Измерение электрических сигналов с помощью осциллографа

ЛЕКЦИЯ 6

Тема:-Измерение электрических сигналов с помощью осциллографа

При исследовании переменных и импульсных электрических сигналов необходимо уметь измерять не только их напряжение, но и форму. Временную зависимость переменной величины можно записать в виде U= f (t). Для гармонического сигнала это будет U= U_M Sin (t +), где U_M – амплитудное значение гармонического сигнала,  -круговая частота,  - начальная фаза гармонического сигнала. Полную информацию обо всех этих параметрах получить измерением только напряжения мы не можем. Кроме того, если с гармоническим сигналом просуммирована постоянная составляющая, то обычными вольтметрами переменного тока мы эту составляющую оценить не сможем, так как они предназначены, как правило, для измерения напряжений в заданном интервале частот. Полученный результат измерения будет ошибочным. Получить полную информацию о сигналах более сложной формы невозможно.

Осциллограф позволяет визуально наблюдать форму электрического сигнала, измерить все параметры, выделить постоянную составляющую сигнала, и в случае двулучевого осциллографа измерить фазовый сдвиг одного сигнала относительно другого.

В основе осциллографа лежит электронно-лучевая трубка – прибор, обеспечивающий формирование движения электронного луча по люминесцирующему экрану, на котором траектория движения рисуется в виде светящейся кривой. Для получения изображения на экране  необходимо перемещать луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В одном направлении скорость перемещения луча должна быть постоянной, назовем это направление горизонтальным Рис.1. Для этого, путь, пройденный лучом по экрану должен подчиняться закону - X=Vt, а напряжение, формирующее скорость перемещения луча по горизонтали подчиняться закону - U=U₀t.

-31-

Рис.1. Схематическое изображение отклоняющей системы электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением движением луча

Амплитуда отклоняющего напряжения должна быть достаточной, для перемещения луча от левой границы экрана до правой. Сигнал, подаваемый на пластины горизонтального отклонения, должен быть периодическим. Это позволяет путем многократного наложения траекторий луча получать устойчивое изображение исследуемого сигнала. Структурная схема осциллографа приведена на Рис.2.

Рекомендуемые материалы

Исследуемое напряжение поступает на вход усилителя вертикального отклонения. Входной разъем подключается ко входу усилителя вертикально развертки – У1 переключателем – П1. Положение переключателя ~ позволяет не пропустить на вход усилителя У1 постоянную составляющую входного сигнала, если она в нем имеется. В положении переключателя – П1 – обозначенном знаком   на вход усилителя проходят и постоянная и переменная составляющие сигнала. Положение  переключателя присоединяет вход усилителя к корпусу, что позволяет установить, в каком месте экрана осциллографа находится нулевой уровень сигнала. Положение нулевого уровня входного сигнала на экране осциллографа можно изменить, используя потенциометр (на  Рис.2. не показан) « ».

Рис. 2. Структурная схема осциллографа

Задача  усилителя У1 обеспечить возможность довести амплитуду напряжения, которое поступает с его выхода на пластины вертикального отклонения до такого значения, при котором

-32-

электронный луч отклоняется в пределах экрана по вертикали. Правильный выбор уровня

переключателя позволяет получить отклонение луча в пределах всего экрана.

 Переключатель «В/дел» обеспечивает ступенчатее изменение размеров изображения. Он совмещен с потенциометром плавной регулировки, который позволяет плавно изменять вертикальный размер изображения, и используется для настройки осциллографа при его калибровке. Большинство осциллографов имеют в своей структуре генератор калибровочного сигнала. Он используется для текущей проверки работы прибора. Стабильность параметров генератора обеспечивается его схемным решением. При проверке осциллографа этот сигнал подается на вход осциллографа.

 Усилитель У2, своим выходным напряжением, обеспечивает перемещение луча в пределах горизонтальных размеров экрана осциллографа с постоянной скоростью. На вход усилителя горизонтальной развертки подается линейно изменяющееся напряжение заданной частоты, которое формируется генератором ГПН, показанном на Рис.2.

Форма выходного напряжения генератора ГПН приведена на рис .3.

Рис.3. Форма напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения.

Напряжение, поступающее с генератора на пластины горизонтальной развертки, состоит из нескольких участков;

- T – период следования импульсов линейно изменяющегося напряжения,

-  t_раб – рабочий участок,

-  t_обр. – длительность обратного хода луча,

 - t_п – длительность паузы между импульсами линейно изменяющегося напряжения.

На рабочем участке t_раб электронный луч рисует форму входного напряжения в функции времени. При обратном ходе луча t_обр по экрану, луч гасится сигналом гашения обратного хода луча. Формирователь этого сигнала входит в структуру ГПН. Время паузы t_п формируется блоком синхронизации.

Блок синхронизации «синхр» обеспечивает совмещение времени начала рабочего хода луча с определенной фазой (моментом времени) входного сигнала. При несовпадении этих моментов изображение на экране будет неустойчивым. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу блока синхронизации, показаны на Рис.4.

-33-

Рис.4.Временные диаграммы работы блока синхронизации (а – сигнал развертки и исследуемый сигнал не синхронизированы, б – сигналы синхронны).

 В режиме, задаваемом переключателем вида синхронизации «внутр», работа блока синхронизации заключается в том, что усиленный исследуемый сигнал поступает на один из входов блока. Ко второму входу этого же блока подводится заранее выбранное напряжение. Устройство сравнения этого блока формирует стартовый импульс запуска генератора линейно нарастающего напряжения. Частота следования сигнала горизонтальной развертки определяется периодом Т (см. Рис.3) и задается дискретно переключателем « время/дел», плавная подстройка частоты осуществляется потенциометром «частота плавно». Сигналом, служащим для формирования импульса запуска генератора линейно изменяющегося напряжения может служить напряжение питания осциллографа 50 Гц. Для перехода в режим синхронизации от сети необходимо перевести переключатель вида синхронизирующего сигнала в положение 50 Гц. Режим синхронизации от сетевого напряжения не удобен при исследовании сигналов повышенных частот, он не обеспечивает устойчивой работы, изображение на экране будет «плавать». Осциллографы имеют входной разъем для подключения внешнего источника сигнала синхронизации. Этот способ синхронизации внешним сигналом используется в том случае, когда исследуемый короткие сигналы следуют с большими интервалами, а также при исследовании сигналов имеющих случайную природу происхождения. В этом случае, для запуска генератора линейно изменяющегося напряжения, используется сигнал, по времени, предшествующий исследуемому.

Блок синхронизации позволяет выбрать начальную фазу исследуемого сигнала, при которой формируется импульс старта рабочего хода луча, для этого он имеет переключатель «+»,«-», позволяющий выбрать участок сигнала, на котором напряжении нарастает или падает см. Рис.5.

-34-

Рис.5 Иллюстрация работы блока синхронизации.

На Рис.5. жирной линией выделены: -  «+» - зона нарастания исследуемого сигнала на которой выбирается уровень синхронизации, определяющий момент запуска генератора линейно нарастающего напряжения А, в случае если  исследуемый сигнал совпадает по уровню с заданным напряжением (уровнем синхронизации).

Второй выделенный жирной линией на Рис.5. участок «-» соответствует режиму синхронизации на спадающем участке исследуемого сигнала, импульс старта, в приведенной ситуации, совпадет с точкой Б.

Частота следования импульсов горизонтальной развертки в том и другом случае задается независимо переключателем «время/дел». На линейном участке импульса линейно изменяющегося напряжения число периодов исследуемого сигнала может уложиться несколько раз. Количество периодов определяется соотношением периода развертки и периода исследуемого сигнала.

Калибровку вертикального отклонения луча осциллографа можно осуществить подключением к его входу сигнала встроенного генератора или сигнала от любого источника сигнала, принимаемого за эталон. Отклонение луча от нулевого положения на экране осциллографа должно отвечать условию – N дел =, где; - В_кал – значение напряжения калибрующего сигнала,

- В/дел – положение переключателя «Вольт/дел».

Если отклонение луча не совпадает с полученным значением, совпадения результатов добиваются вращением ручки потенциометра «плавно».

Аналогично выполняется и калибровка скорости горизонтальной развертки. Калибрующий сигнал подается на вход осциллографа. Выполняется операция настройки изображения (получается устойчивое изображение входного сигнала на экране осциллографа). Период следования калибрующего сигнала сравнивается с положением переключателя «Время/дел ». Если число клеток, занимаемое периодом калибрующего сигнала, не совпадает расчетным числом клеток, полученным из выражения N_дел =Т_сек/t_/дел, - где Т_сек –период калибрующего сигнала,

-t_/дел – положение переключателя длительности развертки, то потенциометром плавной регулировки длительности развертки производят подстройку.

Калибровка осциллографа осуществляется при необходимости выполнить измерения амплитудных и временных параметров исследуемого сигнала. Точность измерения не превышает 10%. При необходимости получения более достоверной информации необходимо использовать специальные измерительные приборы.

-35-

Управление  такими параметрами осциллографа, как яркость луча и фокусировка осуществляется потенциометрами «Яркость», «фокус». Потенциометр «Яркость» регулирует яркость изображения, наблюдаемого на экране. Потенциометр «Фокус» -регулирует четкость изображения, устраняя размытие изображения. Операция настройки яркости и четкости изображения может потребоваться после длительного хранения осциллографа на складе или при повышенной освещенности рабочего места.

Расположение органов управления осциллографом приведено на Рис.6 (для примера взят эскиз передней панели осциллографа ОСУ -10А)

Рис.6. Эскиз лицевой панели осциллографа ОСУ-10А.

1- Кнопка включения питания осциллографа.

2- Потенциометр регулировки яркости луча.

3- Потенциометр регулировки фокуса.

4- Выходной разъем генератора калибровочного напряжения.

5- Потенциометр регулировки положения нулевого уровня усилителя вертикального отклонения луча.

6- Калиброванный переключатель коэффициента усиления усилителя вертикальной развертки.

7- Потенциометр плавной регулировки калибрующего напряжения.

8- Входной разъем усилителя вертикальной развертки.

9- Переключатель входной цепи усилителя вертикальной развертки.

10- Переключатель заземления входа усилителя вертикальной развертки.

11- Потенциометр плавной регулировки частоты генератора горизонтального отклонения.

12- Ступенчатый переключатель уровня синхронизации.

13- Потенциометр смещения точки начала развертки на экране осциллографа.

14- Потенциометр плавной регулировки уровня синхронизации.

15- Переключатель блокировки развертки.

16- Ступенчатый переключатель длительности развертки.

17- Входной разъем усилителя горизонтального отклонения луча.

18- Переключатель способа запуска осциллографа.

19- Переключатель типа синхронизации.

20- Переключатель синхронизации в режим работы с телевизионными сигналами.

21- Переключатель синхронизации сигналом питающего напряжения.

-36-

22- Переключатель источника синхронизирующего напряжения.

23- Экран осциллографа.

В лекции рассмотрены вопросы:

- преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, позволяющий исследовать изменение электрического сигнала во времени,

- рассмотрена структурная схема осциллографа,

"8.3 Социально-экономическое развитие" - тут тоже много полезного для Вас.

- назначение органов управления на примере осциллографа ОСУ-10А.

Основная литература

1. Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы электрических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2005. Электронная версия.

2. Осциллограф сервисный универсальный ОСУ-10А. Руководство по эксплуатации. М. 2006.

1.