Метрология. Лабораторная работа №3

1. Назовите основное назначение электронных осциллографов.

Электронный осциллограф (ЭО) выводит на экран график изменения во времени напряжения, поданного на его вход. Наблюдая форму сигналов в различных точках электрической цепи, можно судить о состоянии и свойствах цепи. Способность визуализировать сигналы – чрезвычайно важное качество осциллографа, позволяющее оперативно проводить контроль и диагностику электрических цепей. Кроме того, современные ЭО позволяют получить график сигнала с известными и весьма точно выдержанными масштабами по осям координат, что позволяет определять в различные моменты времени период, частоту и сдвиг сигналов по фазе. Таким образом, осциллограф – это и универсальный измерительный прибор

2. Объясните устройство ЭЛТ и назначение всех ее электродов.

ЭЛТ представляет собой стеклянный вакуумный баллон, в котором размещены электронная пушка, люминесцирующий экран (Э) и две пары отклоняющих пластин (X, Y). Основные детали электронной пушки: подогреватель (П), катод (К), модулятор (М), первый и второй аноды (А1 и А2).

3. Что будет видно на экране ЭЛТ, если:

U_y = 0; U_x = 0?

U_y = const; U_x = 0?

U_y = 0; U_x = const?

U_y = const; U_x = const?

U_y = U_m sinω t; U _x = 0?

U_y = 0; U_x = U_m sinω t?

4. Предложите способ нахождения траектории светящегося пятна на экране осциллографа при произвольных U_y (t) и U_x (t).

Под действием поля электроны отклоняются от оси ЭЛТ и соответственно изменяется положение светящегося пятна на экране. Как видно из рис. 3.2, отклонение его произойдет в вертикальном направлении, т.е. по координате y. Аналогично отклоняют луч пластины X, но в горизонтальном направлении. Смещение светящегося пятна на экране пропорционально приложенным к пластинам напряжениям, т.е. y = S_y ∙ U_y, x = S_x ∙ _x, где x, y – смещение светящегося пятна по горизонтали и вертикали; U_x, U_y – напряжения на пластинах X и Y; S_x, S_y – коэффициенты пропорциональности, называемые чувствительностью ЭЛТ по горизонтали и вертикали.Для удобства считывания координат светящегося пятна экран ЭЛТ снабжен координатной сеткой.

5. При каких условиях возможно получение изображения временного процесса на экране осциллографа?

Так как отклонения луча по осям y и x пропорциональны приложенным к пластинам напряжениям, то для получения на экране графика исследуемого напряжения U (t) на пластины Y необходимо подать это напряжение, а на пластины X – напряжение, пропорциональное времени, т.е. линейно возрастающее. Оно называется развертывающим напряжением, а устройство, его вырабатывающее, – генератором развертки.

Практически невозможно получить линейно возрастающее напряжение в течение неограниченного времени. К тому же в этом нет необходимости. Достаточно иметь такое напряжение в течение хотя бы одного периода исследуемого напряжения U (t). Тогда на экране электронный луч воспроизведет один период сигнала U (t). Если многократно и достаточно часто воспроизводить один период сигнала, причем так, чтобы траектория луча была одной и той же, а не смещалась от периода к периоду, то из-за инерционности зрения оператор увидит на экране непрерывный график одного периода U (t).

Добиться того, чтобы луч на экране от периода к периоду перемещался по одной и той же траектории, – значит получить устойчивое изображение. Для этого необходима синхронность напряжения развертки и исследуемого сигнала U (t). Для осуществления этой синхронизации на переднюю панель осциллографа выведены соответствующие органы управления. Если напряжение развертки линейно нарастает в течение нескольких периодов исследуемого сигнала, то на экран выводится изображение этих нескольких периодов U (t) (естественно, при наличии синхронности напряжений U (t) и развертки).

6. Объясните назначение всех блоков структурной схемы электронного осциллографа.

 

Упрощенная структурная схема типового ЭО (рис. 3.1) включает в себя электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и устройства управления лучом (канал Х и канал Y). Питание ЭЛТ и всех электронных узлов схемы осуществляется от встроенного источника стабилизированного напряжения (на схеме не показан).

7. В каких режимах может работать генератор развертки?

Генератор развертки может работать в автоколебательном и ждущем режимах. В автоколебательном режиме он непрерывно вырабатывает пилообразное напряжение, а в ждущем – всего один период этого напряжения и только тогда, когда на вход генератора поступает напряжение определенного уровня: положительного или отрицательного. Длительность развертки Т _пр в обоих режимах можно изменять с помощью переключателя, расположенного на передней панели осциллографа. Положение этого переключателя определяет скорость перемещения луча по оси x экрана. Цена деления по оси x называется коэффициентом развертки.

8. Дайте определение синхронизации развертки; объясните, для чего необходима синхронизация.

Синхронизация развертки. Под синхронизацией понимается приведение двух или более процессов к такому их протеканию, когда соответствующие элементы процессов совершаются одновременно или с неизменным сдвигом по фазе. При исследовании периодических напряжений для получения неподвижного изображения на экране ЭЛТ необходимо, чтобы период напряжения развертки был кратен периоду исследуемого сигнала: Т_x / T_y = n, { n = 1, 2, 3,…}. В этом случае момент начала развертки при каждом ее цикле будет приходиться на одно и то же значение сигнала и перемещение луча по экрану будет происходить по одной и той же траектории.

9. Какие виды синхронизации применяются в осциллографах?

В автоколебательном режиме выполнения условия кратности периодов частот развертки и исследуемого сигнала добиваются изменением коэффициента развертки с помощью регулировок на передней панели. Однако непрерывное поддержание выполнения этого условия вручную практически весьма сложно из-за нестабильностей частот генератора развертки и сигнала. Поэтому для поддержания стабильности настройки используется цепь синхронизации, на которую подается входной сигнал. Из входного сигнала цепь синхронизации формирует короткие импульсы с периодом этого сигнала, к которым привязывается начало развертки.

При ждущей развертке генератор не работает до тех пор, пока не приходит запускающий, т.е. синхронизирующий импульс, который обычно формируется из исследуемого сигнала. Запуск ждущей развертки исследуемым сигналом приводит к некоторой задержке начала развертки относительно начала импульса и, следовательно, к потере изображения части переднего фронта сигнала. Для исключения этого явления исследуемый сигнал задерживается с помощью линии задержки, расположенной в канале вертикального отклонения. Ждущий режим используется для наблюдения импульсных сигналов с большой и переменной скважностью. В остальных случаях могут использоваться как ждущий, так и автоколебательный режимы. Имеются осциллографы, у которых переход от автоколебательного режима к ждущему осуществляется автоматически. После включения осциллографа генератор развертки работает в автоколебательном режиме (на экране ЭЛТ видна горизонтальная линия), а с появлением запускающего импульса внутренней или внешней синхронизации генератор развертки автоматически переводится в ждущий режим.

Рассмотренная синхронизация в автоколебательном режиме и запуск развертки в ждущем от входного сигнала (из канала Y) носят название внутренней синхронизации. Однако в осциллографах предусматривается также внешняя синхронизация от внешнего источника и внешняя синхронизация от сетевого напряжения (50 Гц).

10. Объясните назначение линии задержки в канале вертикального отклонения.

При ждущей развертке генератор не работает до тех пор, пока не приходит запускающий, т.е. синхронизирующий импульс, который обычно формируется из исследуемого сигнала. Запуск ждущей развертки исследуемым сигналом приводит к некоторой задержке начала развертки относительно начала импульса и, следовательно, к потере изображения части переднего фронта сигнала. Для исключения этого явления исследуемый сигнал задерживается с помощью линии задержки, расположенной в канале вертикального отклонения.

 

11. Как с помощью осциллографа измерить напряжение, период и частоту?

Измерение напряжений и временных интервалов с помощью ЭО осуществляется весьма просто с использованием координатной сетки, которой снабжен экран. Для этого надо подать на вход Y осциллографа исследуемое напряжение и получить на экране его устойчивое изображение. Погрешности измерения амплитуды сигнала и его периода будут наименьшими, если их изображения максимальны. Это достигается регулировкой коэффициента отклонения (ось y) и коэффициента развертки (ось x). Результаты измерения амплитуды и периода будут соответствовать: U =
= K _откл∙ N_y и Т = K _разв N_x, где N_y и N_x – число делений шкалы, занимаемое изображениями амплитуды и периода соответственно. Погрешности измерения амплитуды и периода определяются из технического описания используемого осциллографа.

12. Какие новые возможности появляются в двухканальных осциллографах по сравнению с одноканальными?

 

Двухканальные осциллографы применяют для одновременного наблюдения на экране одной ЭЛТ изображений двух синхронных сигналов, например при измерении фазового сдвига. Такие осциллографы содержат два канала Y, выходы которых с помощью коммутатора попеременно подключаются к отклоняющим пластинам Y электронно-лучевой трубки. Обычно предусматриваются следующие режимы работы двухканального осциллографа:

1) одноканальный режим, при котором работает либо первый, либо второй канал;

2) попеременный режим, при котором происходит поочередное подключение каналов после каждого хода развертки;

3) прерывистый режим, при котором работают оба канала, но за время рабочего хода развертки переключение каналов производится с высокой частотой.

«Попеременный» режим используется для наблюдения быстрых процессов, а «прерывистый» – для относительно медленных процессов по сравнению со временем переключения каналов.

13. Как измерить разность фаз с помощью двухканального осциллографа? Одноканального?

Сложнее выглядит процесс измерения фазового сдвига. Пусть даны два напряжения одинаковой частоты, но сдвинутые по фазе:

U ₁ = U_{m 1} sinω t,

U ₂ = U_{m 2}sin(ω t + φ).

Если напряжение U ₂ отстает по фазе от U ₁ на угол φ, то перед φ надо поставить знак «минус». φ = – arctgω RC = – arctg(2π fRC). Если 2π fRC = 1, то фазовый сдвиг будет равен π/4, т.е. 45^о. При указанных значениях R и C примерно такой сдвиг по фазе будет при частоте напряжения U ₁, равной 50 Гц.

 

Если осциллограф двухканальный, то напряжения U ₁ и U ₂ следует подать на входы Y ₁ и Y ₂ соответственно, запуск генератора развертки производить внешним сигналом U ₁. При устойчивом изображении на экране будут видны U ₁ и U ₂. Их взаимное расположение дает искомый сдвиг.

φ^о = .

Если осциллограф одноканальный, то по-прежнему необходимо использовать внешнюю синхронизацию развертки напряжением U ₁. На вход Y подают сначала напряжение U ₁, отмечая на экране положение некоторой опорной точки периода. Затем, оставляя на входе синхронизации по-прежнему напряжение U ₁, на вход Y подают напряжение U ₂, сдвинутое по фазе относительно U ₁. При этом ручки синхронизации обязательно должны оставаться в том же положении, при котором была отмечена опорная точка на экране. Отмечают вторую опорную точку на экране. Измерив по координатной сетке отрезок X между опорными точками и длину периода X ₀, рассчитывают фазовый сдвиг, как и ранее, по формуле .

14. Перечислите назначение всех органов управления на лицевой панели изучаемого осциллографа.

 

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: