Открытый и закрытый вход осциллографа

2.1. Работа с закрытым и открытым входом

Соберите схему однополупериодного выпрямителя (рис. 11), используя макет "Однополупериодный выпрямитель" (прил. 2).

Подключите к входу макета генератор синусоидальных колебаний (частота 50 – 100 Гц, амплитуда 5 – 6 В).

С помощью осциллографа определите форму сигнала на входе и выходе выпрямителя с включенным и выключенным ключом S (измерения на входе и выходе проводите одновременно, используя входы СН1 и СН2).

При включенном ключе Sсравните форму выходного сигнала при закрытом и открытом входе. Объясните разницу формы сигналов (см. схему открытого и закрытого входа на рис. 4).

2.2. Работа в режиме Window(Окно)

В этом режиме можно выделить какую-то часть сигнала и просмотреть его с нужным увеличением (по чувствительности и длительности развертки), не меняя при этом основной настройки для всего сигнала.

Нажмите кнопку HORIZMENUи выберите значениеMain(Основной экран).

Нажмите кнопку Window Zone.

Ручкой SEC/DIVустановите нужный масштаб просмотра и ручкойHORIZONTALPOSITIONпереместите окно в нужное место экрана.

Для переключений между режимами просмотра "Окно" и "Основной" служат функциональные кнопки WindowиMain.

Определите коэффициент пульсации выпрямленного напряжения, используя функцию Window – "Окно" для измеренияU_п:

где U_п– амплитуда пульсаций,U– постоянная составляющая выходного напряжения. КлючSпри измеренииU_п иUдолжен быть включен, т.е. измерения производятся при наличии в цепи конденсатора фильтраС_ф. Проверьте, как зависитК_пот частоты (в пределах частот от 50 Гц до 1 кГц), и объясните характер зависимости.

Задание 3. Измерения в режиме одиночного запуска

3.1. Измерение параметров затухающих колебаний механической системы

Используя макет "Затухающие колебания" (прил. 3), снимите осциллограмму колебаний в режиме однократного запуска.

Установите ручку VOLTS/DIVна ожидаемый диапазон сигнала (

Нажмите кнопку TRIGMENU(Меню синхронизации).

Нажмите функциональную кнопку Slope(Наклон) и выберитеRising (Нарастающий). РучкойLEVELустановите синхронизацию примерно на половине шкалы.

Нажмите кнопку SINGLSEQ(Одиночный запуск).

После получения изображения сигнала, если необходимо, следует подкорректировать заданные параметры изображения (чувствительность по вертикали, длительность развертки, уровень синхронизации).

1) Измерьте собственную частоту f и постоянную времени затуханияτсистемы. Измерениеτпроизведите с использованием курсоров, учитывая, что уровень амплитуды за времяτ уменьшается вераз (см. описание макета "затухающие колебания").

2) Пронаблюдайте изменение начальной фазы колебаний при изменении начального отклонения пластины (изменив угол αна –α,см. рис. 17).

3) Проверьте постоянство собственной частоты колебаний f в начале и в конце затухающего цуга колебаний.

4) Проверьте, зависит ли собственная частота f от величины начального отклонения пластины (углаα).

Обработку полученной осциллограммы можно провести с помощью компьютера (см. задание 4).

3.2. Измерение амплитудных и временных параметров разогрева нити накаливания

Цель: научиться проводить измерения осциллографом в режиме одиночного запуска на двух каналах; определить величину холодногоR_хи горячегоR_гсопротивления нити накаливания и постоянную времени ее нагреванияτ.

1) Используя макет "Лампочка накаливания" (прил. 4), соберите схему, представленную на рис. 12.

2) Обратите внимание на следующие факторы:

правильность подсоединения "земляных" клемм кабелей,

полярность подключения БП к макету,

необходимость подключения амперметра, без которого цепь питания лампочки оказывается разомкнутой.

3) Включите блок питания и, нажав кнопку Кн, регулятором Rстабилизатора установите величину тока через лампочкуI≈ 90 мА. (Долго держать стабилизатор включенным не рекомендуется во избежание перегрева).

4) В режиме Автоустановка при минимальной скорости развертки (500 мс/дел), нажимая кнопку Кн, получите на экране изображение сигналов на двух каналах. Отрегулируйте чувствительность каналов СН1 и СН2 осциллографа ("V/дел") таким образом, чтобы сигналы занимали значительную часть экрана.

Примечание. Если сигнал на канале СН2 не отображается на экране, то нажмите кнопку МЕНЮ канала СН2, а затем сместите по вертикали изображение одного канала относительно другого.

5) Переведите осциллограф в режим одиночногозапуска. РучкойLevel установите необходимый уровень амплитуды запуска развертки и получите на экране устойчивую картину процесса нагревания нити накала и формы импульса тока через лампочку. Сравните время установления показаний тока по амперметру и осциллографу.

6) По начальному скачку U_х, установившемуся уровню напряженияU_ги токуI рассчитайте сопротивление нити при комнатной температуреR_х, и в разогретом состоянии R_г.

7) Измерьте время τ, за которое напряжение на нити достигает 90 % от установившегося уровня.

8) Проведите аналогичные измерения при другом значении тока.

9) Измените режим входа каналов СН1 и СН2 с "DC" на "AC"; объясните полученный результат.

Мода Peak Detect реализована, как часть алгоритма низкочастотного фильтра FilterVu.

Мода Sample не позволяет точно увидеть сигнал за шумом, а следовательно провести точные измерения, В то же время мода усреднения оперируя ограниченным набором отсчетов и усредняя их, хоть и выводит чистое изображение, но выводит его не точное значение, скрывая информацию по шумам. Применение моды Peak Detect позволяет получить еще более чистое изображение сигнала, нежели при усреднении, но в придачу позволяет наблюдать и присутствие шума, а следовательно и пиковых, реальных значений напряжения.

Упражнения:

• — По умолчанию в цифровом осциллографе установлена мода захвата «Sample».
• — Для выбора моды фильтрации Peak Detect используется управляющая кнопка на лицевой панели осциллографа FilterVu/
• — Мода захвата Sample обеспечивает уменьшение шумовой составляющей без изменения полосы пропускания.

В осциллографе есть возможность выбора вида входа для канала вертикального отклонения и его свойств.

— открытый (DC) или закрытый (AC) вход. В режиме открытого входа на осциллограф поступает и постоянная и переменная состовляющие, в то время как закрытый вход отсекает постоянную состовляющую сигнала. Так же третьим вариантом является вход «Ground»/

• — Оция Bandwidth Limit позволяет управлять аналоговым полосовым фильтром.
• — Режим Offset позволяет убрать постоянную составляющую методом вычитания этой составляющей.

Лабораторный макет подключен к источнику питания.

Земля подключена к клемме «GND».

Сигнал подается на два входа с вывода «CNT_CLK».

С помощью элементов управления масштаба координатной сетки и положения сигнала на ней получаем осциллограмму сигнала (рис 2.3.1).

Режим открытого входа.

Как можно видеть осциллограмма первого канала симметрично «упала» примерно на 1 В, что соответствует активации закрытого режима для этого канала и исключение постоянной составляющей из сигнала.

Влияние изменения полосы пропускания фильтра второго канала на изображение.

Осциллограф – электронный прибор для измерения электрических сигналов в цепи и наблюдения за ними. Определение формы и параметров колебаний необходимо для отслеживания корректности работы оборудования.

Первые попытки создать прибор для определения электрических колебаний относятся ещё к 1880 году. Их делали французские и русские физики. Первые осциллографы были аналоговыми. С 1980-х годов сигналы стали фиксироваться с помощью цифрового оборудования.

Устройство и принцип действия прибора

Объясним устройство аналогового осциллографа просто, «для чайников». Прибор состоит из следующих элементов:

• лучевая трубка;
• блок питания;
• канал вертикального / горизонтального отклонения;
• канал модуляции луча;
• устройство синхронизации и запуска развёртки.

Для управления параметрами сигнала и его отображения на экране есть регуляторы. У старых моделей экрана не было. Изображение фиксировалось на фотоленте.

Принцип работы

При запуске прибора сигнал подаётся на вход канала вертикального отклонения. Он имеет высокое входное сопротивление. По тому же принципу работает вольтметр, измеряющий напряжение. Однако вольтметр не показывает временного графика колебаний напряжения.

Сигнал усиливается до необходимого уровня после подачи на вход. Он отображается на экране по вертикальной оси. Усиление требуется для работы отклоняющей системы лучевой трубки или преобразователя сигнала из аналогового в цифровой. Оно позволяет менять масштаб отображения колебаний на экране от крупного до мелкого.

Устройство

Лучевая трубка чувствительна к электрическим импульсам. Чем ниже их частота, тем выше чувствительность. В нынешних трубках количество лучей может составлять от одного до 16. Их количеству соответствует число сигнальных входов и отображающихся одновременно графиков.

Особенность цифрового осциллографа в том, что он имеет экран и преобразователь аналогового сигнала. У него есть память для сохранения данных о полученном графике колебаний. Часть информации анализируется в автоматическом режиме и отображается в обработанном виде. Аналоговый осциллограф не запоминает данные, а только показывает их в реальном времени.

Разверткой называется траектория движения луча, который улавливает колебания и выводит изображение на экран. Она бывает разной формы — эллиптической, круговой. Значение развёртки регулируется в зависимости от исследуемого сигнала по горизонтальной оси (временнóй).

Блок питания подаёт напряжение от сети 220 В на электронные схемы. Есть и аккумуляторные модели, способные работать автономно.

Виды осциллографов

По принципу действия осциллографы бывают цифровыми и аналоговыми. Существуют смешанные аналого-цифровые приборы. Всё чаще выпускают виртуальные. Там в качестве экрана используется другой прибор – монитор компьютера, телевизора.

Работа некоторых моделей основана на электромеханическом принципе:

• электродинамический;
• электростатический;
• выпрямительный;
• электромагнитный;
• магнитоэлектрический;
• термоэлектрический.

Прибор может работать самостоятельно или являться приставкой к другому оборудованию (например, компьютеру). Во втором случае цена ниже, но сам прибор зависим от внешнего устройства.

Виды развёрток

В разных режимах работы осциллографа линейные (создаваемых пилообразным напряжением) развёртки могут различаться:

• Однократная. Генератор запускается один раз, затем блокируется. Такая развёртка нужна для фиксирования неповторяющихся сигналов.
• Ждущая. Запуск происходит сразу после сигнала. Нужна для наблюдения за редкими колебаниями.
• Автоколебательная. Генератор периодически включается при отсутствии сигнала. Удобна для отображения частых периодических импульсов.

Измеряемые процессы

По принципу работы приборы делят на:

• Специальные. Имеют блоки для целевого использования (например, телевизионные осциллографы).
• Стробоскопические. Чувствительные приборы для исследования кратковременных повторяющихся процессов.
• Скоростные. Используют для фиксации процессов с высокой скоростью (с точностью до нано- и пикосекунд).
• Запоминающие. Сохраняют полученное изображение. Обычно применяют для изучения редких однократных действий.
• Универсальные. Исследуют разные процессы.

Где применяют осциллографы?

Информация, которую даёт осциллограф:

• значения напряжения, временные параметры колебаний;
• сдвиг фаз, искажение импульса на разных участках цепи;
• частота (определяется путем фиксирования его временных характеристик);
• переменная и постоянная составляющие колебаний;
• процессы в цепи.

Осциллографы используют как в практических, так и в научно-исследовательских целях. Для простых измерений можно воспользоваться мультиметром, но в большинстве случаев осциллограф незаменим.

Приборы для измерения колебаний применяют при настройке электронного оборудования. К примеру, для регулировки телевизионного сигнала необходимо получить его осциллографическое изображение. Приборы также используются при ремонте блоков питания, диагностике печатных плат.

При ремонте автомобилей устройство поможет получить данные о положении коленчатого и распределительного валов, датчиков положения. Данные осциллограммы расскажут о наличии импульса на катушке, укажут на неисправность свечей и проводов, диодного моста генератора.

Медицинское оборудование (кардиографы, энцефалографы) тоже работает по принципу осциллографирования. Только электрические колебания, измеряемые ими, происходят в живых организмах.

Методика измерений

Осциллограф измеряет электрическое напряжение и формирует амплитудный график электрических колебаний. Цифровые приборы могут запоминать полученный график, возвращаться к нему.

Колебания отображаются на экране в двухмерной системе координат (напряжение – вертикальная ось, время – горизонтальная ось), формируя график — осциллограмму. Есть ещё третий компонент исследований – интенсивность сигнала (или яркость).

При отсутствии входных импульсов на экране горизонтальная линия – «нулевая», обозначающая отсутствие напряжения. Как только на вход (или входы) прибора подаётся напряжение, на экране становятся видны один или несколько графиков одновременно (зависит от количества измеряемых сигналов).

График электрических колебаний по форме может представлять собой:

• синусоиду;
• затухающую синусоиду;
• прямоугольник;
• меандр;
• треугольники;
• пилообразные колебания;
• импульс;
• перепад;
• комплексный сигнал.

Для получения стабильного графика колебаний в приборе стоит блок синхронизации. Получить цикличное отображение колебаний можно только после установки значения синхронизации. Оно принимается за «стартовое», служит отправной точкой графика. Все скачки отображаются по отношению к этой точке.

Как выбрать

Нужно представлять, в каких целях и как часто будет использоваться прибор, для изучения каких сигналов он предназначен. Учитывайте количество точек для одновременного измерения, одиночность или периодичность колебаний. Иногда используются устройства советского производства. Но получить точную настройку с их помощью трудно.

Количество каналов

По количеству каналов осциллографы могут быть одноканальными, простыми (2-4 канала), продвинутыми (до 16 каналов). Несколько каналов позволяют одновременно анализировать поступающие сигналы.

Тип питания

Прибор с аккумулятором можно брать с собой на выезд. Это удобно для мастеров, которые проверяют оборудование по месту его нахождения. Если выезды не производятся, лучше брать работающий от сети осциллограф, поскольку он стабильнее и надёжнее.

Частота дискретизации

Частота дискретизации важна для измерения однократных и переходных процессов. Чем выше этот параметр, тем более точное изображение сигнала на экране удастся получить.

Полоса пропускания

Для простых исследований цифровых схем и усилителей оптимальная звуковая частота — 25 МГц. Для профессионального измерения нужен прибор, у которого этот параметр — до 200 или даже до 500 МГц. Современные линии связи работают на очень высоких частотах. Частота исследуемых сигналов должна быть в 3-5 раз меньше величины полосы пропускания.

Настройка осциллографа

Перед использованием нового устройства проводится его калибровка с помощью находящихся на корпусе генератора прямоугольных импульсов. Сигнальный щуп подключают к калибровочному выходу, при этом на экране появляется «пила» — зигзагообразная линия. Нужно проверить работу всех функций и регуляторов.

Сейчас осциллографы регулярно используют в сфере электроники. Есть большой выбор устройств, позволяющих наблюдать за параметрами электрических колебаний. Без осциллографа не обойтись ни инженеру-профи, ни рядовому любителю радиоэлектроники.