Мета роботи

1.Вивчити блок-схему осцилографа і принцип його роботи, навчитися користуватися осцилографом, перевіряти калібровку підсилювачів вертикаль-ного і горизонтального відхилення.

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

Теоретичні відомості

Електронні осцилографи застосовуються для дослідження періодичних електричних сигналів в діапазонах частот від 0 до 1000 мГц залежно від типу осцилографа. Електронні осцилографи мають такі основні вузли: електронно-променеву трубку; блок живлення; вхідний атенюатор (подільник напруги); підсилювачі горизонтальної і вертикальної розгортки; генератор безперервної розгортки. Узагальнену блок-схему осцилографа подано на рис.1. Електронно-променева трубка являє собою скляну колбу, з якої викачане повітря. В ній розміщено підігрівний катод, керуючий електрод (модулятор), прискорюючий А2 і фокусуючий А1 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 дістати 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 пластин зліва направо з частотою, що дорівнює частоті прикладеної напруги. При частоті понад 20 Гц на екрані буде світла смужка у вигляді відрізка прямої. Щоб не було видно оберненого ходу променю, на цей час від генератора " гасіння променю" на модулятор надходить імпульс негативного потенціалу і запирає його (див. рис.1). Одночасно на пластини Y-Y підведено досліджувану напругу, в результаті чого електронний потік відхилятиметься і по вертикалі. Таким чином отримаємо візуальне зображення досліджуваного сигналу. Оскільки досліджуваний сигнал може бути малий (кілька мілівольт) і великий (до 300 В), в осцилографах встановлюють подільник напруги (або виносний подільник напруги), що дає можливість ослабити великий сигнал. Для підсилення малого сигналу застосовують підсилювач вертикальної розгортки. Одним із найважливіших параметрів підсилювача вертикального в ідхилення 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 дільника. Ручки керування цими вузлами виведено на передню панель.

Рис.1. Узагальнена структурна схема осцилографа: 1. Подільник напруги. 2. Підсилювач вертикальної розгортки. 3. Електронно-променева трубка. 4. Ге-нератор гасіння променю. 5. Підсилювач горизонтальної розгортки. 6. Вузол синхронізації. 7. Генератор безперервної розгортки. 8. Випрямляч високої напруги.

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 τ_п. В осцилографах тривалість прямого ходу задають у вигляді коефіцієнтів розгортки К_р= τ_п /L, де L – довжина відрізку горизонтальної осі, яка відповідає тривалості τ_п. Чисельне значення коефіцієнтів вказують на лицевій панелі приладу. Швидкість розгортки вибирають перемикачем “час/под”.

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

Обчислюють це формулами:

F=1/T; T=1/F,

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 у канал горизонтального відхилення безпосередньо через розняття (“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 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 установчого переміщення світлового променю по екрану осцилографа до пластин горизонтальної і вертикальної розгорток підводять постійну напругу, яку регулюють потенціометрами. Регулюючи їх потенціал, досягають потрібного розміщення променю на екрані.

Основним критерієм вірогідності вимірів є відповідність осцилограми напруги досліджуваного сигналу. Виконання цієї вимоги залежить не тільки від типу використовуваного приладу, але й від правильності його під’єднання до об’єкта дослідження, вибору режимів роботи, використання певного виду синхронізації розгортаючої напруги і т. п. 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 атеню-атора. Чим менше це значення, тим вища чутливість і більший розмах осцилограми на екрані електропроменевої 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 напругами краще використовувати спеціальні зовнішні дільники напруги, що дозволить значно підвищити максимальну межу досліджуваної напруги та зберегти осцилограф від можливих пошкоджень.

Смуга пропускання каналу вертикального відхилення (ΔF = F_B – F_H) визначається верхньою граничною частотою F_B, бо 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 вірогідності 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 ΔF ≥ 1,75/ τ_Ф, де ΔF – МГц, τ_Ф – тривалість фронту прямокутного імпульсу, мск.; для трикутних -ΔF ≥ 3,5•τ_Ф; гармонічних (синусоїдальна напруга) -ΔF ≥ τ_Ф.

Від значення співвідношення вхідного опору джерела сигналу, до якого під’єднують 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.