No Image

Как при помощи электронного осциллографа получается осциллограмма

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
12 декабря 2019

Цифровой осциллограф, конечно, намного совершеннее обычного электронного, позволяет запоминать осциллограммы, может подключаться к персональному компьютеру, имеет математическую обработку результатов, экранные маркеры и многое другое. Но при всех достоинствах эти приборы нового поколения обладают одним существенным недостатком, — это высокая цена.

Именно она делает цифровой осциллограф недоступным для любительских целей, хотя существуют «карманные» осциллографы стоимостью всего в несколько тысяч рублей, которые продаются на Алиэкспресс, но пользоваться ими не особенно удобно. Ну, просто интересная игрушка. Поэтому пока речь пойдет об измерениях с помощью электронного осциллографа.

На тему выбора осциллографа для использования в домашней лаборатории в интернете можно найти достаточное количество форумов. Не отрицая достоинств цифровых осциллографов, на многих форумах советуют остановить выбор на простых малогабаритных и надежных осциллографах отечественной разработки С1-73 и С1-101 и подобных, с которыми мы ранее познакомились в этой статье.

При достаточно демократичной цене эти приборы позволят выполнить большинство радиолюбительских задач. А пока познакомимся с общими принципами измерений с помощью осциллографа.

Рисунок 1. Осциллограф С1-73

Что измеряет осциллограф

Измеряемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения Y, который имеет большое входное сопротивление, как правило, 1MΩ, и малую входную емкость, не более 40pF, что позволяет вносить минимальные искажения в измеряемый сигнал. Эти параметры часто указываются рядом с входом канала вертикального отклонения.

Рисунок 2. Осциллограф С1-101

Высокое входное сопротивление свойственно вольтметрам, поэтому можно с уверенностью сказать, что осциллограф измеряет напряжение. Применение внешних входных делителей позволяет снизить входную емкость и увеличить входное сопротивление. Это также снижает влияние осциллографа на исследуемый сигнал.

Здесь следует вспомнить, что существуют специальные высокочастотные осциллографы, входное сопротивление которых всего 50 Ом. В радиолюбительской практике такие приборы не находят применения. Поэтому далее речь пойдет об обычных универсальных осциллографах.

Полоса пропускания канала Y

Осциллограф измеряет напряжения в очень широких пределах: от напряжений постоянного тока, до напряжений достаточно высокой частоты. Размах напряжения может быть достаточно разнообразным, — от десятков милливольт до десятков вольт, а при использовании внешних делителей вплоть до нескольких сотен вольт.

При этом следует иметь в виду, что полоса пропускания канала вертикального отклонения Y д.б. не менее, чем в 5 раз выше частоты сигнала, который будет измеряться. То есть усилитель вертикального отклонения должен пропускать не ниже пятой гармоники исследуемого сигнала. Особенно это требуется при исследовании прямоугольных импульсов, которые содержат множество гармоник, как показано на рисунке 3. Только в этом случае на экране получается изображение с минимальными искажениями.

Рисунок 3. Синтез прямоугольного сигнала из гармонических составляющих

Кроме основной частоты на рисунке 3 показаны третья и седьмая гармоники. С увеличением номера гармоники возрастает ее частота: частота третьей гармоники в три раза выше основной, пятой гармоники в пять раз, седьмой в семь и т.д. Соответственно амплитуда высших гармоник падает: чем выше номер гармоники, тем ниже ее амплитуда. Только если усилитель вертикального канала без особого ослабления сможет пропустить высшие гармоники, изображение импульса получится прямоугольным.

На рисунке 4 показана осциллограмма меандра при недостаточной полосе пропускания канала Y.

Примерно так выглядит меандр частотой 500 КГц на экране осциллографа ОМШ-3М с полосой пропускания 0…25 КГц. Как будто прямоугольные импульсы пропущены через интегрирующую RC цепочку. Такой осциллограф выпускался советской промышленностью для лабораторных работ на уроках физики в школах. Даже напряжение питания этого прибора в целях безопасности было не 220, а всего 42В. Совершенно очевидно, что осциллограф с такой полосой пропускания позволит почти без искажений наблюдать сигнал с частотами не более 5КГц.

У обычного универсального осциллографа полоса пропускания чаще всего составляет 5 МГц. Даже при такой полосе можно увидеть сигнал до 10 МГц и выше, но полученное на экране изображение позволяет судить лишь о наличии или отсутствии этого сигнала. О его форме что-либо сказать будет затруднительно, но в некоторых ситуациях форма не столь уж и важна: например есть генератор синусоиды, и достаточно просто убедиться, есть эта синусоида или ее нет. Как раз такая ситуация показана на рисунке 4.

Современные вычислительные системы и линии связи работают на очень высоких частотах, порядка сотен мегагерц. Чтобы увидеть столь высокочастотные сигналы полоса пропускания осциллографа должна быть не менее 500 МГц. Такая широкая полоса очень «расширяет» цену осциллографа.

В качестве примера можно привести цифровой осциллограф U1610A показанный не рисунке 5. Его полоса пропускания 100МГц, при этом цена составляет почти 200 000 рублей. Согласитесь, не каждый может позволить себе купить столь дорогой прибор.

Пусть читатель не сочтет этот рисунок за рекламу, поскольку все координаты продавца не закрашены: на месте этого рисунка мог оказаться любой подобный скриншот.

Виды исследуемых сигналов и их параметры

Наиболее распространенным видом колебаний в природе и технике является синусоида. Это та самая многострадальная функция Y=sinX, которую проходили в школе на уроках тригонометрии. Достаточно много электрических и механических процессов имеют синусоидальную форму, хотя достаточно часто в электронной технике применяются и другие формы сигналов. Некоторые из них показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Формы электрических колебаний

Периодические сигналы. Характеристики сигналов

Универсальный электронный осциллограф позволяет достаточно точно исследовать периодические сигналы. Если же на вход Y подать реальный звуковой сигнал, например, музыкальную фонограмму, то на экране будут видны хаотично мелькающие всплески. Естественно, что детально исследовать такой сигнал невозможно. В этом случае поможет применение цифрового запоминающего осциллографа, который позволяет сохранить осциллограмму.

Колебания, показанные на рисунке 6, являются периодическими, повторяются, через определенный период времени T. Подробнее это можно рассмотреть на рисунке 7.

Рисунок 7. Периодические колебания

Колебания изображены в двухмерной системе координат: по оси ординат отсчитывается напряжение, а по оси абсцисс время. Напряжение измеряется в вольтах, время в секундах. Для электрических колебаний время чаще измеряется в миллисекундах или микросекундах.

Кроме компонентов X и Y осциллограмма содержит еще компонент Z – интенсивность, или попросту яркость (рисунок 8). Именно она включает луч на время прямого хода луча и гасит на время обратного хода. Некоторые осциллографы имеют вход для управления яркостью, который так и называется вход Z. Если на этот вход подать импульсное напряжение от образцового генератора, то на экране можно увидеть частотные метки. Это позволяет точнее отсчитывать длительность сигнала по оси X.

Рисунок 8. Три компонента исследуемого сигнала

Современные осциллографы имеют, как правило, калиброванные по времени развертки, позволяющие точно отсчитывать время. Поэтому пользоваться внешним генератором для создания меток практически не приходится.

В верхней части рисунка 7 располагается синусоида. Нетрудно видеть, что начинается она в начале координатной системы. За время T (период) выполняется одно полное колебание. Далее все повторяется, идет следующий период. Такие сигналы называются периодическими.

Ниже синусоиды показаны прямоугольные сигналы: меандр и прямоугольный импульс. Они также периодические с периодом T. Длительность импульса обозначена как τ (тау). В случае меандра длительность импульса τ равна длительности паузы между импульсами, как раз половина периода T. Поэтому меандр является частным случаем прямоугольного сигнала.

Скважность и коэффициент заполнения

Для характеристики прямоугольных импульсов используется параметр, называемый скважностью. Это есть отношение периода следования импульсов T к длительности импульса τ. Для меандра скважность равна двум, — величина безразмерная: S= T/τ.

В англоязычной терминологии как раз все наоборот. Там импульсы характеризуются коэффициентом заполнения, соотношением длительности импульса к периоду следования Duty cycle: D=τ/T. Коэффициент заполнения выражается в %%. Таким образом, для меандра D=50%. Получается, что D=1/S, коэффициент заполнения и скважность величины взаимно обратные, хотя характеризуют собой один и тот же параметр импульса. Осциллограмма меандра показана на рисунке 9.

Рисунок 9. Осциллограмма меандра D=50%

Здесь вход осциллографа подключен к выходу функционального генератора, показанного тут же в нижнем углу рисунка. И вот тут внимательный читатель может задать вопрос: «Амплитуда выходного сигнала с генератора 1В, чувствительность входа осциллографа 1В/дел., а на экране прямоугольные импульсы с размахом 2В. Почему?»

Дело в том, что функциональный генератор выдает двухполярные прямоугольные импульсы относительно уровня 0В, примерно так же, как синусоида, с положительной и отрицательной амплитудой. Поэтому на экране осциллографа наблюдаются импульсы с размахом ±1В. На следующем рисунке изменим коэффициент заполнения Duty cycle, например, до 10%.

Рисунок 10. Прямоугольный импульс D=10%

Нетрудно видеть, что период следования импульсов составляет 10 клеток, в то время, как длительность импульса всего одна клетка. Поэтому D=1/10=0,1 или 10 %, что видно по настройкам генератора. Если воспользоваться формулой для подсчета скважности, то получится S = T / τ = 10 / 1 = 1 – величина безразмерная. Вот здесь можно сделать вывод, что Duty cycle намного наглядней характеризует импульс, чем скважность.

Читайте также:  Как прикрепить тюль к карнизу

Собственно сам сигнал остался такой же, как на рисунке 9: прямоугольный импульс амплитудой 1В и частотой 100Гц. Изменяется только коэффициент заполнения или скважность, уж это как кому привычней и удобней. Но для удобства наблюдения на рисунке 10 длительность развертки снижена в два раза по сравнению с рисунком 9 и составляет 1мс/дел. Поэтому период сигнала занимает на экране 10 клеток, что позволяет достаточно легко убедиться, что Duty cycle составляет 10%. При пользовании реальным осциллографом длительность развертки выбирается примерно также.

Измерение напряжения прямоугольного импульса

Как было сказано в начале статьи, осциллограф измеряет напряжение, т.е. разность потенциалов между двумя точками. Обычно измерения проводятся относительно общего провода, земли (ноль вольт), хотя это необязательно. В принципе возможно измерение от минимального до максимального значения сигнала (пиковое значение, размах). В любом случае действия по измерению достаточно просты.

Прямоугольные импульсы чаще всего бывают однополярными, что характерно для цифровой техники. Как измерить напряжение прямоугольного импульса, показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Измерение амплитуды прямоугольного импульса

Если чувствительность канала вертикального отклонения выбрана 1В/дел, то получается, что на рисунке показан импульс с напряжением 5,5В. При чувствительности 0,1В/дел. Напряжение будет всего 0,5В, хотя на экране оба импульса выглядят совершенно одинаково.

Что еще можно увидеть в прямоугольном импульсе

Прямоугольные импульсы, показанные на рисунках 9, 10 просто идеальные, поскольку синтезированы программой Electronics WorkBench. Да и частота импульсов всего 100Гц, поэтому проблем с «прямоугольностью» изображения возникнуть не может. В реальном устройстве при высокой частоте следования импульсы несколько искажаются, прежде всего, появляются различные выбросы и всплески, обусловленные индуктивностью монтажа, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12. Реальный прямоугольный импульс

Если не обращать внимания на подобные «мелочи», то прямоугольный импульс выглядит так, как показано на рисунке 13.

Рисунок 13. Параметры прямоугольного импульса

На рисунке показано, что передний и задний фронты импульса возникают не сразу, а имеют какое-то время нарастания и спада, несколько наклонены относительно вертикальной линии. Этот наклон обусловлен частотными свойствами микросхем и транзисторов: чем более высокочастотный транзистор, тем менее «завалены» фронты импульсов. Поэтому длительность импульса определяется по уровню 50% от полного размаха.

По этой же причине амплитуда импульса определяется по уровню 10…90%. Длительность импульса, так же, как и напряжение, определяется умножением числа делений горизонтальной шкалы на значение деления, как показано на рисунке 14.

На рисунке показан один период прямоугольного импульса, несколько отличного от меандра: длительность положительного импульса составляет 3,5 деления горизонтальной шкалы, а длительность паузы 3,8 деления. Период следования импульса составляет 7,3 деления. Такая картинка может принадлежать нескольким разным импульсам с различной частотой. Все будет зависеть от длительности развертки.

Предположим, что длительность развертки 1мс/дел. Тогда период следования импульса 7,3*1=7,3мс, что соответствует частоте F=1/T=1/7.3= 0,1428КГц или 143ГЦ. Если длительность развертки будет 1мкс/дел, то частота получится в тысячу раз выше, а именно 143КГЦ.

Пользуясь данными рисунка 14 нетрудно подсчитать скважность импульса: S=T/τ=7,3/3,5=2,0857, получается почти, как у меандра. Коэффициент заполнения Duty cycle D=τ/T=3,5/7,3=0,479 или 47.9%. При этом следует обратить внимание, что эти параметры ни в коем случае не зависят от частоты: скважность и коэффициент заполнения были подсчитаны просто по делениям на осциллограмме.

С прямоугольными импульсами все вроде бы понятно и просто. Но мы совсем забыли о синусоиде. В сущности, там то — же самое: можно измерить напряжения и временные параметры. Один период синусоиды показан на рисунке 15.

Рисунок 15. Параметры синусоиды

Очевидно, что для показанной на рисунке синусоиды чувствительность канала вертикального отклонения составляет 0,5В/дел. Остальные параметры нетрудно определить умножив число делений на 0,5В/дел.

Синусоида может быть и другой, которую придется измерять при чувствительности, например, 5В/дел. Тогда вместо 1В получится 10В. Однако, на экране изображение обеих синусоид выглядит абсолютно одинаково.

Временные параметры показанной синусоиды неизвестны. Если предположить, что длительность развертки 5мс/дел., период составит 20мс, что соответствует частоте 50ГЦ. Цифры в градусах на оси времени показывают фазу синусоиды, хотя для одиночной синусоиды это не особо важно. Чаще приходится определять сдвиг по фазе (непосредственно в миллисекундах или микросекундах) хотя бы между двумя сигналами. Лучше всего это делать с помощью двухлучевого осциллографа. Как это делается, будет показано чуть ниже.

Как осциллографом измерить ток

В некоторых случаях требуется измерение величины и формы тока. Например, переменный ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на ¼ периода. Тогда в разрыв цепи включают резистор с небольшим сопротивлением (десятые доли Ома). На работу схемы такое сопротивление не влияет. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму и величину тока, протекающего через конденсатор.

Примерно так же устроен обычный стрелочный амперметр, который включатся в разрыв электрической цепи. При этом измерительный резистор находится внутри самого амперметра.

Схема для измерения тока через конденсатор показана на рисунке 16.

Рисунок 16. Измерение тока через конденсатор

Синусоидальное напряжение частотой 50 Гц амплитудой 220 В с генератора XFG1 (красный луч на экране осциллографа) подается на последовательную цепь из конденсатора C1 и измерительного резистора R1. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму, фазу и величину тока через конденсатор (синий луч). Как это будет выглядеть на экране осциллографа, показано на рисунке 17.

Рисунок 17. Ток через конденсатор опережает напряжение на ¼ периода

При частоте синусоиды 50 Гц и развертке 5 ms/Div один период синусоиды занимает 4 деления по оси X, что очень удобно для наблюдения. Нетрудно видеть, что синий луч опережает красный ровно на 1 деление по оси X, что соответствует ¼ периода. Другими словами ток через конденсатор опережает по фазе напряжение, что полностью соответствует теории.

Чтобы рассчитать ток через конденсатор достаточно воспользоваться законом Ома: I = U/R. При сопротивлении измерительного резистора 0,1Ом падение напряжения на нем 7мВ. Это амплитудное значение. Тогда максимальный ток через конденсатор составит 7/0,1=70мА.

Измерение формы тока через конденсатор не является какой-то очень актуальной задачей, тут все ясно и без измерений. Вместо конденсатора может быть любая нагрузка: катушка индуктивности, обмотка электродвигателя, транзисторный усилительный каскад и многое другое. Важно, что именно таким методом можно исследовать ток, который в некоторых случаях значительно отличается по форме от напряжения.

При настройке электронного оборудования, мониторинге сигналов в промежуток времени на экране осциллографа отслеживается осциллограмма. Ремонт аудио,- и видеоаппаратуры становится намного легче, если процессы, происходящие в электрической цепи, можно не только измерить, но и увидеть.

Значение слова осциллограмма

В переводе с греческого языка осциллограмма – это качающееся изображение. Действительно, на экране осциллоскопа можно наблюдать колеблющуюся светящуюся линию. Этот движущийся график способен показать, как изменяется электрический сигнал с течением периода времени.

Определение угла сдвига фаз на осциллограмме

Чтобы измерить угол сдвига фаз на графиках двух сигналов, следует подавать на первый канал максимальное напряжение. Это улучшит синхронизацию картинки на экране. Величина сдвига измеряется не в секундах, а в градусах. Визуально можно проследить расположение двух графиков электрического сигнала относительно друг друга в конкретный период времени. Синусоидальная форма сигнала позволяет фиксировать сдвиг фаз. Для повышения точности результата можно растягивать изображение в длину или установить для сигналов разную амплитуду, чтобы отличать один от другого.

Применение осциллографа

Прибор используют для наблюдения на дисплее графика изменения параметров исследуемого сигнала или сигналов. Что измеряет осциллограф? С его помощью можно одновременно контролировать напряжение, силу тока, частоту и сдвиг фаз. Измерение сигналов, подаваемых на вход осциллоскопа, проводят как в стационарных, так и в полевых условиях.

Принцип функционирования

Общий принцип работы прибора прост. Он регистрирует любое изменение напряжения испытуемого сигнала и выводит его на дисплей. Со времён самописца, придуманного Андре Блондалем, где индуктивная катушка управляла колебаниями маятника, идея претерпела изменения. После изобретения электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) прибор стал полноценным измерителем. Органы управления находятся на передней панели.

Поданный на вход сигнал может иметь разную амплитуду. Расположенный на передней панели регулятор «В/дел», позволяет растягивать или уменьшать получаемую картинку по оси Y. Ручка «длительность» изменяет скорость движения луча по дисплею. Это частота развёртки.

Читайте также:  Как обустроить узкую комнату для двоих детей

К сведению. Луч постоянно перемещается слева на право, вертикальное отклонение ему задаёт импульс, приходящий на вход. В результате на дисплее получается синусоида или иные колебания.

С помощью частоты развёртки добиваются остановки картинки. Когда она близка или совпадает с частотой сигнала, то картинка замирает и становится статичной. Вот главный принцип работы прибора.

Классификация

Так как осциллоскоп работает с входящими сигналами, то по виду обработки импульсов приборы делятся на:

В аналоговых аппаратах применяются ЭЛТ с электростатическим смещением.

Цифровые аппараты оснащены жк-дисплеем. Они имеют память, позволяющую рассматривать уже зафиксированные сигналы, делать их скриншоты. ЖК-цветной монитор способствует улучшению восприятия картинки.

Следующее деление можно провести по числу лучей:

Важно! N-лучевой прибор показывает сразу n-графиков на дисплее. У него n-входов. Но количество входов (каналов) не всегда равно количеству лучей. Так, двухканальный измеритель может отображать два сигнала одним лучом, но не одновременно.

Цифровые осциллографы можно разделить на модели:

  • стробоскопические;
  • запоминающие;
  • люминофорные;
  • виртуальные.

Стробоскопические осциллографы сжимают спектр исследуемого сигнала путём моментального стробирования в определённой точке. С каждым новым появлением сигнала точка смещается по кривой, пока не простробируется сигнал. На дисплей выдаётся преобразованная кривая, повторяющая форму основного сигнала, но состоящая из мгновенных значений.

В запоминающих моделях цифровой формат информации позволяет сохранять результаты измерений в памяти или выводить на печать. У большинства моделей в наличии накопитель, где можно хранить картинки в виде файлов.

Технология «цифрового люминофора» даёт возможность имитировать изменение интенсивности картинки, присущее аналоговым моделям, но уже в цифровом формате. Люминофорные осциллографы выдают на дисплей модулированные сигналы в мельчайших подробностях, как и аналоговые устройства. При этом они обеспечивают измерение, сравнение и хранение, как цифровые запоминающие модели.

Отдельный класс виртуальных осциллографов может быть внешним или внутренним дополнительным гаджетом на базе ISA или PCI карт. ПО любого виртуального осциллоскопа разрешает полностью управлять прибором и предоставляет линейку сервисных опций: цифровая фильтрация, экспорт и импорт данных и иные возможности.

Двухканальный прибор

Модели типа «два канала – один луч» имеют два канала вертикальной развёртки и однолучевую ЭЛТ. Конструктивно это переключаемые электронным переключателем входы Y1 и Y2. Переключатель поочерёдно соединяет выходные сигналы каналов с пластинами вертикального отклонения.

Устройство

Упрощённая блок-схема осциллографа отображает структурное строение аналогового прибора. Это входной делитель, усилитель горизонтальной развёртки и схема синхронизации, усилитель вертикального отклонения, блок питания и электронно-лучевая трубка.

Цифровые измерители осциллограмм имеют в своём составе:

  • входной делитель;
  • нормализующий усилитель;
  • аналого-цифровой преобразователь;
  • блок памяти;
  • устройство управления;
  • устройства отображения.

Устройство отображения представляет собой жидкокристаллическую панель чёрно-белого или цветного отображения картинки.

Экран

Способность изображать изменения исследуемых гармонических колебаний – есть основная задача этого прибора. До появления жк-дисплеев эту роль выполняла ЭЛТ. Это стеклянный конусообразный баллон, дно которого покрыто люминофором. Он издаёт видимое свечение при попадании на него электронного луча. На экран нанесена калибровочная сетка с делениями.

Сигнальные входы

Количество входов прибора обозначает число его каналов. Наличие 2 и более каналов обозначает многоканальный осциллограф. Входные импульсы от каждого канала подаются на Y-вход и усиливаются собственным усилителем вертикальной развёртки.

Важно! Такой усилитель всегда выполнен по схеме усиления постоянного тока. Значит, нижняя граница частоты – 0 Гц. Это даёт возможность измерить постоянное напряжение, отображать несимметричные сигналы и контролировать постоянную составляющую сигнала.

Управление развёрткой

График, который получится в результате подачи напряжения на вертикально расположенные пластины, напоминает зубья пилы. Разность потенциалов нарастает, потом резко падает. При наблюдении за движением луча видно, что он бегает слева направо. Такие пилообразные движения называются вертикальной и горизонтальной развёрткой. Горизонтальную развёртку ещё зовут строчной. Периодичность повторения пилообразных импульсов определяет частоту развёртки.

Синхронизация развёртки с исследуемым сигналом

Эта функция необходима для того, чтобы картинка луча в циклах развёртки была неподвижной. Значит, что при повторении каждого следующего движения по экрану луч должен проходить свой путь по одной и той же траектории. Этим занимается синхронизация развёртки. Она запускает развёртку с заданной точки. При частоте повторения больше 20 Гц, в результате инерционности человеческого зрения, наблюдается неподвижное изображение.

Информация. Схема синхронизации задерживает запуск развёртки до какого-либо заданного события. Это событие задаёт оператор. Этот импульс может задаваться в режимах внутренней и внешней синхронизации.

Оперируют всегда с двумя настройками:

  • уровень запуска – по напряжению;
  • тип запуска – по фронту или спаду импульса.

Применительно к работе с цифровыми устройствами запуск развёртки происходит при совпадении заданного двоичного кода с кодом на шине микропроцессора.

Применение

Работа с осциллографом позволяет выполнять ряд действий, не связанных с визуализацией:

  • измерение амплитуды сигнала;
  • контроль временных интервалов;
  • настройку каналов звука в радиоаппаратуре;
  • наблюдение фигур Лиссажу;
  • курсорные измерения в современных моделях;
  • математические операции-функции;
  • захват строки телевизионного сигнала.

Это только некоторая часть опций, которые можно выполнить при помощи этого прибора.

Наблюдение фигур Лиссажу

При необходимости подстроить частоту сигнала одного источника под частоту другого применяют этот приём. Для работы используют два генератора частоты и осциллограф с опцией XY-режима. Фигуры Лиссажу – это рисунки, созданные точкой, колеблющейся в одной плоскости, но в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.

Интересно. Если подать на каждый канал двухканального прибора сигналы от двух разных генераторов и включить на устройстве режим XY, то на экране получится фигура. Фигуры будут менять свои очертания в зависимости от кратности частот генераторов.

На практике метод используется для определения неизвестной частоты, при сравнении её с известной частотой. Зная, осциллограмма какого сигнала изображена на рисунке, по фигуре, которая получилась, можно определить искомый параметр.

Курсорные измерения

В аппаратах современного поколения имеется вспомогательный интерфейс в виде курсоров. Это прямые линии, выводимые на экран. Они могут быть расположены и перпендикулярно друг к другу. Курсор можно наводить на любую точку графика сигнала и видеть её координаты. Это уровень напряжения и момент времени по осям X и Y.

Курсорные измерения упрощают считывание характеристик исследуемых сигналов. Отпадает зависимость от подсчёта количества клеток по шкале и умножения на цену деления по обеим осям.

Математические функции

К математическим операциям с функциями, определяемым с помощью осциллографа, относятся:

  • сложение и вычитание;
  • абсолютное значение;
  • преобразования Фурье;
  • интегрирование.

Если остановиться на этих опциях, то сложение и вычитание мгновенных значений исследуемых осциллограмм выполняется быстро, результат выводится на экран в виде сигнала.

Следующая функция определяет абсолютное значение сигнала и отображает его в вольтах.

Определить гармонические частоты (компоненты сигнала) поможет математическая функция преобразование Фурье.

Интеграл исследуемого сигнала можно вычислить с помощью математической функции интегрирования.

Захват строки телевизионного сигнала

В осциллоскопах с ЭЛТ, а также в современных специальных моделях встречается особый режим – телевизионная синхронизация. Одну или несколько телевизионных строк можно отобразить на экране, выбрав их из видеопакета. При помощи таких осциллографов в телестудиях контролируют технические характеристики записывающей и передающей аппаратуры.

Настройка

Перед работой с прибором производят калибровку его входов при помощи встроенного калибратора. Осуществляя калибровку высокочастотных моделей, используют кабель с двумя разъёмами. Разъёмы подключаются к выходу калибратора и входу прибора. Калибруя низкочастотные устройства, нужно кратковременно приставить щуп к выходу калибратора. Далее выполняются следующие шаги:

  • регулятором «вольт/дел» устанавливается сигнал калибратора на 3-4 деления сетки дисплея;
  • канал включается на переменное напряжение, и контролируется появление сигнала;
  • регулятор развёртки выставляется так, чтобы наблюдать 6-7 периодов импульсов;
  • отмечается точное совпадение сигнала по делениям на промежутке полученных периодов (±4 деления от центра);
  • при несовпадении ручкой плавной регулировки развёртки добиваются нужного положения периодов, следя за соответствием амплитуды сигнала значениям, указанным на калибраторе;
  • в случае несоответствия значений амплитуды их приводят к норме регулятором «вольт/дел».

При чувствительности канала в 250 мВ сигнал амплитудой 1В занимает 4 деления шкалы. Если это так, то калибровка устройства произведена.

История

Трудность создания осциллографа заключалась в том, что регистрирующие части первых приборов имели большую инерцию. Смог с этим справиться Ульям Дадделл. В 1897 году он использовал зеркальный измерительный элемент. Так был создан светолучевой прибор. В качестве приёмника использовалась светочувствительная пластина. На неё записывался поданный сигнал. Только изобретение Карлом Брауном кинескопа позволило Йонатану Зеннеку выполнить в нём горизонтальную развертку. Так, в 1899 году появилось устройство, похожее на современные осциллографы. Уже в 30-е годы следующего столетия Владимир Зворыкин совершил прорыв в этой области, создав свой кинескоп, который был надёжнее.

Интересные факты

Катодные лучи, открытые Юлиусом Плюккером в 1859 году, хоть и распространяются линейно, но подвержены действию электромагнитных полей. Это установил Уильям Крукс. Он выявил, что катодные лучи, попадая на некоторые вещества, заставляют их светиться.

Читайте также:  Как правильно укрыть розы флорибунда на зиму

Видео

Изучение работы электронного осциллографа

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, генератор звуковых частот, регулятор напряжения, вольтметр

цель работы; измеренир параметров электрических сигналов с помощью электронного осциллографа

Электронный осциллограф предназначен для наблюдения функциональной зависимости величин, преобразованных в электрический сигнал. Наиболее часто осциллографы используются для изучения временной зависимости переменных величин.

Структурная схема осциллографа изображена на рис. 21.1. Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) 1, генератор развертки 2, блок синхронизации 3, усилитель вертикального 4 и горизонтального 5 каналов отклонения, блок питания 6.

Электронно-лучевая трубка является основной частью осциллографа. Она представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух, с находящимися внутри электродами. С одного конца стеклянный баллон имеет расширение, на торцовую часть которого (экран) нанесен слой вещества, светящегося под ударами электронов. На рис. 21.2 показано схематическое изображение ЭЛТ с электростатическим отклонением луча.

Катод (К) ЭЛТ аналогичен катоду радиолампы и имеет такое же назначение — испускать электроны. Подогревный катод имеет форму цилиндра, внутри которого находится нить накала (НН). Около катода расположен управляющий электрод (УЭ) тоже цилиндрической формы (по назначению он аналогичен сетке триода). Этот электрод называется модулятором или сеткой. На него подастся отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Изменяя напряжение, поданное на модулятор, можно регулировать количество электронов, выходящих из модулятора и, таким образом, управлять яркостью изображения. Далее расположены два анода A1 и А2, выполненные в виде полых металлических цилиндров. Диаметр первого анода меньше диаметра второго Они имеют высокий положительный потенциал относительно катода: первый анод — порядка нескольких сотен, а второй—нескольких тысяч вольт. Так как потенциал второго анода выше потенциала первого, то напряженность электрического поля между ними направлена от второго анода к первому. Под действием этого поля электроны ускоряются, а также фокусируются в точке, лежащей на оси трубки. Меняя напряжение на первом аноде, можно изменять напряженность электрического поля между анодами и тем самым перемещать точку фокуса вдоль оси, добиваясь ее совмещения с поверхностью экрана

Вся система, состоящая из катода, управляющего электрода и двух анодов, создает узкий направленный поток электронов — электронный луч. На пути электронного луча стоят две пары взаимно перпендикулярных пластин Пх и Пу, называемых отклоняющими. Если между этими пластинами нет электрического поля, то они не влияют на электронный луч. Если же на какую-либо пару пластин подано напряжение» то между пластинами образуется электрическое поле, которое отклоняет электронный луч. Чем выше разность потенциалов между пластинами, тем сильнее отклоняется в их поле электронный луч, а следовательно, и светящееся пятно на экране осциллографа. Пластины Пу отклоняют луч в вертикальной плоскости и называются вертикально отклоняющими пластинами. Пластины Пх отклоняют луч в горизонтальной плоскости и называются горизонтально отклоняющими пластинами. Электроны, попавшие на экран, необходимо отвести, чтобы экран не получил отрицательный потенциал, тормозящий полет последующих электронов. Для этого на внутреннюю часть боковой поверхности трубки наносится проводящий графитовый слой (ГС), имеющий небольшой положительный потенциал относительно экрана.

Если при отсутствии напряжения на горизонтально отклоняющих пластинах на вертикально отклоняющие пластины подать переменное напряжение, например синусоидальное, то на экране возникнет вертикальный прямая, так как электронный луч будет отклоняться все время в сторону положительно заряженной пластины, а заряд на пластинах будет изменяться с частотой поданных колебаний. На экране получится изображение синусоиды или другого периодического сигнала, если луч кроме колебательного движения вдоль вертикальной оси совершает еще равномерное движение вдоль горизонтальной оси. Это происходит в том случае, когда на горизонтально отклоняющие пластины подается разность потенциалов, линейно за висящая от времени. Для получения устойчивой картины на экране осциллографа необходимо, чтобы электронный луч, пройдя по горизонтали путь от одного края экрана до другого и быстро возвращаясь в первоначальное положение, повторял свою траекторию на экране. Такому условию удовлетворяет пилообразное напряжение (рис. 21.3), которое подается на горизонтально отклоняющие пластины от генератора развертки

.

Для получения на экране ЭЛТ устойчивого изображения необходимо, чтобы электронный луч начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период пилообразных колебаний равен или кратен периоду исследуемых колебаний- Процесс согласования фаз называется синхронизацией развертки и осуществляется с помощью блока синхронизации.

Усилители горизонтального и вертикального каналов отклонения позволяют изменять напряжение, подаваемое на горизонтальные и вертикальные пластины ЭЛТ, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлений.

Блок питания обеспечивает подачу необходимых напряжений на ЭЛТ, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа.

С помощью электронного осциллографа можно измерить амплитуду исследуемого напряжения. Для этого необходимо знать чувствительность осциллографа (отклонение светового пятна при изменении напряжения па отклоняющих пластинах на 1 В) Так как имеются две независимые отклоняющие системы: по горизонтальной оси . и по вертикальной оси ,— то соответственно можно указать и две чувствительности и :

(21.1)

Для измерения амплитуды напряжения в некоторых типах осциллографов канал вертикального отклонения нужно калибровать, используя эталонный сигнал. В этом случае около ручек регулировки усиления вертикального канала на лицевой панели осциллографа указываются (В/см) значения величины, обратной чувствительности, соответствующие каждому положений ручки.

Используя осциллограф, можно также определить частоту исследуемого сигнала. Для этого усиление по горизонтали калибруется в масштабе времени. Ручка регулировки длительности развертки градуирована в мкс/см. Установив фиксированную длительность развертки и измерив на экране расстояние по горизонтали между соседними точками, находящимися в одинаковых фазах, можно определить период и частоту исследуемого сигнала:

(21.2)

Частоту сигнала можно найти и другим способом. Для этого на пластины подают напряжение известной частоты (обычно 50 Гц) от сети, а на пластины напряжение неизвестной частоты. Генератор развертки при этом не используется. В данном случае электронный луч участвует в двух взаимно перпендикулярных колебательных движениях.

При сложении двух синусоидальных колебаний, совершающихся во взаимно перпендикулярных направлениях по осям и , получаются фигуры, форма которых зависит от соотношения частот, фаз и амплитуд суммируемых колебаний На рис. 21.4, 21.5 изображены фигуры Лиссажу, получающиеся при различных соотношениях частот и фаз. По форме фигуры можно судить о частоте исследуемого сигнала.

Экспериментальная установка состоит из электронного осциллографа, регулятора напряжения и генератора звуковой частоты. Регулятор напряжения позволяет плавно изменить напряжение подаваемого на осциллограф сигнала частотой 50 Гц. Напряжение измеряется вольтметром. Сигнал переменной частоты подается на осциллограф от звукового генератора.

Порядок выполнения работы

Определение чувствительности осциллографа:

включите осциллограф в сеть и дайте ему прогреться в течение 2—3 мин;

подайте на вход осциллографа напряжение с регулятора напряжения, развертку по оси отключите;

установите длину вертикального отрезка па экране осциллографа, равную ;

вычислите амплитудное значение напряжения:

рассчитайте чувствительность осциллографа;

определите чувствительность осциллографа при двух других значениях подаваемого напряжения и вычислите

результаты измерений и вычислений занесите в табл. 21.1.

Определение амплитудного значения напряжения:

не меняя положении ручек регулировки усиления канала вертикального отклонения, подайте на вход осциллографа сигнал с выхода регулятора напряжения (развертка по оси отключена),

измерьте длину получившегося на экране вертикального отрезка;

вычислите амплитудное значение напряжения:

Определение частоты сигнала:

подайте на вход осциллографа сигнал частотой 50 Гц с регулятора напряжения;

на вход осциллографа подайте исследуемый сигнал с генератора звуковой частоты,

получите на экране устойчивое изображение фигуры Лиссажу и зарисуйте его;

по форме фигуры определите частоту исследуемого сигнала;

отключите регулятор напряжения и включите генератор развертки;

с помощью ручки регулировки длительности развертки получите на экране устойчивое изображение синусоиды и определите частоту исследуемого сигнала[см (21.2)];

проделайте измерения, аналогичные п. а) — f) для сигналов других частот;

результаты измерений и вычислений занесите в табл. 21.2.

В

В

мм

мм/В

мм/В

Гц

см

мкс/см

Гц

Вопросы и упражнения

Из каких блоков состоит электронный осциллограф?

Опишите устройство электронно-лучевой трубки.

Что называется чувствительностью осциллографа?

Объясните принцип работы генератора пилообразного напряжения.

Что такое синхронизация сигналов, как она осуществляется в осциллографе,

Как осуществляется развертка сигнала во времени на экране электронного осциллографа?

Что такое фигуры Лиссажу и как их получают в данной работе?

Как с помощью осциллографа можно измерить амплитуду и частоту исследуемого сигнала?

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector