Изучение устройства и принципа работы электроннолучевого осциллографа

Изучение устройства и принципа работы электроннолучевого осциллографа

Целью лабораторного практикума является углубленное изучение принципов и методов радиоэлектронных измерений на примере электроннолучевого осциллографа.

Объектами радиоэлектронных измерений являются физические величины, параметры и характеристики электрических сигналов радиотехнических и электронных цепей, а также компонентов и режимов этих цепей (понятие цепи в современной радиоэлектронике трактуется очень широко: оно включает технические устройства для преобразования, передачи и приема сигналов).

Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Найденное значение называют результатом измерения.

Измерение предполагает сравнение исследуемой физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу. Результат сравнения выражается числом.

При измерении параметров сигналов операции сравнения часто предшествует преобразование сигнала к виду, удобному для сравнения.

Четырьмя основными слагаемыми измерения являются: воспроизведение единицы физической величины, преобразование исследуемого сигнала, сравнение измеряемой величины с единицей физической величины, воспроизводимой мерой, фиксация результата сравнения.

Различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения. На практике наиболее часто встречаются первые два вида.

Прямым называют измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенное измерение характеризуется тем, что искомое значение величины находят по известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Технические средства, применяемые в измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики (т. е. регламентированные ГОСТ характеристики, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений), называют средствами измерений.

В зависимости от назначения их делят на три основные разновидности:

Меру - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера (например, кварцевый генератор - мера частоты электрических колебаний);

измерительный прибор — средство измерения, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

измерительный преобразователь — средство измерений, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего его преобразования и (или) хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

Согласно метрологическим функциям средства измерений делят на эталоны, образцовые средства измерений и рабочие средства измерений.

Эталоном единицы называется средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона.

Различают первичный, вторичный, специальный, государственный эталоны, эталон-свидетель, эталон-копию, эталон сравнения и рабочий эталон.

Образцовыми средствами измерений называют меру, измерительный прибор или измерительный преобразователь, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых. Их подразделяют на исходное образцовое средство измерения и подчиненное образцовое средство измерений.

Рабочее средство измерений — средство, применяемое для измерений, не связанных cпередачей размера единиц, например измерительные приборы, которыми пользуются в повседневной практике.

Чтобы выполнить измерение в соответствии с решаемой задачей и выбранной моделью, применяют различные методы, алгоритмы и методики измерений.

Метод измерения — путь, способ экспериментального нахождения значения физической величины, т. е. совокупность приемов использования физических явлений, на которых основаны измерения.

Методы измерений значений конкретных величин очень многообразны. В общем же плане различают методы прямого сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой, замещения и совпадений.

Алгоритм измерения — точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерение физической величины.

Методика измерений — это детально намеченный распорядок процесса измерений, регламентирующий методы, средства и алгоритмы выполнения измерений, которые в определенных (нормированных) условиях обеспечивают измерения с заданной точностью.

Походу измерений и при установке параметров источников сигналов экспериментатор снимает отсчеты и показания.

Отсчет — это число, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерений либо полученное счетом последовательных отметок или сигналов.

Показание средства измерений — значение величины, определяемое по отсечному устройству и выраженное в принятых единицах.

Проводя измерения, необходимо предварительно классифицировать исследуемый сигнал, отнести его к некоторому классу. На основе априорных данных (обычно дополненных предположениями) строится модель исследуемого сигнала. Она может быть математической, представляющей собой строгое (формальное) аналитическое идеализированное определение сигнала, или упрощенной физической. Несоответствие реального сигнала приписываемой ему модели служит причиной погрешности измерений, называемой погрешностью классификации сигнала.

Для получения достоверных результатов необходимо правильно выбрать техническое средство измерений из всей номенклатуры приборов, выпускаемой промышленностью.

Таким образом при всяком измерении неизбежны отклонения результата измерений от истинного значения измеряемой величины, обусловленные разнообразными причинами. Эти отклонения называются погрешностями измерений. Классификация погрешностей и методы их исключения приведены в приложении 1, а измерительных приборов – в приложении 2.

Устройство и принцип работы электроннолучевого осциллографа

Основным и наиболее широко применяемым прибором для исследования формы напряжения сигналов служит электронно-лучевой осциллограф — прибор для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров с помощью электронно-лучевой трубки. Для него характерны высокая чувствительность, большое входное сопротивление, пренебрежимо малая инерционность, универсальность. Электроннолучевые осциллографы делятся на виды: С1- осциллографы универсальные; С7 – осциллографы скоростные и стробоскопические; С8 – осциллографы запоминающие. Наиболее распространены универсальные осциллографы. Согласно ГОСТ 9810-69 их классифицируют по следующим признакам: количеству одновременно исследуемых сигналов — для исследования одного и нескольких сигналов; ширине полосы пропускания канала сигнала, определяемой нижней и верхней граничными частотами; характеру исследуемого сигнала — для наблюдения непрерывных, импульсных однократных и импульсных многократных сигналов; точности воспроизведения формы напряжения сигналов; точности измерения интервалов времени и пиковых значений напряжений (четыре класса точности); условиям эксплуатации (ГОСТ 22261-76).

Общая структурная схема, поясняющая принцип действия электронно-лучевого осциллографа изображена на рис. 1.

Электронно-лучевая трубка(ЭЛТ) определяет принцип действия прибора, и от ее характеристик в значительной мере зависят параметры и возможности применения осциллографа в целом. В осциллографах используют главным образом ЭЛТ с электростатическим управлением лучом. Принцип отображения формы напряжения на экране осциллографической трубки в общих чертах можно представить следующим образом.

Исследуемое напряжение является функцией времени, отображаемой в прямоугольных координатах графиком u=f(t).Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси — пропорционально исследуемому напряжению (в каждый момент времени). С этой целью к горизонтально отклоняющим пластинам подводят пилообразное напряжение, которое заставляет луч перемещаться по горизонтали с постоянной скоростью слева направо и быстро возвращаться обратно. Расстояние, проходимое лучом вдоль горизонтальной оси, получается пропорциональным времени.

Исследуемое напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины, и, следовательно, положение луча в каждый момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в этот момент. За время действия пилообразного напряжения луч вычерчивает кривую исследуемого сигнала. Наблюдаемое на экране изображение называют осциллограммой.

Функции, выполняемые основными узлами схемы, заключаются в следующем.

Канал вертикального отклонения Y,или канал сигнала, предназначен для передачи напряжения источника исследуемого сигнала на вход вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ.

Канал горизонтального отклонения X,или канал развертки, служит для создания и передачи напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, преимущественно пропорционально времени.

Канал управления яркостью Zпредназначен для передачи с входа Z на управляющий электрод ЭЛТ сигналов, модулирующих яркость свечения.

Калибраторыприменяются для измерения параметров исследуемого сигнала. Как правило, ими являются устройства для измерения амплитуды и длительности напряжения сигналов (калибратор чувствительности и калибратор длительности).

Схема управления лучом(на рис.1 она не показана) связана с питающим устройством и содержит органы регулировки напряжений, управляющих яркостью, фокусировкой, астигматизмом и положением светящего пятна на экране ЭЛТ.

На рисунке представлен внешний вид двухканального осциллографа АСК-1021. Технические характеристики осциллографа приведены в приложении3.

Изучить устройство и органы управления осциллографом, подготовить прибор к включению, выполнить калибровку каналов.

1. Таблица соответствия напряжения питающей сети и номинала предохра-нителя.

2. Устройство выбора напряжения питающей сети и держатель предохра-нителя.

4. Переключатель «POWER» для включения и выключения осциллографа.

5. Индикатор «POWER»: светится, если осциллограф включен.

6. Регулятор «INTENSITY»: для регулирования яркости луча.

7. Регулятор «TRACE ROT»: для коррекции горизонтального положения луча.

8. Регулятор «FOCUS»: для регулировки фокусировки луча.

10.Контакт «0,5Vp.p»: выход сигнала калибратора с частотой 1 кГц и амплитудой 2 В.

11. Ручка «↕»: для перемещения луча по вертикали. В режиме X-Yэтот регу-лятор не используется.

«DUAL/ADD» — Если ручка вытянута, включается режим альтернативной синхронизации. В этом режиме, синхронизация производится поочередно по сигналам каналов 1 и 2.

12.Входной разъем канала 1. В режиме X—Y используется как вход X.

13.Переключатель «VOLTS/DIV»: для переключения коэффициентов откло-нения (вольт/деление).

15.Переключатель входа «AC-GND- DC»: Этот переключатель имеет три по-ложения:

АС: закрытый вход; GND: заземленный вход; DC: открытый вход.

16. Ручка «

»: для перемещения луча по вертикали.

«PULL INV»: если ручка вытянута, сигнал канала 2 инвертируется.

17.Входной разъем канала 2. В режиме X—Y используется как вход Y.

18.Переключатель «VOLTS/DIV»: для переключения коэффициентов отклонения (вольт/деление).

20.Переключатель входа «AC-GND-DC»: Этот переключатель имеет три по-ложения:

АС: закрытый вход; GND: заземленный вход; DC: открытый вход.

Нормальная температура работы осциллографа лежит в диапазоне от

+10 °С до +35 °С. Работа при температуре, выходящей за указанные пределы, может привести к выходу из строя компонентов схемы осциллографа. Осциллограф не рекомендуется использовать в местах, где существуют сильные магнитные или электрические поля, которые могут повлиять на точность измерений.

Осциллограф может быть переключен на работу при любом напряжении, указанном в таблице, путем установки устройства выбора напряжения в соответствующее положение. Перед тем, как подключить вилку шнура питания к розетке сети, необходимо убедиться в том, что устройство выбора напряжения установлено в соответствующее положение. Необходимо помнить, что осциллограф может не работать или быть поврежден, если напряжение установлено неверно.

При изменении питающего напряжения требуется установить предохранитель соответствующего номинала (см. табл.)

Устройство выбора напряжения, расположенное на задней панели прибора, показано на рисунке.

12. Установите переключатели и регуляторы следующим образом:
«POWER» — в положение «OFF»

«INTENSITY» и «FOCUS» — в среднее положение. «VERT MODE» — в положение «СНА».

Все регуляторы «↕» и «↔» — в среднее положение.

«TRIG LEVEL» — не вытянут, по часовой стрелке до упора.

Положение остальных регуляторов значения не имеет.

2. Проверьте соответствие напряжения сети установленному на задней панели.

3. Подключите шнур питания к осциллографу и сети питания.

4. Включите осциллограф при помощи переключателя «POWER». Примерно через 20 секунд появится линия развертки. Регулятором «INTENSITY» установите необходимую яркость.

5. Регулятором «FOCUS» отрегулируйте фокусировку.

Регуляторами «↕» и «↔» установите линию развертки в центр экрана.

ВНИМАНИЕ! Следующие шаги выполняются сначала для канала 1, затем, точно также, для канала 2.

7. Установите переключатель «VOLTS/DIV» канала 1 на 50 мВ, регулятор «VARIABLE» по часовой стрелке до упора.

Установите переключатель AC-GND-DC канала 1 на DC.

8. Подключите делитель 1:10 к входу канала 1. Крючок делителя подключите к контакту калибратора на передней панели. На экране должна отобразиться осциллограмма прямоугольного сигнала амплитудой 4 деления.

9. Если изображение прямоугольного сигнала имеет завал или выброс, отрегулируйте триммер на делителе до получения ровного плоского верха.

12.Установите переключатели «VERT MODE» и «SOURCE» на «СНВ».

ВНИМАНИЕ: Вышеописанная процедура настраивает каждый делитель на соответствующий канал. Смена делителей между каналами может потребовать повторения процедуры калибровки.

Ссылки на переключатель «VOLTS/DIV», переключатель «АС-GND-DC» и регулятор «VARIABLE» в этом разделе относятся к СНА или СНВ, если не указано иначе.

Если Вы используете делитель 1:10, отображение формы сигнала в 10 раз меньше фактически измеряемого напряжения. Поэтому убедитесь, что Вы умножили все установки «VOLTS/DIV» на 10.

3. Когда переключатель х5 вытянут, делите каждую установку «VOLTS/D1V» на 5 (таким образом разрешение 5 мВ/деление становится равным 1 мВ/деление).

Входы «СНА» или «СНВ» осциллографа могут использоваться как вольтметр с целью измерения напряжения от пика до пика, постоянного напряжения или определенной части сложной формы сигнала.

2. Установите регулятор «VARIABLE» на переключателе «VOLTS/DIV» по часовой стрелке до упора.

3. Установите желаемый предел переключателем «VOLTS/DIV»

4. Временно установите переключатель «AC-GND-DC» на «GND» и

при помощи регулятора «↕» установите луч на опорный уровень.

5. Для сигналов содержащих постоянную составляющую, установите переключатель «AC-GND-DC» на «DC». При использовании канала CНB убедитесь в том, что переключатель «PULL INV» не вытянут.

6. Положительное напряжение будет отклонять линию развертки вверх от опорного уровня, отрицательное напряжение будет отклонять вниз. Для того чтобы определить напряжение, умножьте вертикальное отклонение (в делениях) на значение установленное переключателем «VOLTS/DIV» (с учетом возможного использования делителя 1:10 и функции переключателя х5).

1. При помощи регулятора «↕» установите нижнюю границу сигнала на одну из горизонтальных линий шкалы.

2. Умножьте вертикальное отклонение (в делениях) на значение, установленное переключателем «VOLTS/DIV».

Если переключатель «VOLTS/DIV» установлен на 0,2 В, то напряжение пик-пик ∆V = 4 дел.*0,2 В/дел. = 0,8 В

Чтобы узнать продолжительность периода сигнала, умножьте горизонтальное расстояние (в делениях) между двумя точками на значение установленное переключателем «TIME DIV». Частота сигнала есть величина, обратная периоду.

На рис. 7 горизонтальное расстояние составляет 8,3 деления. Переключатель «TIME DIV» установлен на 2 мс. Таким образом, период ∆Т=8,3дел.* 2 мс/дел. = 16мс.

Если Вам необходимо расширить определенную часть показанной формы сигнала, Вы можете использовать более быструю развертку. Однако, если желательная часть находится далеко от точки начала развертки, желательная часть может выйти за пределы экрана ЭЛТ. Если это так, выберите более медленную скорость развертки и вытяните выключатель х10. Показанная форма сигнала будет расширена в 10 раз вправо и влево, с центром экрана в центре растяжки.

Вы можете определить время развертки для процесса масштабирования умножая установку переключателя «TIME DIV» на 1/10.

Переключатель «TIME DIV» установлен на 0,2 мкс/дел. Таким образом максимальная скорость развертки может быть увеличена:

Масштабированная скорость развертки = 0,2 мкс/дел. х 1/10 = 20 нс/дел.

Внимание: В результате увеличения скорости развертки при растяжке линия развертки может стать менее отчетливой.

Имеется большое количество методов измерения амплитудной модуляции. Здесь приведен метод измерения огибающей. Этот метод применим, если частота несущей находится в пределах диапазона осциллографа. На рис. 10 показано отображение модулированного сигнала. Чтобы вычислить модуляцию, необходимо измерить значения величин «СНА» и «СНВ».

1. Убедитесь в том, что переключатели «AC—GND—DC» и «VOLTS/DIV» каналов 1 и 2 установлены в одинаковые положения.

3. Вытяните переключатель «PULL INV» канала СНВ. Осциллограф теперь работает в режиме «А-В». Определите различие в амплитуде, непосредственно умножая величину вертикального отклонения (в делениях) на значение, установленное любым переключателем «VOLTS /DIV».

4. Внимание: Оба регулятора «↕» перемещают линию развертки.

Двухлучевой метод измерения сдвига фазы между двумя сигналами одной частоты более точен и более прост в использовании, чем метод X-Y (метод фигур Лиссажу). Для того, чтобы произвести измерения:

1. Установите переключатель «VERT MODE» на «DUAL» и при помощи регулятора «↕» установите обе линии развертки в центр экрана. Для низкочастотных сигналов вытяните регулятор «↕» канала СНА для включения режима прерывистой развертки.

2. Подключите сигналы к входам каналов. Для подключения используйте коаксиальные кабели с одинаковой задержкой.

3. Установите переключатели «VOLTS/DIV» обоих каналов и уровни сигналов так, чтобы осциллограммы обоих сигналов занимали по вертикали 4 деления.

4. Установите переключатель «TIME DIV» так, чтобы отображался один период опорного сигнала.

5. Вращайте регуляторы «↕» и «VARIABLE» развертки, пока один цикл опорного сигнала не займет точно 8 делений между первой и девятой линиями сетки. Каждое горизонтальное деление теперь равно 45°. Измерив горизонтальное расстояние между нулевыми (или пиковыми) значениями, можно определить угол сдвига фазы.

Горизонтальное расстояние равно одному делению (рис. 11).

На рис. 12 представлен пример подключения для сравнения входного и выходного уровней сигнала усилителя.

Наложите друг на друга изображения сигналов на каналах 1 и 2. Коэффициент усиления усилителя будет равен разности установок соответствующих переключателей «VOLTS/ DIW каналов 1 и 2.

Чтобы установить осциллограф в режим X-Y, нажмите переключатель X—Y, переключатель «SOURCE» установите на «СНА», переключатель «VERT MODE» установите на «СНВ».

На вход канала 1 подается сигнал горизонтального отклонения (X), на вход канала 2 подается сигнал вертикального отклонения (Y).

Подключите сигнал опорной частоты к «СНА», измеряемый сигнал к «СНВ». На экране отобразятся фигуры Лиссажу (см. рис. 15).

Изучение устройства и принципа работы электроннолучевого осциллографа

В зависимости от назначения их делят на три основные разновидности:

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: