осциллограф_метод

1
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
физический факультет
кафедра радиофизики
ЭЛЕКТРОННЫЕ
ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Методические указания по выполнению лабораторной работы
Составил доц. Орлов С.В.
Ростов на Дону
2005г.
2
НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Электронный осциллограф - универсальный
измерительный прибор,
применяемый для визуального наблюдения и фотографирования электрических
сигналов и измерения их параметров. В большинстве случаев в электронном
осциллографе для отображения информации используется электронно-лучевая трубка
(ЭЛТ). Из основного назначения следуют основные требования, преъявляемые к
осциллографу: высокая чувствительность, широкий диапазон частот и большое
входное сопротивление.
Принцип действия электронного осциллографа, построенного на основе
электростатической ЭЛТ, состоит в следующем. Сфокусированный электронный луч,
проходя между вертикально и горизонтально отклоняющими пластинами X, Y, может
отклоняться под воздействием напряжения, приложенного к пластинам, в направлении,
перпендикулярном плоскости пластин (рис. 1). Это отклонение, наблюдаемое на экране
ЭЛТ по положению светящегося пятна, прямо пропорционально приложенному
напряжению. Пусть напряжение, приложенное к пластинам Y, равно нулю, а на Zпластины подано напряжение идеальной пилообразной формы (см. рис.1). Тогда пятно
от электронного луча на экране трубки будет перемещаться в горизонтальном направлении в течение времени Tр (прямой ход луча), а затем мгновенно возвратится в
первоначальное положение (обратный ход луча). В последующие периоды
пилообразного напряжения движение луча повторится и на экране будет высвечена
горизонтальная линия, соответствующая прямому ходу луча. Обратный ход в нашем
случае происходит так быстро, что свечения экрана не будет. Отклонение луча в
горизонтальном направлении, линейно связанное со временем, называется разверткой.
Если кроме напряжения развертки на пластинах Х подать на Y-пластины периодическое напряжение то при равенстве периодов изменения напряжений на
пластинах, на экране будет однократное неподвижное изображение траектории пятна
— исследуемого сигнала во
3
времени (рис. 1).
Траекторию пятна на
экране можно построить графически по точкам, задавая моменты времени и
соответствующие им напряжения развертки и сигнала. Эту траекторию пятна,
отражающую форму зависимости исследуемого колебания от времени, называют
осциллограммой. По осциллограмме могут быть измерены параметры сигнала: амплитуда, период, частота и т. п.
Мы рассмотрели использование в качестве напряжения развертки идеального
пилообразного напряжения. В случае реального пилообразного напряжения
длительность прямого хода Tп не равна периоду развертки Tр и отличается от него на
длительность обратного хода Тоб- На рис. 1 штриховой линией показано изменение
напряжения обратного хода на развертке (линия bc), а также изображение обратного
хода на осциллограмме (линия аО). Линия обратного хода вследствие нелинейности
развертки на участке обратного хода полезной информации не содержит, а лишь
искажает осциллограмму. Поэтому на ЭЛТ на время обратного хода подают
запирающее напряжение, и луч на это время гасится. Напряжение развертки
формируют таким образом, чтобы время обратного хода было существенно меньше
времени прямого хода.
При реальной форме пилообразного напряжения нелинейностью обладает и
напряжение в течение прямого хода. Это приводит к искажению осциллограмм: на
участках прямого хода, где скорость развертки уменьшается, масштаб времени на
осциллограмме увеличивается, одинаковым отрезкам длины соответствуют большие
промежутки времени. Это приводит к погрешности при измерении промежутков
времени по осциллограмме. Поэтому нелинейность развертки в осциллографах строго
нормируется.
Для получения одноконтурного неподвижного изображения необходимо, чтобы
Tр=Tс. В противном случае электронный луч не будет каждый новый период
изменения напряжения развертки перемещаться по одной траектории, и на экране
получится семейство сдвинутых друг относительно друга кривых, наблюдаемых как
светлый прямоугольник. Очевидно, приемлемым условием для получения
одноконтурного изображения является также условие Тр=пТс, где п—целое число (0,
1, 2,... ). При этом на экране может получаться несколько периодов изменения
напряжения сигнала. Условие Тр=пТс достигается введением синхронизации периода
развертки с периодом повторения исследуемого сигнала. Синхронизация
осуществляется либо внешним стабильным сигналом (внешняя синхронизация), либо
4
самим напряжением сигнала, подаваемым на генератор напряжения развертки
(внутренняя синхронизация).
При получении осциллограмм импульсных напряжений с большой скважностью
сталкиваются с трудностью, связанной с тем, что при выполнении условия Tр=Tс
осциллограмма импульса превращается в вертикальную линию, которая не
характеризует форму импульса. Эта трудность преодолевается использованием ждущей развертки. Ждущая развертка запускается каждым пришедшим импульсом.
Длительность прямого хода развертки устанавливается примерно равной
длительности импульса. Начало каждого импульса соответствует одной и той же
точке экрана. Поэтому на экране получается неподвижное изображение импульса, которое занимает большую часть экрана. Ждущая развертка применяется при
получении осциллограмм и непериодических импульсов.
В целях повышения точности измерения временных интервалов по осциллограмме
стремятся увеличить длину линии развертки на экране. Для этого применяют
круговую или спиральную развертки: линия развертки на экране представляет собой
круг или спиральную линию. Круговая развертка может быть получена, если на
отклоняющие пластины трубки Х и Y подать гармонические напряжения одной
частоты, но сдвинутые по фазе на 90°. Спиральная развертка получается, если в
отличие от круговой развертки на пластины будут поданы гармонические колебания,
сдвинутые по фазе на 90°, с амплитудами, изменяющимися по линейному закону.
Исследуемый сигнал подается в этом случае на электрод трубки, управляющий
яркостью свечения пятна.
Электронные осциллографы являются самым распространенным универсальным
радиоизмерительным прибором. В основу их классификации положен ряд признаков:
а) число одновременно исследуемых сигналов; б) ширина полосы пропускания канала
сигнала, определяемой нижней и верхней граничными частотами; в)характер
исследуемого процесса—непрерывные сигналы, импульсные многократные или.
однократные. В зависимости от назначения и электрических характеристик
осциллографы разделяются на универсальные, скоростные стробоскопические,
запоминающие и специальные.
Универсальные осциллографы (С1) имеют наибольшее распространение: они
позволяют исследовать разнообразие электрических сигналов в широком диапазоне
частот, амплитуд, длительностей и частот повторения сигналов. Полоса пропускания
таких осциллографов достигает 350 МГц. Диапазон амплитуд исследуемых сигналов
составляет от единиц милливольт до сотен вольт, длительность исследуемых
импульсов лежит в пределах от единиц наносекунд до нескольких секунд.
Изображение сигнала на экране индицируется почти одновременно с действием
сигнала на входе. Поэтому такие осциллографы называют осциллографами реального
времени.
Скоростные осциллографы (С7) предназначены для исследования в реальном
масштабе времени СВЧ - колебаний, однократных редко повторяющихся и
периодических импульсных сигналов , длидельностью в доли и единицы наносекунд
путем визуального наблюдения с регистрацией на фотопленку. В этих
осциллографах применяется ЭЛТ с бегущей волной, полоса пропускания 0 ... 5
Стробоскопические осциллографы (С7) обладают способна исследовать сигналы
пикосекундной длительности, благодаря применению стробоскопического метода
трансформации масштаба времени сигнала. Эти осциллографы обладают большой
чувствительностью (мВ) и полосой пропускания (до 10 ГГц), однако применимы
только для исследования повторяющихся сигналов.
5
Запоминающие осциллографы (С8) обладают способное сохранять и
воспроизводить изображение сигнала на экране после его исчезновения на входе
осциллографа благодаря применению специальных ЭЛТ. Эти приборы в основном
предназначены исследования медленно изменяющихся и однократных сигналов
Диапазон измеряемых интервалов времени в них расширен до десятков секунд.
Специальные
осциллографы—это,
главным
образом,
телевизионные
осциллографы, предназначенные для исследования телевизионных сигналов.
Большинство осциллографов — приборы с аналоговой обработкой сигнала и
использованием аналогового метода измерения параметров.
В последние годы получили развитие осциллографы с цифровой обработкой
сигнала и использованием цифровых методов измерения параметров сигнала. В
осциллографах с цифровой обработкой сигнала исследуемый сигнал и напряжение
развертки квантуются по уровню и дискретизируются по времени, благодаря этому
для обработки сигнала может быть применена цифровая встроенная ЭВМ, которая
усредняет сигналы, складывает, вычитает, умножает, делит, выполняет
преобразование Фурье и т. д. Затем осуществляется цифроаналоговое
преобразование сигналов и отображение информации в аналоговой форме. Часто
такие осциллографы называют вычислительными.
2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО
ОСЦИЛЛОГРАФА С АНАЛОГОВЫМ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ СИГНАЛА
Упрощенная структурная схема, по которой строится большинство
осциллографов, работающих в реальном масштабе времени, изображена на рис. 2.
Рис. 2
Она содержит следующие основные части: канал вертикального отклонения луча
(канал У), канал горизонтального отклонения (канал X), канал управления лучом по
яркости (канал Z), калибратор, ЭЛТ VL1 со схемами фокусировки, управления и
питания. Рассмотрим сначала канал вертикального отклонения. На входное
устройство поступает исследуемый сигнал. Поэтому входная цепь должна
обеспечивать согласование параметров входа усилителя вертикального отклонения Л
1 с параметрами цепи исследуемого сигнала. Чтобы можно было исследовать
сигналы с малой амплитудой при наличии большого постоянного напряжения, во
входное устройство вводится коммутируемая разделительная емкость. Входное
устройство имеет делитель напряжения для расширения пределов измерения со
6
ступенчато изменяющимися коэффициентами деления. В некоторых осциллографах
предусматривается возможность подключения как несимметричного относительно
корпуса сигнала, так и симметричного (обычный и дифференциальный входы).
Предварительный усилитель А 1 позволяет решать следующие задачи: усиление исследуемого сигнала, сохраняя возможно большее значение отношения сигнал-шум в
рабочем диапазоне частот, согласование параметров сигнала с параметрами линии
задержки, преобразование сигнала из несимметричного в симметричный.
Линия задержки ЕТ 1 обеспечивает поступление сигнала на Y-пластины ЭЛТ
после поступления напряжения развертки на X-пластины, благодаря чему можно
наблюдать фронт исследуемого импульса при синхронизации развертки исследуемым
импульсом. Задержка составляет примерно 0,1 мкс.
Оконечный усилитель А2 канала Y обеспечивает усиление исследуемого сигнала
до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана по вертикали, при
этом используется двухтактный усилитель.
Канал горизонтального отклонения луча включает в себя генератор развертки G1,
оконечный усилитель A3, устройство синхронизации и запуска развертки.
Генератор развертки предназначен для формирования напряжения, вызывающего
отклонение луча по горизонтали, пропорционально времени. Параметры напряжения
развертки должны соответствовать времени нарастания переходной характеристики
канала и возможностям экрана данной ЭЛТ к наблюдению медленных процессов.
Генератор развертки имеет три режима работы:
автоколебательный, ждущий и однократной развертки. Автоколебательный режим
применяется для наблюдения синусоидальных ц импульсных сигналов с небольшой
скважностью. Сигналы синхронизации (внешней и внутренней), поступающие на
генератор, обеспечивают кратность частоты разверток частоте исследуемого
колебания.
Ждущий режим генератора развертки используется при исследовании импульсных
сигналов с большой скважностью. Генератор в этом режиме находится в состоянии
готовности к рабочему ходу развертки. При поступлении запускающего импульса
начинается рабочий ход развертки. По окончании рабочего хода развертки генератор
возвращается в состояние готовности к новому рабочему ходу. Следующий рабочий
ход начинается только с приходом следующего запускающего импульса. Яркость
изображения импульса на экране обратно пропорциональна частоте следования
исследуемых импульсов. Минимальная частота следования определяется световыми
параметрами ЭЛТ.
Режим однократной развертки предусмотрен у большинства осциллографов. Он
предназначен для фотографирования одиночных сигналов или для их запоминания.
Генератор развертки находится в состоянии готовности к рабочему ходу. Нажатием
кнопки ПУСК генератор запускается очередным импульсом. После рабочего хода
развертка автоматически блокируется и не запускается следующим импульсом до
очередного нажатия кнопки ПУСК.
Для получения изображения более крупного масштаба по оси времени, чем
позволяет генератор развертки, у большинства осциллографов предусматривается
режим «растягивания» во времени, что достигается увеличением коэффициента
усиления оконечного усилитель канала Х в заданное число раз (2, 5, 10). Конечно, при
работе в таком режиме уменьшается яркость изображения.
В ряде случаев необходимо бывает исследовать часть импульса, которая
появляется значительно позже запускающего импульса. Для этого можно было бы
использовать медленную развертку, чтобы поместился весь импульс. Однако
7
изображение будет сильно сжато, измерение параметров будет затруднено. Для исследования таких сигналов, а также для повышения точности измеренных временных
интервалов в осциллографах используют метод задержанной и задерживающей
разверток. В этом случае применяют две линейные калиброванные развертки:
медленная (задерживающая) , позволяющая видеть весь сигнал и выбирать на нем
интересующий нас участок с помощью специальной метки, и быстрая (задержанная),
которая запускается в момент, предшествующий началу измеряемого участка, и тем
самым обеспечивает более крупное изображение измеряемой части сигнала.
У большинства осциллографов наряду с режимом развертки во времени
используется режим отклонения (режим X-Y} исследуемым сигналом по горизонтали,
аналогично тому, как это делается в канал У. Этот режим необходим при
исследовании различных функциональных зависимостей, таких как ВАХ приборов,
интерференционные фигуры и др. Для этого исследуемое напряжение подается на
вход У и вход Х (вход синхронизации).
Оконечный усилитель канала Х по назначению и устройству аналогичен
оконечному усилению канала У. Он предназначен для усиления напряжения
развертки или внешнего сигнала до значения, достаточного для отклонения луча в
пределах экрана по горизонтали.
Устройство синхронизации и запуска развертки предназначено для получения
устойчивого изображения сигнала на экране осциллографа. Для этого начало
рабочего хода развертки должно совпадать строго с одной и той же характерной
точкой исследуемого сигнала. При автоколебательном режиме работы генератора
развертки этот процесс привязки начала развертки к началу наблюдаемого сигнала
называют синхронизацией, а при ждущем режиме и одиночном запуске — запуском
развертки. Различие состоит в том, что в автоколебательном режиме развертка генерируется независимо от того, есть или нет сигнал синхронизации. Для обеспечения
синхронизации и запуска развертки устройство синхронизации вырабатывает
импульс с крутым фронтом и постоянной амплитудой в момент времени, когда
входной сигнал достигает заданного уровня. Этим импульсом корректируется длительность обратного хода развертки или ее запуск.
Канал управления током луча (канал Z) служит для установки яркости изображения
сигнала на экране ЭЛТ, удобной для его наблюдения как вручную (изменяя смещение
на модуляторе или катоде ЭЛТ), так и с помощью усилителя, на вход которого подаются сигналы внешнего или внутреннего источника, для быстрого подсвечивания
важных участков изображения сигнала. Основное назначение канала Z состоит в
подсвечивании рабочего хода развертки. Во время рабочего хода на вход усилителя Z
подается прямоугольный импульс подсвета, который вырабатывается генератором
развертки и после усиления подается на модулятор или катод ЭЛТ.
Калибровочные цепи представляют собой генераторы сигнала с точно известными
амплитудой и периодом. Как калибровочный сигнал чаще всего используется меандр.
Калибровочное напряжение подается на вход осциллографа. Органы управления устанавливаются в указанные в инструкции положения и проверяется совмещение
калибровочного сигнала с заданными рисками шкалы.
Современные ЭЛТ, которые используются в электронных осциллографах,
обладают рядом особенностей. Для лучшего соотношения яркости изображения,
чувствительности к отклонению при приемлемой длине ЭЛТ содержат
дополнительные электроды. Это, прежде всего, квадрупольные линзы,
расположенные вблизи отклоняющих пластин в широкополосных осциллографах. В
более низкочастотных используется ЭЛТ с куполообразной сеткой, установленной
8
после пластины отклонения. Этим самым формируется рассеивающая линза.
Алюминирование экрана позволяет увеличить яркость свечения люминофора у
ЭЛТ с большими ускоряющими напряжениями. На экран ЭЛТ поверх люминофора
наносится тонкая пленка алюминия, прозрачная для электронного луча, но
непрозрачная для светового излучения люминофора. Выигрыш в яркости свечения
при этом получается за счет того, что световой поток от люминофора, направленный
внутрь ЭЛТ, отражается алюминиевой пленкой в сторону наблюдателя.
Отметим, что лучше всего человеческий глаз воспринимает свечение зеленого и
желтого цветов. Фотографические материалы имеют максимум чувствительности в
области голубого и фиолетового цветов. Поэтому для наблюдения следует выбирать
ЭЛТ с люминесцентным покрытием типа И, а для фотографирования—люминесцентное покрытие типа А. Следует также учитывать необходимость
послесвечения.
Выполнение работы.
При выполнении работы используются макеты лабораторных работ №1 , № 3 ( по
выбору преподавателя).
1. Подключить вход Y осциллографа к выходам генератора прямоугольных
импульсов макета.
2. Подключить источник питания 5 В к макету.
3. Включить осциллограф и получить стабильную осциллограмму прямоугольного
импульса в режиме ждущей развертки.
4. Измерить и записать амплитуду и длительность импульса генератора.
5. Подключить выход синхронизации макета ко входу внешней синхронизации
осциллографа.
6. Перевести осциллограф в режим внешней синхронизации и добиться
устойчивой осциллограммы импульса.
7. Измерить и записать амплитуду и длительность импульса генератора. Сравнить
с предыдущими измерениями и объяснить результаты.