06_Осциллограф

Федеральное агентство по образованию и науке РФ

Югорский государственный университет

Орлов А.В.

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Методические указания к выполнению

лабораторной работы

для студентов специальностей

020101, 020802, 020804, 032101, 080502, 130100, 130200,

130300, 190603, 270102, 280102, 181300, 150701, 010501

ВВЕДЕНИЕ

Осциллограф предназначен для исследования быстропеременных периодических и импульсных процессов. Например, с помощью осциллографа можно измерять силу тока и напряжение, изучать зависимость силы тока и напряжения от времени, измерять сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, при применении соответствующих преобразователей сигналов, осциллограф позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т. д.

Достоинством электронного осциллографа является высокая чувствительность и быстродействие, что позволяет исследовать процессы, длительность которых не превышает 10^-7 с.

Цель работы: ознакомление с устройством и работой электронного осциллографа и некоторыми его применениями.

1. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

1.1. Устройство и принцип работы осциллографа

Работа схемы электронного осциллографа изложена ниже на примере простейшего осциллографа типа С1-1.

Электронно-лучевая трубка внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы. Внутри колбы создан высокий вакуум. В колбе (рис. 1) помещается подогреватель 1, катод 2, управляющий электрод 3, первый анод (фокусирующий) 4, второй анод (ускоряющий) 5, горизонтально отклоняющие пластины (П_X) 6, вертикально отклоняющие пластины (П_Y) 7, экран 8, покрытый флюоресцирующим веществом. Подогреватель, катод, управляющий электрод и оба анода образуют электронную пушку. Назначение электронной пушки – получить сфокусированный поток электронов (электронный луч). Электронная пушка получает питание от высоковольтного выпрямителя, обеспечивающего разность потенциалов между катодом и вторым анодом 1-5 кВ. Это напряжение подается на ряд последовательно соединенных резисторов (потенциометров) R₁, R₂, R₃, R₄.

Рис. 1 – Упрощенная электрическая схема осциллографа

Таким образом, обеспечивается возможность регулирования потенциалов отдельных частей пушки. Например, подавая на управляющий электрод отрицательный по отношению к катоду потенциал, можно регулировать число электронов, выходящих из электронной пушки (сравните с действием сетки в трехэлектродной лампе), и, следовательно, яркость свечения экрана. Поэтому ручка, соответствующая движку потенциометра R₁, выведена на переднюю панель, обозначена “Яркость” или “☼”. Кроме того, совместно с первым анодом управляющий электрод образует электростатическую линзу, собирающую электроны в пучок. Пучок, проходя внутри первого анода, сжимается, а затем окончательно фокусируется второй электростатической линзой. Изменением потенциала первого анода осуществляется фокусировка. Ручка потенциометра R₃ выведена на переднюю панель и обозначена “Фокус” или “ хО”. Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин и, попадая на флюоресцирующий экран, вызывает его свечение. В отсутствие разности потенциалов между отклоняющими пластинами луч падает в центр экрана. При приложении между пластинами разности потенциалов между ними образуется электрическое поле, которое, действуя на пролетающие в нем электроны, отклоняет их от первоначального направления в сторону пластины с большим потенциалом. Отклонение луча зависит от величины и знака разности потенциалов, приложенной к пластинам. Как показывают расчеты, смещение луча на экране пропорционально разности потенциалов между пластинами, т.е.

X=_XU_X, (1)

Y=_YU_Y, (2)

где X, Y – смещения луча в горизонтальном и вертикальном направлении; U_X, U_Y – разности потенциалов между горизонтальными и вертикальными отклоняющими пластинами. Коэффициенты пропорциональности _X и _Y называются чувствительностями трубки к напряжению соответственно в направлениях осей X и Y. Чувствительность к напряжению определяет смещение электронного луча на экране при разности потенциалов на пластинах 1 В.

При одновременном действии полей между обеими парами пластин луч сместится и в горизонтальном и в вертикальном направлении и окажется в точке с координатами X и Y, определяемыми формулами (1) и (2).

Обычно исследуемое напряжение подводится к пластинам П_Y, тогда как на пластины П_X подается напряжение, управляющее движением электронного пучка (например, пилообразное напряжение). Для перемещения изображения сигнала по экрану управляющие пластины соединены с потенциометрами R₅ и R₆ (рис. 1), которые, в свою очередь, присоединены к источнику постоянного напряжения. Середина каждого из потенциометров R₅ и R₆ заземлена. Если ручка потенциометра R₅ стоит на середине, то между пластинами 7 разность потенциалов равна нулю, так как противоположная пластина всегда заземлена. При повороте ручки потенциометра R₅ от среднего значения потенциал пластины П_X будет изменяться, что приведет к перемещению луча на экране по горизонтали. Ручка потенциометра R₅ выведена на переднюю панель и обозначена “↔”. Аналогично работает потенциометр R₆. Его ручка обозначена “↕”.

Для того, чтобы подавать исследуемое напряжение на пластины, на задней или передней стенке осциллографа имеются специальные гнезда: вход Y, вход X. На некоторых осциллографах имеется возможность исследовать одновременно два напряжения, поэтому на таких приборах имеется два гнезда Y1, Y2. С входной клеммы Y напряжение U_Y подается на делитель напряжения, состоящий из резисторов R₇, R₈, R₉ (рис. 2). Эти резисторы подобраны таким образом, что при постановке переключателя S₁ в положения 1, 2, 3 на потенциометр R₁₀ подаются соответственно напряжения U_Y, U_Y/10, U_Y/100. Переключатель S₁ имеет на передней панели ручку, обозначенную “Ослабление” или “V|DIV” или “ВОЛЬТ/ДЕЛ”.

Перемещая движок потенциометра R₁₀, можно плавно изменять напряжение, подаваемое на усилитель, а следовательно, и на пластину П_Y. Ручка потенциометра R₁₀ на передней панели осциллографа обозначена “Усиление” или “Плавно”. Аналогичные потенциометры и усилитель стоят перед пластиной П_X.

Рис. 2 – Делитель напряжения

В то время, когда на канал Y подается исследуемое напряжение, на канал X, внутри осциллографа, подается напряжение с генератора развертки. Генератор непрерывной развертки или генератор пилообразного напряжения вырабатывает импульсы напряжения пилообразной формы. График этого напряжения показан на рис. 3а. Напряжение в течение промежутка T линейно увеличивается, а затем почти мгновенно падает до первоначального значения. Подадим такое напряжение на пластину П_X (на канале Y при этом исследуемого напряжения нет) и проследим за движением луча на экране. Поскольку напряжение U_X пропорционально времени в течение промежутка T, смещение X (формула 1) тоже пропорционально времени, то есть луч движется по экрану равномерно слева направо (прямой ход). Когда напряжение быстро падает до начального, луч быстро возвращается в исходную точку (обратный ход) и снова начинает равномерное движение вправо.

Рис. 3 – Напряжение пилообразной формы (а), движение луча (б)

С помощью переключателя “Диапазон частот” (или “ВРЕМЯ/ДЕЛ”, или “TIME|DIV”) и ручки “Частота плавно” можно менять частоту (период) пилообразного напряжения. При частотах до 10 Гц заметно перемещение луча на экране, при больших частотах след сливается в сплошную линию.

Одновременно с напряжением развертки, поданным на пластину П_X, на вход Y подается периодически изменяющееся напряжение с периодом T, равным периоду развертки. При этом луч будет участвовать в двух взаимно перпендикулярных движениях и вычерчивать на экране траекторию этого движения. Пусть для простоты U_Y меняется синусоидально, т.е.

. (3)

Тогда луч будет колебаться в вертикальном направлении и при этом равномерно перемещаться в горизонтальном направлении слева направо. Очевидно, траектория луча будет представлять собой синусоиду (рис. 3б). Через период T луч быстро вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать на экране синусоиду. Если, как указывалось, периоды развертки и исследуемого напряжения (в нашем случае синусоидального) равны, то следующая синусоида точно ляжет на первую, и мы увидим на экране неподвижную светящуюся линию. На рис. 3б нанесены стрелки, показывающие направление движения луча.

Удобно проводить предыдущие рассуждения, используя рис. 4а. На рисунке изображен график U_Y(t), на него наложен график пилообразного напряжения, который делит ось времени на промежутки (t)₁=(t)₂=(t)₃=T_разв, в течение которых происходит полная развертка.

Рис. 4 – Развертка изображения: а) T_разв=T_иссл; б) T_разв=2T_иссл

Луч на экране при каждой развертке вычерчивает ту часть синусоиды, в течение которой происходит развертка. При равенстве периодов T_иссл=T_разв кривые I, II, III одинаковы и при наложении друг на друга совпадают.

Если уменьшить частоту развертки ровно вдвое (т.е. увеличить период развертки вдвое), то за увеличенное время развертки луч успеет совершить два полных колебания в вертикальном направлении, и на экране мы увидим картину, изображенную на рис. 4б справа.

Если U_Y изменяется по другому закону, но является периодической функцией от времени, на экране мы увидим график этого напряжения, что и используется при исследовании различных процессов. Если период развертки T_X не является целым кратным периода T_Y изучаемого напряжения, то электронный луч будет начинать движение слева направо каждый раз в различных фазах, и получаемая на экране картина будет представлять наложение нескольких смещенных траекторий. Разобраться в такой картине практически невозможно, и приходится менять период развертки ручкой "Частота плавно" или до тех пор, пока он не станет согласованным с периодом изучаемого напряжения (T_X=nT_Y). Исследовать можно и одиночные импульсы, но при этом применяется несколько более сложная техника (ждущая развертка фотографирования).

Итак, устойчивая картина на экране осциллографа наблюдается при совпадении частоты исследуемого напряжения и частоты развертки или в более общем случае, когда периоды T_разв и T_иссл кратны друг другу: T_разв=nT_иссл, n – целое число.

Допустим, что удалось с помощью ручки “Частота плавно” подобрать частоту развертки, кратную частоте исследуемого напряжения. Но вследствие нестабильности частоты генератора развертки через некоторое время период развертки уже не будет в точности равняться целому числу периодов исследуемого напряжения, и изображения на экране не будут накладываться друг на друга. При этом картина будет перемещаться по экрану, что затрудняет наблюдение. Для получения устойчивого изображения важно, чтобы начало развертки всегда совпадало с одной и той же фазой исследуемого сигнала, т.е. чтобы развертка начиналась одновременно с прохождением исследуемого напряжения, например, через нулевое значение. Тогда начальные точки графика будут накладываться друг на друга. В силу периодичности сигнала совпадут и все остальные точки изображения. В этом случае говорят, что развертка синхронизирована с исследуемым сигналом. Синхронизация осуществляется вращением ручки “Уровень” или "LEVEL". Ею следует пользоваться, когда частота развертки в основном подобрана и скорость перемещения изображения на экране невелика.

Глубина синхронизации (напряжение, подаваемое на сетку лампы генератора развертки) регулируется ручкой “Амплитуда синхронизации” и устанавливается минимально необходимой для устойчивого изображения. При слишком больших амплитудах заметны искажения в конце развертки.

Положение светового пятна на экране зависит от пары напряжений, приложенных к горизонтально – (X) и вертикально – (Y) отклоняющим пластинам. Если на Y-пластины подать переменное, например, синусоидальное, напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При достаточно большой частоте колебаний (20-50 Гц) электронный луч оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию (рис. 5а). Аналогично, напряжение, поданное на горизонтально отклоняющие пластины – X, даст горизонтальную линию. При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин можно получить различные осциллограммы (режим X-Y). Например, подавая на пластины Х и Y два синусоидальных сигнала с определенными соотношениями частот, амплитуд и фаз, можно наблюдать кривые, изображенные на рис. 5б, 6 – кривые Лиссажу. По этим кривым можно определить соотношение частот и фаз двух сигналов. Таким же образом можно снимать вольтамперные характеристики каких-либо электронных устройств.

Рис. 5 – Принцип образования осциллограммы

Рис. 6 – Фигуры Лиссажу для двух гармонических сигналов с различными соотношениями часто и фаз

1.2. ОСЦИЛЛОГРАФ ОСУ-10А

На современных осциллографах отклонение электронного луча производится не электрическим, а магнитным полем, создаваемым специальными катушками.

Учебная лаборатория кафедры «физики и общетехнических дисциплин» ЮГУ оснащена осциллографами ОСУ-10А.

Электрическая структурная схема прибора ОСУ-10А, поясняющая принцип его работы, представлена на рис. 7. Блок-схема содержит следующие части:

- тракт вертикального отклонения (ТВО), обеспечивающий усиление и масштабирование исследуемых сигналов в соответствии с выбранным коэффициентом отклонения и чувствительностью вертикальной отклоняющей системы электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Кроме того, в ТВО формируются (усиливаются до определенной величины) сигналы внутренней синхронизации.

- тракт горизонтального отклонения (ТГО), обеспечивающий усиление и формирование сигналов горизонтального отклонения луча на экране ЭЛТ, в соответствии с выбранным масштабом (коэффициентом развертки в режиме «Y-T» или коэффициентом отклонения по горизонтали в режиме «X-Y») и чувствительностью горизонтальной системы отклонения ЭЛТ. Кроме того, в ТГО осуществляется формирование сигналов синхронизации развертки из внешнего или внутреннего входных сигналов запуска, предварительное усиление этих сигналов для отклонения луча по горизонтали в режиме «X-Y»;

- источники питания, осуществляющие преобразование переменного напряжения сети в ряд стабилизированных постоянных напряжений, необходимых для работы схемы прибора.

Рис. 7 – Структурная схема осциллографа (1–входной делитель, 2– предварительный усилитель, 3–линия задержки, 4–усилитель, 5– устройство синхронизации и запуска, 6– генератор развертки, 7–усилитель)

Исследуемый сигнал, поступающий в ТВО по входному каналу Y, сначала масштабируется во входном делителе канала. Делители предназначены для ослабления входного сигнала, обеспечивая чувствительность прибора от 10 мВ/дел до 5 В/дел с шагом 1-2-5 в зависимости от устанавливаемого переключателем «ВОЛЬТ/ДЕЛ» коэффициента отклонения.

С выхода делителя 1 (рис. 7) сигнал поступает на усилитель 2 ТВО, в котором осуществляется предварительное усиление с коэффициентом усиления, подстраиваемом под конкретную чувствительность ЭЛТ.

Исследуемые сигналы через переключатель «ВНУТР/СЕТЬ/ВНЕШН», выбирающий источник синхронизации, поступают на синхронизатор 5. Туда же поступает сигнал внешней синхронизации. Линия задержки 3 задерживает сигнал на некоторое время, необходимое для запуска генератора горизонтальной развертки схемой синхронизации – это позволяет наблюдать передний фронт сигнала. Далее сигнал через усилитель 4 поступает на отклоняющие пластины канала Y.

В синхронизаторе формируется нормированный по амплитуде и временным параметрам импульс синхронизации, регулируется уровень запуска с помощью ручки «УРОВЕНЬ», переключается полярность сигнала запуска.

При внутренней синхронизации исследуемый сигнал поступает на вход Y и уже внутри осциллографа разделяется и идет как на вертикально отклоняющие пластины, так и в блок синхронизации. Таким образом, исследуемый сигнал сам управляет разверткой осциллографа (рис. 7).

При внешней синхронизации сигнал с входа Y идет только на пластины вертикального отклонения, а в блок синхронизации сигнал от внешнего устройства подается с входа X. Использовать внешнюю синхронизацию целесообразно в случае, если исследуемый сигнал недостаточен по амплитуде или непригоден по форме для синхронизации (например, содержит шумы). Например, при работе с сигналами, изменяющимися по форме, сложно получить неподвижное изображение при внутренней синхронизации. Тогда на вход X подается сигнал внешней синхронизации (например, запускающие импульсы исследуемого сигнала) для согласования частоты повторения развертки с частотой исследуемого сигнала. Так как его частота точно равна частоте наблюдаемого сигнала, то картина должна стать неподвижной. Внешняя синхронизация также обычно применяется при изучении импульсных устройств, например, ЭВМ, все цепи которых работают синхронно от одного тактового генератора.

Синхронизация от сети обычно используется для проверки узлов приборов, связанных с преобразованием питающего напряжения от силовой сети (трансформаторов, выпрямителей, стабилизаторов и т.д.). В этом режиме в блок синхронизации подается сигнал с частотой промышленной сети 50 Гц от понижающего трансформатора внутри осциллографа.

В режиме «X-Y» синхронизатор выполняет роль предварительного усилителя сигналов горизонтального отклонения.

Тракт горизонтального отклонения (канал X) обеспечивает формирование напряжения развертки для управления перемещением луча по горизонтали. Генератор развертки 6 – основной узел канала X. Он формирует пилообразное напряжение. Генератор может работать в автоколебательном или ждущем режимах.

В автоколебательном режиме генератор непрерывно вырабатывает пилообразное напряжение (рис. 3). Этот режим используется для наблюдения гармонических, а также периодических импульсных сигналов с небольшой скважностью (т.е. когда импульс занимает значительную часть периода).

В ждущем режиме генератор вырабатывает однократную «пилу» только когда приходит сигнал запуска (сигнал синхронизации). Запуск следующей осуществляется следующим импульсом синхронизации, но только после того, как закончилась предыдущая «пила». Этот режим целесообразно использовать для наблюдения непериодических сигналов или сигналов с очень большим периодом.

Импульсы пилообразного напряжения через соответствующие коммутаторы поступают на выходной усилитель 7 канала Х, откуда, усиленные до величины, определяемой чувствительностью горизонтальной системы отклонения, поступают на горизонтальные пластины ЭЛТ.

Скорость изменения пилообразного напряжения определяют коэффициенты развертки от 0,1 мкс/деление до 0,1 с/деление при отображении сигналов в реальном времени. Она устанавливается с шагом 1- 2- 5 переключателем «ВРЕМЯ/ДЕЛ».

Назначение органов управления, настройки и подключения приведено в таблице 1.

Назначение переключателя «АВТО/ЖДУЩ/ТВ». Выбор автоматического режима работы развертки осуществляется установкой переключателя в положение «АВТО» (автоматический).

Таблица 1

Назначение органов управления осциллографа ОСУ-10А

Органы управления, настройки и подключения	Назначение	Исходное положение
Кнопка «СЕТЬ»	Включение прибора	Не нажата
Ручка «ЯРКОСТЬ»	Регулировка яркости луча	Среднее
Ручка «ФОКУС»	Регулировка фокусировки луча	Среднее
Ручка «↕»	Смещение луча на экране по вертикали	Среднее
Ручка «↔»	Смещение луча на экране по горизонтали	Среднее
Ручка «УРОВЕНЬ»	Регулировка уровня синхронизации развертки	Среднее
Переключатель «ВОЛЬТ/ДЕЛ»	Установка коэффициентов отклонения канала Y	«.1» и «V»
Переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ»	Установка коэффициентов развертки (канал X)	«.5» и «ms»
Гнездо →ВХОД Y	Вход канала Y	-

Продолжение таблицы 1

Назначение органов управления осциллографа ОСУ-10А

Органы управления, настройки и подключения	Назначение	Исходное положение
Гнездо → ВХОД X	Вход канала X	-
Ручки «ПЛАВНО»	Плавное изменение коэффициентов отклонения каналов с перекрытием не менее чем в 2,5 раза в каждом положении переключателей «ВОЛЬТ/ДЕЛ» и «ВРЕМЯ/ДЕЛ»	Крайнее левое
Переключатель «»	Переключатель режима работы входов усилителя: Переменный сигнал / усилитель заземлен /постоянный сигнал	«»
Переключатель «ВНУТР/СЕТЬ/ ВНЕШН»	Развёртка синхронизируется внутренним сигналом (ВНУТР), от сети питания (СЕТЬ) или внешним сигналом (ВНЕШН)	«ВНУТР»
«АВТО/ЖДУЩ/ТВ»	АВТО - если нет сигнала синхронизации или он меньше 25 Гц, развертка переходит в автоколебательный режим; ЖДУЩ - развертка запускается только при наличии входного сигнала; ТВ - синхронизация телевизионным строчным сигналом	«АВТО»
«+\ – \ X»	Развёртка синхронизируется положительным фронтом сигнала (+), отрицательным фронтом сигнала (–) или осциллограф работает в режиме X-Y (X).	«+»

Генератор развертки работает в автоколебательном режиме без сигнала синхронизации. Как только появится сигнал синхронизации, генератор развертки будет работать синхронно с входным сигналом. Режим «АВТО» удобно использовать при включении прибора для наблюдения луча и входного сигнала и последующего включения других режимов работы прибора. При установке органов управления в необходимые положения можно вернуться в режим «НОРМ». Режим «АВТО» должен использоваться при исследовании постоянных напряжений и сигналов с малыми амплитудами, когда нет синхронизации развертки.

Режим работы «ЖДУЩ» (ждущий). Генератор развертки не будет запускаться до тех пор пока не будет установлен необходимый уровень запуска развертки ручкой «УРОВЕНЬ». генератор развертки формирует только один ход луча и в дальнейшем активируется только при поступлении другого сигнала синхронизации. В режиме NORM на экране не будет отображения луча, до тех пор, пока не будет синхронизации.

Перевод переключателя «АВТО/ЖДУЩ/ТВ» в положение «ТВ» позволяет выделять строчные синхроимпульсы из видеосигнала.

1.3. Указания мер безопасности при работе с осциллографом

К работе с прибором допускаются лица, ознакомившиеся с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации прибора, а также прошедшие инструктаж по технике безопасности.

ВНИМАНИЕ! В приборе имеются напряжения, опасные для жизни.

1. Старайтесь не подвергать себя воздействию высокого напряжения – это опасно для жизни. Не касайтесь высоковольтных конденсаторов сразу, после выключения прибора.

2. Постарайтесь использовать только одну руку (правую), при регулировке цепей, находящихся под напряжением. Избегайте небрежного контакта с любыми частями оборудования, потому что эти касания могут привести к поражению высоким напряжением.

3. При использовании кабелей, пробника касайтесь только их изолированных частей.

4. Необходимо избегать контакта с участками цепей, где высокое напряжение. Электрические цепи могут находиться под напряжением даже после выключения оборудования.

5. Металлические части оборудования с двухпроводными шнурами питания не имеют заземления. Это не только представляет опасность поражения электрическим током, но также может вызвать повреждение оборудования.

6. Никогда не работайте один или без преподавателя (инженера). Необходимо, чтобы в пределах досягаемости находился персонал, который сможет оказать первую помощь.

1.4. Проведение измерений

ВНИМАНИЕ! Никогда не оставлять статичную точку с высокой яркостью неподвижной на экране в течение больше чем нескольких секунд. В этом месте люминофор экрана может быть поврежден.