Принцип образования осциллограммы

12 3

Методические указания

к лабораторной работе

ЭЛEKTPOHHО-ЛУЧEBOЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Новополоцк 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.. 4

1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА. 4

1.1 Электронная пушка. 4

1.2 Принцип образования осциллограммы.. 6

Синхронизация развертки. 9

2. БЛОК-СХЕМА ОСЦИЛЛОГРАФА.. 11

2.1. Канал вертикального отклонения. 11

2.2. Канал горизонтального отклонения. 12

Режимы развертки. 12

Принцип работы синхронизации. 12

2.3. Канал Z. 15

2.4 Калибратор. 15

3. ТЕХНИКА ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ. 15

3.1. Выбор осциллографа. 15

3.2. Подготовка осциллографа к измерениям. 18

3.3. Измерение напряжения. 18

Метод непосредственной оценки. 18

Метод сравнения. 20

3.4. Измерение временных интервалов. 20

Метод калиброванной развертки. 21

Методсравнения. 21

3.5. Измерение частоты сигнала. 21

Фигуры Лиссажу. 21

3.6. Измерение фазовых сдвигов. 22

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.. 25

5. АНАЛИЗ СИГНАЛОВ. 26

Литература: 27

Порядок выполнения работы... 28

порядок выполнения работы... 28

Задание 1. Контроль правильности измерений. 28

Задание 2. Измерение параметров синусоидального сигнала. 29

Задание 3. Измерение параметров импульсного сигнала. 30

Задание 4. Измерение фазовых сдвигов синусоидальных сигналов. 30

Задание 5. Работа с другими осциллографами. 30

Осциллограф – это прибор, который позволяет наблюдать на экране форму электрических сигналов (то есть зависимость напряжения от времени) и измерять их параметры. Его преимуществом по сравнению с другими измерительными приборами являются наглядность восприятия информации и универсальность – можно измерять сразу несколько параметров сигнала. К недостаткам можно отнести небольшую точность (2-5%) и относительно большую трудоемкость измерений. С помощью осциллографа можно измерять все параметры любых сигналов, в то время как более точные специализированные приборы измеряют обычно какой-то один параметр, и, главное, рассчитаны только на сигнал определенной формы (наиболее распространенны приборы для измерения параметров гармонических сигналов), поэтому они могут давать большие и неконтролируемые погрешности при отклонении сигнала от "стандартного" вида. Таким образом, наличие осциллографа как контролирующего прибора необходимо и при использовании других, более точных измерительных приборов, особенно, если вид сигнала не известен и может изменяться в процессе измерений.

По назначению и принципу действия осциллографы разделяются на универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные. Данная задача посвящена ознакомлению с универсальным осциллографом.

Прежде, чем приступать к работе с любым прибором, необходимо изучить его техническое описание и инструкцию по эксплуатации. Однако у осциллографов различных типов есть много общего: общие принципы построения и работы, изучив которые, можно значительно быстрее разобраться в работе конкретного прибора. И при переходе в работе от одного вида осциллографа к другому не должны возникать серьезные затруднения.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА.

Главным узлом любого осциллографа является электронно-лучевая трубка – ЭЛТ, поэтому осциллограф и называется электроннолучевым. Схематически устройство ЭЛТ показано на рис.1.

Электронная пушка

Электронная пушка создает и фокусирует электронный луч. С катода испускаются электроны, ускоряются в электрическом поле между катодом и вторым анодом. Далее, до экрана, они пролетают в области почти постоянного потенциала (равного U_a₂. Потенциал создается токопроводящим слоем, нанесенным на стенки трубки. Соударяясь с флюоресцирующим слоем на внутренней поверхности экрана – люминофором, электроны вызывают его свечение.

Рис.1 Электронно-лучевая трубка. Напряжения относительно катода: U_а2 = +800 …+5000 В, U_а1 = (50…80 %)U_а2, U_упр = -20…-90 В.

Яркость свечения определяется количеством энергии в единицу времени, сообщенной электронами люминофору (т.е. кинетической энергией электронов и их плотностью в электронном луче). С экрана электроны "стекают" на положительный полюс источника питания. Люминофор не токопроводен, и электроны покидают экран либо за счет вторичной эмиссии, либо на экран наносится тонкий, прозрачный для быстрых электронов, слой металла (алюминия), соединяемый с положительным полюсом источника питания.

Катод помещен внутрь цилиндра с отверстием – это управляющий электрод, на него подается отрицательный (по отношению к катоду) потенциал. Изменяя его величину, можно регулировать число электронов в пучке, а значит, яркостьсвечения пятна на экране (ручка "яркость", "☼"). Фокусировка луча осуществляется анодами. Процесс подобен фокусировке световых лучей оптическими линзами, только линзы здесь образованы электростатическими полями между анодами. Регулируя напряжение на 1-м аноде, можно изменять электростатические поля (фокусное расстояние линзы) и фокусировать электронный луч (ручка "ž", "фокус").

Рис.2 Принцип образования осциллограммы

Принцип образования осциллограммы

Положение светового пятна на экране зависит от пары напряжений, приложенных к горизонтально – (X) и вертикально – (Y) отклоняющим пластинам. Если на Y-пластины подать переменное, например, синусоидальное, напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При достаточно большой частоте колебаний (20-50 Гц) электронный луч оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию (рис.2а). Аналогично, напряжение, поданное на горизонтально отклоняющие пластины – X, даст горизонтальную линию. При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин можно получить различные осциллограммы. Например, подавая на пластины Х и Y два синусоидальных сигнала с определенными соотношениями частот, амплитуд и фаз, можно наблюдать кривые, изображенные на рис.2а, рис.3 - кривые Лиссажу. По этим кривым можно определить соотношение частот и фаз двух сигналов.

разность фаз Dj = n·m(j₂ - j₁) Рис. 3 Фигуры Лиссажу для двух синусоидальных сигналов с различными соотношениями частот и фаз: x = A₁cos[m(wt+j₁)], y = A₂cos[m(wt+j₁)]

Если мы хотим наблюдать какой-либо периодический сигнал в зависимости от времени, то для получения его действительной формы U_y= f(t), напряжение U_x должно быть пропорционально времени. Рис.2в: За время t₁₀ точка один раз "пробежала" по синусоиде по экрану – получили однократную осциллограмму. Существуют запоминающие осциллографы - способные фиксировать однократную осциллограмму. В обычных осциллографах для того, чтобы получить неподвижную картину, а не бегающую точку, необходимо, чтобы однократная осциллограмма не менее 10-50 раз в секунду повторялась (это связано с временем послесвечения люминофора и временем релаксации глаза) – и каждый раз приходилась бы на одни и те же точки экрана. Для этого надо:

Рис. 4 Пилообразное напряжение. Во время обратного хода луч гасится.

1 - чтобы линейно возрастающее напряжение периодически повторялось – такое напряжение называется пилообразным (рис.4). Оно вырабатывается специальным генератором, который встроен в осциллограф. В зависимости от поставленной задачи можно пользоваться или этим генератором, или подавать на вход "X" любое необходимое вам напряжение (генератор пилообразного напряжения и блок синхронизации при этом отключается, положение "Х" переключателя режимов развертки);

2 - чтобы частоты пилообразного напряжения и исследуемого сигнала были равны или кратны друг другу (рис.5). Добиться этого ручной регулировкой частоты практически невозможно из-за неизбежной нестабильности как периода развертки, так и периода сигнала. Кроме того, при ручной регулировке периода нарушается временной масштаб и становится невозможным измерение интервалов времени методом калиброванной развертки. Поэтому в осциллографе имеется БЛОК СИНХРОНИЗАЦИИ, выполняющий автоматическую подстройку периода развертки под исследуемый сигнал. Этот процесс – изменение частоты повторения пилообразного напряжения до значения, равного или кратного частоте сигнала U_у - называется синхронизацией. В зависимости от того, как сигнал попадает в блок синхронизации, различают три вида синхронизации: внутреннюю (¨), внешнюю ( £) и от сети.

Рис. 5. а). Образование "бегущей синусоиды" - частота сигнала U_y отлична от частоты повторения пилообразного напряжения. б). Неподвижная картина: частоты сигналов U_y и U_х кратны.

При внутренней синхронизации исследуемый сигнал поступает на вход "Y" и уже внутри осциллографа разделяется и идет как на вертикально отклоняющие пластины, так и в блок синхронизации. Таким образом, исследуемый сигнал сам управляет разверткой осциллографа (рис.6).

При внешней синхронизации сигнал с входа "Y" идет только на пластины вертикального отклонения, а в блок синхронизации сигнал пойдет с входа "X" - его надо специально подать. Использовать внешнюю синхронизацию целесообразно в случае, если исследуемый сигнал недостаточен по амплитуде или непригоден по форме для синхронизации (например, содержит шумы). Например, мы работаем с сигналом, который как-то преобразуем, и получить качественную неподвижную картинку при внутренней синхронизации от преобразованного "плохого" сигнала не удается (картина дрожит или срывается). Тогда мы на вход "X" подаем исходный "хороший" сигнал, включаем внешнюю синхронизацию и тем самым согласуем частоту повторения развертки с частотой непреобразованного "хорошего" сигнала. Так как его частота точно равна частоте наблюдаемого сигнала, то картина должна стать неподвижной. Внешняя синхронизация также обычно применяется при изучении импульсных устройств, например, ЭВМ, все цепи которых работают синхронно от одного тактового генератора.

Синхронизация от сети обычно используется для проверки узлов приборов, связанных с преобразованием питающего напряжения от силовой сети (трансформаторов, выпрямителей, стабилизаторов и т.д.). В этом режиме в блок синхронизации попадает сигнал от промышленной сети 50 Гц (на вход "X" ничего подавать не надо. Этот сигнал подается ВНУТРИ осциллографа).

БЛОК-СХЕМА ОСЦИЛЛОГРАФА

12 3

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: