Применение электронного осциллографа для исследования электрических сигналов

Описание работы электронного осциллографа. Изучение процессов, протекающих в электрических цепях, с помощью описанного прибора. Подробная характеристика устройства прибора, строение его основных элементов. Примеры практического применения и расчеты.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	лабораторная работа
Язык	русский
Дата добавления	25.12.2013
Размер файла	191,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

Ульяновский государственный университет

Инженерно-физический факультет высоких технологий

Кафедра физических методов в прикладных исследованиях

ОТЧЕТ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы: ознакомление с устройством и работой электронного осциллографа.

Введение

Электронный осциллограф — прибор, используемый для исследования процессов, протекающих в электрических цепях.

Основными элементами осциллографа являются: электронно-лучевая трубка; генератор развертки; усилители отклоняющих пластин; блок питания.

1. Лабораторная работа № 1.

Применение электронного осциллографа для исследования электрических сигналов.

Целью работы является изучение устройства универсального осциллографа

и методов измерения параметров электрических сигналов.

1.2. Домашнее задание

1.2.1. Изучить принцип действия, функциональную схему и назначение узлов универсального электронного осциллографа.

1.2.2. Ознакомиться с правилами использования осциллографа в режиме

непрерывной, ждущей развертки, в режиме использования канала Х для

подачи внешних сигналов.

1.2.3. Изучить правила калибровки каналов вертикального и горизонтального отклонения с помощью тестового сигнала.

1.2.4. Ознакомиться с методикой измерения амплитудных и временных параметров электрических сигналов.

1.2.5. Ознакомиться с правилами определения погрешностей измерения амплитудных и временных параметров электрических сигналов с применением осциллографа и представления результатов с учетом округления.

1.3. Основные положения

1.3.1 Электронный осциллограф является одним из наиболее универсальных измерительных приборов, предназначенных для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров.

Исследуемый сигнал отображается на экране электронно-лучевой трубки в виде светящихся линий или фигур, называемых осциллограммами.

Осциллограмма представляет собой функциональную зависимость двух или

трех величин y=F(x) или y=F(x,z) , каждая из которых является, в свою очередь, функцией времени: y(t), x(t), z(t).

1.3.2. Упрощенная структурная схема осциллографа (рис 3.1) состоит из двух каналов формирования сигналов по координатам X и Y и канала Z,

предназначенного для модуляции яркости луча электронно-лучевой трубки.

Канал вертикального отклонения, предназначенный для передачи исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины электронно-

лучевой трубки ЭЛТ, состоит из последовательно соединенных аттенюатора

(ослабителя) АТТ и усилителя Y. Такое соединение необходимо для расширения динамического диапазона исследуемых сигналов. Таким образом, отклонение луча l Y на экране будет пропорционально подаваемому на вход Y сигналу и будет характеризоваться коэффициентом отклонения

K откл , используя который можно определить амплитуду (размах) входного сигнала

U y = K откл l Y

Коэффициент отклонения имеет фиксированные значения

размерность Вольт/дел., и указан на положениях переключателя входного аттенюатора. Эти фиксированные значения справедливы только при максимальном, плавно регулируемом усилении усилителя.

Канал горизонтального отклонения выполняет две функции:

развертывание сигнала пропорционально времени и отклонение луча любым сигналом, поданным на вход X .

В первом случае на горизонтальные пластины подается сигнал от генератора пилообразного напряжения ГПН (рис 3.1) при положении 1

переключателя П2. В этом случае луч по оси X передвигается прямо пропорционально времени, позволяя наблюдать на экране сигнал y(t) .

Временной масштаб развертки характеризуется крутизной наклона пилообразного напряжения и регулируется переключателем длительности развертки с указанием численного значения K разв , имеющего размерность

время/дел ., с помощью которого можно определить отрезок времени по формуле

осциллографе сигнала является синхронизация частоты развертывающего напряжения и частоты исследуемого сигнала. При внутренней синхронизации ( переключатель П1 поставлен в положение 1 ) входной сигнал поступает на ГПН, осуществляя синхронность развертки. При

внешней синхронизации (переключатель П1 поставлен в положение 2)

синхронизирующий сигнал должен быть подан извне на гнездо « ВНЕШН.

СИНХР .» При этом ручками на осциллографе « УРОВЕНЬ », « LEVEL »

следует отрегулировать неподвижность изображения на экране.

Особое место в работе осциллографа представляет режим внешнего запуска , используемого, как правило, для наблюдения импульсных процессов по длительности много меньших их периода повторения. В этом режиме запуск развертки осуществляется подачей на вход « ВНЕШН .» или

TRIG IN в осциллографе GDS-620 FG синхроимпульса, предшествующего наблюдаемому сигналу на некоторый промежуток времени, устанавливаемый обычно в стандартных импульсных генераторах как « ЗАДЕРЖКА ».

Длительность развертывающего сигнала ГПН устанавливается сравнимой с длительностью наблюдаемого импульсного процесса, что позволяет проводить наблюдение и измерение параметров короткого импульсного процесса, каким является, в частности, фронт импульса.

В случае использования канала Х для подачи любого сигнала переключатель П2 устанавливается в положение 2. При этом внешний сигнал подается на ВХОД Х.

Примечание: В осциллографе GDS-620 FG подобный режим

устанавливается переключением длительности развертки в положение

Канал Z используется для модуляции яркости свечения луча, применяемой для подсвета прямого хода развертки, создания меток времени, электронной лупы и т.д. и т.п. На « ВХОД Z » для управления яркостью луча можно подать внешний сигнал, но при этом частота подаваемого сигнала должна быть когерентна частоте исследуемого сигнала, а значит и частоте развертки.

1.3.3 Параметры электрического сигнала, поданного на вход осциллографа, определяются по его осциллограмме путем измерения ее геометрических размеров и с учетом коэффициента отклонения К откл и

коэффициента развертки К разв . Очевидно, и погрешность измерения параметров будет определяться не только точностью измерения геометрического размера (отклонения луча), но и точностью воспроизведения сигнала на экране осциллографа.

Точность воспроизведения амплитудных параметров зависит от неравномерности амплитудно-частотной характеристики , погрешности коэффициента передачи аттенюатора, и численно выражена в погрешности

К откл , отраженной в технических характеристиках осциллографа. При этом частота исследуемого сигнала должна находиться в пределах полосы пропускания усилителя вертикального отклонения.

Точность воспроизведения временных параметров зависит от точности градуировки переключателя коэффициента развертки К разв и от линейности пилообразного напряжения. Погрешность К разв также отражена в технических характеристиках осциллографа.

При использовании канала Х для подачи внешнего сигнала необходимым является условие, чтобы частота подаваемого сигнала была ниже верхней граничной частоты усилителя Х.

1.3.4 При исследовании импульсных сигналов определяющим является время нарастания переходной характеристики канала вертикального

отклонения t н , являющегося откликом осциллографа на включение идеального скачка напряжения на входе Y . Время нарастания t н – это временной интервал, в течение которого луч переходит от уровня 0,1 до

уровня 0,9 от установившегося значения импульсного отклика.

Время нарастания t н и полоса пропускания f в связаны соотношением

Тема:-Измерение электрических сигналов с помощью осциллографа

При исследовании переменных и импульсных электрических сигналов необходимо уметь измерять не только их напряжение, но и форму. Временную зависимость переменной величины можно записать в виде U= f (t). Для гармонического сигнала это будет U= U_M Sin (t +), где U_M – амплитудное значение гармонического сигнала, -круговая частота, — начальная фаза гармонического сигнала. Полную информацию обо всех этих параметрах получить измерением только напряжения мы не можем. Кроме того, если с гармоническим сигналом просуммирована постоянная составляющая, то обычными вольтметрами переменного тока мы эту составляющую оценить не сможем, так как они предназначены, как правило, для измерения напряжений в заданном интервале частот. Полученный результат измерения будет ошибочным. Получить полную информацию о сигналах более сложной формы невозможно.

Осциллограф позволяет визуально наблюдать форму электрического сигнала, измерить все параметры, выделить постоянную составляющую сигнала, и в случае двулучевого осциллографа измерить фазовый сдвиг одного сигнала относительно другого.

В основе осциллографа лежит электронно-лучевая трубка – прибор, обеспечивающий формирование движения электронного луча по люминесцирующему экрану, на котором траектория движения рисуется в виде светящейся кривой. Для получения изображения на экране необходимо перемещать луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В одном направлении скорость перемещения луча должна быть постоянной, назовем это направление горизонтальным Рис.1. Для этого, путь, пройденный лучом по экрану должен подчиняться закону — X=Vt, а напряжение, формирующее скорость перемещения луча по горизонтали подчиняться закону — U=Ut.

Рис.1. Схематическое изображение отклоняющей системы электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением движением луча

Амплитуда отклоняющего напряжения должна быть достаточной, для перемещения луча от левой границы экрана до правой. Сигнал, подаваемый на пластины горизонтального отклонения, должен быть периодическим. Это позволяет путем многократного наложения траекторий луча получать устойчивое изображение исследуемого сигнала. Структурная схема осциллографа приведена на Рис.2.

Исследуемое напряжение поступает на вход усилителя вертикального отклонения. Входной разъем подключается ко входу усилителя вертикально развертки – У1 переключателем – П1. Положение переключателя

позволяет не пропустить на вход усилителя У1 постоянную составляющую входного сигнала, если она в нем имеется. В положении переключателя – П1 – обозначенном знаком на вход усилителя проходят и постоянная и переменная составляющие сигнала. Положение переключателя присоединяет вход усилителя к корпусу, что позволяет установить, в каком месте экрана осциллографа находится нулевой уровень сигнала. Положение нулевого уровня входного сигнала на экране осциллографа можно изменить, используя потенциометр (на Рис.2. не показан) «».

Рис. 2. Структурная схема осциллографа

Задача усилителя У1 обеспечить возможность довести амплитуду напряжения, которое поступает с его выхода на пластины вертикального отклонения до такого значения, при котором

электронный луч отклоняется в пределах экрана по вертикали. Правильный выбор уровня

переключателя позволяет получить отклонение луча в пределах всего экрана.

Переключатель «В/дел» обеспечивает ступенчатее изменение размеров изображения. Он совмещен с потенциометром плавной регулировки, который позволяет плавно изменять вертикальный размер изображения, и используется для настройки осциллографа при его калибровке. Большинство осциллографов имеют в своей структуре генератор калибровочного сигнала. Он используется для текущей проверки работы прибора. Стабильность параметров генератора обеспечивается его схемным решением. При проверке осциллографа этот сигнал подается на вход осциллографа.

Усилитель У2, своим выходным напряжением, обеспечивает перемещение луча в пределах горизонтальных размеров экрана осциллографа с постоянной скоростью. На вход усилителя горизонтальной развертки подается линейно изменяющееся напряжение заданной частоты, которое формируется генератором ГПН, показанном на Рис.2.

Форма выходного напряжения генератора ГПН приведена на рис .3.

Рис.3. Форма напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения.

Напряжение, поступающее с генератора на пластины горизонтальной развертки, состоит из нескольких участков;

— T – период следования импульсов линейно изменяющегося напряжения,

— t_раб – рабочий участок,

— t_обр. – длительность обратного хода луча,

— t_п – длительность паузы между импульсами линейно изменяющегося напряжения.

На рабочем участке t_раб электронный луч рисует форму входного напряжения в функции времени. При обратном ходе луча t_обр по экрану, луч гасится сигналом гашения обратного хода луча. Формирователь этого сигнала входит в структуру ГПН. Время паузы t_п формируется блоком синхронизации.

Блок синхронизации «синхр» обеспечивает совмещение времени начала рабочего хода луча с определенной фазой (моментом времени) входного сигнала. При несовпадении этих моментов изображение на экране будет неустойчивым. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу блока синхронизации, показаны на Рис.4.

Рис.4.Временные диаграммы работы блока синхронизации (а – сигнал развертки и исследуемый сигнал не синхронизированы, б – сигналы синхронны).

В режиме, задаваемом переключателем вида синхронизации «внутр», работа блока синхронизации заключается в том, что усиленный исследуемый сигнал поступает на один из входов блока. Ко второму входу этого же блока подводится заранее выбранное напряжение. Устройство сравнения этого блока формирует стартовый импульс запуска генератора линейно нарастающего напряжения. Частота следования сигнала горизонтальной развертки определяется периодом Т (см. Рис.3) и задается дискретно переключателем « время/дел», плавная подстройка частоты осуществляется потенциометром «частота плавно». Сигналом, служащим для формирования импульса запуска генератора линейно изменяющегося напряжения может служить напряжение питания осциллографа 50 Гц. Для перехода в режим синхронизации от сети необходимо перевести переключатель вида синхронизирующего сигнала в положение 50 Гц. Режим синхронизации от сетевого напряжения не удобен при исследовании сигналов повышенных частот, он не обеспечивает устойчивой работы, изображение на экране будет «плавать». Осциллографы имеют входной разъем для подключения внешнего источника сигнала синхронизации. Этот способ синхронизации внешним сигналом используется в том случае, когда исследуемый короткие сигналы следуют с большими интервалами, а также при исследовании сигналов имеющих случайную природу происхождения. В этом случае, для запуска генератора линейно изменяющегося напряжения, используется сигнал, по времени, предшествующий исследуемому.

Блок синхронизации позволяет выбрать начальную фазу исследуемого сигнала, при которой формируется импульс старта рабочего хода луча, для этого он имеет переключатель «+»,«-», позволяющий выбрать участок сигнала, на котором напряжении нарастает или падает см. Рис.5.

Рис.5 Иллюстрация работы блока синхронизации.

На Рис.5. жирной линией выделены: — «+» — зона нарастания исследуемого сигнала на которой выбирается уровень синхронизации, определяющий момент запуска генератора линейно нарастающего напряжения А, в случае если исследуемый сигнал совпадает по уровню с заданным напряжением (уровнем синхронизации).

Второй выделенный жирной линией на Рис.5. участок «-» соответствует режиму синхронизации на спадающем участке исследуемого сигнала, импульс старта, в приведенной ситуации, совпадет с точкой Б.

Частота следования импульсов горизонтальной развертки в том и другом случае задается независимо переключателем «время/дел». На линейном участке импульса линейно изменяющегося напряжения число периодов исследуемого сигнала может уложиться несколько раз. Количество периодов определяется соотношением периода развертки и периода исследуемого сигнала.

Калибровку вертикального отклонения луча осциллографа можно осуществить подключением к его входу сигнала встроенного генератора или сигнала от любого источника сигнала, принимаемого за эталон. Отклонение луча от нулевого положения на экране осциллографа должно отвечать условию – N дел =, где; — В_кал – значение напряжения калибрующего сигнала,

— В/дел – положение переключателя «Вольт/дел».

Если отклонение луча не совпадает с полученным значением, совпадения результатов добиваются вращением ручки потенциометра «плавно».

Аналогично выполняется и калибровка скорости горизонтальной развертки. Калибрующий сигнал подается на вход осциллографа. Выполняется операция настройки изображения (получается устойчивое изображение входного сигнала на экране осциллографа). Период следования калибрующего сигнала сравнивается с положением переключателя «Время/дел». Если число клеток, занимаемое периодом калибрующего сигнала, не совпадает расчетным числом клеток, полученным из выражения N_дел =Т_сек/t_/дел, — где Т_сек –период калибрующего сигнала,

—t_/дел – положение переключателя длительности развертки, то потенциометром плавной регулировки длительности развертки производят подстройку.

Калибровка осциллографа осуществляется при необходимости выполнить измерения амплитудных и временных параметров исследуемого сигнала. Точность измерения не превышает 10%. При необходимости получения более достоверной информации необходимо использовать специальные измерительные приборы.

Управление такими параметрами осциллографа, как яркость луча и фокусировка осуществляется потенциометрами «Яркость», «фокус». Потенциометр «Яркость» регулирует яркость изображения, наблюдаемого на экране. Потенциометр «Фокус» -регулирует четкость изображения, устраняя размытие изображения. Операция настройки яркости и четкости изображения может потребоваться после длительного хранения осциллографа на складе или при повышенной освещенности рабочего места.

Расположение органов управления осциллографом приведено на Рис.6 (для примера взят эскиз передней панели осциллографа ОСУ -10А)

Рис.6. Эскиз лицевой панели осциллографа ОСУ-10А.

1- Кнопка включения питания осциллографа.

2- Потенциометр регулировки яркости луча.

3- Потенциометр регулировки фокуса.

4- Выходной разъем генератора калибровочного напряжения.

5- Потенциометр регулировки положения нулевого уровня усилителя вертикального отклонения луча.

6- Калиброванный переключатель коэффициента усиления усилителя вертикальной развертки.

7- Потенциометр плавной регулировки калибрующего напряжения.

8- Входной разъем усилителя вертикальной развертки.

9- Переключатель входной цепи усилителя вертикальной развертки.

10- Переключатель заземления входа усилителя вертикальной развертки.

11- Потенциометр плавной регулировки частоты генератора горизонтального отклонения.

12- Ступенчатый переключатель уровня синхронизации.

13- Потенциометр смещения точки начала развертки на экране осциллографа.

14- Потенциометр плавной регулировки уровня синхронизации.

15- Переключатель блокировки развертки.

16- Ступенчатый переключатель длительности развертки.

17- Входной разъем усилителя горизонтального отклонения луча.

18- Переключатель способа запуска осциллографа.

19- Переключатель типа синхронизации.

20- Переключатель синхронизации в режим работы с телевизионными сигналами.

21- Переключатель синхронизации сигналом питающего напряжения.

22- Переключатель источника синхронизирующего напряжения.

23- Экран осциллографа.

В лекции рассмотрены вопросы:

— преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, позволяющий исследовать изменение электрического сигнала во времени,

— рассмотрена структурная схема осциллографа,

— назначение органов управления на примере осциллографа ОСУ-10А.

1. Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы электрических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2005. Электронная версия.

2. Осциллограф сервисный универсальный ОСУ-10А. Руководство по эксплуатации. М. 2006.