Дослідження електронного осцилографа

Метою роботи є вивчення принципу дії та будови електронного осцилографа, набуття практичних навичок осцилографування електричних коливань та вимірювання їхніх параметрів за допомогою електронного осцилографа.

2.1 Організація самостійної роботи

2.1.1 Завдання для самостійної підготовки

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

У залежності від технічних характеристик та вузькоспрямованого функціонального призначення осцилографи поділяються на універсальні, швидкісні (високочастотні), стробоскопічні, запам'ятовуючі та спеціальні. Основою їх є універсальний осцилограф, а вузька функціональна спрямованість окремих досягається розширенням певних функцій за рахунок 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 відхилу (канал Y), горизонтального відхилу (канал X), канал керування яскравістю (канал Z) та допоміжний блок – калібратор амплітуди та тривалості.

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

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

Розташування пучка електронів у площині екрана залежить від напруги на пластинах, і з її зміною світна точка змінює своє розташування так, що тра­єкторія її руху повторюватиме залежність , де і – миттєві значення напруг на пластинах Y та Х відповідно.

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

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

Неелектричні процеси можна спостерігати лише за умови, що величини та можна замінити їхніми електричними еквівалентами та . Саме такий випадок має місце під час відтворення за допомогою електронного осцилографа форми змінного сигналу, тобто залежності , у якій час є неелектричною величиною. У цьому разі плин часу можна імітувати за допомогою пилкоподібної напруги, миттєві значення якої змінюються в часі за законом:

де , – пікове значення та період пилкоподібного коливання;

– постійний коефіцієнт для ідеального пилкоподібного коливання;

– кут нахилу пилкоподібного коливання.

Під час спостереження за формою досліджуваний сигнал подається на пластини Y трубки, а пилкоподібне коливання – на пластини Х.

Оскільки відбиття форми сигналу – це основне функціональне призначення осцилографа, то кожен з них містить джерело пилкоподібних коливань.

Траєкторія, за якою промінь переміщується в напрямку осі Х, називається розгорткою зображення.

Розгортку поділяють на:

– лінійну (здійснюється за допомогою напруги, яка лінійно змінюється в часі та 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)

– очікувальну (генератор розгортки спрацьовує тільки під впливом імпульсу запуску, виробляє один імпульс і чекає на прибуття наступного імпульсу запуску).

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

У 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 під час дослідження неперервних сигналів із малою шпаруватістю, зовнішня – під час дослідження імпульсних сигналів із великою шпаруватістю, від мережі – під час дослідження сигналів, утворених з напруги мережі живлення.

2.1.2.3 Канал вертикального відхилу (каналY) являє собою масштабний перетворювач напруги, який не має 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 з сигналу, що діє на вході лінії затримки. Отже, спочатку запускається розгортка, і лише потім на пластини Y надходить
досліджуваний сигнал. Це дозволяє детальніше, без викривлень, роздивитися його передній фронт.

Як зазначалося вище, осцилограф служить для дослідження електричних сигналів у часовій області й 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 (рідше) активних.

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, за якого вхід каналу Y замикається на землю.

Вихідний каскад каналу Y має узгоджувати вихід каскаду попереднього
підсилення з ЕПТ і забезпечувати подачу напруги на пластини Y ЕПТ симетрично відносно нульового потенціалу. Остання вимога необхідна, щоб уникнути трапецієподібних викривлень. З цієї причини вихідні каскади каналів Х та Y виконують за фазоінверсними схемами.

2.1.2.4 Канал горизонтального відхилу (канал Х) призначається для створення пилкоподібної напруги та її синхронізації із досліджуваним сигналом.

Пилкоподібна напруга виробляється за допомогою генератора розгортки. Генератор розгортки може працювати у двох режимах: автоколивному, який забезпечує неперервну періодичну розгортку, або в режимі одновібратора, коли генератор виробляє пилкоподібний імпульс лише за наявності сигналу запуску. Перехід від неперервного до очікувального режиму здійснюється за допомогою ручок «Стабільність» та «Рівень».

Синхронізація в очікувальному режимі досягається автоматично, примусовим запуском генератора розгортки досліджуваним сигналом або сигналом, із ним пов’язаним.

В автоколивному режимі кратність періодів розгортки й 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 пилкоподібна напруга підсилюється до необхідного значення. Як і підсилювач каналу вертикального відхилу, підсилювач у каналі Х має симетричний вихід.

Під час використання зовнішньої розгортки підсилювач відключається від схеми генератора й підсилює сигнал, який надходить до входу Х ззовні.

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