Устройство и принцип действия осциллографа с электроннолучевой трубкой
 Скачать 0.98 Mb.
|
|
Self-Cal. Экран при автокалибровке показан на рис. 17. Процедура автокалибровки занимает несколько минут. Рис. 17. Экран при автокалибровке RUN/STOP Кнопка RUN/STOP позволяет запустить или остановить процесс регистрации формы сигнала. ЗАМЕЧАНИЕ До осуществления процедуры автокалибровки осциллограф должен непрерывно работать или быть прогрет не менее 30 минут. Измерение напряжения Для того, чтобы измерить напряжение нужно выбрать тип связи (Coupling) – DC. Далее выбрать необходимое значение Volts/Div (Вольт/Деление). Напряжение будет равным количеству делений от нулевой 25 отметки экрана осциллографа, до того сигнала, напряжение которого нужно измерить. В зависимости от изменения Volts/Div цена деления будет изменяться. Измерение временных параметров Осциллографы серии RIGOL DS1000 обеспечивают автоматическое измерение временных параметров (не стоит забывать и про автоматическое измерение амплитудных параметров), Цифровой осциллограф обеспечивает погрешность измерения временных до 0,01%. Наиболее существенным при определении погрешности измерения временных интервалов является погрешность установки частоты опорного генератора. Особенности эксплуатации осциллографа Определение потенциального провода сигнального кабеля Соединение со входом осциллографа производится с помощью коаксиального сигнального кабеля, состоящего из центрального – потенциального провода, помещенного в медную оплетку другого – экранирующего «земляного» провода. Каждый из проводов кабеля припаян к специальному штекеру. Поскольку зачастую неизвестно как подключены штекера в сигнальном кабеле, до проведения измерений следует определить его потенциальный и «земляной» провода (концы), выполнив следующие действия: а) Подготовить осциллограф к проведению измерений, например, каналом 1. б) В меню канала выбрать режим открытого DC или закрытого входа АС. в) Провести тестирование. Касаясь пальцем руки одного из штекеров (второй висит в воздухе) сигнального кабеля, наблюдайте за картинкой на экране. Если касание приводит к сильному искажению или пропаданию линии на экране, то вы тестируете потенциальный конец сигнального кабеля. Если же касание пальцем не приводит к достаточно заметным изменениям в картинке, вы тестируете «земляной» конец кабеля. Синхронизации Синхронизация обеспечивает устойчивое изображение на экране осциллографа. Схема синхронизации «привязывает» момент запуска генератора развертки к определенному моменту исследуемого сигнала в соответствии с параметрами, заданными в меню установок, и уровнем линии синхронизации, изменяемым ручкой регулятора LEVEL (уровень) в блоке синхронизации «Trigger». Таким образом, схема синхронизации запускает генератор развертки всегда в один и тот же момент исследуемого сигнала. В 26 результате на экране наблюдается устойчивое изображение сигнала. В большинстве случаев отсутствие синхронизации наблюдается при слишком малом уровне входного сигнала, который можно подрегулировать ручкой LEVEL. При вращении ручки LEVEL появляется горизонтальная линия (линия уровня синхронизации) песочного цвета, перемещающаяся вертикально на экране. При отсутствии синхронизации необходимо ручкой LEVEL установить линию уровня синхронизации не больше амплитуды сигнала, использующегося для синхронизации. Запрещенные режимы и действия при работе с осциллографом Соблюдение приведенных требований гарантирует безопасную эксплуатацию прибора: 1. Эксплуатация прибора без его заземления запрещена! 2. Запрещается превышать предельные эксплуатационные параметры, предусмотренные техническими данными прибора. 3. Запрещается подключение «земляных» концов сигнальных кабелей обоих каналов в точки схемы с разными потенциалами, т.к. «земли» 1 и 2 каналов соединены между собой через металлический корпус прибора. Указанное соединение может привести закорачиванию цепей исследуемой схемы, а, следовательно, к потере работоспособности как самой схемы, так и подключенного к ней лабораторного оборудования. Осциллографирование электрических сигналов Осциллограф позволяет измерять амплитудные и временные параметры электрических сигналов. В электрическую цепь прибор включается параллельно, поскольку отображает, исключительно, осциллограммы напряжения. Для исследования тока с помощью осциллографа в разрыв цепи включается шунт – низкоомный резистор с известным сопротивлением, мало влияющий на исследуемую цепь, с которого непосредственно снимается осциллограмма напряжения. Процесс осциллографирования (получение осциллограмм) заключается в измерении линейных размеров изображений на экране осциллографа и их пересчете в напряжение и время. Для измерения линейных размеров на экране идицируется измерительная сетка-шкала, состоящая из крупных (клетки) и мелких делений. Крупные деления шкалы – клетки принято называть делениями. Точность измерений осциллографом зависит от размера картинки на экране. Чем крупнее картинка, тем выше точность! «Паспортная» точность измерения осциллографом обеспечивается при минимальном размере изображения сигнала на экране осциллографа (для измеряемого параметра) не менее 4-х делений шкалы! 27 Осциллограф позволяет получать, так называемые сфазированные осциллограммы, представляющие собой изображения двух сигналов на экране осциллографа, построенные (сформированные) для одних и тех же моментов времени (для единой оси времени). Другими словами, у сфазированных осциллограмм вертикальные оси – разные, а временные (горизонтальные) – одинаковые. Примеры сфазированных осциллограмм приведены на рис. 8. Проведение измерений осциллографом Подготовьте осциллограф к работе. После включения питания прогрейте прибор в течение 30 минут для обеспечения точностных характеристик. Выполните автокалибровку осциллографа. Горизонтальные линии (разного цвета: 1 канал – желтого цвета, 2 канал – голубого цвета) ручкой VERTICAL POSITION совместите с одной из горизонтальных линий экранной шкалы. Таким образом, задается начало отсчета – нулевая линия или линия отсчета, относительно которой будут производиться дальнейшие измерения. Выполните следующие действия: 1. В меню каждого канала установить "PROBE ×1". 2. Отключить инверсию сигнала в меню каждого канала. 3. Установить желаемый режим работы канала "АС" или "DC". 4. Определить сигнальные провода обоих каналов осциллографа. Переключатель TIME/DIV установить в произвольное положение. При неизвестном значении измеряемого напряжения переключатель VOLTS/DIV установить в крайнее левое положение (соответствующее минимальной чувствительности). В противном случае (если известно приблизительное значение измеряемого сигнала) переключатель установить в необходимое положение. Далее следуйте приведенным ниже инструкциям. (1) Измерение постоянного напряжения Для измерения постоянного напряжения установить в меню первого канала СH1 в разделе Coupling выбрать режим «DC» – открытый вход. Переключатель TIME/DIV установить в произвольное положение. Наблюдая за отклонением луча по вертикали, подать на вход осциллографа исследуемый сигнал. Если луч отклонился вверх, то измеряемое напряжение положительное, если вниз – отрицательное. Увеличивая чувствительность осциллографа, переключателем VOLTS/DIV добейтесь смещения, наблюдаемой линии от ранее заданной нулевой линии на несколько клеток- делений шкалы. Измеряемое напряжение рассчитывается по формуле: д x U U N С , где N д – число делений, на которое отклонился луч относительно нулевой линии; C U – коэффициент отклонения (отображается в нижней строке экрана, показывает количество вольт в одной клетке шкалы экрана). 28 (2) Измерение амплитуды переменного напряжения Измерение амплитуды переменного напряжения осуществляется следующим образом. Предварительно необходимо задать линию отсчета в средней части экрана. В меню выбранного для измерений канала осциллографа в разделе Coupling установить задать режим «AC» – закрытый вход, однако если постоянная составляющая в исследуемом сигнале относительно мала, то можно вход открыть. Подать на один из входов исследуемый сигнал. Манипулируя ручками VOLTS/DIV и TIME/DIV, установить такие коэффициенты отклонения, чтобы полный размах изображения на экране по вертикали занимал не менее 4-х клеток, а по горизонтали наблюдалось 2-3 периода исследуемого сигнала. Амплитуда на пряжения рассчитывается по формуле: 2 U m N С U , где ΔN – размах сигнала по вертикали, выраженный в делениях шкалы. (3) Измерение временных интервалов Используя ручки перемещения луча по вертикали и горизонтали, желательно поместить измеряемый интервал в центр экрана. Переключателем «TIME/DIV» установите длину измеряемого временного интервала на экране не менее 4-х делений шкалы. Длительность временного интервала рассчитывается по формуле: x t t N С , где N – число делений шкалы, которое составляет временной интервал; C t – значение коэффициента развертки (индицируется в нижней строке экрана). (4) Измерение с помощью функции Cursor Описанные методы измерения осциллографом являются базовыми и могут применяться во всех типах осциллографов. Цифровые осциллографы имеют более гибкие инструменты для измерения различных параметров. Один из таких инструментов – функция Сursor (курсорные измерения). Функция Cursor включается нажатием кнопки Cursor на лицевой панели осциллографа. Всплывающее на экране меню имеет следующие вкладки: Mode, Type, Source, CurA, CurB. Функция курсорные измерения имеет три режима (Mode): ручной (Manual), слежение (Track) и автоматические измерения (Auto). Ручной (Manual). В этом режиме на экране курсоры отображаются в виде двух параллельных линий. Пользователь имеет возможность перемещать линии курсоров для выбора измеряемых интервалов времени и 29 напряжения на осциллограмме. Измеренные значения будут отображаться в рамках рядом с меню. Слежение (Track). В этом режиме курсоры на экране отображаются в идее двух перекрестий. Перекрестье курсора устанавливает свое положение на линии сигнала автоматически. Пользователь может перемещать курсоры в горизонтальном направлении вдоль линии осциллограммы сигнала вращением многофункционального регулятора . Осциллограф отображает значения координат в рамках рядом с меню. Автоматические измерения (Auto). Этот режим визуально отображается только совместно с режимом автоматического измерения. Осциллограф автоматически будет отображать с помощью курсоров физический смысл измеряемых парамеров. Вкладка Type выбирает ось для измерений: X или Y. Вкладка Source выбирает канал для измерений: CH1, CH2 или MATH. Вкладки CurA и CurB выбирают линии курсоров. Доступно 2 курсора. Параметры электрических импульсов 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 – U m , В – величина максимального отклонения импульсного сигнала от начального уровня U 0 Длительность импульса – t и , с – интервал времени от момента появления импульсного сигнала до его завершения. Если начало и конец импульса трудно выделить, то расчет t и ведут по уровню 0,1U m либо по уровню 0,5U m (рис. 18). В этом случае используют названия: t и – длительность импульса по основанию 0,1 амплитуды; t иа – активная длительность импульса. К основным параметрам также относится период T. Рис. 18. Прямоугольный импульс с увеличенными во времени фронтами 0 t U m t иа u(t) t и 0,5U m 0,1U m U 0 30 Производные параметры Параметры данной группы получаются из основных параметров путем пересчета: 1. Частота f рассчитывается по формуле: 1 f T 2. Коэффициент заполнения γ показывает какую часть периода составляет длительность импульса: и 1 t T 3. Скважность q показывает во сколько раз период больше длительности импульса: и 1 1 T q t 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) t ф , с – время от момента начала сигнала до момента достижения им максимального значения. Если временные моменты плохо различны (рис. 19), то t ф фиксируется от уровня 0,1U m до уровня 0,9U m Длительность спада (среза) (задний фронт) t с , с – временной интервал от максимального значения импульса до момента его завершения. Если спад плоской вершины отсутствует (∆U = 0), то t с находится также как t ф . Если спад плоской вершины наблюдается (т. е. ∆U ≠ 0), то отмечается граничная точка (U гр ), где кончается плоская вершина и начинается спад импульса (рис. 3.19). Данная точка не является «жесткой», т.к. ее положение определяется каждым наблюдателем индивидуально. В этом случае время среза определяется как убывание сигнала от 0,9U гр до 0,1U гр Коэффициент спада плоской вершины импульса гр гр сп 1 m m m m U U U U K U U U 31 В отсутствие спада плоской вершины, т.е. ∆U = 0, коэффициент спадаравен нулю. Рис. 19. Определение длительности переднего и заднего фронтов 2. Дополнительные параметры пилообразных сигналов В отличие от прямоугольных пилообразные импульсы не имеют плоской вершины (рис. 20), следовательно, дополнительные параметры таких сигналов иные. Длительность прямого хода t пх , с – время нарастания сигнала от начального уровня U 0 до максимального U m Рис. 20. Определение параметров пилообразного сигнала Время обратного хода t ох , с – время убывания сигнала от максимального значения до исходного. Коэффициент нелинейности пилы K н – параметр, характеризующий относительное изменение скорости нарастания напряжения за время прямого хода: пх пх н 0 0 0 ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) t t t t t t t du t du t du t dt dt dt K du t du t dt dt , 0 t U m u(t) t ф 0,9U m 0,1U m U 0 U 0,1U гр 0,9U гр U гр t c 0 t T U 0 u(t) t пх t ох U m 32 где 0 ( ) t du t dt – скорость нарастания пилы в начале прямого хода; пх ( ) t t du t dt – скорость нарастания пилы в конце прямого хода. Поскольку геометрический смысл производной функции – тангенс угла наклона между касательной, проведенной к заданной точке пилы и осью абсцисс (рис. 21), то коэффициент нелинейности пилы можно определить, используя изображение пилы, например, на экране осциллографа, по формуле: к н 0 tg 1 tg K , где 0 – угол наклона касательной в начале прямого хода пилы (t = 0); к – угол наклона касательной в конце прямого хода пилы (t = t пх ). В идеальном случае K н = 0. Рис. 21. Графическое определение K н Кроме рассмотренных, существует параметр, являющийся также общим для всех видов сигналов и характеризующий качество устройства формирования импульсов – коэффициент использования питающего напряжения исп пит 1 m U K E , где E пит – напряжение источника питания. В идеальном случае K исп = 1. 0 t t пх u(t) 0 к 33 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Что такое осциллограф? 2. Поясните устройство электронно-лучевой трубки осциллографа. 3. Расскажите принцип действия осциллографа с ЭЛТ по функциональной схеме. 4. Что такое развертка? Нарисуйте диаграмму напряжения развертки. Поясните поведение электронного луча под действием напряжения развертки. 5. Укажите назначение режима X-Y. В чем его отличие от классического режима? 6. Назначение синхронизации в осциллографе? Как она осуществляется? Виды синхронизации? 7. Назовите наиболее часто встречающуюся на практике причину отсутствия синхронизации. Что делать, если нет синхронизации? 8. В чем заключается различие ждущего и автоколебательного режимов работы генератора развертки? 9. Как обеспечить «паспортную» точность измерения осциллографом? 10. Поясните смысл терминов «открытый» и «закрытый» вход осциллографа. 11. Как на практике определить потенциальный и «земляной» провод сигнального кабеля осциллографа? 12. Почему нельзя «земляные» концы сигнальных кабелей обоих каналов осциллографа подключать в точки схемы с разными потенциалами? 13. Как снять осциллограмму тока с помощью осциллографа? 14. Расскажите принцип действия цифрового осциллографа по структурной схеме. 15. Опишите органы управления и подключения осциллографа RIGOL DS 1052E. 16. Укажите, с пояснениями, возможные режимы работы каналов тракта вертикального отклонения луча. 17. Перечислите запрещенные режимы и действия при работе с осциллографом. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства: Учеб. пособие для вузов по спец. «Радиотехника». – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1989. – 527 с. 2. Розова Н.В. Электрические и радиотехнические измерения: учебное пособие / Н.В. Розова, С.И. Третьяков. – Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2005. – 107 с. 3. Руководство пользователя RIGOL. Осциллографы серии DS 1000, 2008 г. |