Практична №7

вимірюванНя параметрів періодичних сигналів за допомогою ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВОГОГО осцилографа

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ.

1. Будова та принцип дії електронно-променевого осцилографа

Осцилограф є складним електронним приладом, призначеним для дослідження (спостереження і запису) форми електричних напруг та вимірювання їх параметрів.

Одним із основних вузлів осцилографа є електронно-променева трубка ЕПТ (рис.7.1). ЕПТ складається з електронної гармати, електродів для управління яскравістю і фокусом, відхиляючих пластин і флуоресцентного екрана. Поблизу екрану встановлений анод, на який подається висока позитивна напруга. Під дією цієї напруги електрони, що вириваються з електронної гармати, рухаються від катода до анода, попадають на екран і висвічують точку у флуоресцентному шарі. Для одержання зображення досліджуваної напруги на екрані осцилографа в ЕПТ розміщено дві пари пластин: вертикально- та горизонтально відхиляючі пластини (Y-Y та Х-Х). Одна пара відхиляє промінь в горизонтальному напрямі (електроди х), а інша – у вертикальному (електроди у). Відхилення світлової точки в координатах х та y пропорційне напругам Ux та Uy, що подаються на пластини.

Якщо на обох парах пластин напруга відсутня, то потік електронів (електронний промінь) від катода попаде в центр екрану. Якщо на вхід Y осцилографа подається досліджувана напруга , то вертикальна координата світної точки буде пропорційна значенню досліджуваної напруги:

, (1)

де — чутливість осцилографа по осі Y.

Чутливість ЕПТ, що використовуються в універсальних осцилографах, складає 0,2...0,5 мм/В. Тому СКЗ напруги, яка подається на пластини, повинне бути не менше ніж 100...250 В, щоб викликати переміщення точки на екрані на 50 мм.

Канал горизонтального відхилення (канал X) містить генератор розгортки пилкоподібної напруги та підсилювач горизонтального відхилення. Канал Х може працювати в двох режимах — розгортки або підсилення сигналу, поданого на вхід Y.

В режимі розгортки напруга генератора розгортки через підсилювач подається на вхід горизонтально відхиляючих пластин і регулює зміщення променя на екрані по осі X. Щоб отримати на екрані криву досліджуваної напруги необхідно, щоб напруга змінювалась в часі лінійно. Тому напруга розгортки має пилкоподібну форму (рис. 7.2, а), і горизонтальна координата світної точки визначається, як:

, (2)

де - чутливість осцилографа на осі X.

Проміжок часу t1 називають часом прямого (робочого) ходу променя. Протягом цього часу під дією лінійно змінної напруги світлова точка переміщується екраном зліва направо з рівномірною швидкістю і створює на ньому суцільну лінію (рис. 7.2, б). Протягом часу t2 (зворотного ходу) промінь повертається справа наліво у початкове положення, щоб у наступний проміжок часу прямого ходу повторити переміщення променя по екрану зліва направо.

Рис. 7.1. Спрощена структурна схема осцилографа

Рис.7.2. а) форма напруги розгортки; б) досліджувана напруга на екрані в ЕПТ в режимі лінійної розгортки

Частоту розгортки можна міняти, підбираючи її так, щоб зображення на екрані буде нерухомим і зручним для спостереження - для цього служать схеми синхронізації та управління розгорткою. Для цього період напруги розгортки Т повинен бути кратним періоду досліджуваної напруги (тобто період Тр на рис. 7.2,б повинен бути рівним або в ціле число разів більший від періоду Тс). Примусова генерація генератором розгортки напруги з частотою, яка дорівнює або кратна частоті досліджуваного сигналу, називається синхронізацією. Для здійснення зовнішньої синхронізації до генератора розгортки подається синхронізуючий сигнал від мережевої напруги 220 В, 50 Гц. Для внутрішньої – в момент переходу досліджуваної напруги через нуль на вхід схеми синхронізації подається короткий імпульс, що запускає генератора розгортки.

На вхід підсилювача горизонтального відхилення крім напруги розгортки можна подавати напруги від інших джерел – режим зовнішньої розгортки. При цьому генератор пилкоподібної напруги від входу підсилювача відключається. Якщо подавати на вхід Y і X синусоїдні напруги, то на екрані висвічуються так звані фігури Ліссажу (таблиця 1), форма яких залежить від співвідношення частот, фаз і амплітуд поданих напруг.

Таблиця 1

Приклади фігур Ліссажу на екрані осцилографа при синусоїдній розгортці

Для вимірювання параметрів сигналів за допомогою осцилографа необхідно знати масштаби їх зображень по вертикальній та горизонтальній осях екрана осцилографа та (ці масштаби ще називаються коефіцієнтами відхилення вертикального та горизонтального каналів і визначаються положеннями ручок подільників напруги (атенюаторів), які знаходяться перед підсилювачами вертикального (Y) та горизонтального (X) відхилення, і коефіцієнтами підсилення підсилювачів ).

1. Вимірювання амплітуди сигналу в режимі лінійної розгортки.

Для вимірювання амплітуди досліджуваного сигналу Um необхідно за допомогою ручок підсилювачів встановити на екрані стійке зображення одного чи кількох періодів сигналу.

Величина амплітуди досліджуваного сигналу в мілівольтах буде рівна добутку виміряної величини зображення в поділках , помножену на чутливість підсилювача (у відповідністю з натисненою кнопкою чутливості) і на кратність вхідного атенюатора .

. (3)

2. Вимірювання інтервалів часу. Кнопки тривалості розгортки і множника тривалості встановлюють в таке положення, щоб вимірюваний інтервал часу займав довжину на екрані не менше чотирьох поділок шкали. Величина інтервалу визначається добутком трьох величин: довжини вимірюваного інтервалу часу на екрані в поділках шкали часу , на значення однієї поділки шкали в відповідності з натисненою кнопкою тривалості розгортки і значення коефіцієнта тривалості розгортки в відповідності з положенням кнопок "0,5" і "0,2" (обидві кнопки відпущені – коефіцієнт розгортки рівний 1, натиснута кнопка "0,5" – відповідає коефіцієнту 0,5; натиснута кнопка "0,2" – відповідає коефіцієнту 0,2):

. (4)

3. Вимірювання частоти.

Частота сигналу f в режимі лінійної розгортки визначається:

, (5)

де f – частота сигналу, Гц;

n – ціле число періодів сигналу, які найближче вкладаються в 10 поділок шкали;

l – число поділок шкали, яке займає ціле число періодів сигналу n;

T_P – тривалість розгортки, при якій відбувається вимірювання частоти сигналу, с.

Частота сигналу f в режимі синусоїдальної розгортки (зовнішня синхронізація) визначається порівнянням частот сигналів поданих на входи X і Y осцилографа по отриманій на екрані фігурі Ліссажу (табл.1). Якщо фігура нерухома, то справедливе відношення:

, (6)

де і - відповідно частота сигналу, подана на входи X і Y осцилографа;

і - максимальна кількість перетинів фігури Ліссажу з горизонтальною і вертикальною прямими перерізу (прямі не повинні проходити через вузли фігури).

Рис. 7.3. Визначення частоти по фігурі Ліссажу

4. Вимірювання зсуву фаз.

Для вимірювання зсуву фаз між двома синусоїдними сигналами першочергово на вхід Y подають опорний сигнал при увімкненій зовнішній синхронізації. Зображення сигналу встановлюють симетрично нульовій ліній шкали. Регуляторами встановлюють перетин синусоїди з нульовою лінією шкали в початок розгортки і визначають тривалість періоду опорного сигналу в поділках шкали (). Потім на вхід " Y " подають сигнал, фазу якого необхідно виміряти, і відраховують зміщення перетину зображення сигналу з нульовою лінією шкали в поділках ().

Зсув фаз визначають за формулою:

. (7)

Точність вимірювання параметрів напруг та струмів за допомогою осцилографа є порівняно невисокою, всього 5-10% і залежить від властивостей ЕПТ і підсилювача вертикального відхилення електронного променя.

МЕТОДИКА РОЗВ’ЯЗАННЯ ТИПОВИХ ЗАДАЧ

Приклад 7.1. За осцилограмою, отриманою на екрані осцилографа (рис.7.3, а), обчислити амплітуду, період і частоту сигналу, якщо перемикачі вертикального та горизонтального підсилення знаходяться в положенні В/под., мс/под. Визначити абсолютну і відносну похибки вимірювання максимального значення напруги, якщо клас точності осцилографа К = 5.

Розв’язання.

За осцилограмою знаходимо максимальне значення напруги:

В.

Період і частота сигналу:

мс, Гц.

Межа вимірювання при заданому положенні перемикача вертикального підсилення:

В.

Тоді похибки вимірювання:

В; .

а) б)

Рис. 7.3. Осцилограма сигналу до прикладів 7.1. і 7.2.

Приклад 7.2. На вхід каналу вертикального відхилення осцилографа подано синусоїдний сигнал , а на вхід каналу горизонтального відхилення - . Канал Х працює в режимі зовнішньої розгортки. Побудувати зображення, очікуване на екрані осцилографа.

Розв’язання.

Визначимо відношення частот двох сигналів.

Для сигналу , тоді:

і .

Фазовий зсув між сигналами:

.

Згідно з табл. 1. будуємо фігуру Ліссажу, причому:

; ,

де , - коефіцієнти перемикачів вертикального і горизонтального підсилення.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ОПРАЦЮВАННЯ

1.       За осцилограмою (рис.7.4, а), обчислити амплітуду, період і частоту сигналу, якщо перемикачі вертикального та горизонтального підсилення знаходяться в положенні В/под., мс/под. Визначити абсолютну і відносну похибки вимірювання максимального значення напруги, якщо клас точності осцилографа 5.

2.       В режимі неперервної лінійної розгортки на вхід Y осцилографа подається синусоїдальна напруга з періодом 40 мкс. Перемикач горизонтального підсилення час/под., знаходиться в положенні 5 мкс/под. Накресліть, як виглядатиме осцилограма. Розрахуйте частоту сигналу.

3.       При вимірюванні частоти за допомогою фігур Ліссажу була отримана осцилограма у вигляді горизонтальної вісімки. Частота зразкового генератора, підключеного до входу Y осцилографа 500 Гц. Визначити вимірювану частоту.

4.       На вхід осцилографа подається синусоїдний сигнал з періодом 500 мкс. Нехтуючи часом зворотного ходу променя, визначити частоту неперервної лінійної розгортки для отримання осцилограми у вигляді 5 періодів досліджуваного сигналу.

5.       До пластин Х і Y підведені сигнали синусоїдної форми, одинакові по частоті, фазі і піковому значенню. Побудуйте фігуру Ліссажу, що отримається на екрані, якщо чутливість відхилення променя по вертикалі і горизонталі однакова.

6.       Зобразити осцилограму, що буде відображена на екрані осцилографа, якщо безпосередньо на пластини Х і Y подаються сигнали: і . Вважаємо, що чутливість ЕПТ по вертикалі і горизонталі однакова.

7.       На вхід каналу Y осцилографа подано гармонійний сигнал з частотою 150 кГц. Частота генератора лінійної періодичної розгортки 30 кГц, час зворотнього ходу променя приймаємо рівним нулю. Як виглядатиме зображення на екрані?

8.       На екрані осцилографа отримали зображення рис. 7.4,б. Визначити частоту вимірюваного сигналу, якщо частота гармонійного сигналу зразкового генератора, підключеного до входу Х рівна 100кГц.

9.       При вимірюванні фазового зсуву підсилювача за допомогою двоканального осцилографа методом лінійної розгортки, отримали тривалість періоду синусоїдного сигналу на екрані осцилографа – 8 поділок; а час, що відповідає фазовому зсуву – 2 поділки. Абсолютна похибка вимірювання лінійних розмірів – 0,1 под. Визначити фазовий зсув (в градусах), оцінити абсолютну і відносну похибки вимірювання.

10.    При вимірюванні фазового зсуву гармонійного сигналу з частотою 10кГц за допомогою двопроменевого осцилографа при лінійній розгортці отриманий відлік лінійного розміру фазового зсуву – 20 мм. Визначити фазовий зсув (в градусах), якщо коефіцієнт розгортки рівний 20 мкс/см.

а) б)

Рис.7.4. Осцилограми до задач 1 і 8.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ

1. Будова електронно-променевого осцилографа.

2.       Як утворюється зображення на екрані осцилографа.

3.       Опишіть роботу осцилографа в режимі лінійної розгортки.

4.       Як отримати зображення фігур Ліссажу на екрані осцилографа?

5.       Від чого залежить форма фігури Ліссажу?

6.       Як здійснюється вимірювання амплітуди сигналів?

7.       Як здійснюється вимірювання інтервалів часу?

8.       Які є способи вимірювання частоти за допомогою осцилографа?

9.       Як здійснюється вимірювання фази і зсуву фаз?