Синхронизация

Для того, чтобы изображение кривой периодического процесса выглядело бы на экране неподвижным, необходимо выполнить условие

Тразв=nТсигн (2)

где Тразв - период развертки,

Тсигн - период исследуемого сигнала,

n - целое число.

При п=1 на экране будет виден один период сигнала, при п=2 - два периода и т.д.

Подбор соотношений между периодом развертки и периодом сигнала осуществляется путем перенастройки генератора развертки: изменением величины емкости С (ручка «частота грубо») и сопротивлением R (ручка «частота плавно»).

Но добиться равенства или кратности частот двух независимо работающих генераторов практически невозможно из-за «плавания» частоты, т.е. случайных отклонений частоты в большую или меньшую сторону, вызываемых нестабильностью работы генераторов.

Для выполнения условия (2) необходимо подстраивать непрерывную частоту генератора развертки. Это осуществляется подачей напряжения исследуемого сигнала на управляющую сетку тиратрона (рис. 6). Напряжение внешнего сигнала называется «синхронизирующим» напряжением или сигналом, а сам процесс автоматической подстройки генератора развертки называется «синхронизацией». Синхронизация осуществляется с помощью ручки «амплитуда синхронизации».

Блок - схема осциллографа

Осциллограф состоит из ЭЛТ, вертикально отклоняющих пластин, связанных с генератором развертки через «усилительиУ». С помощью переключателя «частота грубо» можно отключить генератор развертки и соединить горизонтально - отклоняющие пластины с входом «X». На «X» и «У» можно подавать два независимых сигнала.

Блок питания осциллографа дает постоянное напряжение для питания усилителей, генератора развертки и ЭЛТ, а также переменное напряжение 6,3 В для питания нитей накала ламп и ЭЛТ.

Виды измерений

Почти все виды измерений параметров сигналов можно свести к трем видам измерений: 1) измерения амплитуды, 2) измерению частот, 3) измерение фазы сигнала (точнее - разности фаз между двумя сигналами).

Измерение амплитуды

Подача переменного сигнала на вертикально — отклоняющие пластины дает на экране вертикальную линию длина которой h=2 y=2j_oUo. Здесь Uo -амплитуда напряжений на пластинах и j - чувствительность ЭЛТ. Так как сигнал подается не прямо на пластины, а на аттенюатор «усилитель У», то амплитуда напряжения на пластинах Uo и амплитуда изучаемого сигнала U_K связаны отношением:

U₀=k,k₂U_k,

где k1 - коэффициент усиления «усилителя», k2 - коэффициент ослабления аттенюатора. В результате можно записать: y=jU, т.е. длина видимой на экране линии пропорциональна напряжению сигнала. Величина j=k2j₀ (3) называется чувствительностью осциллографа.

Измерение частоты

Частота различных сигналов с помощью осциллографа может измеряться несколькими методами. Наиболее распространен метод фигур Лиссажу. Если два синусоидальных сигнала U_x=U_ox sin ώ_x t и Uy=U_oy sin ώy t подать на выходы «X» и «У», отключить генератор развертки, то на экране ЭЛТ можно наблюдать кривую, являющуюся результатом сложения двух взаимно- перпендикулярных колебаний электронного луча с частотами ώ_x и ώ _y Как показывает расчет, кривая на экране будет неподвижна, если выполнено условие n ώ_x =m ώ_y где m иn- любые целые числа. Такие кривые получили название фигур Лиссажу, которые показаны на рис. 8

Рис. 8

По форме кривых можно определить соотношение частот сигналов. Для этого надо мысленно провести к кривой две касательных – вертикальную и горизонтальную. Пусть m-число касаний горизонтальной линии. Тогда Зная частоту ώ_х, можно найти частоту ώ_у. Для этого на вход «X» подключают сигнал с известной частотой (генератор), а на вход «У» - с неизвестной частотой. Изменяя частоту генератора, добиваются получения одной из фигур Лиссажу и определяют m и n. Тогда:

(4)

_ώу=ώ_х

где ώ_N - частота генератора;

ώ_у - частота исследуемого сигнала.

Измерение разности (сдвига) фаз φ₂ — φ₁

Принцип измерения разности фаз с помощью осциллографа основывается на измерении параметров эллипса (фигуры Лиссажу), получающейся на экране ЭЛТ при подаче на входы «X» и «У» двух напряжений, одинаковых по частоте, но сдвинутых по фазе:

U_x=U1cos(ώt +φ1)

U_y=U₂cos(ώt+φ2), (5)

Разность (φ₂ – φ1) называется разностью или сдвигом фаз сигналов Uх U_y.

Так величина отклонения угла пропорциональна величине напряжения, то вместо уравнения (5) можно записать:

x=a1сos(ώt+φ1)

y=a2cos(ώt+φ2)

Здесь х - отклонение луча по горизонтали;

у - отклонения луча по вертикали;

а1 - максимальное отклонение луча по горизонтали;

а₂ - максимальное отклонение луча по вертикали.

Система уравнений (6) представляет собой уравнения траектории электронного луча на экране ЭЛТ в параметрической форме. Исключение приводит к уравнению следующего вида:

Это уравнение эллипса, оси которого расположены под некоторым углом к осям X и У (рис.8).

Рис. 8

Найдем точки А и В на оси X. А - точка пересечения эллипса с осью X, а точка В - максимальная координата Х_мах=а. Точка А получается при подстановке в уравнение у=0.

Точка В соответствует максимальному отклонению луча по оси X, т.е. величина X_B=ai.

Следовательно, такой метод позволяет находить разность фаз двух сигналов с точностью до знака.

Знак разности фаз можно найти, если есть возможность менять фазу одного из сигналов, например, U_x. Тогда, увеличивая ф₂ можно по изменении формы кривой определить, возрастает или уменьшается разность фаз (ф₂-ф). Если с ростом разность фаз уменьшается, то в выражении (10) надо взять знак «-».

Перечисленные виды измерений далеко не исчерпывают всех возможностей применения электронного осциллографа. Однако, специальные виды измерений здесь не рассматриваются.

Общий вид установки приведен на рис. 9.

Рис. 9

Установка состоит из осциллографа типа С1-5, звукового генератора, специальной приставки «СП» и источника питания (клеммы на щитке)

Приставка «СП» представляет собой компактное устройство, состоящее из нескольких генераторов, дающих напряжение различной частоты и формы, фазовращающейся цепочки и переключателей, с помощью которых тот или иной сигнал может подаваться на клеммы «выход» приставки «СП».

Соединение проводов показано схематично на рис. 10.

СХЕМА РАЗБОРКЕ НЕ ПОДЛЕЖИТ!

Выполнение работы:

Работа состоит из трех самостоятельных задач:

1. Градуировка чувствительности осциллографа.

2. Наблюдение сигналов различной формы и измерение их амплитуд.

3. Измерение частоты генератора методом фигур Лиссажу.

Градуировка чувствительности осциллографа

1. Отключают от осциллографа шнур, идущий от клемм «выход СП» к клеммам «Вход У» осциллографа.

2. Соединяют клемму «контр, сигнал» с клеммой «вход У». При этом на «вход У» осциллографа будет подано синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц и амплитудой U=6 В.

3. Ручку «усиление У» ставят в крайнее положение (на цифру 10). При этом светящаяся точка на экране вытягивается в вертикальную линию и может выйти за пределы экрана.

4. Устанавливают ручку «аттенюатор» в положение 1:10 или 1:100, ослабляя тем самым сигнал в 10 или 100 раз. Выбирают такое положение аттенюатора, при котором линия имеет максимальную длину, но не выходит за пределы экрана.

5. Ручкой «усиление X» развертывают изображение синусоиды на всю ширину экрана.

6. Если синусоида на экране «бежит», подбирают сначала такое положение ручки «частота плавно», чтобы движение было медленным или скачкообразным; поворачивая ручки «амплитуда синхронизации», добиваются полной остановки синусоиды.

7. Записывают в таблицу 1 величину удвоенной амплитуды сигнала в мм, показания ручки «аттенюатор» и значению амплитуды контрольного сигнала U_x в вольтах.

Таблица 1

Положение ручки	Положение ручки	Удвоенная	Чувствительность
«усиление У»	«аттенюатор»	амплитуда, (мм)	j (мм)/(в)
1 2
3
4
5

10. Проделывают аналогичные измерения для положений переключателя 1, 2, 3, 4, 5, зарисовывая графики и указывая величину амплитуды.

Измерение частоты сигнала методом фигур Лиссажу.

1. Устанавливают переключатель П1 в положение 3.

2. Ставят переключатель «множитель» на ЗГ в положение х10

3. Ручками «выход» и «усиление У» регулируют на экране изображение так, чтобы оно имело приблизительно одинаковые ширину и высоту 1/3 + ½ диаметра экрана.

4. Плавно вращая лимб «частота» ЗГ влево, наблюдают за положением кривых на экране.

5. Добиваются на экране изображения эллипса неподвижного или медленно движущегося.

6. При этом частота генератора ЗГ равна частоте исследуемого сигнала. Измеренную частоту записывают в таблицу 2.

7. Рассчитывают частоты кратные измеренной в отношениях 1:2, 1:3, 2:3, 2:1, 3:2.

Устанавливают эти частоты на ЗГ и наблюдают получаемые фигуры Лиссажу, добиваясь их неподвижности или медленного движения. Зарисовывают фигуры и записывают в таблицу 2 для каждой фигуры частоты сигналов и соотношение.

		Таблица 2
№ фигуры	Соотношение частот	Частота генератора (V)
1
2
3

Измерение разности (сдвига) фаз (φ₁-φ₂)

1. На «вход У» подают синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц.

2. На экране осциллографа добиваются изображения неподвижного эллипса.

3. Находят на экране точки А и В на оси Х.

4. Определяют разность фаз двух сигналов по формуле φ1- φ2=arsin Xa/Xb.

Все графики должны быть выполнены на миллиметровой бумаге со всеми необходимыми пояснениями.