Лабы / Описания работ справки / Labwork(measuring)3-13-2

Работа 3.2

Измерения с помощью электронно-лучевого осциллографа

Оборудование: электронно-лучевой осциллограф С1-65А, генератор сигналов типа GFG 8255, генератор сигналов Г6-28, блок питания Б5-49 и набор панелей (макетов) со схемами для выполнения упражнений.

Функциональные узлы осциллографа С1-65А

На рис. 22 приведен вид передней панели осциллографа С1-65А, используемого в работе. Органы управления сгруппированы по функциональным блокам.

Рис. 22. Панель осциллографа С1-65А. Фукнкциональные блоки:

I – блок ЭЛТ (электронно-лучевой трубки) с органами управления лучом; II – блок входного усилителя (вход Y);

III – блок развертки;

IV – блок синхронизации; V – калибратор;

VI – сеть

С функциональным назначением узлов необходимо ознакомиться в разделе ″Общие сведения об осциллографах″. Здесь отметим только назначение органов управления и основные особенности этих блоков, обусловленные применением электронно-лучевой трубки и аналоговой системы усиления и регистрации сигналов.

Блок I – ЭЛТ (см. рис. 2) 4. Две верхние ручки управления служат для настройки четкости и яркости луча; третья ручка – для подсветки шкалы (при фотографировании сигнала), нижний регулятор "под шлиц" – для устранения астигматизма изображения.

Блок II – входной усилитель (п. 2.4 раздела ″Общие сведения об осциллографах″).

1)Регулировка "под шлиц" со значком ▼ служит для подстройки усиления в режиме "калибровка усилителя". Для этого на вход осциллографа подается сигнал известной величины с выхода блока V – "Калибратор".

2)Регулировка "под шлиц" с надписью "баланс" служит для подстройки нуля входного усилителя постоянного тока 5.

3)Регулировка "V/дел" – двойная: внешняя ручка служит для переключения диапазона усиления, внутренняя – для плавной регулировки усиления в пределах выбранного диапазона.

Внимание: цена деления, указанная против соответствующего положения переключателя чувствительности, действительна только в том случае, если внутренняя ручка переключателя повернута по часовой стрелке "до щелчка"!

4)Переключатель " ~" (см. рис. 4) служит для установки ре-

жима входа:

" " – переменная и постоянная составляющие сигнала,

" " – заземление входа усилителя Y (но не входного сигнала!), "~" – только переменная составляющая сигнала (низкочастот-

ный предел переменной составляющей – 1, 6 Гц).

4Это специфический блок, отсутствующий в цифровых осциллографах, использующих дисплей.

5Необходимость этих подстроек связана с особенностями аналоговых усилителей постоянного тока. Инструкцию по настройке можно найти в Техническом описании осциллографа.

Блок III – развертки (п. 2.1 раздела ″Общие сведения об осциллографах″).

1)Верхний переключатель вида развертки имеет три положения: ×1 – обычная развертка, соответствующая положению пере-

ключателя диапазона "время/дел"; ×0,1 – увеличивает скорость развертки в 10 раз по сравнению

суказанной на переключателе диапазона 6;

→Ɔ Х – режим "ХY": генератор развертки отключен, внешний сигнал развертки подается на вход Х блока синхронизации.

2)Регулировка "время/дел" – двойная: внешняя ручка служит для ступенчатого переключения временного диапазона развертки, внутренняя – для плавной регулировки в пределах выбранного диапазона.

Внимание: цена деления, указанная против соответствующего положения переключателя, действительна только

втом случае, если внутренняя ручка переключателя повернута по часовой стрелке "до щелчка"!

3)Ручки регулировки со значками ▼ и ▼▼ – плавное и грубое смещение луча по горизонтали.

4)Справа от этих ручек – переключатель режима развертки: автоматическая, ждущая и однократный запуск соответственно (сверху вниз). Повторный однократный запуск осуществляется после нажатия кнопки "Готов". Свечение лампочки на этой кнопке означает, что осциллограф готов произвести однократную развертку поступающим на вход Y сигналом.

5)Регулировка "под шлиц" используется для точной настройки значений развертки, указанных на переключателе диапазона. Для этого используется сигнал, вырабатываемый блоком "Калибратор".

6)Выходной разъем "C→ " – выход сигнала генератора пилообразного напряжения (может быть использован для вспомогатель-

6 Реально увеличивается не скорость развертки, а производится растяжка изобра-

жения сигнала в 10 раз. При этом смещением изображения ручками ▼ и ▼▼ можно выбрать для растяжки любую часть изображения сигнала, полученного в режиме развертки, указанном переключателем диапазона развертки "время/дел".

ных целей, не связанных непосредственно с изображением и измерением параметров сигнала осциллографом).

Блок IV – синхронизации (п. 2.2 раздела ″Общие сведения об осциллографах″).

1)Две верхние ручки устанавливают уровень синхронизации ("ВЧ" – для высокочастотных сигналов с f ≥ 10 МГц).

2)Верхний переключатель устанавливает источник сигнала синхронизации:

"внутр." – от исследуемого сигнала (вход Y); "сеть" – 50 Гц от сети питания осциллографа; "1:1" и "1:10" – от сигнала, подаваемого на вход Х.

Положение "1:1" используется при сигнале синхронизации до 6 вольт, делитель 1:10 - при сигналах до 30 вольт. Если напряжение, подаваемое на вход X, превышает 30 вольт, используют выносной делитель.

3)Переключатель "±" устанавливает полярность сигнала запуска развертки (какой частью сигнала – положительной или отрицательной – осуществляется запуск).

4)Входной разъем "→Ɔ Х" – разъем входа синхроимпульса от внешнего источника. Этот же разъем используется в качестве входа "Х" (входа внешней развертки), если верхний переключатель блока

развертки стоит в положении "→Ɔ Х".

Блок V – калибратор 7. Блок генерирует прямоугольные сигналы фиксированной частоты f = 1 кГц с амплитудой калиброванной величины, устанавливаемой переключателем. Сигналы служат для подстройки усиления входного усилителя (блок II) и подстройки времени развертки (блок III) генератора пилообразного напряжения.

Задание 1. Включение осциллографа и настройка изображения

Цель: получить изображение луча и настроить его яркость и четкость (фокусировку) 8.

7Необходимость калибровки связана с особенностями аналоговой схемотехники, в частности, с некоторым изменением параметров схем в результате длительной эксплуатации.

8Цифровые осциллографы с дисплеем не нуждаются в этих настройках.

1) Включите сетевой тумблер и установите следующие положения ручек осциллографа:

•блок развертки: верхний переключатель развертки – в положение ×1; переключатель длительности 0,1 мс/дел, режим развертки "автоматический";

•блок синхронизации: синхронизация "внутр.", "уровень" – по часовой стрелке;

•блок входного усилителя: чувствительность – 0,1 В/дел.; ре-

жим входа " "; 2) На экране должна наблюдаться линия развертки. Если ее нет,

увеличьте до предела яркость луча и фокусировку (блок ЭЛТ) и ручками смещения луча ↕ и ↔ выведите луч в середину экрана. После этого ручками ″яркость″ и ″четкость″ отрегулируйте луч.

Задание 2. Освоение основных настроек осциллографа

Цель: освоить основные настройки для получения изображения исследуемого сигнала и научиться измерять его амплитуду и частоту.

1) Подключите выход генератора GFG 8255 к входу осциллографа. Установите на генераторе синусоидальный сигнал с частотой f = 1 кГц при среднем положении ручки регулировки амплитуды. Ручками усилителя Y "V/дел" и генератора развертки "время/дел" отрегулируйте изображение так, чтобы оно занимало по высоте примерно половину экрана.

2)Если изображение неустойчиво, то необходимо отрегулировать установку синхронизации. Проверьте устойчивость синхронизации при различной частоте и амплитуде сигнала генератора и при различном положении ручек управления синхронизации "ВЧ" и "уровень". Пронаблюдайте работу осциллографа при различных режимах запуска осциллографа – автоматическом, ждущем и однократном (блок развертки).

3)Освойте процедуру измерения амплитуды и частоты сигнала. Обратите внимание на то, что амплитуда равна половине двойного размаха синусоидального сигнала, а его частота f = 1/Т, где Т – период, измеренный на осциллографе. При измерениях не забывайте

45

устанавливать ручки плавных регулировок "V/дел" и "время/дел" в положение "до щелчка".

4) Используя блок V (калибратор), проверьте точность установки усиления и величины длительности регулировок "V/дел" и "время/дел" в использованных вами положениях переключателей. Для

этого соедините выход калибратора "C→" с входом осциллографа. Внимание: подстройку усиления и времени развертки соответствующими регуляторами "под шлиц" блоков усилителя и генератора развертки можно производить только с разрешения преподавателя.

Задание 3. Знакомство с генератором Г6-28

Цель: познакомиться с основными функциями и возможностями генератора Г6-28, используя осциллограф для наблюдения сигналов.

Генератор Г6-28 – многофункциональный прибор, обладающий наряду с основными рядом специальных функций. Ниже опишем только основные функции и органы их управления, размещенные на передней панели. Для их освоения подключите выход генератора "ОСНОВ" к входу осциллографа, включите генератор и осциллограф и проверьте действие ручек управления функциями генератора, по пунктам, описанным ниже.

•Все надписи на панели генератора выполнены в двух цветах: черным обозначены функции генератора, работающего в используемом нами режиме непрерывной генерации (НГ), более светлым – в ждущем режиме.

•Верхний переключатель режима работы в центре панели должен стоять в положении "НГ" – непрерывная генерация.

•Частота генерации устанавливается двумя ручками – переключателем "МНОЖИТЕЛЬ" и ручкой плавной регулировки "ЧАСТОТА Hz" (нижний ряд в центре панели).

•Справа от переключателя частоты находится переключатель формы сигнала: синусоидальный, треугольный, меандр (прямоугольный двухполярный со скважностью Q = 2) и пилообразный. Внутренняя ручка этого переключателя "АМПЛИТУДА" регулирует амплитуду выходного сигнала.

•Справа от переключателя формы сигнала находится переключатель "СМЕЩ. СИГН", позволяющий добавить к перемен-

46

ному сигналу постоянную составляющую. Левое положение этого переключателя – постоянная составляющая отсутствует; центральное – постоянная составляющая поступает от внутреннего источника (величина и полярность постоянной составляющей устанавливается внутренней ручкой, совмещенной с переключателем); правое положение – постоянная составляющая подается от внешнего источника, подключенного к разъему справа от переключателя. Для проверки функции добавления постоянной составляющей не забудьте переключить вход осциллографа в по-

ложение " ".

• В правом нижнем углу находятся два выходных разъема –

"ОСНОВ" и выход синхроимпульса "ʎ". Амплитуда генерируемого сигнала, поступающего на выходной разъем "ОСНОВ", помимо плавной регулировки ручкой "АМПЛИТУДА", совмещенной с переключателем формы сигнала, может ступенчато ослаб-

ляться переключением аттенюатора " " dB, расположенного над выходными разъемами. Величина ослабления сигнала КdB, выраженная в dB, означает: КdB = 20 lg К, где К – ослабление в "разах". Таким образом, ослабление на 20 дб означает уменьшение амплитуды сигнала в 10 раз, на 40 дб – в 100 раз и т.д. С помощью этого переключателя можно также установить два значе-

ния выходного сопротивления генератора – 50 и 600 Ом.

• Выход синхроимпульса "ʎ" обычно используется для синхронизации осциллографа (или другого устройства) с выходным сигналом генератора. Для этого в начале каждого периода гене-

рируемого сигнала генератор выдает на разъем "ʎ" синхроимпульс – острый пик положительной амплитуды ≈ 5 В (на нагрузку 1 МОм) и малой по сравнению с периодом длительности

(τ ≈ 0,2 мкс).

Задание 4. Исследование релаксационного генератора

Цель: научиться использовать осциллограф для исследования сигналов с постоянной и переменной составляющей; измерить пе-

47

Снимите зависимость частоты генерации и величин Uз, Uг от напряжения на входе Uвх (2…3 значения Uвх). Проверьте соответствие измеренной частоты генерации и рассчитанной по формулам 4.П, 5.П прил. 1.

6) Подумайте, в каком положении должен стоять переключатель режима входа осциллографа, если необходимо максимально точно измерить амплитуду генерации. Проверьте экспериментально, по-

меняв режим с " " на "~".

Задание 5. Измерение времени распространения сигнала в длинной линии

Цель: измерить время распространения сигнала по длинной линии; понять смысл включения согласующего переходника (согласованного сопротивления) при измерениях на высоких частотах.

1)Подключите выход синхроимпульса "ʎ" генератора Г6-28 к входу "Y" осциллографа и в режиме ждущей развертки пронаблюдайте форму синхроимпульса при частотах генератора ~ 0,1…1,0 МГц. Измерьте длительность сигнала синхроимпульса.

2)Используя тройник (разъем – разветвитель), подключите выход синхроимпульса генератора к входу "Y" осциллографа и к входу АА' макета "Длинная линия" (прил. 2) согласно рис. 24.

Г6-28

ʎ

L

КЗ

А

Y С1-65

Рис. 24. Макет "Длинная линия"

49

Регулируя частоту генератора в диапазоне 0,1…1,0 МГц, добейтесь устойчивой картины: на экране осциллографа наряду с изображением синхроимпульса должна наблюдаться серия импульсов, многократно отраженных от концов линии.

3)Вставьте в разрыв между разъемом кабеля и входом осциллографа согласующий переходник (50 Ом), как показано пунктиром на рис. 23. В этом случае вход длинной линии будет нагружен на волновое сопротивление и отражение от этого конца исчезнет. На экране будет наблюдаться только синхроимпульс и его отражение от конца длинной линии. Измерьте время t между падающим и отраженным импульсом. Рассчитайте скорость распространения сигнала

влинии: υ = 2L/t, где L – длина линии, обозначенная на макете.

4)Замкните свободный конец линии закороткой КЗ. В этом случае фаза отраженного сигнала должна поменяться на π, и отраженный сигнал "перевернется".

5)Подсоедините к свободному концу линии переменный резистор R и его регулировкой добейтесь максимально полного подавления отраженного сигнала. Это будет тогда, когда величина переменного сопротивления будет равна величине волнового сопротивления линии. Не меняя положения движка резистора, отсоедините его от линии и измерьте величину сопротивления с помощью мультиметра.

6)Измерения времени распространения сигнала в линии можно провести в режиме однократной развертки при запуске развертки внешним сигналом. Для этого, используя дополнительный разветви- тель-тройник, подайте синхроимпульс с генератора на вход внешней синхронизации осциллографа. Установите переключатель источника сигнала синхронизации в положение ″Внешн.″, 1:1, и ручкой регулировки уровня синхронизации получите на экране устойчивое изображение сигнала.

Содержание отчета

К отчету по работе представить.

1. Форму напряжения генератора на неоновой лампе, ее величины напряжении зажигания и гашения (задание 4). Знать: принцип возникновения релаксационных колебаний и определения их частоты по известным параметрам схемы (С, R0, Uвх).

50

2. Измеренное значение скорости распространения сигнала в длинной линии (задание 5). Знать: принцип его измерения, определение понятия "длинная линия", условия согласования линии, назначение согласованной нагрузки.

По результатам выполнения работы студент должен уметь перечислить основные функциональные узлы электронно-лучевого осциллографа и их назначение, уметь настроить осциллограф для работы в основных режимах (автоматической, ждущей развертки, в режиме регистрации одиночного сигнала, с открытым и закрытым входом).

Приложения к работе 3.2.

1. Макет "Релаксационный генератор"

Схема макета приведена на рис. 23, на рис. 25 – упрощенная схема, служащая для объяснения принципа действия релаксационного генератора.

Основа генератора – неоновая лампочка HL – стеклянная колба с двумя электродами, наполненная газом (неоном) при давлении в несколько десятков мм. рт. ст. В обычном состоянии газ является непроводящим, но когда напряжение между электродами достигает потенциала зажигания, газ ионизируется, и между электродами возникает электрический ток. Таким образом, в первом приближении можно считать, что лампочка имеет очень высокое сопротивление до зажигания заряда (R1 >>R) и весьма низкое R2 << R – после пробоя.

После замыкания ключа К конденсатор начинает заряжаться по экспоненциальному закону Uc1 = Uвх[1- exp(-t/RC)]. Когда напряжение на нем достигает напряжения зажигания Uз,, происходит пробой лампы, и ее сопротивление резко падает до малой величины R2. Конденсатор начинает разряжаться через лампу по закону

Uc2 = Uз exp (-t/R2C).

Поскольку R2 << R, время разрядки t1 << Т1 (рис. 25, б). Для процесса зарядки мы можем написать:

Общий период колебаний равен Т = Т1 + t1, но поскольку t1 << Т1, то при расчете периода колебаний мы можем им пренебречь и найти период Т ≈ Т1 из уравнений (3.П), разрешив их относительно

Т1:

Если Uвх в 1,5…2 раза больше Uз, то экспоненту в (3.П) мы можем разложить в ряд и взять только первый член разложения (на начальном участке экспоненты можно считать, что зарядка конден-

2. Макет "Длинная линия"

Схема макета «Длинная линия» приведена на рис. 26.

Подключение осциллографа к измерительной схеме производят с помощью коаксиальных кабелей. Проводники кабеля представляют собой систему коаксиальных цилиндров: внутреннего 1 и внешнего 2, разделенных цилиндрическим слоем диэлектрика 3 (рис. 27).

2 1

4 3

Рис. 27. Коаксиальный кабель

Внешний проводник одновременно играет роль экрана, защищающего сигнал от посторонних помех, поэтому обычно он соединяется с корпусом осциллографа. Снаружи кабель покрыт защитным изоляционным слоем 4.

Коаксиальные кабели (линии) служат не только для подключения измерительных приборов, но и для передачи сигналов на большие расстояния.

Если линия передачи имеет физическую длину L > λ, где λ = V/f – длина волны, V – скорость распространения сигнала в линии, f – частота сигнала, то такая линия называется длинной. Длинная линия характеризуется распределенными параметрами – погонной емкостью С, погонной индуктивностью9 L и волновым сопротивлением Z0. Если активными потерями в линии можно пренебречь, то линию можно представить в виде цепочки элементов L и C (рис. 28).

Рис. 28. Эквивалентная схема длинной линии

Физический смысл такого отображения линии заключается в том, что в каждой точке линии напряжение и ток в соответствии с соотношением U/I = Z составляют некоторое эквивалентное сопротивление, называемое волновым. Волновое сопротивление линии без потерь имеет чисто активный характер 10. Линия, волновое сопротивление в каждой точке которой одинаково, называется регулярной. Сигнал по такой линии распространяется без отражения: имеется только бегущая волна. Но на конце линии ВВ' условия меняются. Если линия разомкнута, то при любом напряжении в ней ток в сечении ВВ' всегда равен нулю. Такое нарушение регулярности приводит к тому, что сигнал отражается от конца линии и в линии существует как падающая, так и отраженная волна. Если линия в

9Погонная величина – величина, приходящаяся на 1 м длины.

10Если потерями не пренебрегать, то в каждое звено можно ввести погонное активное сопротивление R. Появится дополнительный фазовый сдвиг, но физический смысл останется прежним: комплексное сопротивление будет равно отношению комплексных величин напряжения к току.