Метрология введение

4.3. Функционирование электронного осциллографа.

Так как отклонения луча по осям y и x пропорциональны приложенным к пластинам напряжениям, то для получения на экране графика исследуемого напряжения U(t), необходимо на пластины Y подать это напряжение, а на пластины X – напряжение, пропорциональное времени, т.е. линейно возрастающее. Оно называется развертывающим напряжением, а устройство, его вырабатывающее, - генератором развертки.

Практически невозможно получить линейно возрастающее напряжение в течение неограниченного времени. К тому же в этом нет необходимости. Достаточно иметь такое напряжение в течение хотя бы одного периода исследуемого напряжения U(t). Тогда на экране электронный луч воспроизведет один период сигнала U(t). Если многократно и достаточно часто воспроизводить один период сигнала, причем так, чтобы траектория луча была одной и той же, а не смещалась от периода к периоду, то из-за инерционности зрения оператор увидит на экране непрерывный график одного периода U(t).

Добиться такого положения, чтобы луч на экране от периода к периоду перемещался по одной и той же траектории, значит получить на экране устойчивое изображение. Для этого необходима синхронность напряжения развертки и исследуемого сигнала U(t). Для осуществления этой синхронизации, на переднюю панель осциллографа выведены соответствующие органы управления. Если напряжение развертки линейно нарастает в течение нескольких периодов исследуемого сигнала, то на экране получаем изображения этих нескольких периодов U(t) (естественно, при наличии синхронности напряжений U(t) и развертки).

Форма выходного напряжения генератора развертки изображена на рис. 3.3.

Рис.3.3. Форма выходного напряжения генератора развертки

Во время Т_обр луч быстро возвращается справа налево (обратный ход луча). Обратный ход является нерабочим интервалом времени. На время Т_обр в осциллографах на модулятор подается импульс отрицательного напряжения относительно катода, благодаря которому яркость светящегося пятно падает до нуля. Такое «гашение» луча устраняет фрагменты изображения на экране, появляющиеся во время обратного хода луча и затрудняющие наблюдение изображения сигнала.

Генератор развертки может работать в двух режимах: автоколебательном и ждущем. В автоколебательном режиме он непрерывно вырабатывает пилообразное напряжение, а в ждущем – всего один период этого напряжения и только тогда, когда на вход генератора поступает напряжение определенного уровня: положительного или отрицательного. Длительность развертки Т_пр в обоих режимах можно изменять с помощью переключателя, расположенного на передней панели осциллографа. Положение этого переключателя определяет скорость перемещения луча по оси x экрана. Цена деления по оси x называется коэффициентом развертки.

Синхронизация развертки. Под синхронизацией понимается приведение двух или более процессов к такому их протеканию, когда соответствующие элементы процессов совершаются одновременно или с неизменным сдвигом по фазе. При исследовании периодических напряжений для получения неподвижного изображения на экране ЭЛТ необходимо, чтобы период напряжения развертки был кратен периоду исследуемого сигнала: Т_x/T_y= n, {n = 1,2,3,…}. В этом случае момент начала развертки при каждом ее цикле будет приходиться на одно и то же значение сигнала и перемещение луча по экрану будет происходить по одной и той же траектории.

В автоколебательном режиме выполнение условия кратности периодов частот развертки и исследуемого сигнала добиваются изменением коэффициента развертки с помощью регулировок на передней панели. Однако непрерывное поддержание выполнения этого условия вручную практически весьма сложно из-за нестабильностей частот генератора развертки и сигнала. Поэтому для поддержания стабильности настройки используется цепь синхронизации, на которую подается входной сигнал. Из входного сигнала цепь синхронизации формирует короткие импульсы с периодом этого сигнала, к которым привязывается начало развертки.

При ждущей развертке генератор не работает до тех пор, пока не приходит запускающий, т.е. синхронизирующий импульс, который обычно формируется из исследуемого сигнала. Запуск ждущей развертки исследуемым сигналом приводит к некоторой задержке начала развертки относительно начала импульса и, следовательно, к потере изображения части переднего фронта сигнала. Для исключения этого явления исследуемый сигнал задерживается с помощью линии задержки, расположенной в канале вертикального отклонения. Ждущий режим используется для наблюдения импульсных сигналов с большой и переменной скважностью. В остальных случаях может использоваться как ждущий, так и автоколебательный режим. Имеются осциллографы, у которых переход от автоколебательного режима к ждущему осуществляется автоматически. После включения осциллографа генератор развертки работает в автоколебательном режиме (на экране ЭЛТ видна горизонтальная линия), а с появлением запускающего импульса внутренней или внешней синхронизации генератор развертки автоматически переводится в ждущий режим.

Рассмотренная синхронизация в автоколебательном режиме и запуск развертки в ждущем от входного сигнала (из канала Y) носят название внутренней синхронизации. Однако в осциллографах предусматривается также внешняя синхронизация от внешнего источника и внешняя синхронизация от сетевого напряжения (50 Гц).

Если сигнал непериодический, точнее, неповторяющийся, то наблюдать его на обычных осциллографах не представляется возможным. Для этой цели существуют специальные, запоминающие осциллографы.

При исследовании низкочастотных процессов (частота менее 10 Гц) инерционность зрения уже трудно использовать. При подобных исследованиях применяют осциллографы, экран ЭЛТ которых покрыт люминофором с длительным послесвечением.

1. 
   Одноканальный режим, при котором работает либо первый, либо второй канал.
   
2. 
   Попеременный режим, при котором происходит поочередное подключение каналов после каждого хода развертки.
   
3. 
   Прерывистый режим, при котором работают оба канала, но за время рабочего хода развертки переключение каналов производится с высокой частотой.
   

4.5. Измерения с помощью электронного осциллографа.

Измерение напряжений и временных интервалов с помощью ЭО осуществляется весьма просто с использованием координатной сетки, которой снабжен экран. Для этого надо подать на вход Y осциллографа исследуемое напряжение и получить на экране его устойчивое изображение. Погрешности измерения амплитуды сигнала и его периода будут наименьшими, если их изображения максимальны. Это достигается регулировкой коэффициента отклонения (ось y) и коэффициента развертки (ось x). Результаты измерения амплитуды и периода будут соответствовать: U = K_откл∙ N_y и Т = K_разв∙ N_x , где N_y и N_x – число делений шкалы, занимаемое изображением амплитуды и изображением периода соответственно. Погрешности измерения амплитуды и периода определяются из технического описания используемого осциллографа.

Несколько сложнее выглядит процесс измерения фазового сдвига. Пусть имеется два напряжения одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе:

U₁ = U_m1∙sinωt,

U₂ = U_m2∙sin(ωt+φ).

Если напряжение U₂ отстает по фазе от U₁ на угол φ, то перед φ надо поставить знак минус. Такие напряжения для эксперимента можно получить с помощью RC - цепи, показанной на рисунке 3.4. Для нее φ = - arctgωRC = - arctg(2πfRC). Если 2πfRC = 1, то фазовый сдвиг будет равен π/4 т.е. 45^о. При указанных на рис.3.4 значениях R и C примерно такой сдвиг по фазе будет при частоте напряжения U₁, равной 50 Гц.

Рис.3.4. Фазосдвигающая цепь

Рис.3.6. К определению фазового сдвига с помощью одноканального осциллографа

• 
  Цель работы.
  
• 
  Осциллограммы наблюдаемых сигналов.
  
• 
  Результаты измерений и оценки погрешностей.
  

6. Контрольные вопросы.

1. Назовите основное назначение электронных осциллографов.

2. Объясните устройство ЭЛТ и назначение всех ее электродов.

3. Что будет видно на экране ЭЛТ, если:

U_y = 0; U_x = 0?

U_y = const; U_x = 0?

U_y = 0; U_x = const?

U_y = const; U_x = const?

U_y = U_msinωt; U_x = 0?

U_y = 0; U_x = U_msinωt?

4. Предложите способ нахождения траектории светящегося пятна на экране осциллографа при произвольных U_y(t) и U_x(t).

5. При каких условиях возможно получение изображения временного процесса на экране осциллографа?

6. Объясните назначение всех блоков структурной схемы электронного осциллографа.

7. В каких режимах может работать генератор развертки?

8. Дайте определение синхронизации развертки; объясните, для чего необходима синхронизация?

9. Какие виды синхронизации применяются в осциллографах?

10. Объясните назначение линии задержки в канале вертикального отклонения.

11. Как измерить с помощью осциллографа напряжение, период и частоту?

12. Какие новые возможности появляются в двухканальных осциллографах по сравнению с одноканальными?

13. Как измерить разность фаз с помощью двухканального осциллографа? Одноканального?

14. Перечислите назначение всех органов управления на лицевой панели изучаемого осциллографа.