ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛОГРАФА
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
Национальный аэрокосмический университет
им. М.Е Жуковского
"Харьковский авиационный институт"
Факультет радиотехнических систем летательных аппаратов
Кафедра приема, передачи и обработки сигналов
№504
Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ И ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛОГРАФА
Харьков 2015
Цель работы - изучение электронно-лучевого осциллографа, его структурной схемы, правил использования, а также методов измерения амплитуды, длительности, частоты, фазы, а также формы сигналов.
Общие сведения
Электронно-лучевым осциллографом (ЭЛО) называют прибор для наблюдения и измерение параметров электрических сигналов в котором используется отклонение одного или нескольких электронных лучей для получения изображения мгновенных значений функциональных зависимостей переменных величин, одной из которых обычно есть время.
Форма электрического сигнала несет в себе информацию о всех его параметрах. Поэтому осциллографы могут использоваться и для измерения отдельных параметров сигнала - амплитуды импульса, длительности импульса, периода гармонических и импульсных сигналов, временных интервалов между избранными мгновенными значениями сигналов и др. Сравнение форм сигналов на входе и выходе какой-нибудь электрической цепи позволяет судить о характеристиках этих цепей.
|
|
|
Применение датчиков- преобразователей позволяет использовать осциллограф также для наблюдения и измерение параметров неэлектрических процессов. Такие преимущества осциллографов сделали их незаменимыми при научных исследованиях, разработке и отладке разных устройств, промышленном контроле изделий и др. Параметры ЭЛО в значительной мере определяются примененной в них электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ).
2.1Обобщенная структурная схема н основные параметры электроннолучевого осциллографа
В состав обобщенной структурной схемы осциллографа входят, как видно из рисунка 2.1, ЭЛТ со схемой управления лучом, канал вертикального отклонения (канал y), канал горизонтального отклонения (канал X), канал управления яркостью (канал Z) и калибраторы амплитуды и длительности.
В осциллографах применяют широкополосные ЭЛТ с электростатическим управлением лучом. Они могут иметь один или несколько лучей. В последнем случае осциллограф называется многолучевым, причем управление лучами может быть раздельным или общим. Принцип получения осциллограммы на экране ЭЛТ заключается в подаче на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ (пластины X) линейного пилообразного развертывающего напряжения (напряжения развертки), а на вертикально отклоняющие пластины (пластины Y) - исследуемого с сигнала. Под действием напряжения развертки луч на экране ЭЛТ будет перемещаться по горизонтали в одном направлении (слева направо) и с постоянной скоростью, а под действием исследуемого сигнала - отклоняться по вертикали. В результате движения луча на экране ЭЛТ воспроизводится форма исследуемого сигнала и полученная таким образом осциллограмма изобразит в прямоугольных координатах график его функции.
|
|
|
Канал вертикального отклонения предназначен для неискаженной передачи исследуемого сигнала от его источника к пластинам Y ЭЛТ. Передача сигнала, как правило, сопровождается его усилением и требует согласования входа осциллографа с источником исследуемого сигнала. Поэтому в состав канала входят входное устройство (ВУ) и усилитель вертикального отклонения (УВО). При исследовании формы сигналов и измерении их амплитудных параметров постоянная составляющая сигнала может учитываться или исключаться. В связи с этим вход Y может быть как открытым, так и закрытым (по аналогии с вольтметрами) по постоянной составляющей напряжения.
|
|
|
Для расширения функциональных возможностей осциллографа в канал вертикального отклонения может включаться электронный коммутатор (ЭК), с помощью которого на экране однолучевой ЭЛТ могут быть полученные осциллограммы двух или более сигналов, которые поступают по соответствующим каналам (входы Y1, Y2 и др.). Такой осциллограф называется многоканальным. Соединение многолучевых ЭЛТ из ЭК позволяет относительно несложными схемными решениями существенным образом расширить функциональные возможности современных осциллографов.
Канал горизонтального отклонения предназначен для создания и подачи на пластины X ЭЛТ напряжения развертки, усиления и преобразования (при необходимости) сигналов синхронизации и запуска развертки, а также для усиления и подачи на пластины X внешнего сигнала. Как видно из рисункa 2.1, перечисленные функции реализуются с помощью генератора развертки (ГР), усилителя горизонтального отклонения (УГО), устройства синхронизации и запуска развертки. Эти функциональные узлы будут рассмотрены при характеристике осциллографов конкретных видов. Здесь отметим лишь общие требования к развертке и синхронизации при получении осциллограмм исследуемых сигналов.
|
|
|
В современных осциллографах применяются следующие виды разверток:
- автоколебательная - режим работы ГР, когда развертка периодически запускается и при отсутствии сигнала запуска;
- ждущая - режим работы ГР, когда развертка запускается только при наличии сигнала запуска;
- однократная - режим работы ГР, когда запуск его происходит один раз с последующим блокированием;
- задержанная - режим работы ГР, когда развертка начинается с определенной задержкой после запускающего сигнала;
- задерживающая - создаваемая одним ГР и предназначенная для задержки запуска развертки (задержанная развертка), создаваемой другим ГР;
- смешанная - сигнал изображается одним лучом с разными коэффициентами развертки.
Как видно из приведенных определений, при любой форме развертывающего напряжения, луч на экране ЭЛТ прочерчивает прямую горизонтальную линию. Поэтому все перечисленные виды разверток можно квалифицировать как разновидность линейной развертки. В осциллографах могут создаваться и более сложные виды разверток путем подачи развертывающих напряжений, одновременно на пластины X и Y (например: круговая и спиральная развертки).
Рисунок 2.2 - График пилообразного напряжения
при автоколебательной развертке
Автоколебательная развертка применяется при исследовании периодических и импульсных, сигналов, если последние имеют малую скважность. Она создается пилообразным напряжением ГР, работающем в автоколебательном режиме. В общем случае пилообразное напряжение Up, как видно из рисункa 2.2, характеризуется некоторым начальным уровнем U0 и размахом Um, а также длительностью прямого хода Тп, обратного хода ТОБР и блокирования Тбл. За время Тп луч на экране ЭЛТ перемещается слева направо с постоянной скоростью, а за время ТОБР быстро возвращается в исходное положение. Дальше после окончания переходных процессов за время Тбл развертка повторяется с периодом Tp. Если Tp. << 0,04 с, то за счет инерционной способности человеческого глаза мы видим на экране ЭЛТ непрерывную линию (поэтому иногда такую развертку называют непрерывной) Для получения высококачественной осциллограммы необходимо, чтобы (ТОБР + Тбл<<ТП. Кроме того, с помощью специальной схемы подсвечивания луч, как правило, подсвечивается на время Тп и замыкается на время (ТОБР + Тб.).
Осциллограмма, которая наблюдается при автоколебательной развертке исследуемого сигнала должна восприниматься как недвижимое изображение. Только тогда можно сделать какой-либо вывод о его форме и измерить необходимые параметры. Для этого, как известно из теории колебаний, исследуемый сигнал Uх с периодом Тх и напряжением развертки должны быть синхронными, т.е.
Тр=пТх, (2.1)
где n= 1, 2, 3,...(целые числа).
Условие (2.1) называется условием синхронизации Uр и Uх и всегда должно выполняться при работе с осциллографом. Целесообразно выбирать п~2, чтобы хотя бы один период U х наблюдался целиком (при Тр — Тх часть кривой Uх, которая отвечает (ТОБГ+Тбл) не воспроизводится). В то же время не рекомендуется выбирать n>3, так как иначе ухудшается постоянство осциллограммы. Если условие (2.1) не выполняется (n - дробные числа), на экране ЭЛТ наблюдается неустойчивое, беспрестанно "бегущее" изображение Uх.
Как видно из рисунок 2.1, синхронизация обеспечивается с помощью специального устройства и может быть внутренней и внешней. При внутренней синхронизации сигнал, управляющий запуском ГР, подается из канала вертикального отклонения и является частью Uх. Другими словами, внутренняя синхронизация - это синхронизация самым исследуемым сигналом. При внешней синхронизации сигнал, управляющий запуском ГР, подается извне на вход X.
Этот сигнал в свою очередь должен быть синхронным с исследуемым, что накладывает важные ограничения на возможности применения внешней синхронизации. Как правило, к ней прибегают тогда, когда Uх имеет недостаточную для стойкой синхронизации амплитуду, а также в ряде специальных случаев (одним из таких случаев есть синхронизация от сети). Автоколебательная развертка имеет два принципиальных недостатка: не разрешает наблюдать однократные (непериодические) сигналы, а при исследовании импульсных сигналов с большой скважностью оказывается практически непригодной.
Объясним суть второго недостатка на примере периодической последовательности прямоугольных импульсов с τi << Тх (рисунок 2.3, а). Если принять n=4, то напряжение развертки Up1 (рисунок 2.3, б) будет иметь скорость, явным образом недостаточную для. получения детального изображения импульса. Большая часть- Up1 вообще не используется, а изображение импульса на экране ЭЛТ имеет вид узкого выброса. Необходимо значительно увеличить скорость развертки, сделав ее период Тр2 <<Тх и сравнимым с τi;- (рисунок 2.3, в).
Масштаб осциллограммы будет теперь большим, однако наблюдение формы импульса и измерение его параметров практически невозможны - очень тяжело обеспечить синхронизацию Up2 и Uх при Тр2<< Тх, и, кроме того,за время Тх луч многократно прочертит линию развертки, а по вертикали отклонится только один раз (линия развертки будет значительно ярче, чем изображение импульса).
 |
Рис. 2.3 - Временные диаграммы,
иллюстрирующие переход от автоколебательной к ждущей развертке:
а - Исследуемый сигнал; б - автоколебательная развертка з Tp1= Тх;
в - автоколебательная развертка з Tp1<< Тх; г - ждущая развертка
Таким образом, мы приходим к выводу о необходимости применения в рассмотренных случаях другого вида развертки - ждущей, когда ГР работает в ждущем режиме и запускается только при поступлении Uх. Для этого в осциллографе предполагается устройство запуска развертки (см. рисунок 2.1). Если продолжительность ждущей развертки сравнима с τi, то луч детально изображает форму и "ждет" прихода нового сигнала (рисунок 2.3, г). Отмеченные недостатки автоколебательной развертки с Тр<< Тх целиком устраняются. Больше того, принимаются специальные меры, чтобы фронт наблюдался неискаженным. С этой целью в канал вертикального отклонения включается специальная линия задержки и луч на экране ЭЛТ на протяжении τi (рисунок 2.3, г) движется горизонтально и только потом отклоняется под влиянием Uх.
Частным случаем ждущей развертки есть однократная развертка, которая применяется при фотографировании неповторяемых процессов. В этом режиме ГР подготавливается к разовому запуску с помощью специального устройства и запускается при поступлении на вход исследуемого сигнала. После этого ГР становится нечувствительным к запускающему сигналу и нужна повторная подготовка его к новому запуску.
 |
Другие виды разверток применяются в практике осциллографических измерений, когда возникает необходимость детально исследовать сигнал, задержанный относительно импульса запуска. Они реализуются с помощью двух ГР, один из которых является устройством переменной задержки для другого. Объясним принцип получения их с помощью рисунок 2.4.
Рисунок2.4 - Временные диаграммы,
объясняющие принцип получения двойных разверток
Если, например, необходимо получить задержанную развертку, то генератор А.запускается сигналом синхронизации, но его пилообразное напряжение подается не на пластины X ЭЛТ, а на его компаратор. При достижении этим напряжением определенного уровня (соответствующего, например, моменту времени, когда поступает второй импульс) выходной сигнал компаратора запускает генератор Б, пилообразное напряжение которого подается на пластины X ЭЛТ и создает задержанную развертку.
Для получения смешанной развертки генераторы А и Б запускают так же, но теперь на пластины X подаются оба пилообразных напряжения. Благодаря этому луч на экране ЭЛТ движется в промежутках времени t1…t2 и t3…t4 со скоростью, обусловленной параметрами генератора А, а в промежуток времени t2 … t3 - со скоростью, обусловленной параметрами генератора Б. Если пилообразные напряжения подавать на вход усилителя горизонтального отклонения (УГО) поочередно и синхронно смещать луч по вертикали, то на экране ЭЛТ будут образованы две линии развертки: задерживающая развертка, создаваемая генератором А и которая позволяет наблюдать весь исследуемый сигнал, а также задержанная развертка, которая создается генератором Б и позволяет детально исследовать часть сигнала. Так как они имеют разные скорости, то этот режим yазывают еще двускоростной разверткой, а всю рассмотренную систему - системой двойных разверток.
Кроме каналов вертикального и горизонтального отклонения, большинство типов современных осциллографов имеет дополнительный канал управления яркостью. Выходной сигнал этого канала подается, как правило, на управляющий электрод ЭЛТ и модулирует луч по яркости. Получаемая при этом осциллограмма представляет собой чередование светлых и темных участков, число которых зависит от соотношения частот исследуемого и модулирующего сигналов. Повышается информативность осциллограммы, которая используется при измерениях. При этом расширяются функциональные возможности осциллографов.
Калибраторы амплитуды и длительности представляют собой встроенные в осциллограф генераторы сигналов с точно известными параметрами (меры сигналов). Благодаря этим функциональным узлам осциллограф стал измерительным прибором, который обеспечивает возможность измерения амплитудных и временных параметров исследуемых сигналов.
В конце концов, любой осциллограф имеет схему управления лучом (см. рисунок 2.1). Она связана с блоком питания и содержит органы регулирования напряжений, управляющих яркостью, фокусированием, астигматизмом и положением пятна на экране ЭЛТ.
Современный осциллограф принято характеризовать системой основных и дополнительных параметров, которые дифференцируются согласно обобщенной структурной схеме на параметры каналов Y, X и Z, параметры, связанные с ЭЛТ, параметры сигналов калибраторов и параметры схемы управления лучом. Рассмотрим основные параметры каналов Y и X.
Основные параметры канала Y
Номенклатура основных параметров канала Y включает основную погрешность измерения напряжения, параметры коэффициента отклонения, параметры переходной характеристики и параметры входа Y.
Основная погрешность измерения напряжения определяет класс точности осциллографа и не должна превышать норм, указанных в табл. 2.1.
Нормы на метрологические характеристики осциллографов
Таблица 2.1
|
В общем случае МИЛ состоит из большого числа малогабаритных световых элементов, расположенных в виде решетки и соединенных по матричной схеме (рисунок 9.11). Они размещаются в сечениях вертикальных шин- столбцов и горизонтальных шин- строк. Если подать единичные потенциалы на m-й столбец и l -ю строку, то элемент в их пересечении окажется в возбужденном состоянии и высветит точку. Таким образом, МИЛ можно рассматривать как один из видов знаковых индикаторов (матричных), управляемый через дешифратор (ДШ). Код вертикального отклонения превратится с помощью ДШ Y в позиционную форму и выбирает соответствующую строку, а код горизонтального отклонения через ДШ Х выбирает соответствующий столбец. Изменение кодов приводит к пропорциональному сдвигу точки индикации, и на экране появляется "точечное" изображение U(t).
При создании МИП используются такие известные физические явления, как газовый разряд, электролюминисценция и электрооптические эффекты в редких кристаллах и сегнетоэлектриках.
Цифровые осциллографы - один из первых видов отечественных радио- измерительных приборов, где полная автоматизация процесса измерения достигается соединением рассмотренных функциональных узлов со встроенным микропроцессором.
2.2 Описание измерительной установки
Лабораторный стенд состоит из осциллографа С1-65А, генератора высокой частоты Г4-18А.
Генератор Г4-18А необходим для формирования гармонического сигнала частотой 0.1-35 МГц с возможностью модулирования его по амплитуде.
Для выполнения работы необходимо изучить принцип действия, основные технические характеристики и структурную схему осциллографа С1-65 А, а также научиться пользованию генератором Г4-18А.
Внимание! Перед выполнением задачи выполнить все необходимые действия подготовки осциллографа С1-65А к проведению измерений, согласно инструкции по эксплуатации.
Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 330; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!