Завдання та порядок виконання роботи

1. Вивчити призначення, принцип дії та принципову схему вольтметра типу В7-21, В7-34А.

2. За принциповою схемою побудувати структурну схему.

3. Вивчити характеристику приладу згідно технічного опису та технічного паспорту.

4. Вивчити регламент проведення вимірювань напруг та провести експериментальні вимірювання в інтервалі 0,1В - 100В.

Контрольні запитання

1. Навести класифікацію вольтметрів за вхідним та вихідним сигналами.

2. Пояснити перетворення вхідних величин по схемі на рис.1.

3. Пояснити перетворення вимірюємої величини по схемі на рис.2.

4. Пояснити перетворення вимірюємої величини по схемі на рис.4.

5. Навести основні переваги цифрових вольтметрів над аналоговими.

6. Провести розрахунок шкал аналогового та цифрового приладів для одержання похибки відліку 0,01% та 0,001%.

Література

1. Е.Г.Атамалян - “Приборы и методы измерения электрических величин”

М.: “Высшая школа”. 1989г.

2. Ф.Ф.Мейдза - “Электронные измерительные приборы и методы измерений”, М.: “Высшая школа”. 1990г.

3. В.И.Винокуров, С.И.Каплин, И.Г.Петелин - “Электрорадио-измерения”

М.: “Высшая школа”. 1986г.

4. В.А.Кузнецов - Справочник. “Измерения в электронике”. М.: “Энергоиздат”. 1987 г.

ВивЧеннЯ електронного осцилографа с1-99 ТеоретиЧнi вiдомостi

Електронно-променевi (електроннi) осцилографи призначенi для вiзуального спостереження, вимiрювання i реєстрацiї електронних сигналiв. Можливiсть спостереження сигналiв, що змiнюються в часi, робить осцилографи дуже зручними при визначеннi рiзноманiтних амплiтудних параметрiв сигналiв, що спостерiгаються. Важливими перевагами осцилографiв є широкий частотний дiапазон, висока чутливiсть i великий вхiдний опiр.

Все це обумовлює їх широке практичне використання. В теперiшнiй час випускається багато осцилографiв, якi вiдрiзняються призначенням i характеристиками. Осцилографи можуть бути призначенi для спостереження i вимiрювання безперервних або iмпульсних процесiв; велике розповсюдження отримали унiверсальнi осцилографи для спостереження перiодичних та неперiодичних сигналiв безперервного i iмпульсного характеру в широкому (до 100 МГц) дiапазонi частот. Випускаються також осцилографи спецiального призначення: багатофункцiональнi iз змiнними вхiдними блоками, якi використовуються для реєстрацiї одиноких iмпульсiв, стробоскопiчнi для дослiдження високочастотних процесiв та iншi. За кiлькiстю одночасно дослiджуємих сигналiв осцилографи можуть бути одноканальнi i багатоканальнi (в основному, двоканальнi). Останнiм часом отримали розповсюдження цифровi електроннi осцилографи.

Рис.1. Функцiональна схема осциллографа.

Осцилографи можуть вiдрiзнятися чутливiстю, смугою пропускання, похибкою вiдтворення форми кривої i iншими характеристиками.

Рис.2. Форма напруги лiнiйної розгортки.

Спрощена функцiональна схема осцилографа (мал. 1) включає в себе електронну променеву трубку ЕПТ, вхiдний дiльник напруги ВД, пiдсилювач вертикального вiдхилення ПВВ, що складається з попереднього пiдсилювача ПП, лiнії затримки ЛЗ i вхiдного пiдсилювача ВП, блок синхронiзацiї БС, генератор розгортки ГР, пiдсилювач горизонтального вiдхилення ПГВ, калiбратори амплiтуди КА i калiбратори тривалостi КТ.

Дослiджуваний сигнал подається на вхiд Y каналу вертикального вiдхилення, який включає в себе вхiдний дiльник i пiдсилювач вертикального вiдхилення. Вихiдна напруга ПВВ надходить на вертикально вiдхиляючі пластини, керує вiдхиленням променя в трубцi на осi X. Для отримання потрiбного розмiру зображення на екранi, вхiдний сигнал пiдсилюється (чи слабне) в каналi вертикального вiдхилення необхiдного значення , визначеного чутливiстю трубки. Послiдовне включення дiльника напруги i пiдсилювача вертикального вiдхилення забезпечує значний дiапазон дослiджуваних напруг. Основне вiдхилення ПВВ забезпечується попереднiм пiдсилювачем ПП, а вихiдний пiдсилювач ВП в основному служить для перетворення пiдсилюваного сигналу в керуючу напругу, що подається на вiдхилюючі пластини.

При подачi змiнної напруги на вхiд У, електронний промiнь викреслює на екранi осцилографа вертикальну лiнiю. Для отримання зображення дослiджувального сигналу, з розгорткою в часi, необхiдно змiщати (розгортати) промiнь по вiсi Х з рiвномiрною швидкiстю. Це здiйснюється подаванням на вiдхилюючі пластини ПГВ лiнiйно змiнної пилоподiбної напруги (рис.2). Принцип розгортки зображення iллюструє рис.3, де данi кривi змiни напруги Ux i Uy, що подаються на пластини ВПх i ВПу i при цьому отримується зображення на екранi осцилографа (цифрами 1-4, 1-4а позначаються точки кривих у вiдповiднi моменти часу).

Рис.3. Часовi дiаграми, що пояснюють отримання осцилограм при лiнiйнiй розгортцi.

З малюнка видно, що при рiвностi перiодiв напруг Ux i Uy на екранi отримується нерухоме зображення одного перiоду дослiджувального сигналу. При збiльшеннi перiоду пилоподiбної напруги на Ux в n раз на екранi з'явиться зображення n перiодiв дослiджувального сигналу. Напругу розгортки Uгр виробляє генератор розгортки ГР. Реальна крива напруги розгортки (див. рис.2) має час прямого та зворотнього хода - час повернення променю в вихiдне положення. Для того, щоб пiд час зворотнього ходу електронний промiнь не викреслював лiнiй на екранi осцилографа, його гасять на цей час шляхом подачi негативного iмпульса на модулятор дослiдження сигналiв в широкому дiапазонi частот забезпечується переключенням частоти пилоподiбної напруги, що передбачено в генераторi розгортки. Це дозволяє проводити спостереження дослiджуваних сигналiв в потрiбному моментi часу. Вихiдна напруга генератора пiдсилюється в ПГВ до значення, необхiдного для управлiння електронним променем в ЕПТ i отримання зображення потрiбного розмiру.

Для отримання стійкого зображення на екрані осцилографа, частота пилоподібної напруги розгортки повинна бути кратна частоті досліджуваного сигналу. Витримати точно кратність частот напруг Ux i Uy на практиці виявляється досить складно, внаслідок "відходу" частоти генератора ГР і зміни частоти досліджувального сигналу. Це приводить до постійного зображення сигналу. Для забезпечення стійкості зображення, в осцилографі є блок синхронізації БС (див. рис.1), який здійснює зміну частоти генератора ГР (в деяких межах) у відповідності з частотою досліджуваного процесу.

Для цього сигнал з каналу вертикального відхилення подається на блок синхронізації, на виході якого виробляються імпульси синхронно із зміною досліджуваного сигналу для управління генератором розгортки, примусово змушує його прицювати з частотою, кратною частоті вхідного сигналу. Такий режим роботи генератора розгортки називається безперервним. Він застосовується при спостереженні періодичних сигналів. При дослідженні неперіодичної послідовності імпульсів чи одиночних імпульсів, безперервний режим роботи приводить до того, що положення зображення на екрані по осі часу стає невизначеним. У цьому випадку застосовують чекаючий режим роботи генератора, при якому ГР виробляє пилоподібний імпульс тільки з надходженням досліджуваного імпульсу. При такому режимі забезпечується стійке положення зображення для імпульсів на екрані. Рис.4(а) іллюструє чекаючий режим роботи ГР, де показані вхідні імпульси Ug (рис.4(а)), пилоподібні імпульси Uгр (рис.4(б)) генератора розгортки і зображення на екрані осцилографа (рис.4(в)).

В осцилографах передбачається також можливість запуску генератора ГР від зовнішнього джерела (зовнішня синхронізація). Для цього маємо спеціальний вхід "Вхід синхронізації" і перемикач В₂.

Дослідження імпульсних і особливо неперіодичних сигналів має ряд особливостей. Зокрема, генератор розгортки, внаслідок своєї інерційності, виробляє пилоподібну напругу з деяким запізненням tгр по відношенню до того моменту часу, коли починається розгортка імпульса на екрані (рис.5(а)). Для усунення таких викривлень в каналі вертикального відхилення є лінія затримки ЛЗ, яка здійснює часове зрушення (затримку) на деякий час tз>tгр сигналу, що подається на пластини ОП (рис.5(б), де Uлз - напруга на виході ЛЗ). Така затримка дозволяє отримати зображення всього імпульсу, включаючи його початкову частину на екрані осцилографа. У низькочастотних осцилографах, призначених для дослідження періодичних процесів, лінія затримки може бути відсутня.

Для розширення функціональних можливостей осцилографа присутні додаткові входи, які дозволяють здійснити управління електронним променем.

Рис.4. Часові діаграми, які пояснюють отримання зображення сигналів при чекаючій розгортці.

Рис.5. Часові діаграми, які пояснюють призначення ліній затримки.

У багатьох осцилографах передбачена можливість управління відхиленням променя по осі Х рівномірною напругою. Для того у осцилографа є "Вхід Х" (див. рис.1), на який подається зовнішня керуюча напруга і перемикач В₃, який встановлюють у цьому випадку в нижнє (по схемі) положення. В осцилографах є в наявності також зажими "Вхід пластин Х" і "Вхід пластин Y", які дозволяють подавати зовнішню напругу безпосередньо на пластини електронно-променевої трубки. В деяких осцилографах є і вхід Z, який через розподільний конденсатор (чи спеціальний підсилювач) з’єднується з модулятором М електронно-променевої трубки. Подаючи імпульси напруги на цей вхід, можна модулювати (змінювати) яскравість зображення на екрані. Це дозволяє, наприклад, відмічати характерні крапки на зображенні, подаючи імпульси на вхід в потрібні моменти часу.

При вимірюванні амплітудних параметрів досліджуваних сигналів, зазвичай вимірюють відповідні геометричні розміри зображення сигналу на екрані із допомогою коефіцієнтів розгортки (див. далі), що характеризують чутливість каналів, визначають значення цих параметрів. Для підвищення точності вимірювань осцилографи мають калібратори амплітуди КА і дальності КД, що дозволяє контролювати і встановлювати номінальні значення коефіцієнтів відхилення і коефіцієнтів розгортки. Калібратори часто представляють собою генератори прямокутних імпульсів з відомими значеннями амплітуди і частоти. Для перевірки коефіцієнтів відхилення, перемикач (див. рис.1) стає в положення "калібровка". Змінюючи підсилення ПВВ, домагаються нормованого відхилення променю на екрані, що приводить до встановлення відповідного коефіцієнту відхилення. За періодом каліброваного імпульсу можна перевірити чи встановити нормоване значення коефіцієнту розгортки. У деяких осцилографах КД представляють собою стабільний по частоті генератор, вхід якого при вимірюванні підключається до модулятора ЕПТ. Сигнал генератора викликає появу на екрані світлих і темних ділянок, що чередуються. За їхнім числом, знаючи частоту генератора КД, можна визначити часові параметри досліджуваних сигналів.

Основні характеристики осцилографів. Коефіцієнт відхилення м_u - відношення напруги вхідного сигналу до відхилення променю (в поділках шкали), викликаний цією напругою. У найбільш розповсюджених осцилографах коефіцієнт відхилення знаходиться в діапазоні 50 МкВ/діл. - 10 В/діл. Коефіцієнт відхилення - це параметр, зворотній чутливості Su осцилографа до напруги: Su = 1/m_u.

Смуга пропускання - діапазон частот, в межах якого коефіцієнт відхилення змінюється більше, ніж на 3 дБ (приблизно 30%) відносно його значення на деякій середній (опорній) частоті. Для низькочастотних осцилографів смуга пропуску знаходиться в діапазоні від 0 до 1-5 МГц, для універсальних осцилографів верхня частота досягає десятків мегагерц, а для високочастотних - сотні мегагерц.

Для вимірювання імпульсних сигналів, важливими є параметри перехідної характеристики - час наростання перехідної характеристики і максимальний вихід.

Коефіцієнт розгортки m_t - є відношенням часу dt до відхилення променя, яке викликане напругою розгортки за цей час.

Зазвичай осцилографи мають широкий діапазон зміни коефіцієнту розгортки. Наприклад, у осцилографа С1-65 коефіцієнт розгортки знаходиться в діапазоні 0,01 Мкс/поділ.  0,05 с/поділ. Коефіцієнт розгортки - це параметр, зворотній швидкості переміщення променя по осі Х.

Основна похибка вимірювання напруги і основна похибка вимірювання часових інтервалів визначається максимально допустимими похибками вимірювання відповідних параметрів при поданні на вхід осцилографа стандартного сигналу синусоїдальної чи прямокутної форми. В залежності від значень цих похибок, випускаються осцилографи чотирьох класів точності - 1, 2, 3, 4, які мають, відповідно, основні похибки коефіцієнту відхилень і коефіцієнту розгортки, а також нелінійність відхилення і розгортки.

Параметри входів осцилографа визначаються вхідним активним опором Rвx і вхідною ємністю Cвх. Зазвичай Rвx > 1 МОм, а Cвx складає десятки пікофарад. Для високочастотних осцилографів Cвx складає одиниці пікофарад.

Осцилографи характеризуються і іншими параметрами, наприклад: максимально допустимою вхідною напругою, розмірами робочої частини екрану, споживчою потужністю, габаритами, масою тощо.