- •Министерство образования и науки российской федерации
- •Лабораторная работа № 3. Измерение параметров электронно-лучевого осциллографа
- •Лабораторная работа №1 Измерение напряжения и токов
- •1. Общие сведения
- •2. Влияние формы напряжения и тока на показания приборов
- •3. Методика и приборы измерения напряжения и тока
- •4. Программа работы
- •5. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчёта
- •7. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 Исследование электронных показывающих приборов
- •Краткие теоретические сведения
- •2. Детекторы электронных вольтметров переменного тока
- •3. Усилители
- •4. Стрелочные измерительные приборы
- •5. Погрешности стрелочных электронных вольтметров пикового значения
- •6. Цель работы
- •7. Порядок выполнения работы
- •Структурная схема универсального осциллографа
- •2. Принцип действия осциллографа и режимы его работы
- •3. Параметры и характеристики осциллографа
- •Краткие сведения об осциллографе gos-653g
- •5. Задание и указания к выполнению работы
- •5.1. Подготовка осциллографа к работе
- •5. 2. Измерение времени нарастания переходной характеристики
- •5. 3. Измерение верхней граничной частоты и нормального диапазона ачх осциллографа
- •Содержание отчета по лабораторной работе
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №4.
- •1. Краткие сведения об анализаторах спектра
- •2. Структурная схема анализатора спектра ск4-59
- •3. Задание и указания к выполнению работы
- •3.1. Подготовка к работе
- •3. 2. Измерение пороговой чувствительности анализатора спектра
- •3. 3. Измерение разрешающей способности ас
- •4. Содержание отчета по лабораторной работе
- •5. Контрольные вопросы
- •Погрешность измерения частоты методом дискретного счета
- •Электронно-счетный вычислительный частотомер Agilent 53181a
- •Технические характеристики
- •Состав лабораторного макета
- •Задание и указания к выполнению работы
- •5.1. Измерение погрешности установки частоты генераторов вч и нч
- •5.2. Измерение закона распределения погрешности дискретности
- •5.3. Измерение нестабильности частоты генераторов вч и нч
- •6. Содержание отчета
- •7. Контрольные вопросы
- •Литература
- •Желонкин анатолий иванович
Структурная схема универсального осциллографа
Осциллограф – измерительный прибор, позволяющий получить изображение (осциллограмму) сигнала в виде графика в декартовой системе координат напряжение-время и измерить его параметры. Существуют три группы осциллографов – аналоговые, цифровые и аналогово-цифровые (аналоговые ЭЛО с цифровыми измерительными блоками). Современные осциллографы позволяют исследовать разнообразные сигналы в широком диапазоне амплитуд, длительностей и частот повторения.
Основным узлом универсального аналогового осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим отклонением луча. При этом исследуемый сигнал после усиления подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Этим универсальные осциллографы отличаются от скоростных осциллографов, которые имеют специальную трубку бегущей волны с отклоняющей системой в виде широкополосной замедляющей структуры. Эти два типа осциллографов позволяют исследовать сигналы в реальном масштабе времени и не имеют режима запоминания. Поэтому они пригодны только для наблюдения повторяющихся процессов (периодических и непериодических). Однократные и неповторяющиеся процессы в этом случае исследуют в режиме фотофиксации изображения на фотопленку или на цифровую фотокамеру.
В других типах осциллографов используют трансформацию временного масштаба (стробоскопические осциллографы) и аналого-цифровое преобразование мгновенных значений сигнала (цифровые осциллографы).Относительно редко применяют запоминающие осциллографы, в которых реализована фиксация осциллограммы на экране специальной запоминаюшей ЭЛТ.
Различают несколько типов универсальных осциллографов. Наиболее простые конструкции содержат один канал усиления сигнала с ограниченным частотным диапазоном (10-20 МГц). Такие осциллографы часто выпускаются в портативном исполнении с автономным питанием, они имеют, как правило, более высокую чувствительность. Более сложные универсальные осциллографы имеют один или два широкополосных канала усиления сигнала (200 -500 МГц). Двухканальные осциллографы с электронной коммутацией сигналов позволяют наблюдать на экране два синхронных сигнала. Аналогичную задачу решают и двухлучевые осциллографы. Они содержат специальную двухлучевую ЭЛТ, которая фактически представляет собой две электронно-оптические и отклоняющие системы, собранные в одной колбе и работающие на общий экран. Двухлучевой осциллограф имеет два идентичных канала усиления сигнала и позволяет регулировать параметры изображений (яркость, фокус, положение по вертикали и горизонтали) независимо друг от друга.
В осциллографах усилитель канала вертикального отклонения иногда делают с дифференциальными входами – инвертирующий и неинвертирующий. В этом случае при подаче двух сигналов на экране можно наблюдать их разность. Такой режим расширяет функциональные возможности осциллографа – его используют для компенсации помех, при измерениях методом замещения и пр. Ряд осциллографов имеют канал горизонтального отклонения с двумя генераторами развертки (система двойной развертки), что позволяет реализовать режим временного окна и увеличить точность измерения временных интервалов.
В лабораторной работе используется универсальный аналоговый осциллограф – двухканальный с электронной коммутацией каналов GOS-653G. Общий вид осциллографа приведен на рис.1.1.
Осциллограф имеет систему двойной развертки с некалиброванной задержкой второй развертки. Структурная схема осциллографа приведена на рис.1.2.
Основными блоками осциллографа являются электроннолучевая трубка (ЭЛТ) с устройством ускорения и фокусировки электронов, каналы вертикального (Y) и горизонтального (X) отклонений луча, блок синхронизации и запуска, канал модуляции луча по яркости (Z) и калибратор. Органы управления этих блоков на передней панели осциллографа обычно объединяют в группы (см.рис.1.1), что упрощает регулировку и управление прибором.
В осциллографе применнена ЭЛТ с электростатическим формированием и отклонением луча. Такая трубка содержит две пары пластин для отклонения электронного луча по вертикали и горизонтали, ускоряющие и фокусирующие электроды, модулятор для управления плотностью луча (а, следовательно, и яркостью изображения) и катод с подогревателем. Изображение сигнала образуется на плоском экране с люминесцентным покрытием. Цвет свечения экрана - желто-зеленый. Непосредственно на экран ЭЛТ наносят шкалу (прямоугольную сетку), обычно 8 х 10 делений. В пределах шкалы гарантируются основные метрологические параметры осциллографа (погрешности измерения
Рис. 1.2. Структурная схема двухканального осциллографа
с системой двойной развертки
напряжения и временных интервалов). Масштаб изображения по вертикали и горизонтали задается относительно деления этой шкалы. Поэтому размер шкалы и цена ее деления определяют минимальную погрешность дискретности при измерениях методом калиброванных шкал. Для удобства наблюдения и фотографирования шкала может быть подсвечена, что позволяет скрыть ее разметку.
Канал Y служит для усиления исследуемых сигналов. Он включает входное устройство, калиброванный аттенюатор, предварительный усилитель, линию задержки и оконечный усилитель. Входное устройство представляет собой коммутируемый разделительный конденсатор, позволяющий при необходимости убрать постоянную составляющую сигнала ("закрытый вход"). Калиброванный аттенюатор и предварительный усилитель обеспечивают регулировку и усиление исследуемого сигнала. В усилителе предусматривают возможность плавной регулировки коэффициента передачи (высоты изображения) и смещения изображения по вертикали.
В двухканальном осциллографе предусматривают два блока вертикального отклонения луча, содержащих идентичные входные устройства, аттенюаторы и предварительные усилители. Сигнал на оконечные каскады и ЭЛТ подают через электронный коммутатор каналов. В этом случае обеспечивается как независимое наблюдение сигналов в канале 1 и 2, так и суммирования (вычитание) сигналов. В режиме коммутации переключение каналов с большой частотой позволяет создать на экране изображение двух сигналов. Обычно используют поочередный режим переключения, при котором на один ход развертки создается изображение одного из сигналов, на другой – второй сигнал. Этот режим неудобен при медленных развертках, так как создает мелькание изображения. В таком случае применяют прерывистый режим переключения каналов с достаточно высокой частотой, не связанной с частотой работы развертки.
Линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала, подаваемого на отклоняющие пластины Y, относительно начала развертки. Это позволяет сохранить на осциллограмме передний фронт исследуемого импульса при запуске генератора развертки от входных сигналов (внутренняя синхронизация и запуск).
Оконечный усилитель канала Y увеличивает амплитуду сигнала до значения необходимого для отклонения луча в пределах рабочей части экрана. Кроме того, малое выходное сопротивление усилителя позволяет уменьшить частотную зависимость канала на верхних частотах, возникающую из-за паразитной емкости отклоняющих пластин. Оконечный усилитель имеет симметричный выход, что также уменьшает искажения осциллограммы.
Канал X служит для отклонения луча по горизонтали. Он содержит генератор развертки и оконечный усилитель. Генератор развертки вырабатывает линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение. (рис.1.3.).
Оно имеет участок прямого хода развертки tпр, участок обратного хода tобр и некоторый интервал блокировки tбл , дополняющий до периода Tр.
. (1)
Длительность прямого хода определяет временной масштаб осциллограммы по оси Х и приближенно равна цене деления (коэффициенту развертки), умноженному на 10 делений всей шкалы. Время обратного хода стараются делать минимальным. Время блокировки возникает в случае, когда при синхронизации генератора его период становится кратен или равен периоду входного сигнала и не равен сумме времен прямого и обратного хода.
Обычно генератор развертки имеет три режима работы: автоколебательный (непрерывный), ждущий и однократный. Ждущий режим применяется для исследования непериодических сигналов и импульсов большой скважности, однократный – для фотографирования неповторяющихся одиночных процессов. В ряде случаев (при измерении частоты, фазового сдвига и пр.) генератор развертки отключают, а на оконечный усилитель канала X подают сигналы от внешнего источника развертывающего напряжения (Х-У режим).
Оконечный усилитель канала X выполняет те же функции, что и усилитель канала У. Он используется в режиме X-Y для усиления входного сигнала при отключенной развертке. Для получения более крупного масштаба осциллограммы используют режим растяжки изображения по горизонтали. При этом масштаб меняют не регулировкой генератора развертки, а дискретным (обычно в 10 раз) увеличением коэффициента передачи оконечного усилителя канала X.
Увеличение точности измерений временных интервалов возможно в осциллографах, имеющих блок двойной развертки. В канале Х таких осциллографов предусматривают два генератора развертки - основной (A) и задержанной (B). Оба генератора могут работать независимо, обеспечивая обычный осциллографический режим. Однако наибольший интерес представляет случай, когда запуск развертки Б осуществляется от генератора развертки А с некоторой задержкой, величина которой может регулироваться. Задержку запуска Б иногда делают калиброванной, что позволяет проводить измерения временных интервалов методом замещения.
Устройство синхронизации и запуска (УСЗ) обеспечивает получение неподвижного изображения на экране. Это устройство вырабатывает импульсы синхронизации( запуска), которые привязываются к одной и той же характерной точке сигнала (например, фронт, срез импульса и др.). Для периодических сигналов устройство синхронизации вырабатывает импульсы с периодом, равным периоду входного сигнала. В автоколебательном режиме работы генератора развертки эти импульсы воздействуют на генератор развертки, синхронизируя его с исследуемым сигналом и обеспечивая тем самым неподвижность осциллограммы. В ждущем режиме УСЗ вырабатывает импульсы, запускающие генератор развертки. При этом напряжение развертки вырабатывается только при наличии на входе осциллографа исследуемого сигнала.. В УСЗ используют ручную или автоматическую регулировку уровня срабатывания , по которому вырабатывается сигнал синхронизации или запуска. Кроме этого, применяют переключение полярности синхронизации – это позволяет выбрать точку образования импульса запуска на фронте (нарастании) или на срезе (убывании) сигнала. Предусматривают также режимы синхронизации от специальных видов сигналов – например, от напряжения питающей сети 50 Гц или от телевизионных сигналов (выделение синхроимпульсов по кадрам или строкам).
Канал Z служит для модуляции яркости изображения на экране. Основное назначение канала – подсвет рабочего хода развертки. Во время обратного хода электронно-лучевая трубка запирается отрицательным напряжением на модуляторе развертки. При измерениях канал Z применяют для создания на осциллограмме временных меток и подсветки части изображения.
Калибратор служит для установки определенных масштабных коэффициентов по горизонтали и вертикали и представляет собой генератор эталонного сигнала. Для калибровки обычно используют прямоугольные импульсы с известными амплитудой и частотой.