Портативные осциллографы

Цифровые технологии быстро развиваются, в результате чего цифровые стационарные приборы модифицируют в портативные устройства с хорошими параметрами габаритных размеров и массы, а также низким расходом электрической энергии.

При этом портативные модели осциллографов с питанием от гальванических элементов не уступают по характеристикам стационарным приборам по количеству функций, имеют большие возможности использования в разных областях научных исследований, промышленном производстве.

Изучение электронного осциллографа

УСТРОЙСТВО ОСЦИЛЛОГРАФА

1. Электронный осциллограф является одним из наиболее часто используемых в физических исследованиях прибором. В общем виде назначение осциллографа можно сформулировать так: этот прибор предназначен для наблюдения, исследования и записи периодических и импульсных электрических процессов, а также процессов, которые могут быть преобразованы в электрические.

Ничтожно малая инерционность электронов, которые являются “основными действующими лицами” в осциллографе, позволяет наблюдать и изучать периодические процессы с частотой в миллионы герц и импульсы длительностью в миллионные доли секунды.

2. Главной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой откачанный сосуд особой формы (рис.1), в который впаяны:

а) Катод 1, при нагревании испускающий электроны;

б) Окружающий катод цилиндр 2 (он называется модулятором) с отверстием, через который проходит электронный пучок или луч. Подаваемый на модулятор отрицательный потенциал оттесняет электроны к оси цилиндра, Кроме того, он позволяет регулировать интенсивность пучка, так если на цилиндр 2 подается отрицательный переменный потенциал определенной частоты, то с такой же частотой будет изменяться и интенсивность пучка (это и называется модуляцией);

в) Два анода 3 и 4; на первый из них подается положительный потенциал в несколько сот вольт, на второй - также положительный потенциал в несколько тысяч вольт. Эти аноды ускоряют электроны, вышедшие из отверстия модулятора и, кроме того, фокусируют их. Действие таких анодов подобно действию оптических линз, фокусирующих световые пучки;

г) Две пары параллельных пластин 5 и 6. Одна из них (5) установлена горизонтально, другая (6) - вертикально; если на пластины 5 подать электрическое напряжение, то пучок электронов, проходящий через них, отклонится по вертикали; если это напряжение переменное, то пучок будет совершать колебания по вертикали; таким же образом напряжение, поданное на пластины 6 заставит пучок отклоняться вправо-влево.

Передняя стенка расширенной части сосуда покрыта изнутри люминесцирующим составом, который светится в том месте, куда попадает электронный пучок. Внутренняя стенка трубки, примерно от места расположения анода 4 и почти до светящегося экрана, покрыта электропроводящим составом и на него подается положительный потенциал, так что это покрытие образует третий анод. Если на пластины 5 и 6 напряжение не подано, электронный пучок попадает в центр светящегося экрана и дает там световое пятно.

3. Когда на вертикально отклоняющие пластины подано переменное напряжение, электронный пучок (а вместе ним и пятно на экране) совершает колебания на экране с частотой приложенного напряжения. Из-за инертности зрения наблюдатель видит вертикальную прямую, длина которой равна удвоенной амплитуде колебаний. Амплитуда, в свою очередь, пропорциональна приложенному к пластинам напряжению, т.е. Y=kUY, где Y - длина прямой, k - коэффициент пропорциональности, UY - напряжение на вертикально отклоняющих пластинах. Это дает возможность измерять с помощью осциллографа переменное напряжение, если известна величина коэффициента k.

Но чтобы выяснить характер колебаний приложенного напряжения, а не только его амплитудное значение, надо эти колебания, как говорят, развернуть во времени. Для этого необходимо, чтобы электронный пучок одновременно с колебаниями по оси Y двигался с постоянной скоростью вдоль оси X. Этого можно достичь, приложив к горизонтально отклоняющим пластинам растущее со временем напряжение (тогда оно в определенном масштабе будет как бы выражать само время). Такое напряжение, разумеется, быстро доведет пучок до края экрана, и картина перестанет быть видимой. Чтобы этого не происходило, необходимо в тот момент, когда пятно достигнет края экрана, быстро вернуть его обратно и повторить процесс. Это достигается тем, что к горизонтально отклоняющим пластинам подводится переменное напряжение, изменяющееся со временем так, как это показано на рис.2, так называемое пилообразное напряжение. Как видно из рисунка, развертывающее напряжение изменяется так, что из T секунд периода колебаний оно в течение t1 секунд растет линейно со временем (это и требуется для развертки сигнала) и в течение t2 секунд падает до нуля, причем t1»t2, так что напряжение развертки как бы все время линейно нарастает, но не выводит пучок из пределов экрана. На экране получается кривая, показывающая, как изменяется со временем исследуемое напряжение, приложенное к вертикально отклоняющим пластинам. Это и есть осциллограмма исследуемого напряжения.

Если частоты исследуемого и пилообразного напряжений строго одинаковы, то на экране получится неподвижная осциллограмма для одного периода колебаний. Если частота пилообразного напряжения в целое число раз N больше частоты исследуемого, то на экране получится тоже неподвижная осциллограмма, но для Nпериодов. В том случае, если частоты обоих напряжений (исследуемого и развертывающего) не в точности кратны друг другу, то осциллограмма на экране будет двигаться вправо или влево с тем большой скоростью, чем больше отклоняются кратности частоты обоих напряжений.

Частота переменного напряжения, создаваемого генератором развертки, так же как и частота исследуемого напряжения, могут оказаться нестабильными. Между тем, как мы видели, для того, чтобы осциллограмма исследуемого сигнала была неподвижна, необходима строгая кратность частот обоих напряжений. Это достигается при помощи синхронизации пилообразного напряжения развертки с исследуемым. Она сводиться к тому, что с помощью специальной схемы исследуемое напряжение "навязывает" свою частоту генератору развертки. Если это делается каждый период, то частоты будут строго одинаковы. Но это можно делать и раз в несколько периодов. Тогда частоты будут кратны друг другу. И в том и в другом случае осциллограммы будут неподвижными. Синхронизация может достигаться сигналом самого исследуемого напряжения или внешним сигналом. В данной работе используется только внутренняя синхронизация.

4. На горизонтально отклоняющие пластины вместо пилообразного напряжения можно подать любое другое переменное напряжение (генератор развертки при этом отключается). Если на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение, изменяющееся по гармоническому закону с частотой nx, а сигнал на вертикально отклоняющих пластинах также изменяется по гармоническому закону, но с частотой ny, то на экране будет наблюдаться результат сложения двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний.

В зависимости от отношения частот nx/ny переменных гармонических напряжений и от разности фаз Dj этих колебаний на экране будут получаться характерные фигуры, которые представляют собой траектории движения электронов, участвующих в двух взаимно перпендикулярных колебаниях. Это так называемые фигуры Лиссажу. На рис.3 показаны фигуры Лиссажу для некоторых отношений частот и разности фаз.

	nx/ny=1	nx/ny=3/2	nx/ny=2	nx/ny=3
Dj=0
Dj=p/2
Dj=p

5. В современных осциллографах имеется ряд других устройств, расширяющих его возможности. Упоминающаяся выше развертка во времени с помощью пилообразного напряжения - это непрерывно действующая развертка. Такая развертка нужна для наблюдения периодических процессов изменения электрического напряжения, приложенного к вертикально отклоняющим пластинам. Но непрерывная развертка непригодна для наблюдений непериодических процессов. Она непригодна также для наблюдений процессов прерывистых, имеющих характер очень коротких по времени импульсов.

Чтобы наблюдать такие процессы нужно, чтобы и развертка была прерывистой. Это достигается тем, что генератор пилообразного напряжения приводится в действие самим изучаемым импульсом и только на время, немного превышающее длительность импульса. После этого генератор выключается до следующего импульса. Такая развертка называется ждущей разверткой (генератор "ждет", когда его включит внешний импульс). Понятно, что когда пользуются такой разверткой, отпадает нужда в синхронизации. Ждущая развертка позволяет изучать форму импульса или детально изучать часть периода исследуемого напряжения.

В современных осциллографах часто используется также генератор меток времени или, как его еще называют, калибратор длительности. Это устройство является дополнением к системе ждущей развертки. Генератор меток времени формирует короткие, но известной длительности импульсы отрицательного потенциала, которые после усиления подаются на модулятор электронно-лучевой трубки. Потенциал этих импульсов таков, что модулятор не пропускает электроны к анодам трубки, а значит и к экрану. Осциллограмма процесса становится поэтому пунктирной линией. Каждый разрыв этой линии - метка времени действия запирающего импульса. Тем самым осциллограф становится удобным средством измерения малых промежутков времени. Впрочем, и без этого осциллограф может служить для измерения времени.

6. Существуют двухлучевые и двухканальные осциллографы. В первых в один баллон электронно-лучевой трубки вмонтированы две электронных пушки и две пары вертикально отклоняющих пластин (но одна пара горизонтально отклоняющих пластин). Такие осциллографы позволяют наблюдать и изучать два переменных сигнала раздельно или одновременно.

В двухканальных осциллографах электронно-лучевые трубки обычные, с одной парой вертикально отклоняющих пластин, но к ним подается по двум, как говорят, каналам два различных сигнала. Эти осциллографы также позволяют наблюдать оба сигнала раздельно или одновременно. Однако в них для одновременного наблюдения используется быстродействующий электронный ключ (коммутатор), переключающий каналы с частотой около 105 герц. В данной работе используется именно такой двухканальный осциллограф С1-83.

 

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА

 

В данной работе необходимо определить основные параметры гармонического сигнала, формируемого генератором звуковой частоты с помощью двухканального осциллографа С1-83.

1. Осциллограф включается ручкой "Питание". Ее надо выдвинуть на себя (при этом должна загореться сигнальная лампочка). Изучаемые сигналы с помощью кабелей, снабженных наконечниками с одной стороны и разъемами - с другой, подаются в осциллограф через гнезда с обозначениями "®О 1МW35pF ". Таких гнезда два - для первого и второго каналов.

Вращением ручек со значком “­¯ “ (у первого и второго каналов) достигается смещение осциллограммы вверх и вниз. Ручка со значком "«" в правой верхней части лицевой панели смещает осциллограмму вправо и влево. При этом изображения сигналов на первом и втором каналах смещаются одновременно. Для получения четкого изображения сигнала используются также ручки со следующими обозначениями: - для изменения яркости изображения; - для фокусировки пучка; - для подсветки шкалы.

Величина отклонения луча по вертикали определяется коэффициентом отклонения, который изменяется при помощи особого устройства, называемого аттенюатором. Поворачивая переключатель аттенюатора (он имеет обозначение "V/дел "), можно ступенчато изменять коэффициент отклонения, который измеряется в V/дел или mV/дел. Плавная регулировка коэффициента отклонения производится ручкой в центре переключателя. Такие переключатели имеются на каждом канале.

С помощью этих аттенюаторов можно измерять величину амплитуды сигнала на входе каждого канала. Для этого ручку плавной регулировки следует повернуть по часовой стрелке до щелчка. В этом случае черная черта на одном из ребер переключателя укажет цену одного большого деления сетки экрана по вертикали. При этом необходимо обратить внимание на положение ручки “­¯“ данного канала. Если она утоплена (обозначение " "), то цена деления должна быть увеличена в 10 раз. Если она выдвинута (обозначение " "), то цена деления умножается на единицу. Таким образом, амплитуду колебаний гармонического сигнала можно определить, умножая половину расстояния между верхней и нижней точками осциллограммы (выраженное в делениях) на цену деления. Погрешность таких измерений определяется допускаемой основной погрешностью коэффициентов отклонения, которая в рабочих условиях составляет 8%.

Генератор развертки (генератор пилообразного напряжения) управляется переключателем с обозначением "время/дел", расположенным в правой верхней части лицевой панели. Цифры вокруг переключателя обозначают ступенчато изменяемые коэффициенты развертки, которые измеряются либо в секундах на деление (обозначение "S "), либо в миллисекундах на деление (обозначение "mS "), либо в микросекундах на деление (обозначение "mS "). Эти цифры указывают время прохождения лучом расстояния в одно большое деление экрана по горизонтали, т.е. цену одного большого деления экрана по горизонтали в единицах времени. Плавная регулировка коэффициента развертки производится ручкой в центре переключателя.

Зная коэффициент развертки, можно определить период колебаний. При таких измерениях ручку плавной регулировки необходимо повернуть по часовой стрелке до щелчка. Только в этом случае цифра против черной черты на ребре переключателя указывает цену деления по горизонтали. При определении цены деления важно также положение ручки "«". Если она утоплена (обозначение " "), то цена деления та же, что указывает переключатель. Если она выдвинута (обозначение " "), то цену деления следует умножить на 0.2. Таким образом, период колебаний можно определить, умножая число делений между двумя максимумами осциллограммы на цену деления. Погрешность таких измерений определяется пределом допускаемой основной погрешности коэффициента развертки, который в рабочих условиях эксплуатации составляет около 8%.

Ручки управления блоком синхронизации находятся на правой нижней части лицевой панели. Внутренняя синхронизация (а в нашей работе используется только она) управляется кнопками "I " и "I,II ". Они расположены слева от обозначения "внутр ". При нажатой верхней кнопке "I " синхронизируется сигнал первого канала, нажатие кнопки "I,II " синхронизирует сигналы обоих каналов. Ручкой "уровень" подбирается необходимое напряжение синхронизации.

Отключение генератора развертки производится при нажатии кнопки "X-Y " на блоке синхронизации. При этом на горизонтально отклоняющие пластины подается сигнал с первого канала.

Двухканальный осциллограф можно использовать в различных режимах запуска, для чего служит кнопочный переключатель, расположенный слева от экрана на блоке усилителей. При нажатой кнопке "I " на вертикально отклоняющие пластины (пластины Y) подается сигнал с 1-го канала. При нажатии кнопки "II X-Y " на пластины Y подается сигнал со 2-го канала. Если нажата кнопка "I+II", то на пластины Y подается сумма сигналов на 1-м и 2-м каналах. Нажатая кнопка "..." означает, что на вертикально отклоняющие пластины подаются по очереди сигналы с обоих каналов (их переключение происходит с частотой 100 Кгц). Принажатой кнопке "®®" на пластины Y также поступают сигналы с обоих каналов, но их переключение происходит в конце каждого прямого хода развертки. При помощи кнопки " " осуществляется смена фазы сигнала на втором канале на обратную.

Часто при исследовании сигнала на каком-либо канале важно гарантировать, что на вертикально отклоняющие пластины не попадет сигнал с другого канала. Для этого вход усилителя соответствующего канала необходимо закоротить на землю, что делается при помощи рычажков, находящихся слева от переключателей аттенюаторов. Чтобы заземлить данный вход, надо соответствующий рычажок поставить в положение " ".

2. В данной работе исследуются гармонические сигналы, получаемые от генераторов звуковой частоты типа ЛГ-34 и типа Л31. Генератор типа ЛГ-34 представляет собой генератор электрических колебаний звуковой частоты, т.е. он вырабатывает гармонический сигнал, частоту которого можно изменять в диапазоне от 20 до 20000 герц. Этот генератор включается переключателем "сеть", расположенным на лицевой панели слева. При этом загорается световое табло.

Частота выходного переменного напряжения устанавливается с помощью ручки "частота Hz " и отсчитывается на круговом лимбе с учетом положения переключателя "множитель". Если он находится в положении "х1 ", то цифры на круговом табло непосредственно дают частоту в герц (от 20 до 200 Гц). В положении "х10 " отсчет по лимбу умножается на 10, т.е. при этом можно установить частоты от 200 до 2000 Гц. Аналогично в положении переключателя "х100 " вращением ручки "частота Hz" можно установить частоту выходного сигнала в диапазоне от 2000 до 20000 Гц.

Переменное напряжение снимается с клемм "выход ". При этом нижняя клемма "выход " и клемма " " должны быть закорочены специальной перемычкой.

Величина выходного напряжения регулируется ступенчато с помощью переключателей "выходное сопр .W " и "пределы шкал, ослабление ". В зависимости от положения этих переключателей изменяются пределы измерения стрелочного вольтметра, которые указываются на световом табло. Здесь же указывается величина ослабления выходного сигнала в децибелах (дб). Эта единица широко используется в радиотехнике и определяется следующим образом - 1дб = 20lg(Uвых/Uвх), где Uвх - значение входного сигнала для какого-либо устройства, а Uвых - значение сигнала на выходе этого же устройства. Например, величина 20 дб означает, что Uвых в 10 раз больше Uвх. За величину Uвх, от которой начинается отсчет, принимается значение 0.78В. Это такое действующее напряжение, при котором на сопротивлении 600 Ом будет выделяться мощность 1 мвт.

Выходное напряжение плавно изменяется ручкой "рег.выхода", и его величина измеряется стрелочным прибором. Как было сказано, предел шкалы вольтметра указывается на световом табло. Цену деления прибора можно изменять также переключателем "шкала прибора".

При выполнении работы переключатель "выходное сопр.W" необходимо поставить в положение "атт", что означает ослабление сигнала при помощи аттенюатора. Осциллограф, подключенный к звуковому генератору, представляет для него нагрузку с сопротивлением 1 МW. При работе генератора на такое большое сопротивление для правильного ослабления аттенюатором необходимо включить внутреннюю нагрузку, составляющую около 600 Ом, тумблером "внут. нагр". Этот тумблер включается всегда, когда сопротивление нагрузки более 600 Ом.

3. Генератор Л31 включается переключателем "сеть", расположенным слева на лицевой панели (при этом загорается световой индикатор частоты). Он генерирует сигналы в диапазоне частот от 20Гц до 10МГц. Весь диапазон перекрывается шестью поддиапазонами со следующими граничными частотами: 0.02 - 0.2Кгц, 0.2 - 2Кгц, 2 - 20Кгц, 20 - 200Кгц, 200 - 2000Кгц, 1000 - 10000Кгц. Выбор поддиапазона производится переключателями, объединенными надписью "множитель". При нажатой кнопке "MHz" отсчет частоты производится по верхней шкале светового индикатора. Если нажата какая-либо другая кнопка, то значение частоты определяется умножением отсчета по нижней шкале индикатора на число, стоящее над кнопкой. Внутри поддиапазона частоту генератора можно плавно изменять при помощи ручки "частота". Предел допускаемой основной погрешности установки частоты составляет 10% от верхнего значения выбранного поддиапазона частот.

Генератор Л31 позволяет получать на выходе сигналы треугольной, прямоугольной или синусоидальной формы. Выбор вида сигнала осуществляется кнопками переключателя "род работы". Выходной сигнал снимается с гнезд, имеющих надписи "10V" и "1V", при помощи кабеля со специальными разъемами. При использовании гнезда "10V" максимальный размах треугольного сигнала составляет 10В, прямоугольного - 7В, синусоидального - 4,5В. При использовании гнезда "1V" эти величины в 10 раз меньше. Выходной сигнал можно ступенчато ослаблять при помощи кнопок переключателя "делитель" и плавно изменять ручкой "уровень".

4. С помощью описанных приборов можно получать изображения гармонических сигналов и проводить измерения параметров этих сигналов амплитуды и фазы. На осциллографе можно также наблюдать результаты сложения гармонических колебаний как взаимно перпендикулярных, так и параллельных.

Уже говорилось, то траектория точки, участвующей в двух взаимно перпендикулярных - это фигура Лиссажу. В нашем случае речь идет о траектории движения электронов на экране под действием гармонических электрических напряжений, приложенных к вертикально и горизонтально отклоняющим пластинам.

Для того чтобы получить на экране осциллографа изображение суммы двух взаимно перпендикулярных колебаний, поступают следующим образом. Сигнал, приходящий на 1-й канал, подается на горизонтально развертывающие пластины (для этого надо нажать кнопку "X- Y " на блоке развертки). Другой сигнал, поступающий на 2-й канал, подается на вертикально отклоняющие пластины (надо нажать кнопку "II X-Y "на блоке усилителей). В этом случае на экране будет изображение фигуры Лиссажу.

Рассмотрим простейшую из фигур Лиссажу, которая получается сложением гармонических колебаний с одинаковой частотой. Пусть колебания вдоль осей X и Y имеют вид

x = ASin(w t+j1) и y = BSin(w t+j2),

где A и B - амплитуды колебаний, w = 2pn - циклическая частота колебаний, j1и j2 - начальные фазы этих колебаний. Или, раскрыв скобки,

x/A = Sinw tCosj1 + Cosw tSinj1,(1)

y/B = Sinw tCosj2 + Cosw tSinj2.(2)

Умножим (1) на Cosj2 и (2) на Cosj1 и вычтем их друг из друга

(x/A)Cosj2 - (y/B)Cosj1 = Cosw tSin(j2-j1). (3)

Умножим (1) на Sinj2 и (2) на Sinj1 и снова вычтем их друг из друга

(x/A)Sinj2 - (y/B)Sinj1 = Sinw tSin(j2-j1).(4)

Возведя (3) и (4) в квадрат, сложим их почленно

(x/A)2 - (2xy/AB)Cos(j2-j1) + (y/B)2 = Sin2(j2-j1).(5)

Это общее уравнение эллипса, конкретный вид которого зависит от разности фаз (j1-j2) колебаний. Если разность фаз равна нулю, то уравнение (5) принимает вид y = (B/A)x. Это уравнение прямой, т.е. траекторией точки будет прямая линия. По прямой y = -(B/A)x будет двигаться изображающая точка, если разность фаз равна p. Если разность фаз равна (j1-j2)=p/2, то уравнение траектории примет такой вид: (x/A)2 + (y/B)2 = 1. Это уравнение эллипса, оси которого совпадают с осями координат. При равенстве амплитуд (A=B) эллипс превращается в окружность.

Итак, окружность, эллипс и прямая - простейшие фигуры Лиссажу, наблюдающиеся при равенстве частот обоих колебаний.

Если частоты колебаний не равны, то траектория движения точки становится сложной, но она упрощается, когда отношение частот колебаний по осям Y и X равно отношению целых чисел, т.е ny /nx=n1/n2. Тогда отношение периодов колебаний Ty/Tx=n2 /n1. Это значит, что за время t= n1Ty = = n2Tx точка совершает n2 полных колебания вдоль оси X и n1 полных колебания по оси Y. За следующий промежуток времени в t секунд колебания в точности повторяются, т.е. колебания будут накладываться сами на себя, и картина на экране осциллографа будет устойчивой. Это и будет фигура Лиссажу. Но при этом требуется строгое и поэтому труднодостижимое постоянство частот обоих колебаний и разности фаз между ними.

По виду фигуры Лиссажу можно узнать частоту одного из гармонических колебаний, если известна частота другого. Пусть отношение частот ny /nx равноn1/n2. Тогда фигура Лиссажу пересекает ось X в n1 точках и ось Y в n2 точках. Таким образом, определив по осциллограмме число точек пересечения осей фигурой Лиссажу и зная nx, можно определить ny по формуле ny=nx n1/n2. Следует помнить, что при нажатой кнопке "X-Y" nx - это частота сигнала, подаваемого на 1-й канал.