oscillografirovfnie_el_signalov (1)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор ИНК

				В.А. Клименов
« »					2013 г.

ОСЦИЛЛОГРАФИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» для студентов направлений 200100 «Приборостроение» и 200400 «Оптотехника»

Составитель В.В. Гребенников

Издательство Томского политехнического университета

2013

УДК 681.2(076.5) ББК 34.9я7

Г79

Гребенников В.В.

Г79 Осциллографирование электрических сигналов: методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» для студентов, обучающихся по направлениям 200100 «Приборостроение» и 200400 «Оптотехника» / В.В. Гребенников; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 39 с.

УДК 681.2(076.5) ББК 34.9я7

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры промышленной и медицинской электроники ИНК

« 25 » июня 2012 г.

Зав. кафедрой ПМЭ,	__________ Г.С. Евтушенко
проф., доктор техн. наук

Рецензент

доцент кафедры ПМЭ ТПУ

Д.Н. Огородников

©ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013

©Гребенников В.В., 2013

©Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2013

2

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с параметрами основных электрических сигналов. Изучение принципа работы и особенностей эксплуатации осциллографа с электронно-лучевой трубкой. Освоение методов измерения параметров электрических сигналов с помощью осциллографа.

2.ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

2.1.При подготовке к выполнению работы изучить:

−виды и параметры электрических сигналов;

−устройство и принцип действия осциллографа по функциональной схеме;

−технические данные, назначение и свойства органов управления, подготовку к работе, запрещенные режимы осциллографа GOS-620FG;

−методы измерения осциллографом напряжения, временных интервалов и фазового сдвига.

2.2.Подготовить ответы на контрольные вопросы.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

3.1.Виды и параметры электрических сигналов

В электронике информация об окружающем нас мире представляется в виде электрических сигналов, которые можно разделить на две группы: непрерывные и импульсные.

Непрерывные сигналы

Математическая модель непрерывного сигнала представляет функцию без разрывов. Типично непрерывным или аналоговым является синусоидальный или гармонический сигнал (рис. 1). Сокращенно – синусоида или гармоника. Математическая модель гармонического сигнала имеет вид:

	u (t) =Um sin(ωt +φ) .	(1)
	u(t)
	Um	t
	0
	T

Рис. 1. Графическое представление синусоидального сигнала

3

Поясним физический смысл параметров, входящих в выражение (1): Um, В – амплитуда – максимальное значение данного сигнала;

ω = 2πT = 2πf , рад/с – циклическая (угловая) частота – угол, на

который повернется вектор, отражающий синусоидальный сигнал на плоскости за единицу времени;

T, с – период – минимальный временной интервал, для которого выполняется условие периодичности

u (t) =u (t +T ) ;

(2)

f =1T , Гц – линейная частота – количество циклов или периодов колебаний сигнала в единицу времени;

ωt – текущая фаза – отражает изменение угла гармонического сигнала с течением времени;

ϕ – начальная фаза колебаний, характеризующая мгновенное значение гармонического сигнала при t = 0, т.е. в момент начала отсчета u (0) =Um sinϕ. Начальная фаза определяется между началом координат

и моментом перехода синусоиды через нуль из «–» в «+» (рис. 2). Если синусоида сдвинута влево вдоль оси абсцисс, то начальная фаза положительна и откладывается влево от начала координат. Если синусоида сдвинута вправо вдоль оси абсцисс, то начальная фаза отрицательна и откладывается от начала координат вправо (рис. 2).

u(t)
	ϕ
0	Um	ωt
	2π

Рис. 2. Гармонический сигнал с отрицательной начальной фазой

Если начальные фазы двух синусоид (одной частоты) одинаковы (рис. 3, а), то говорят, что синусоиды синфазны, т.е. находятся в одной фазе. Если начальная фаза одной из двух синусоид сдвинута на 180о, то говорят, что синусоиды противофазны (рис. 3, б).

Другим примером непрерывного (аналогового) сигнала является постоянный ток или напряжение.

4

u(t)	u1		u(t)	u1	u2
	u2
0		t	0		t
	а				б
Рис. 3. Синфазные (а) и противофазные (б) гармонические сигналы

Импульсные сигналы

Электрическим импульсом называют «кратковременное отклонение» напряжения или тока от некоторого начального значения, в частном случае нулевого. Очевидно, что математическая модель, описывающая электрический импульс, представляет собой функцию с разрывами I рода. Термин «кратковременное отклонение» подразумевает, что время изменения параметров сигнала много меньше времени их наблюдения. Импульсные сигналы также называют дискретными либо циф-

ровыми.

Существует несколько видов импульсных сигналов. Наиболее часто на практике встречаются две (основных) геометрических формы им-

пульсных сигналов: прямоугольная (рис. 4) и пилообразная (треуголь-

ная) (рис. 5).

u(t)
	Um t
0	tи

0, −∞ <t <0 u(t )= Um , 0 ≤t ≤tи

0, tи <t <∞

Рис. 4. Прямоугольный импульс с идеальной крутизной фронта и его математическая модель

i(t)				I	0	, −∞ <t <0
Im		I		t		+ I0 , 0 ≤t ≤tи
		i (t )=	m
I0	t		tи
				I0 , tи <t < ∞
0 tи

Рис. 5. Пилообразный импульс и его математическая модель

5

Помимо формы импульсы характеризуются положительной, отрицательной либо чередующейся полярностью (двухполярные или биполярные импульсы). Двухполярный прямоугольный сигнал с одинаковой длительностью и амплитудой положительного и отрицательного импульсов называется меандр (рис. 6).

u(t)

Um	t
0	-Um

Рис. 6. Прямоугольный сигнал типа «меандр»

Все параметры электрических импульсов делятся на три группы: основные, производные и дополнительные.

Основные параметры

Данная группа параметров характерна для всех видов электрических сигналов независимо от их формы:

Амплитуда – Um, В – величина максимального отклонения импульсного сигнала от начального уровня U0.

Длительность импульса – tи, с – интервал времени от момента появления импульсного сигнала до его завершения. Если начало и конец импульса трудно выделить, то расчет tи ведут по уровню 0,1Um либо по уровню 0,5Um (рис. 7). В этом случае используют названия: tи – длительность импульса по основанию 0,1 амплитуды; tиа – активная длительность импульса.

К основным параметрам также относится период T.

u(t)
0,5Um	Um
0,1Um		U
		0	t
0
		tиа
		tи

Рис. 7. Прямоугольный импульс с увеличенными во времени фронтами

6

Производные параметры

Параметры данной группы получаются из основных параметров путем пересчета:

1. Частота f рассчитывается по формуле:

f = T1 .

2. Коэффициент заполнения γ показывает какую часть периода составляет длительность импульса:

γ= Ttи ≤1.

3.Скважность q показывает во сколько раз период больше длитель-

ности импульса:

q = 1 = T ≥1. γ tи

Если скважность q = 2, то коэффициент заполнения γ = 0,5.

Дополнительные параметры

Параметры этой группы характеризуют специфику сигналов данного вида, следовательно, сколько видов импульсов, столько и групп параметров.

1. Дополнительные параметры квазипрямоугольных сигналов

Длительность фронта (передний фронт) tф, с – время от момента начала сигнала до момента достижения им максимального значения. Если временные моменты плохо различны (рис. 8), то tф фиксируется от уровня 0,1Um до уровня 0,9Um.

Длительность спада (среза) (задний фронт) tс, с – временной интервал от максимального значения импульса до момента его завершения. Если спад плоской вершины отсутствует (∆U = 0), то tс находится также как tф. Если спад плоской вершины наблюдается (т. е. ∆U ≠ 0), то отмечается граничная точка (Uгр), где кончается плоская вершина и начинается спад импульса (рис. 8). Данная точка не является «жесткой», т.к. ее положение определяется каждым наблюдателем индивидуально. В этом случае время среза определяется как убывание сигнала от 0,9Uгр

до 0,1Uгр.

Коэффициент спада плоской вершины импульса

Kсп = ∆U = Um −Uгр =1−Uгр .

Um Um Um

7

В отсутствие спада плоской вершины, т.е. ∆U = 0, коэффициент спадаравен нулю.

u(t)
0,9Um		∆U
	Uгр	0,9Uгр
	Um
0,1Um	U0	0,1Uгр
0	tф	t
		t
		c

Рис. 8. Определение длительности переднего и заднего фронтов

2.Дополнительные параметры пилообразных сигналов

Вотличие от прямоугольных пилообразные импульсы не имеют плоской вершины (рис. 9), следовательно, дополнительные параметры таких сигналов иные.

Длительность прямого хода tпх, с – время нарастания сигнала от начального уровня U0 до максимального Um.

u(t)
U0		Um
		t
0	tпх	tох
		T

Рис. 9. Определение параметров пилообразного сигнала

Время обратного хода tох, с – время убывания сигнала от максимального значения до исходного.

Коэффициент нелинейности пилы Kн – параметр, характери-

зующий относительное изменение скорости нарастания напряжения за время прямого хода:

du(t)

− du(t)

du(t)

Kн =

dt

t=0

dt

t=t

dt

t=t

пх

=1

−

пх

,

du(t)

du(t)

dt

t=0

dt

t=0

8

где	du(t)			– скорость нарастания пилы в начале прямого хода;
du(t)		dt		t=0
			– скорость нарастания пилы в конце прямого хода. Поскольку
dt		t=t
		пх

геометрический смысл производной функции – тангенс угла наклона между касательной, проведенной к заданной точке пилы и осью абсцисс (рис. 10), то коэффициент нелинейности пилы можно определить, используя изображение пилы, например, на экране осциллографа, по формуле:

= − tgα

Kн 1 tgαк0 ,

где α0 – угол наклона касательной в начале прямого хода пилы (t = 0); αк – угол наклона касательной в конце прямого хода пилы (t = tпх). В идеальном случае Kн = 0.

u(t) αк

α0 t

0 tпх

Рис. 10. Графическое определение Kн

Кроме рассмотренных, существует параметр, являющийся также общим для всех видов сигналов и характеризующий качество устройст-

ва формирования импульсов – коэффициент использования питаю-

щего напряжения

Kисп = Um ≤1,

Eпит

где Eпит – напряжение источника питания. В идеальном случае Kисп = 1.

3.2. Осциллограф

Устройство и принцип действия

Осциллограф – измерительный прибор, предназначенный для визуального наблюдения и исследования электрических сигналов.

9

В основе работы осциллографа лежит преобразование исследуемых электрических сигналов в видимое изображение на экране электроннолучевой трубки.

“AC”

C

“В/дел”

Вход Y

П1

А

УВО

Люминофор

электронный прожектор

“DC”

К УЭ(М) ФЭ(А1) А2

ЭЛТ

“Внутр.”

Вход

П2

Uнак

БС

синхр.

“Внеш.”

“Время/дел”			ГОП(X)	ВОП(Y)
		R1	R2
ГР	БП	“Ярк.”	“Фок.”

Вход X			П3
						УГО
	“X-Y”

Рис. 11. Упрощенная функциональная схема осциллографа с электронно-лучевой трубкой. П1 – переключатель режима входа («АC» – закрытый вход, «DC» – открытый вход); П2 – переключатель источника синхронизации («Внутр.» – внутренняя синхронизация, «Внеш.» – внешняя синхронизация); П3 – переключатель входов УГО

В состав функциональной схемы (рис. 11) осциллографа входят следующие блоки: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), аттенюатор (А), усилитель вертикального отклонения (УВО), усилитель горизонтального отклонения (УГО), блок синхронизации (БС), генератор развертки (ГР), блок питания (БП).

Главным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой стеклянную колбу, запаянную с одной стороны и расширяющуюся с другой стороны на конус. Сама трубка, как правило, имеет цилиндрическую форму, а расширяющаяся часть может быть как цилиндрической, так и прямоугольной формы. Расширяющаяся часть трубки заканчивается плоскостью, которая образует, так называемый экран ЭЛТ. Внутренняя часть экрана покрыта специальным составом – люминофором. Главным свойством люминофора является способность светиться при бомбардировке его электронным пучком. Такая способность называется люминесценция.

Внутри трубки вдоль центральной оси располагается электронный прожектор, представляющий собой систему электродов, с помощью

10