Цель. Изучение структурной схемы и устройства электронно-лучевого осциллографа, овладение навыками осциллографических измерений.
Назначение и устройство электронно-лучевого осциллографа (ЭЛО)
Осциллографы применяются для визуального наблюдения и измерения параметров периодических и импульсных электрических сигналов в широком диапазоне частот.
Осциллографы различают:
а) по назначению;
б) количеству одновременно исследуемых сигналов;
в) ширине полосы пропускания;
г) точности измерений;
д) характеру исследуемого сигнала и т.д.
По назначению осциллографы делят на: осциллографы универсальные (С1) ; осциллографы скоростные, работающие на частотах 100 МГц - 1 ГГц (С7); осциллографы запоминающие (С8); осциллографы специальные (С9).
По количеству одновременно исследуемых сигналов на – однолучевые, двухлучевые, многолучевые (многоканальные).
По ширине полосы пропускания ЭЛО делятся на низкочастотные (f верхн = 1 МГц), на среднечастотные (f верхн = 10 МГц), скоростные. Полоса пропускания дается при спаде АЧХ в 3 дБ.
По точности измерения временных интервалов и амплитуд осциллографы делятся на 4 класса точности (табл.1).
Таблица 1
Класс точности
Изм. амплит.
Изм. врем. интервалов
Нелин. АЧХ
Нелинейность
развертки
± 3 %
± 3 %
± 3 %
± 3 %
± 5 %
± 5 %
± 5 %
± 5 %
± 10 %
± 10 %
± 10 %
± 10 %
нет
нет
± 20 %
± 20 %
По характеру исследуемых сигналов различают ЭЛО для исследования периодических сигналов, ЭЛО для исследования апериодических сигналов.
Основная структурная схема ЭЛО изображена на рис.1 и состоит из следующих узлов: электронно-лучевой трубки; канала вертикального отклонения (канала У); канала горизонтального отклонения (канала Х); двух калибраторов 3,5 (амплитуды и длительности).
С помощью переключателей S устанавливают различные режимы работы прибора.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) служит для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение - осциллограмму.
Канал вертикального отклонения обеспечивает регулировку (усиление и ослабление) входного напряжения до уровня, необходимого для отклонения луча по вертикальной оси ЭЛТ. Канал состоит из входного устройства 1 и широкополосного усилителя напряжения 2.
Исследуемый сигнал поступает на входное устройство, в котором он ослабляется и задерживается для того, чтобы напряжение развертки поступило на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ с некоторым опережением, что позволит наблюдать на экране ЭЛТ начало процесса. Усилитель канала обеспечивает необходимое усиление исследуемого сигнала и преобразует его из однофазного в два противофазных напряжения, которые подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.
Канал горизонтального отклонения вырабатывает развертывающее напряжение, усиливает его, а также синхронизирует в различных режимах работы. Канал состоит из входного устройства 6, блока синхронизации 7, генератора развертки 8 и усилителя горизонтального отклонения 9.
Синхронизация колебаний генератора развертки может осуществляться как исследуемым сигналом, так и от внешнего источника, подключаемого к гнезду "Вход Х" (при этом переключатель S3 ставят в положение 2).
Развертывающим напряжением может быть как пилообразное напряжение генератора развертки так и любое другое, поданное на гнездо "Вход Х" ( в последнем случае переключатели S3, S4, S5 ставят в положение 2).
Входное устройство и усилитель напряжения канала Х выполняют функции аналогичные функциям соответствующих узлов канала вертикального отклонения. Блок синхронизации служит для усиления синхронизирующего напряжения и изменения его полярности в том случае, когда оно не совпадает с полярностью, необходимой для запуска генератора развертки.
Калибраторы ЭЛО служат для измерения амплитуды и длительности исследуемого сигнала. Канал управления яркостью 4 (канал Z) презназначен для получения масштабных меток, которые используются при измерении временных параметров сигнала.
Описание работы с осциллографом
Осциллограф позволяет наблюдать и измерять периодические и импульсные электрические сигналы в диапазоне амплитуд от 0,01 В до 500 В в диапазоне частот периодических сигналов от 0 до 20 МГц, параметров импульсов длительностью от 0,1 мкс. до 0,5с с частотой следования от 200 Гц до 500 кГц.
На лицевой панели расположены следующие органы управления:
1. Ручки "Яркость", "Фокус" и "Астигматизм" служат для установки необходимой яркости и четкости изображения.
Калибровка чувствительности производится с помощью собственного калибратора амплитуды. Калиброванное напряжение подается на вход осциллографа.
Для калибровки усилителя Y устанавливают один из диапазонов развертки, обеспечивающий две горизонтальные параллельные линии изображения прямоугольного напряжения калибратора. Совместными действиями ручек "Усиление" и "Смещение по вертикали" добиваются размаха сигнала по вертикали 6 дел. шкалы.
При работе с уже откалиброванным усилителем нельзя трогать ручку "Усиление" во избежание ухода калибровки.
Для измерения напряжения сигнал подключается ко входу усилителя и измеряется исследуемый размах изображения по вертикали в см. Величина исследуемой амплитуды будет равна произведению измеренной величины изображения, умноженной на цифровую отметку постоянной.
Работа с генератором развертки
Генератор развертки может быть запущен или самим исследуемым сигналом при внутреннем запуске или внешними запускающими сигналами при внешнем запуске. Для запуска развертки внутренним сигналом, ручки переключателя "Синхронизация" устанавливаются в одно из 3-х положений внутренней синхронизации:
"От сети" - когда исследуется напряжение, связанное с частотой сети.
"=" - для низких частот от 0 Гц до 500 Гц и исследования изменений постоянных напряжений
" ~" - для переменных напряжений частотой от 20 - 30 Гц до 3 Гц.
Для осуществления внешней синхронизации необходимо переключатель "Синхронизация" поставить в одно из 3 положений для внешней синхронизации.
Необходимая длительность развертки на 1 см шкалы экрана устанавливается с помощью переключателя "Длительность" и "Множитель". При использовании плавной регулировки длительности калибровка развертки изменяется и не соответствует значениям фиксированных диапазонов. В крайнем правом положении ручка "Длительность плавно" фиксируется механически. Только в этом положении производится калибровка фиксированных диапазонов длительности развертки.
С помощью ручек "Режим запуска" и "Уровень запуска" устанавливается ждущий или автоколебательный режим развертки, а также уровень напряжения запускающего генератора развертки.
Проведение осциллографических измерений
Измерение напряжений
Точность измерений напряжения с помощью осциллографа невысока, так как весьма значительные погрешности вносят калибратор и суб"ективное определение размаха напряжения на экране.
Однако измерение напряжений с помощью осциллографа имеет и свои достоинства, в частности возможность проведения измерений напряжения в широком диапазоне частот и измерение мгновенных значений напряжения при любой форме сигнала.
При откалиброванном усилителе "Y" измерение напряжений проводится согласно правилам использования усилителя "Y".
Измерение частоты, периода
Калиброванные фиксированные длительности развертки прибора дают возможность путем измерения по шкале расстояния по горизонтали определять интервалы времени или период сигнала с погрешностью не превышающей ± 5 % при измеряемом размере от 90 мм до 40 мм. Методика измерения заключается в следующем: используя деления шкалы, измеряем горизонтальное расстояние между двумя точками, интервал времени между которыми необходимо измерить. Потом расстояние по шкале в сантиметрах умножается на цифровое значение индекса установленной длительности развертки.
Зная период, всегда можно определить частоту исследуемого сигнала, поскольку
Кроме того, хорошо оправдавшим себя на практике является способ, при котором подсчитывается расстояние в сантиметрах целого числа периодов сигнала, укладывающихся наиболее близко к 9 см длины шкалы. Тогда искомая частота сигнала равна
