Дослідження електронного осцилографа

Мета роботи – вивчення принципу дії та будови електронного осцилографа, набуття практичних навичок осцилографування електричних коливань та вимірювання їх параметрів за допомогою електронного осцилографа.

2.1 Організація самостійної роботи

2.1.1 Завдання на самостійну підготовку до роботи

Ознайомитися з лабораторним завданням і методичними вказівками до його виконання.

Вивчити будову, принцип дії, основні технічні та метрологічні характеристики осцилографа та особливості осцилографування електричних і неелектричних процесів [1, 5, 7-8].

2.1.2 Методичні вказівки до самостійної підготовки

2.1.2.1 Електронний осцилограф – універсальний вимірювальний прилад, основним функціональним призначенням якого є відтворення форми електричних сигналів, тобто графічного зображення залежності миттєвих значень напруги сигналу від часу.

В залежності від технічних характеристик та вузько срямованого функціонального призначення осцилографи поділяються на універсальні, швидкісні (високочастотні), стробоскопічні, запам'ятовувальні та спеціальні. Основою їх є універсальний осцилограф, а вузька функціональна спрямованість окремих досягається розширенням певних функцій на шкоду універсальності.

Вивчення електронного осцилографа в лабораторній роботі здійснюється на основі універсального осцилографа. Його розгорнута функціональна схема зображена на рис.1.1.

До складу осцилографа входить: електронно-променева трубка (ЕПТ), блок живлення та три електронні канали: вертикального відхилення (канал Y), горизонтального відхилення (канал X), канал управління яскравістю (канал Z) та допоміжний блок - калібратор амплітуди та тривалості.

2.1.2.2 ЕПТ – це перетворювач електро - кінетичної енергії електронів у світлову енергію. Конструктивно трубка являє собою скляну вакуумну колбу, в якій розміщуються електронний прожектор – система електродів, що формує вузький пучок електронів і управляє його густиною, та дві пари взаємоперпендикулярних пластин, які дозволяють спостерігати досліджуваний процес в декартовій системі координат.

Внутрішня поверхня дна колби покривається спеціальним матеріалом (люмінофором). Електрони, співударяючись з люмінофором, збуджують його і він засвічується.

Положення пучка електронів у площині екрана залежить від напруги на пластинах і при її зміні світна точка змінює своє положення так, що траєкторія руху світної точки повторюватиме залежність , де і – миттєві значення напруг відповідно на пластинах Y та Х.

Оскільки світіння люмінофора згасає не миттєво, а має деякий час післясвітіння; то при його достатньому значенні на екрані ЕПТ буде видно всю функцію одночасно.

Таким чином, безпосередньо на екрані трубки з електростатичним управлінням можна спостерігати зображення лише електричних процесів.

Неелектричні процеси можна спостерігати лише за умов, якщо величини та можна замінити на їх електричні еквіваленти та . Саме такий приклад має місце при відтворенні за допомогою електронного осцилографа форми змінного сигналу, тобто залежності , в якій час є неелектричною величиною. В цьому разі плин часу можна імітувати за допомогою пилоподібної напруги, миттєві значення якої змінюються у часі за законом:

де , – пікове значення та період пилоподібного коливання; – постійний коефіцієнт для ідеального пилоподібного коливання; – кут нахилу пилоподібного коливання.

Під час спостереження форми досліджуваний сигнал подається на пластини Y трубки, а пилоподібне коливання – на пластини Х.

Оскільки відображення форми сигналу – основне функціональне призначення осцилографа, то кожен із них містить в собі джерело пилоподібних коливань.

Траєкторія, за якою промінь переміщується у напрямі осі Х, називається розгорткою зображення.

Розгортку поділяють на:

– лінійну (здійснюється за допомогою напруги, яка лінійно змінюється у часі і залишає після себе пряму лінію) та нелінійну;

– внутрішню (здійснюється за допомогою генератора, що є в осцилографі) та зовнішню (здійснюється напругою, що подається на вхід Х ззовні);

– неперервну (імпульси розгортки прямують один за одним безперервно) та очікувальну (генератор розгортки спрацьовує тільки під впливом імпульсу запуску, виробляє один імпульс і чекає приходу наступного імпульсу запуску).

Зображення на екрані ЕПТ формується за один період розгортки, тому коли імпульси розгортки ідуть один за одним, то зображення, розгорнуте кожним наступним імпульсом, буде нашаровуватись на зображення, розгорнуте попередніми імпульсами, і картинка на екрані ЕПТ сприймається як нерухома лише за умови, що ( і – періоди сигналів розгортки та досліджуваного; – цілі числа). Щоб ця умова виконувалась завжди, частоту імпульсів розгортки автоматично підтримують кратною частоті сигналу, що досліджується. Ця операція називається синхронізацією.

В залежності від того, як здійснюється синхронізація, її поділяють на:

– внутрішню (здійснюється напругою, яка береться з каналу Y);

– зовнішню (здійснюється напругою, яка подається на вхід синхронізації або Х ззовні);

– від мережі (здійснюється напругою живлення).

Внутрішня синхронізація застосовується при дослідженні неперервних сигналів з малою шпаруватістю, зовнішня – при дослідженні імпульсних сигналів з великою шпаруватістю, від мережі – при дослідженні сигналів, утворених з напруги мережі живлення.

2.1.2.3 Канал вертикального відхилення (каналY) являє собою масштабний перетворювач напруги, який не повинен змінювати її за формою. Він складається з вхідного послаблювача, підсилювача, лінії затримки та блоків, які забезпечують необхідні параметри каналу з боку входу та виходу.

Вхідний послаблювач та підсилювач дають змогу спостерігати та вимірювати сигнали в широкому діапазоні амплітуд, не перевантажуючи канал Y при великих напругах і забезпечуючи достатню чутливість при малих вхідних напругах.

Лінія затримки використовується тоді, коли генератор розгортки в каналі працює в очікувальному режимі, тобто спрацьовує тільки від імпульсів запуску. Імпульси запуску формуються із сигналу, що діє на вході лінії затримки, отже, спочатку запускається розгортка і лише потім на пластини Y надходить сигнал, який досліджується. Це дає змогу більш детально, без викривлень, розгледіти його передній фронт.

Як зазначалось вище, осцилограф служить для дослідження електричних сигналів у часовій області і до джерела цих сигналів він підключається паралельно. Щоб не шунтувати джерело досліджуваної напруги, осцилограф повинен мати великий вхідний опір та малу вхідну ємність . Це досягається побудовою вхідного кола за схемою емітерного повторювача та підключенням осцилографа до джерела напруги за допомогою спеціальних щупів, пасивних або активних (рідше).

Схема входу може бути відкритою або закритою. При відкритій схемі входу сигнал подається в канал Y безпосередньо, а при закритій – через розподільний конденсатор, завдяки чому до каналу Y не надходить постійна складова сигналу.

Перемикач, який змінює схему входу, має, як правило, ще й нейтральне положення, при якому вхід каналу Y замикається на землю.

Вихідний каскад каналу Y повинен узгоджувати вихід каскаду попе-реднього підсилення з ЕПТ і забезпечити подачу напруги на пластини Y ЕПТ симетрично відносно нульового потенціалу. Остання вимога необхідна, щоб уникнути трапецієподібних викривлень. З цього приводу вихідні каскади каналів Х та Y виконують за фазоінверсними схемами.

2.1.2.4 Канал горизонтального відхилення (канал Х) призначається для створення пилоподібної напруги та її синхронізації з досліджуваним сигналом.

Пилоподібна напруга виробляється за допомогою генератора розгортки.. Генератор розгортки може працювати у двох режимах: автоколивальному, який забезпечує безперервну періодичну розгортку, або в режимі одновібратора, коли генератор виробляє пилоподібний імпульс тільки за наявністю сигналу запуску. Перехід з безперервного на очікувальний режим здійснюється за допомогою ручок «Стабільність» та «Рівень».

Синхронізація в очікувальному режимі досягається автоматично, примусовим запуском генератора розгортки досліджуваним сигналом або сигналом, який з ним пов’язаний.

В автоколивальному режимі кратність періодів розгортки і досліджуваного сигналу забезпечується за допомогою схем синхронізації та запуску. Ці схеми виробляють прямокутні імпульси постійної амплітуди незалежно від розміру та форми сигналу, що надходить до них.

У підсилювачі каналу Х пилоподібна напруга підсилюється до необхідного значення. Як і підсилювач каналу вертикального відхилення, підсилювач в каналі Х має симетричний вихід.

При використанні зовнішньої розгортки підсилювач відключається від схеми генератора і підсилює сигнал, який надходить до входу Х ззовні.

До каналу Х входить також схема управління променем ЕПТ, яка виробляє прямокутні імпульси, що подаються на спеціальний блокуючий яскравість електрод ЕПТ (модулятор) і гасять промінь під час зворотного ходу розгортки.

Лабораторне завдання

1. Провести осцилографування гармонічних сигналів, виміряти їх параметри та визначити похибки вимірювань.

2. Провести осцилографування імпульсної послідовності, виміряти її параметри та визначити похибки вимірювань.