до щелчка.

“ “ — ручки “грубо” и “плавно” регулируют положение изображения по горизонтали. “ 1, 0,1, X” — переключатель вида развертки:

“ 1” — скорость развертки соответствует положению переключателя “время/дел”; “ 0,1” — скорость развертки увеличена в 10 раз за счет растяжки центрального участка изображения;

2.Ручками «яркость» и «фокус» установить среднюю яркость и хорошую четкость этой линии.

3.Ручкой “ “ совместить линию развертки с центральной горизонтальной линий сетки экрана.

4.Перевести переключатель “ , , ~” в положение “ “.

2.3.4.3.Измерения с калибратором

1.Подать сигнал калибратора на вход Y: для этого соединить коаксиальный кабель с гнездом входа Y, а сигнальный провод кабеля подключить к выходу калибратора (подклю-

чать общий провод с маркировкой “ “ к выходу калибратора нет необходимости, т.к. общим проводом служит металлический корпус осциллографа). Ручкой “уровень” добиться устойчивого изображения меандра на экране.

2.Выставив изображение ручками “ “ в удобное положение, измерить по показанию переключателя “время/дел” период меандра Т (мс), а по показанию переключателя “В/дел”

—его амплитуду U0 (В). Вычислить частоту f=1/Т и сравнить результат с эталонным значением частоты калибратора.

Изображение на экране можно растягивать и сжимать по вертикали и горизонтали ручками “плавно”, однако, как отмечалось, параметры изображения на экране отвечают калиброванным значениям только при поворотах ручек “плавно” по часовой стрелке до щелчка.

3.Откалибровать экран по горизонтали, т.е. определить цену деления x (В/дел) по входу X. Для этого:

а) переключатель “калибратор” установить на 0,5 В;

б) переключатель “ 1, 0,1, X” — в положение “ X”;

в) переключатель “внутр, сеть, 1:1, 1:10” — в положение “1:1”. Теперь генератор развертки отключен, сигнал калибратора не разворачивается и виден на экране короткой вертикальной черточкой высотой 0.5 В. Ручками “ “ установить ее в левой части экрана.

г) переключить коаксиальный кабель, идущий от калибратора, с гнезда входа канала Y на гнездо входа канала X.

Теперь сигнал калибратора качает луч по оси X. Черточка на экране станет горизонтальной (она будет видна скорее как две яркие точки, соединенные очень бледной линией). Чтобы не прожечь люминофор, яркость этих точек надо убавить. Если расстояние между точками меньше половины экрана, то установить на выходе калибратора напряжение 1 В.

д) регулятором “ “ выставить точки в удобное положение и определить цену деления экрана по горизонтали x (В/дел);

е) перевести переключатель “внутр, сеть,1:1,1:10” в положение “1:10” и убедиться, что расстояние между точками уменьшилось в 10 раз;

ж) отсоединить кабель от калибратора и от входа X.

2.3.4.4.Измерения параметров синусоидального напряжения

1.Установить ручки управления канала Y:

“В/дел” — в положение “5 В/дел”; “плавно” — по часовой стрелке до щелчка; “ , , ~” в положение “ “.

2.Установить ручки управления синхронизацией и разверткой в те же положения, что и в п.3 и 4 раздела 2.3.4.1, переведя только переключатель “время/дел” в положение “5 мс/дел”.

3.Ручкой “ “ совместить линию развертки с центральной горизонтальной линией сетки экрана.

4.Включить низковольтный источник синусоидального напряжения (например, понижающий трансформатор) и подать его выходное напряжение на гнездо входа Y осциллографа. На экране должна наблюдаться синусоида. Ее устойчивость регулируется ручкой син-

хронизации “уровень”, а сама синхронизация может быть как внутренней (“внутр”), так и от сети (“сеть”).

5.Переключателями “В/дел” и время/дел” отрегулировать изображение так, чтобы синусоида занимала по вертикали большую часть экрана, а по горизонтали помещались один-два периода.

6.По положению переключателя “В/дел” и вертикальному размеру синусоиды на экране определить ее амплитуду U в вольтах, а затем и эффективное значение напряжения ис-

точника Uэф=U/ 2

7.Измерить период синусоиды в делениях шкалы экрана как расстояние, например, между двумя ее максимумами, и с учетом показания переключателя “время/дел”, определить

еепериод Т в секундах, а затем и частоту напряжения источника f =1/Т (Гц).

8.Выключить источник синусоидального напряжения и отсоединить от него кабель.

2.3.4.5. Измерения параметров импульсного сигнала

Целью этого раздела является измерение амплитуды U , периода Т (частоты f) и длительности прямоугольных импульсов на выходе генератора импульсов.

1.Положения ручек управления те же, что и в п.2.3.4.4, только вход Y надо загрубить до 10 В/дел (так как амплитуда входного сигнала заранее неизвестна), а синхронизацию установить внутренней (“внутр”).

2.Соединить коаксиальным кабелем выходное гнездо генератора с входом Y осциллографа. Включить генератор импульсов. На экране, скорее всего никаких импульсов видно не будет. Это потому, что их на экране помещается, возможно, сотни или тысячи, а может и

ни одного. А их длительность может быть такой маленькой, что, если они и различимы на экране, то лишь в виде вертикальных линий.

3.Манипулируя переключателем “время/дел” и регулятором “уровень”, установить на экране 3-4 импульса. Переключателем “вольт/дел” выставить их вертикальный размер удобным дая измерения. Сделать достаточной яркость и фокусировку.

4.По положениям переключателей “вольт/дел” и “время/дел” (их соосные плавные регуляторы должны быть выведены до щелчка по часовой стрелке) определить амплитуду U

ипериод следования Т импульсов.

5.Регуляторами “ “ (грубо и плавно) совместить фронт (участок нарастающего напряжения) первого из импульсов с центральной вертикальной линией экрана. Если это не

удается, переключить тумблер “ “ блока синхронизации в другое положение и, вращая ручку “уровень”, добиться требуемого результата. Переключателем “время/дел” растянуть импульс на несколько делений шкалы по горизонтали. Измерить длительность импульса.

2.3.4.6. Представление результатов

Для отчета представляются осциллограммы меандра калибратора, а также синусоидального и импульсного сигналов с указанием всех их измеренных параметров.

2.3.5.Контрольные вопросы

1.Назначение универсального осциллографа и некоторые его предельные возможности.

2.Принцип формирования изображения сигнала в режиме непрерывной развертки.

3.Принцип формирования изображения сигнала в режиме ждущей развертки. Привести пример сигнала, для наблюдения которого необходимо использовать именно ждущую развертку.

4.Назначение калибратора. Какую форму и частоту имеет выходной сигнал калибратора?

5.Объяснить необходимость синхронизации развертки.

6.Устройство ЭЛТ и назначение ее узлов.

2.3.6. Литература

Осциллограф универсальный С1-65. Техническое описание и инструкция по эксплуа-

тации. И22.044.042 ТО, 1985 г.