Общие сведения

ПРОГРАММА РАБОТЫ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

Практика использования аналогового электронного осциллографа.

1. Ц ЕЛ Ь РАБОТЫ.

Целью работы является приобретение навыков пользования аналоговым электронным осциллографом.

1. Знакомство с органами управления современного аналогового электронного осциллографа.

2. Калибровка осциллографа по осям "Y" и "X".

3. Практика измерения параметров сигналов разной формы.

Основным элементом современного аналогового электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (устройство которой и принцип действия изучаются в курсе физики). В ней электронный луч при своем движении к экрану проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин. К пластинам, расположенным горизонтально, подводится измеряемое электрическое напряжение, закон изменения которого во времени нужно наблюдать; под действием электрического поля этих пластин электронный луч отклоняется на экране по вертикали, поэтому эти пластины получили условное название "пластины вертикального отклонения"(Y). К пластинам, расположенным вертикально, подводится электрическое напряжение, известным образом меняющееся во времени; под действием электрического поля этих пластин электронный луч отклоняется на экране по горизонтали, поэтому эти пластины получили условное название "пластины горизонтального отклонения"(X).

Для заметного отклонения электронного луча на экране по осям "X" и "Y" требуются большие напряжения, порядка нескольких десятков вольт, поэтому электрические сигналы на пластины "X" и "Y" обычно подаются не непосредственно, а через специальные усилители. Как правило, большее усиление имеет усилитель канала "Y”, с тем, чтобы можно было исследовать весьма малые сигналы, порядка единиц милливольт и менее.

В современных осциллографах регулировка усиления в канале "Y" обычно осуществляется ступенчато, причем каждой ступени свойственен строго определенный коэффициент усиления, а следовательно, и чувствительность осциллографа, например: 10-5-2-1-0.5-0.2-0.1-0.05 В/дел. Эти цифры означают, что для отклонения луча по вертикали на одно деление прозрачной шкалы, находящейся перед экраном, ко входу "Y" необходимо подвести одно из указанных соответствующих напряжений. Строгое нормирование чувствительности осциллографа по входу "Y" позволяет использовать осциллограф не только для наблюдения формы изучаемых сигналов, но и для измерения их амплитуд, т.е. использовать осциллограф и как вольтметр.

Для проверки и корректировки чувствительности осциллографа по входу "Y" в современные осциллографы вводится специальный калибратор, представляющий генератор периодического сигнала прямоугольной формы. Размах этого сигнала устанавливается таким, чтобы при правильно отрегулированном усилении канала "Y" размер изображения по вертикали соответствовал бы заранее известному значению (например, в данной работе - 6-ти большим делениям шкалы перед экраном). При необходимости усиление канала "Y" корректируется с помощью плавного регулятора, который после этого не следует трогать. Операция корректирования усиления канала "Y" посредством использования калиброванного по амплитуде вспомогательного сигнала известной формы и частоты называется калибровкой чувствительности канала "Y" осциллографа. Для упрощения операции калибровки переключатель чувствительности канала "Y" обычно имеет особое положение, обозначенное каким-либо условным значком с указанием количества делений шкалы, на которое должен отклониться луч осциллографа при калибровке; кроме того, переключатель чувствительности канала "Y" конструктивно объединяется с плавным регулятором чувствительности канала "Y", имеющим механическую фиксацию в нужном положении.

Исторически сложилось так, что входной разъем канала "Y" и все органы управления осциллографом, имеющие отношение к каналу "Y", располагаются на левой стороне лицевой панели осциллографа; все органы управления, имеющие отношение к каналу "X", располагаются на правой стороне лицевой панели, а входной разъем канала "X" (или входные клеммы этого канала) располагаются либо на правой стороне лицевой панели, либо на правой боковой стенке осциллографа. Чтобы форма сигнала, подведенного ко входу "Y", не была бы искажена на экране, необходимо, чтобы луч осциллографа двигался по горизонтали слева направо с постоянной скоростью. Для этого напряжение, прикладываемое к пластинам отклонения "X”, должно иметь пилообразную форму с высокой степенью линейности прямого хода "пилы".

Процесс перемещения луча осциллографа по горизонтали с постоянной скоростью называется линейной разверткой исследуемого сигнала. Для осуществления линейной развертки в каждом осциллографе имеется генератор развертки, вырабатывающий пилообразное напряжение. Генератор развертки может работать в двух режимах – в режиме периодической развертки, когда процесс развертки все время повторяется,и в режиме ждущей развертки, когда для пуска генератора развертки необходим внешний пусковой сигнал, по поступлении которого генератор развертки вырабатывает одиночный пилообразный сигнал развертки и затем ожидает поступления следующего пускового сигнала. Режим "периодической" или "непрерывной" развертки используется при наблюдении периодически повторяющихся сигналов, а режим "ждущей" развертки- для наблюдения однократных сигналов; если правильно выбрать опережение пускового сигнала, то можно получить изображение однократного сигнала в центральной части экрана. Переключатель режимов развертки, конструктивно выполненный по-разному в различных осциллографах, обычно допускает три вида развертки: периодическую, ждущую и внешнюю. При внешней развертке перемещение луча по горизонтали осуществляется внешним сигналом, подводимым ко входу "X" (такой режим работы используется, например, для получения на экране осциллографа так называемых фигур Лиссажу).

Скорость перемещения луча по горизонтали, а значит и частота повторения процесса периодической развертки, в современных осциллографах может регулироваться ступенчато и плавно в очень широких пределах. Ступенчатый регулятор скорости развертки обычно является калиброванным - каждому его положению соответствует определенная скорость перемещения луча по горизонтали (такая-то доля секунды на одно деление шкалы перед экраном), но эта калибровка справедлива только при определенном положении плавного регулятора скорости развертки, указанном в инструкции. Зная скорость развертки, можно определить период (и частоту) исследуемого периодически повторяющегося сигнала.

При очень малой скорости развертки глаз человека замечает движение луча по экрану и цельного изображения формы сигнала человек не видит. В таком случае используются экраны с длительным послесвечением. При исследовании формы периодически повторяющихся сигналов желательно иметь на экране неподвижное изображение, а для этого при каждом повторении процесса развертки исследуемый сигнал должен "рисоваться" в одном и том же месте экрана. Согласование частоты и фазы сигнала развертки с частотой и фазой исследуемого сигнала осуществляется блоком синхронизации развертки, который может работать в режиме внутренней синхронизации, когда развертка управляется исследуемым сигналом и в режиме внешней синхронизации, когда развертка управляется специальным внешним сигналом. Кроме перечисленных, на лицевой панели осциллографа находиться еще ряд органов управления, назначение которых пояснений не требует.

С целью повышения удобства работы современные осциллографы нередко имеют встроенный коммутатор, который позволяет на экране однолучевого осциллографа наблюдать одновременно несколько различных сигналов, чаще всего 2 или 4. В таких случаях на лицевой панели имеется соответствующее количество входных разъемов и переключателей входных сигналов, а также специальный переключатель, позволяющий особым образом коммутировать исследуемые сигналы. Каждый вход канала "Y" современного осциллографа в общем случае может работать в одном из 3-х режимов, задаваемых специальным переключателем:

А) "открытый вход"(@) - осциллограф воспроизводит на экране в одном и том же масштабе постоянную и переменную составляющие входного сигнала; в этом случае перемещение луча по вертикали, отсчитываемое от нулевого положения линии развертки (соответствующего сигналу на входе осциллографа, равного нулю) определяется полярностью входного сигнала относительно "заземленной" входной клеммы осциллографа (вверх - при положительной, а вниз- при отрицательной полярности) и алгебраической суммой мгновенных значений постоянной и переменной составляющих входного сигнала;

Б) "закрытый вход"(~) - осциллограф воспроизводит на экране только переменную составляющую входного сигнала, при этом постоянная составляющая входного сигнала не пропускается в осциллограф; такой режим работы обычно употребляется для подробного рассмотрения переменной составляющей входных сигналов, содержащих постоянную составляющую, не несущую полезной информации;

В) "заземленный вход"(^) - вход осциллографа замкнут накоротко и "заземлен", но источник входного сигнала не нагружен осциллографом.

Входное сопротивление каждого входа канала "Y" современного осциллографа обычно составляет 1 МОм, собственная входная емкость около 50 пФ. Необходимо помнить, что входной кабель осциллографа, по которому исследуемый сигнал передается от источника сигнала ко входному разъему осциллографа, также обладает емкостью порядка 50..100 пФ/м, поэтому полное значение входной емкости осциллографа обычно порядка 100..150 пФ.

При использовании осциллографа как вольтметра необходимо помнить, что отклонение луча по любой оси экрана прямо пропорционально мгновенному значению измеряемого напряжения. При определении величины измеряемого напряжения следует учитывать, что синусоидальное напряжение характеризуется не амплитудным, а действующим значением, которое меньше амплитудного в корень из 2 раз, а практически все несинусоидальные сигналы характеризуются размахом, который измеряется как расстояние между наивысшей и наинизшей точками изображения на экране.

Погрешность измерения величины напряжения по экрану осциллографа лежит в пределах (1..10) %; она определяется тщательностью работы оператора, качеством калибровки канала "Y" и размером изображения по вертикали: чем оно больше, тем точнее результат. Поэтому размер изображения по вертикали желателен не менее 50 мм, но не более 80 % высоты экрана, т.к. в противном случае начинает проявляться нелинейность амплитудной характеристики канала "Y" осциллографа.

Особым случаем использования осциллографа в измерительной технике является получение на его экране так называемых фигур Лиссажу. Фигурами Лиссажу называются графики пути перемещения по плоскости материальной точки при одновременном воздействии на нее двух взаимно перпендикулярных синусоидально изменяющихся во времени сил.

Для наблюдения фигур Лиссажу к осциллографу должны быть подведены два синусоидальных сигнала - один ко входу "Y", другой - к входу "X" (при этом внутренний генератор развертки осциллографа должен быть выключен). В общем случае на экране будет виден сложный рисунок из перемещающихся и пересекающихся линий; когда соотношение частот сигналов на входах "Y" и "X" равно соотношению целых чисел, фигуры Лиссажу неподвижны.

По неподвижным фигурам Лиссажу может быть определено соотношение частот F(Y):F(X) (именно соотношения, а не абсолютные значения частот), а также фазовые сдвиги одного периодического сигнала относительно другого периодического сигнала той же частоты. Соотношение частот F(Y):F(X) по неподвижной фигуре Лиссажу определяется следующим образом. Через изображение мысленно проводятся две линии - горизонтальная и вертикальная, причем каждая из них должна иметь максимально возможное количество точек пересечения с наблюдаемой кривой. Далее рассуждают так: сложное движение луча по экрану можно разложить на движение по двум осям - вертикальной и горизонтальной. Ко входу "Y" приложен сигнал с частотой F(Y), вызывающий перемещение луча по вертикали. Двигаясь по вертикали, луч может пересекать только горизонтальную линию, поэтому число точек пересечения изображения с горизонтальной линией характеризует частоту F(Y). Аналогично рассуждая, получаем, что число точек пересечения изображения с вертикальной линией характеризует частоту F(X).

При соотношении частот 1:1 на экране виден эллипс; при других соотношениях - более сложные фигуры, усложняющиеся по мере увеличения соотношения частот, поэтому стараются пользоваться небольшим соотношением частот, не более 5:1 (или 1:5). Зная соотношение частот и значение одной из них, можно определить значение второй частоты. Фигуры Лиссажу можно наблюдать и в случае несинусоидальных сигналов, но они очень специфичны и сложны для расшифровки.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

В состав лабораторной установки входят двухлучевой осциллограф, функциональный генератор, вырабатывающий периодические сигналы напряжения синусоидальной и прямоугольной формы.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Ознакомиться с разделом "Общие сведения" и уяснить назначение всех органов управления осциллографом.

2. Откалибровать канал "Y1".

3. Откалибровать канал "Y2".

4. Откалибровать переключатель скорости развертки по секундомеру (часам) на низшей скорости.

5. Результаты выполнения пунктов 2-4 продемонстрировать преподавателю.

6. На вход "Y1" осциллографа подать синусоидальный сигнал произвольной величины частотой 1 кГц.

7. Управляя ручками осциллографа, получить на экране неподвижное изображение входного сигнала с с размахом, составляющим ~ 80% от высоты экрана, состоящее из двух периодов входного сигнала. Определить амплитудное и действующее значение полученного сигнала.

8. Измерить период сигнала, определить частоту повторения и сравнить с частотой, выставленной на генераторе.

9. Последовательно подать ко входу "Y1" синусоидальные и прямоугольные сигналы с частотами повторения 10 Гц и 1 кГц. Наблюдать явления, происходящие на экране, при изменении режима работы входа осциллографа: "открытый вход" и "закрытый вход".

10. Подать на вход "Y2" прямоугольный сигнал от второго генератора, частотой 500 Гц.

11. Управляя ручками осциллографа, получить на экране неподвижное изображение входного сигнала с размахом, составляющим ~ 80% от высоты экрана, состоящее из двух периодов входного сигнала. Определить значение размаха полученного сигнала.

12. Поставить переключатель коммутатора входных сигналов в положение, соответствующее получению на экране сверху изображения сигнала со входа "Y1", а снизу - "Y2". Изображение каждого из сигналов должно занимать по вертикали не больше половины экрана. Результат продемонстрировать преподавателю.

13. Определить амплитуду, действующее значение, длительность периода и частоту синусоидального сигнала, заданного преподавателем и представить результаты в письменном виде.

14. Подготовить осциллограф для наблюдения фигур Лиссажу.

15. Научиться получать на экране фигуры Лиссажу при соотношении частот синусоидальных сигналов F(Y):F(X) от 1:5 до 5:1 и определять соотношение частот по фигурам Лиссажу.

16. Выяснить, при каком соотношении частот легче всего получать наиболее неподвижную фигуру Лиссажу.

17. Получить на экране фигуры Лиссажу при подаче на входы осциллографа прямоугольных сигналов. Обратить внимание на степень симметричности полученных фигур Лиссажу и на возможность определения по ним соотношения частот F(Y):F(X).

18. Получить на экране фигуру Лиссажу с соотношением частот, заданным преподавателем.

Дата добавления: 2015-05-10