1 Электронно-лучевые осциллографы

В производственной деятельности возникает необходимость не только в измерении тех или иных величин, но и в автоматической регистрации их значений. Для этой цели служат регистрирующие приборы.

В зависимости от числа одновременно регистрируемых величин:

- одноканальные , многоканальные.

В зависимости от формы записи различают

- самопишущие (запись в виде диаграмм) , печатающие;

- электронно-лучевые осциллографы (развертывание исследуемого

сигнала на экране электронно-лучевой трубки, цифровые осциллографы.

ЭЛО предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность исследования высокочастотных периодических и кратковременных однократно протекающих процессов.

Достоинства: широкий частотный диапазон, высокая чувствительность, большое входное сопротивление, незначительное потребление мощности от исследуемого объекта.

Типы ЭЛО:

универсальные (С1) , запоминающие (С8) , импульсные (С3) , цифровые (С9)

стробоскопические (С7)и др.

В основе работы ЭЛО лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране ЭЛТ. Это преобразование осуществляется путем управления движением пучка электронов исследуемого напряжения (электростатическое управление потоком электронов)

2 Электронно-лучевая трубка

К- подогреваемый катод, М – модулятор, А1 – фокусирующий анод (подается положительное напряжение 300 – 1000 В), А2 (напряжение 800 – 4000 В) – ускоряющий анод, ВП – вертикальные отклоняющие пластины, ГП – горизонтальные отклоняющие пластины, А – дополнительный анод (дополнительное ускорение электронов, для процессов с малой частотой повторения или однократных импульсов).

Основные характеристики ЭЛТ:

- чувствительность ЭЛТ – S_т = L_т/U_т (L_т отклонение луча на экране трубки, вызванное напряжением U_т);

- полоса пропускания – диапазон частот, в пределах которого коэффициент отклонения изменяется не более чем на 3 дБ;

- длительность послесвечения,рабочая площадь экрана , цвет свечения люминофора.

ОСНОВНОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ исследуемый сигнал – на вход Y, генератор развертки – включен, на экране – осциллограмма исследуемого сигнала.

Чувствительность осциллографа S_o по каналу Y и Х определяется наибольшей длиной светящейся линии на экране в мм, приходящейся на 1 В амплитудного значения входного напряжения. При синусоидальной форме напряжения длина линии на экране соответствует двойному амплитудному значению поданного напряжения.

Наблюдение формы электрических сигналов

1. Исследуемый сигнал подать на открытый вход Y, генератор развертки должен быть включен

[открытый вход Y ( ) – для исследования сигналов любой формы,

закрытый вход (~) – для исследования переменной составляющей сигнала].

2. Синхронизировать развертку в режиме внутренней синхронизации.

[– установить режим синхронизации «внутренняя»;

– вывести регулятор «уровень» до нуля;

– «стабильность» вывести до погашения экрана;

– ввести «уровень» до получения неподвижного устойчивого изображения].

3. Установить такую частоту развертки, чтобы на экране наблюдалось 2 или 3 периода исследуемого сигнала.

4. Для проведения измерений предварительно выполнить калибровку усилителя Y с помощью калибратора амплитуды

[– переключатель К₀ перевести в положение «Калибровка»

– при необходимости установить потенциометром «Чувствительность» необходимое отклонение (в делениях шкалы) между штриховыми линиями, созданными амплитудами напряжения калибратора].

3 Развертка в ЭЛО

Развертка – процесс перемещения луча в горизонтальном направлении в функции времени.

Для этого электронный луч смещается по оси Х с равномерной скоростью, что осуществляется подачей на ГП линейно нарастающего пилообразного напряжения, формируемого ГР.

Виды развертки: линейная, синусоидальная, круговая.

Типы развертки: непрерывная, ждущая.

Исследование сигналов в широком диапазоне частот обеспечивается переключением частоты пилообразного напряжения, предусмотренным в ГР.

Линейная развертка

Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа частота ГР должна быть кратной частоте исследуемого сигнала. Выдержать точно кратность частот на практике не удается вследствие самопроизвольного изменения частоты ГР и исследуемого сигнала. Для поддержания устойчивости изображения БС изменяет частоту ГР в соответствии с частотой исследуемого сигнала. Такой режим работы ГР называется непрерывным. Он применяется при наблюдении периодических сигналов.

Р еальная форма u_р:

Т_р = Т_пр + Т_обр

Т_пр – время прямого хода,

Т_обр – время обратного хода.

Чтобы осциллограмма не искажалась, на время обратного хода луча ЭЛТ гасится.

Синхронизация развертки

– для получения неподвижной устойчивой осциллограммы.

Синхронизация – процесс принудительного генерирования ГР напряжения с частотой (f_р), равной (кратной) частоте исследуемого сигнала (f_y).

Условие синхронизации: f_y = n f_p , T_p = n T_y (n – целое число).

Виды синхронизации: ♦ внутренняя; ♦ внешняя.

При исследовании непериодической последовательности импульсов. Одиночных импульсов или импульсов с большим периодом следования используют ждущий режим работы, при котором ГР вырабатывает пилообразный импульс только с приходом исследуемого импульса, что обеспечивает устойчивость изображения на экране. Такая синхронизация называется внутренней.

Синусоидальная развертка u_р = U_m sin ωt

Синусоидальное u_р → на вход Х (ГР отключается).

При синусоидальном u_вх → фигура Лиссажу.

Вид фигуры ← от соотношения частот и фазового сдвига между u_р и u_вх.

Круговая развертка

На пластины У и Х → синусоидальные u_р, одинаковой амплитуды и сдвинутые по фазе на 90°.Линия развертки в виде окружности или эллипса вращается со скоростью один оборот за период сигнала образцовой частоты.Исследуемый сигнал измеряемой частоты → в канал Z (на модулятор) для модуляции электронного луча по яркости.

Осциллограмма → штриховая окружность.

При равенстве частот f_y и f_x половина окружности не видна, а половина высвечивается. Если f_y > f_x на окружности появятся темные и светлые участки – штрихи. Число темных или светлых штрихов n равно кратности частот, откуда f_y=n f_x. Осциллограмма неподвижна только при точном равенстве или точной кратности частот, в противном случае она вращается и время одного оборота характеризует разность частот f_y и f_x.

Если измеряемая частота ниже образцовой, тогда в каналы Y и X через фазорасщепляющую цепь подают напряжение измеряемой частоты, а напряжение образцовой используют как модулирующее. В этом случае f_y= f_x/n.

При круговой развертке сравнивать частоты можно до кратности 50, а при фотографировании осциллограммы – до нескольких сотен.

4 Электронно-лучевые трубки характеризуются чувствительностью – отношением отклонения луча и напряжения на отклоняющих пластинах:

.

Отклонение луча h под воздействием напряжения U определяется следующим выражением:

,

где lТ – расстояние от отклоняющей пластины до экрана;

ln – длина пластины;

d – расстояние между пластинами.

Чувствительность пластин У – от 1 до 5 мм/В; Х – от 0,6 до 1 мм/В.

5 Канал вертикального отклонения луча

Канал «У» состоит из следующих узлов: аттенюатора, входного каскада, предварительного усилителя, линии задержки и оконечного усилителя. Перечисленные функциональные узлы выполняют следующие действия. Аттенюатор предназначен для калиброванного ступенчатого изменения коэффициента отклонения путем ослабления входного сигнала в 10, 100 и т.д. раз. Аттенюатор проектируется таким образом, что ослабление не должно зависеть от частоты. Он обеспечивает высокое входное сопротивление и малую входную емкость.

Входной каскад, на который поступает сигнал с аттенюатора, предназначен для усиления исследуемых сигналов в полосе частот осциллографа при минимально допустимых амплитудных, частотных и фазовых искажениях. В предварительном усилителе осуществляется регулировка коэффициента усиления и перемещения луча по вертикали.

Линия задержки состоит из ряда LC-звеньев, соединенных по схеме фильтра нижних частот. Вход и выход линии задержки нагружаются на сопротивления, равные ее волновому сопротивлению, благодаря чему линия задержки вносит минимальное искажение исследуемого сигнала.

Оконечный усилитель предназначен для создания двух симметричных противофазных напряжений, достаточных для отклонения луча электронно-лучевой трубки в пределах экрана по вертикали.

Канал горизонтального отклонения луча

Для непрерывной развертки формируется периодическое пилообразное напряжение, которое синхронизируется с исследуемым сигналом. Для ждущей развертки импульсы пилообразной формы получаются путем запуска формирующего устройства вспомогательным или исследуемым сигналом.

В канал «Х» входят: селектор синхронизации, генератор развертки и усилитель.

Генератор развертки состоит из формирующего устройства, управляющего устройства, устройства формирования пилообразных импульсов, устройства сравнения и блокировки.

Формирующее устройство преобразует сигналы синхронизации различной формы в стабильные по характеристикам импульсы, параметры которых не зависят от формы входных сигналов синхронизации. Управляющее устройство формирует регулируемый прямоугольный импульс. Длительность импульса определяет время прямого хода луча. Запускающий импульс переводит управляющее устройство из исходного состояния в рабочее, и в устройстве пилообразных импульсов нарастает напряжение прямого хода. Это напряжение подается на усилитель и одновременно на устройство сравнения и блокировки. При достижении пилообразным напряжением установленного уровня сравнения, управляющее устройство возвращается в исходное состояние и прямой ход прекращен.

Синхронизация и запуск развертки осуществляется специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации. Различают внутреннюю и внешнюю синхронизацию. При внутренней синхронизации синхроимпульсы вырабатываются из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней синхронизации – сигнал синхронизации подают на специальный вход осциллографа от внешнего источника

6

калибраторы амплитуды.Назначение и принцип действия

ниже смотри

7

калибраторы длительности. Назначение и принцип действия

Калибраторы амплитуды и длительности – контроль и установка коэффициентов отклонения и развертки. Калибраторы представляют собой генераторы прямоугольных импульсов с известными амплитудой и частотой. Изменяя коэффициенты усиления соответствующих усилителей добиваются нормированного отклонения луча на экране, что приводит к установке соответствующего коэффициента отклонения. По периоду калибровочного импульса можно проверить и установить нормированное значение коэффициента развертки.

8

основные виды синхронизации в ЭЛО

Синхронизация – процесс принудительного генерирования ГР напряжения с частотой (f_р), равной (кратной) частоте исследуемого сигнала (f_y).

Условие синхронизации: f_y = n f_p , T_p = n T_y (n – целое число).

Виды синхронизации: ♦ внутренняя; ♦ внешняя.

При исследовании непериодической последовательности импульсов. Одиночных импульсов или импульсов с большим периодом следования используют ждущий режим работы, при котором ГР вырабатывает пилообразный импульс только с приходом исследуемого импульса, что обеспечивает устойчивость изображения на экране. Такая синхронизация называется внутренней.

При исследовании коротких по длительности импульсов начинает проявляться инерционность ГР, который вырабатывает пилообразное напряжение с некоторым запаздыванием t_ГР по отношению к запускающему импульсу. При этом начальная часть исследуемого сигнала не разворачивается во времени и не видна на экране. Для устранения этого явления в усилителе вертикального отклонения предусмотрена линия задержки ЛЗ, которая задерживает сигнал, подаваемый на отклоняющие пластины, на некоторое время t_ЛЗ > t_ГР. Такая задержка позволяет получить на экране осциллографа изображение всего импульса, включая его начальную часть.

9

применение ЭЛО для измерения параметров электрических сигналов

(амплитуда, частота, период и т.д.)

Измерение напряжений

• Синусоидальное напряжение

Р азвертку отключить:

U_m = (y/2) К₀ .

• Несинусоидальное напряжение

При включенной развертке: u_i = y_i К₀ .

• При наличии постоянной составляющей

С начала подать сигнал на открытый вход Y,

затем на закрытый.

U₀ = y₀ К₀ .

Переменная составляющая измеряется при закрытом входе.

Точность измерения напряжения 3 .

Измерение токов и сопротивлений

Ток измеряется с помощью образцового шунта:

I_m = U_m0 / R₀

(R₀ << Z_н)

Для нахождения Z_н измерить U_m0 и U_mн :

Z_н = R₀ U_mн / U_m0 .

Измерение временных интервалов и скорости изменения напряжения

Временной интервал:

• при линейной развертке:

t = x K_p ;

• с помощью калибратора длительности:

t = n Т_к .

С корость изменения напряжения:

Измерение частоты

• при линейной развертке

• при синусоидальной развертке

на вход Y – напряжение измеряемой частоты f_y,

на вход X – напряжение известной частоты f₀, развертку отключить.

Изменять f₀ до получения неподвижного эллипса:

f_y = f₀ .