Методика осциллографических измерений
1. Цель работы – ознакомиться с измерительными приборами лаборатории и освоить методику измерения амплитудных и временных параметров периодических сигналов с помощью осциллографа.
2. Вопросы для самоподготовки
2.1 Назначение осциллографа.
2.2 Назначение органов управления на панели осциллографа.
2.3 Принцип действия электронно-лучевой трубки.
2.4 Порядок настройки изображения на экране осциллографа.
3. Состав лабораторной установки
Установка включает в себя следующие приборы: электронно-лучевой осциллограф С1-166/1, генератор импульсов Г5-3Б, генератор гармонических сигналов Г3-33 или ГУК-1, вольтметр ВК7-9 или В7-26, частотомер Ч3-34. Подключение измерительных приборов к исследуемым схемам производится с помощью коаксиальных кабелей.
4. Задание на проведение работ
4.1 Начертить структурную схему осциллографа (рис.1).
4.2 Изучить методику работы с приборами.
4.3 Записать паспортные данные всех приборов установки.
4.4 Подключить осциллограф к генератору гармонических колебаний и снять осциллограммы напряжения на частотах 500 Гц, 5 кГц и 150 кГц при амплитуде сигналов 0,1В; 0,5В и 10В. Указать на осциллограммах линию 0В и масштабы по вертикальной и горизонтальной осям. Определить по осциллограммам амплитуду и частоту сигналов.
4.5 Измерить амплитуду и частоту сигнала на выходе генератора с помощью электронного вольтметра и частотомера. Сравнить результаты, полученные в п.4.4. и п.4.5.
4.6 Подключить осциллограф к генератору импульсов и снять осциллограммы сигналов на частотах 500 Гц, 5 кГц и 150 кГц при амплитуде сигналов 0,1; 0,5 и 10 В. Определить по осциллограммам параметры сигналов: амплитуду, длительность импульсов, длительность фронта и спада, период и скважность импульсов.
5.Краткие сведения из теории
5.1 Назначение и состав структурных блоков осциллографа
5.1.1 Осциллограф предназначен для исследования периодических электрических сигналов в полосе частот от 0 до 25 МГц путем визуального наблюдения и измерения их амплитудных и временных параметров по шкале экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
5.1.2 Осциллограф, структурная схема которого приведена на рис.1.1, содержит следующие блоки:
- аттенюатор канала А;
- аттенюатор канала Б;
- усилитель предварительный Y;
- линию задержки;
- усилитель выходной Y;
- блок развертки;
- усилитель горизонтального отклонения ;
- усилитель импульсов подсвета;
- калибратор;
- блок управления;
- электронно-лучевую трубку;
- блок питания, в состав которого входит схема управления ЭЛТ.
5.1.3 Исследуемые сигналы подаются на входы аттенюаторов каналов А и Б. В аттенюаторах осуществляется ослабление сигналов до величины, обеспечивающей заданный размер изображения по вертикали на экране ЭЛТ.
5.1.4 В предварительном усилителе осуществляется усиление сигналов, калибровка усиления в каждом канале, инвертирование сигнала в канале Б, смещение сигналов в каждом канале с целью перемещения изображения сигналов по вертикали, выбор каналов (одного, двух или их суммы).
5.1.5 Линия задержки задерживает исследуемый сигнал на время, компенсирующее задержку сигнала в схемах синхронизации, развертки и подсвета, что позволяет наблюдать фронты коротких импульсов.
5.1.6 Выходной усилитель Y усиливает выходной сигнал до уровня, удобного для исследования сигнала на экране ЭЛТ.
Рис.1.1 – Структурная схема осциллографа
5.1.7 В блоке развертки осуществляется синхронизация сигнала для получения неподвижного изображения сигнала на экране ЭЛТ; выбор источника синхронизации от тракта вертикального отклонения, внешним сигналом либо от сети; выбор полярности синхронизирующего сигнала; диапазона частот синхронизации; выработка пилообразных напряжений для осуществления развертки изображения по горизонтали; формирование сигналов для подсвета изображения и для коммутации каналов вертикального отклонения; усиление пилообразных напряжений до величины, обеспечивающей необходимое отклонение луча на экране ЭЛТ; смещение изображения сигналов по горизонтали, калибровка по горизонтали.
5.1.8 Калибратор служит для периодической проверки и калибровки коэффициентов отклонения и развертки.
5.1.9 Блок управления осуществляет выбор режимов работы осциллографа.
5.1.10 ЭЛТ служит для преобразования электрических сигналов, поступающих с усилителей горизонтального и вертикального отклонения и усилителя импульсов подсвета, в видимое изображение сигнала на экране.
5.1.11 Блок питания служит для получения напряжений постоянного и переменного тока, которые необходимы для работы всех устройств осциллографа. В блоке питания находится также схема управления ЭЛТ.
5.2 Устройство передней панели осциллографа
5.2.1 Органы управления, подключения и индикации для удобства работы оператора сгруппированы по зонам. Схема их расположения приведена на рис.1.2.
5.2.2 В левой части передней панели расположен экран ЭЛТ. Под ним расположены следующие органы управления:
– кнопка включения «СЕТЬ» и индикатор;
– ручка «ЯРКОСТЬ» - для регулировки яркости изображения;
– ручка «ФОКУС» - для вертикальной фокусировки изображения;
– ручка «АСТИГ» - для горизонтальной фокусировки изображения.
5.2.3 Справа от ЭЛТ расположена зона тракта вертикального отклонения.
В ней размещены:
– кнопочные переключатели режимов работы тракта вертикального отклонения (только канал А или Б, оба канала в поочередном или прерывистом режиме, алгебраическая сумма сигналов в каналах А и Б, изменение полярности сигнала в канале Б, включение режима X-Y);
– ручки «↨» каналов А и Б – для перемещений по вертикали изображений сигналов в каналах А и Б соответственно;
– переключатели «ВОЛЬТ/ДЕЛ» каналов А и Б;
– кнопочные переключатели вида связи источника сигнала со входом каналов вертикального отклонения (непосредственная или через конденсатор);
– разъемы «1 М 25рF» канала А и «1 М 25рF» канала Б – для подключения источников исследуемых сигналов на вход канала А и Б соответственно (в режиме X-Y канал А служит для подачи сигнала Х, а канал Б – сигнала Y).
Рис.1.2 – Передняя панель осциллографа
5.2.4В зоне разверток размещены следующие органы управления:
– кнопка «х10» и «х1» – для включения и выключения 10 - кратной
растяжки развертки;
– кнопка « μs», « ms» для выбора микросекундного или миллисекундного диапазона переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ»;
– кнопка «АВТ», «ЖДУЩ» выбора режима запуска развертки;
– кнопка «+», «–» - для переключения полярности синхронизации;
– кнопка «ПС», «НЧ» обеспечивает запуск развертки полным сигналом или низкочастотной составляющей сигнала;
– ручки «↔» обеспечивают плавное или грубое перемещение линии развертки по горизонтали;
– переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ» вместе с кнопками «s», «ms» обеспечивает установку требуемого коэффициента развертки;
– ручка «УРОВЕНЬ» обеспечивает выбор уровня запуска развертки;
– кнопки «А», «Б», «СЕТЬ», «ВНЕШН» предназначены для выбора источника синхронизации;
– гнездо «СИНХР» для подачи сигналов при внешней синхронизации.
5.2.5 На выходе калибратора «0,6 V 1 kHz», предназначенного для калибровки трактов горизонтального и вертикального отклонения, а также для компенсации делителей 1:10, присутствуют импульсы положительной полярности типа «меандр» частотой 1кГц и амплитудой 0,6 В.
5.2.6 На задней панели расположен разъем «СЕТЬ 220 V 50 Hz» для подключения шнура сетевого питания. В этом разъеме установлены вставки плавкие, доступные для замены только при отсоединенном сетевом шнуре.
5.3 Подготовка к проведению измерений
5.3.1 Подать исследуемый сигнал на вход канала А (Б) «1М 25рF» через соединительные кабели или делители 1:10.
Примечание: использовать делитель 1:10 предпочтительнее, так как при этом осциллограф значительно меньше влияет на исследуемый источник сигнала.
5.3.2 Установить режим работы тракта вертикального отклонения (один из каналов А или Б , оба канала в поочередном или прерывистом режиме или алгебраическую сумму каналов А и Б).
5.3.3 Выбрать источник синхронизации (канал А, канал Б, сигнал с частотой питающей сети или внешний сигнал, подаваемый на вход «СИНХР»).
5.3.4 Установить удобные для наблюдения размер и положение изображения сигнала на экране ЭЛТ по вертикали.
5.3.5. Получить, вращая ручку «УРОВЕНЬ», устойчивое изображение сигнала на экране ЭЛТ.
5.3.6 Установить кнопками переключателей «ВРЕМЯ/ДЕЛ» удобные для наблюдения размер и положение изображения сигнала на экране ЭЛТ по горизонтали.
5.4 Измерение временных интервалов и частоты
Рис.1.3 – Осциллограмма исследуемого сигнала
Ручкой «↔» установите осциллограмму в центр экрана (см. рис.1.3).
Установите переключатель РАЗВЕРТКА ВРЕМЯ/дел в положение, при котором длина измеряемого интервала составляет не менее 4 делений шкалы по горизонтали.
Измеряемый временной интервал определяется как произведение длины интервала в делениях шкалы на показание переключателя РАЗВЕРТКА ВРЕМЯ/дел:
, (1.1)
Где l- длина измеряемого интервала в делениях,
mt- положение переключателя (масштаб) РАЗВЕРТКА ВРЕМЯ/дел.
Точность измерения временных интервалов увеличивается при увеличении длины измеряемого интервала на экране ЭЛТ.
5.5Измерение частоты
Измеряется длина целого числа периодов сигнала (в делениях) укладывающихся наиболее близко в 10 делениях шкалы. Тогда частота исследуемого сигнала определяется по формуле:
, (1.2)
где: f – частота сигнала, Hz;
n – число измеренных периодов;
l – длина, которую занимают измеренные периоды, дел.;
mt – значение коэффициента развертки, при котором осуществляется измерение, S/дел.
5.6 Измерение амплитуды исследуемого сигнала
Амплитуда (размах) исследуемого сигнала определяется как произведение измеренной величины изображения в делениях шкалы на показание переключателя УСИЛЕНИЕ mV/дел:
. (1.3)
Положение переключателя УСИЛЕНИЕ mV/дел должно соответствовать наибольшему размеру изображения сигнала в пределах рабочей части экрана.
5.7 Измерение параметров импульсных сигналов
Импульсные сигналы характеризуются следующими параметрами (рис.1.4а):
Ам – максимальный выброс (амплитуда) импульса; tи – время импульса; tп – время паузы; Т= tи+ tп – период повторения импульсов; Q= T/tи – скважность.
Реальные импульсы характеризуются также следующими параметрами (рис.1.4б): tф- фронт нарастания импульса; tс- фронт спада импульса.
6.Контрольные вопросы
6.1 Принцип работы осциллографа (по структурной схеме).
6.2 Методика настройки изображения на экране осциллографа.
6.3 Методика измерения длительности импульсов и периода их следования.
6.4 Методика измерения амплитуды исследуемого сигнала.
6.5 Пояснить автоматический и ждущий режимы работы развертки ос- циллографа.
6.6 Назначение и виды синхронизации сигнала в осциллографе.
6.7 Назначение органов управления на передней панели осциллографа.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2