Лабораторная работа № 11

Изучение электронно-лучевого осциллографа и универсального генератора электрических сигналов

Цель работы: изучить общее устройство, принцип действия и методику работы с электронно-лучевым осциллографом и универсальным генератором электрических сигналов. Получить практические навыки работы с этими приборами.

Краткие теоретические сведения

Электрическим сигналом называют напряжение или ток, которые представляют собой изменяющуюся во времени физическую величину, несущую информацию. В теории цепей рассматривают только физические параметры сигнала, его информационные свойства не рассматриваются.

Сигналы бывают периодические (рис. 11.1) и непериодические (рис. 11.2). Периодические сигналы могут быть гармоническими и негармоническими. К последним относятся прямоугольные, треугольные, пилообразные и сигналы любой другой формы.

Рис. 11.1 Рис. 11.2

Любой периодический сигнал характеризуется периодом повторения T (рис. 11.1), с периодом однозначно связана другая важнейшая величина – частота колебаний f; частота обратно пропорциональна периоду:

.

Часто применяют понятие угловая частота . Угловая частота показывает скорость изменения фазы тока или напряжения; угловая частота связана с частотой f следующим соотношением:

.

Гармонический сигнал (рис. 11.1 , а) является важнейшим частным случаем периодических сигналов; математически такой сигнал может быть представлен следующим образом:

,

где U_m – амплитуда колебания;  – угловая частота; ₀ – начальная фаза. Сам аргумент (t+₀) называют фазой колебаний; отсюда понятен смысл названия величины ₀: начальная фаза – это фаза колебания в начальный момент времени (при t=0).

Важное практическое значение имеют сигналы с постоянной составляющей; так, например, на рис 11.1, б показан гармонический сигнал с постоянной составляющей. Колебания происходят не относительно нулевого значения, а относительно некоторой постоянной величины U₀, которую и называют постоянной составляющей. Амплитуда переменной составляющей U_, очевидно, определяется как максимальное отклонение сигнала от величины U₀. В общем случае постоянная составляющая может присутствовать в сигналах любой формы. Полярность постоянной составляющей также может быть разной.

Для импульсных сигналов (рис. 11.1, в) применяют понятия длительность импульса _и и длительность паузы _п, очевидно, период следования импульсов равен сумме длительности импульса и длительности паузы:

.

Скважностью последовательности импульсов называют отношение периода следования импульсов к длительности импульсов, обратную величину часто называют коэффициентом заполняемости (иногда под скважностью понимают отношение длительности импульса к длительности паузы или наоборот, обычно это дополнительно оговаривается).

В случае периодической последовательности импульсов непрямоугольной формы (рис. 11. 3) необходимо учитывать длительности фронтов. Передний фронт называют также нарастанием (_н), а задний – спадом (_с); на графиках передний фронт находится левее (подразумевается, что во времени нарастание происходит раньше). Для трапециидальных импульсов (рис. 11.3, а) определение длительностей импульса, паузы, нарастания и спада не представляет труда. Для треугольных импульсов (рис. 11.3, б) длительность импульса обычно не измеряют, говорят только о нарастании, спаде и паузе. Для импульсов сложной формы иногда бывает трудно определить временные границы фронтов, импульсов и пауз; в этом случае часто применяют некоторые условные соглашения: например, границы фронтов могут определяться по уровням 0,1 и 0,9 от максимального уровня сигнала (рис. 11.3, в). Для пилообразных импульсов (рис. 11.3, г) оперируют только понятиями длительность нарастания и спада, длительности импульсов и пауз не определяют.

Р ис. 11.3

Следует отметить, что описанные параметры импульсов носят достаточно условный характер, в том смысле, что для реальных сигналов в зависимости от конкретных условий временные параметры импульсов могут определяться различными способами, а некоторые параметры могут не учитываться.

Для создания колебаний напряжения различной формы применяют специальные устройства – генераторы электрических сигналов. Наиболее распространены универсальные генераторы, которые позволяют выбрать форму сигнала и установить его параметры.

В программе Electronics Workbench имеется модель универсального генератора электрических сигналов (рис. 11.4). Генератор располагается на панели приборов. Для его использования следует переместить значок генератора (рис. 11.4, а) в нужное место схемы и выполнить необходимые электрические соединения. Лицевая панель генератора (рис. 11.4, б) раскрывается после двойного щелчка левой кнопкой мыши по значку.

Рис. 11.4

Все органы управления генератором размещены на лицевой панели. В верхней части панели расположены кнопки выбора формы сигнала (синусоидальная, пилообразная, прямоугольная).

В центре панели размещены органы регулировки частоты (frequency), скважности (duty cycle), амплитуды (amplitude) и постоянной составляющей (offset). Частота и амплитуда задаются числовыми значениями в единицах измерения, определяемых в соответствующих окнах выбора. Постоянная составляющая измеряется в тех же единицах напряжения, что и амплитуда. Числовое значение в окне «duty cycle» определяет длительность импульса (для прямоугольного сигнала) или нарастания (для пилообразного сигнала) в процентах от периода; т.е. если задано число меньше 50, то импульс (или нарастание) короче паузы (или спада), а если задано число больше 50, то импульс (или нарастание) длиннее паузы (или спада). Параметр «duty cycle» может меняться в диапазоне 1–99. Если выбрана синусоидальная форма генерируемого сигнала, то параметр «duty cycle» не учитывается.

В нижней части лицевой панели расположены три клеммы внешних соединений прибора. Обычно сигнал снимается с клемм «COM» (общий) и «+» (неинвертирующий выход). Клемма «-» (инвертирующий выход) предназначена для получения дифференциального сигнала; в этом случае сигнал снимается с клемм «+» и «-», а его амплитуда будет в два раза больше установленной.

Для визуального наблюдения параметров электрических сигналов применяют универсальный измерительный прибор – электронно-лучевой осциллограф. В общем случае, осциллограф графически (на экране электронно-лучевой трубки) показывает зависимость одного напряжения от другого. Если в качестве второго напряжения использовать напряжение, пропорциональное времени, то на экране осциллографа будет наблюдаться зависимость первого напряжения от времени; именно в этом режиме осциллограф обычно и применяется.

Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу с системой электродов (рис 11.5). Между анодом (А) и катодом (К) прикладывается высокое (единицы киловольт) напряжение, которое создает электрическое поле. Электроны, вылетающие с поверхности катода, под действием электрического поля ускоряются в направлении анода. Применением специальных дополнительных электродов электроны фокусируются в узкий пучок (луч). Электронный луч достигает экрана ЭЛТ. С внутренней стороны экран покрыт слоем люминофора – вещества, которое светится под действием электронной бомбардировки. В горловине ЭЛТ осциллографа расположены две пары параллельных металлических пластин; сами пары установлены взаимно перпендикулярно: одна пара пластин расположена горизонтально, а другая – вертикально. Эти пластины называются отклоняющими. Подача электрического напряжения на пару параллельных пластин приводит к возникновению электрического поля, направленного перпендикулярно плоскости пластин; электрическое поле вызывает отклонение электронного луча. Подача напряжения на вертикально расположенные пластины вызывает смещение луча в горизонтальном направлении, эти пластины называют горизонтально отклоняющими или X-пластинами; подача напряжения на горизонтально расположенные пластины вызывает смещение луча в вертикальном направлении, эти пластины называют вертикально отклоняющими или Y-пластинами. Смещения луча по горизонтали и по вертикали пропорциональны приложенным к X-пластинам и Y-пластинам напряжениям, поэтому электронный осциллограф и используется в качестве электроизмерительного прибора.

Рис. 11.5

Для того чтобы наблюдать на экране ЭЛТ осциллографа зависимость исследуемого сигнала (электрического напряжения) от времени, исследуемый сигнал подается на Y-пластины, а на X-пластины подается сигнал развертки. Развертка – это равномерное перемещение электронного луча (и соответствующей святящейся точки на экране) по горизонтали. Чтобы луч перемещался с постоянной скоростью, напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах должно изменяться во времени линейно, а для возвращения луча в исходное положение напряжение развертки должно быстро падать до начального значения. Таким образом, сигнал развертки должен иметь пилообразную форму (рис. 11.6), причем длительность спада должна быть маленькой. Время нарастания импульса развертки _н называют также временем прямого хода луча, а время спада _с – временем обратного хода, т.к. _с<<_н, то

,

где Т_р – период развертки.

Р ис. 11.6

Реальное начальное значение напряжения развертки (на рисунке оно составляет 0 В) зависит от конструкции ЭЛТ и определяется таким образом, чтобы при этом напряжении луч попадал на левую границу экрана (если смотреть на экран спереди). Максимальное значение напряжения развертки также определяется параметрами ЭЛТ: оно должно соответствовать отклонению луча до правой границы экрана.

Для получения сигнала развертки в осциллографе применяется встроенный генератор пилообразного сигнала (генератор развертки), частота колебаний этого генератора может изменяться в широких пределах регулятором «Время развертки» (или «Скорость развертки»). На экране осциллографа имеется сетка или просто координатные оси с делениями. Регулятор «Время развертки» градуируется в единицах измерения времени, приходящихся на одно деление (например, 5 миллисекунд на деление); очевидно, этот параметр определяет масштаб графика (осциллограммы) по оси абсцисс. Увеличение времени развертки визуально сжимает график; уменьшение – растягивает.

Чтобы график на экране осциллографа был неподвижен, необходимо, чтобы сигнал развертки был «привязан» к какому-то уровню исследуемого сигнала, иначе говорят, что развертка должна быть синхронизирована с исследуемым сигналом. На осциллографе обычно имеется регулятор «Синхронизация» (он может называться и иначе), который позволяет осуществить синхронизацию (установить неподвижное изображение). Кроме того, на осциллографе имеется регулятор «Уровень», позволяющий выбрать точку (уровень) на запускающем сигнале, с которой синхронизируется развертка.

Исследуемый сигнал подается на Y-пластины через усилитель, если уровень сигнала низкий, или делитель (аттенюатор), если уровень сигнала высокий. Коэффициент передачи вертикального канала (усилителя или делителя) изменяется в широких пределах регулятором «Усиление». Этот регулятор проградуирован в единицах напряжения, приходящихся на одно вертикальное деление экрана (например, 50 милливольт на деление); параметр «Усиление» определяет масштаб графика (осциллограммы) по оси ординат. Исследуемый сигнал может подаваться непосредственно или через разделительный конденсатор; в первом случае говорят об открытом входе или входе по постоянному току, а во втором случае – о входе по переменному току. Второй режим предназначен для наблюдения только переменной составляющей сигнала. На лицевой панели осциллографа обычно располагается соответствующий переключатель, который подключает или отключает разделительный конденсатор последовательно входу прибора.

В программе Electronics Workbench имеется модель универсального двухлучевого осциллографа (рис. 11.7). Осциллограф располагается на панели приборов. Для его использования следует переместить значок осциллографа (рис. 11.7, а) в нужное место схемы и выполнить необходимые электрические соединения. Лицевая панель прибора (рис. 11.7, б) раскрывается после двойного щелчка левой кнопкой мыши по значку.

Рис. 11.7

Все органы управления осциллографом расположены на лицевой панели прибора справа от экрана и разделены на четыре группы (блока): блок управления разверткой, блок управления синхронизацией, блок управления усилителем вертикального отклонения канала А и блок управления усилителем вертикального отклонения канала B.

В блоке управления разверткой в соответствующих окнах выбора выбираются время развертки (Time base) в пределах от 1 с на деление до 0,1 нс на деление и смещение луча по горизонтали (X Pos) в пределах от –5 (смещение влево) до +5 (смещение вправо) делений с шагом 0,2. В этом же блоке выбирается источник развертки (ряд из трех кнопок внизу блока): если нажата кнопка Y/T, то развертка осуществляется от встроенного генератора развертки, что позволяет наблюдать зависимость сигналов по каналам А и B от времени; если нажата кнопка B/A, то на горизонтально отклоняющие пластины будет подан сигнал от канала A, а на вертикально отклоняющие пластины будет подан сигнал от канала B, такой режим позволяет наблюдать зависимость сигнала, поданного на вход канала A, от сигнала, поданного на вход канала B; кнопка A/B включает аналогичный режим, но теперь на Y-пластины подан сигнал от канала A, а на X-пластины – сигнал от канала B. Два последних режима предназначены для наблюдения фигур Лиссажу, наблюдения амплитудно-частоных характеристик цепей и др. целей. Для режимов A/B и B/A параметры, заданные в окнах «Time Base» и «X Pos» не учитываются.

В блоке синхронизации (Trigger) нажатием на соответствующую кнопку группы EDGE осуществляется выбор запускающего фронта (передний или задний) сигнала синхронизации. Кнопками, расположенными в нижнем ряду блока, выбирается источник синхронизирующего сигнала: если нажата кнопка «AUTO», то источник сигнала определяется автоматически (т.е. если сигнала нет, то генератор развертки работает в режиме свободной автогенерации, если же имеется сигнал на каком-либо канале, то синхронизация происходит по соответствующему сигналу, если сигналы поданы на оба канала, то синхронизация будет осуществляться от какого-нибудь одного из них). Если нажата кнопка «A» или «B», то синхронизация осуществляется от сигнала в канале А или B соответственно (если в соответствующий канал сигнал вообще не подан, то развертки не будет). Нажатие кнопки «EXT» включает синхронизацию от внешнего сигнала, который подается на клемму, расположенную в этом же блоке (если включен режим «EXT», а внешний синхронизирующий сигнал не подан, то развертки не будет). В окне LEVEL задается уровень сигнала (в делениях экрана) по которому осуществляется синхронизация.

Блоки управления усилителями каналов A и B абсолютно идентичны. В окне ввода, расположенном вверху каждого блока, задается усиление (чувствительность) канала в пределах от 5 кВ на деление до 10 мкВ на деление. В окне «Y POS» задается смещение луча соответствующего канала по вертикали в пределах от –3 (смещение вниз) до +3 (смещение вверх) делений с шагом 0,2. Ряд из трех кнопок, которые расположены внизу блока задают режим работы: если нажата кнопка 0, то сигнал отключен от канала, в этом режиме можно наблюдать нулевую линию развертки; если нажата кнопка DC, то сигнал поступает на вход усилителя вертикального отклонения непосредственно, этот режим (открытый вход) предназначен для наблюдения полного сигнала (постоянной и переменной составляющих); если нажата кнопка AC, то сигнал подается на вход усилителя вертикального отклонения через разделительный конденсатор, этот режим (вход по переменному току) предназначен для наблюдения переменной составляющей сигнала. Справа от кнопок выбора режима расположена клемма для подачи сигнала на вход соответствующего канала. Уровень сигнала измеряется относительно общего провода схемы («схемной земли»), который подключается к клемме «GROUND», расположенной в правом верхнем углу лицевой панели прибора. При использовании осциллографа необходимо, чтобы на схеме был определен узел нулевого потенциала, т.е. в схеме обязательно должно присутствовать заземление (если в схеме не будет заземления, то программа выдаст соответствующее сообщение).

Кроме описанных органов управления, на лицевой панели имеется кнопка «ZOOM» (наезд, увеличение), нажатие на которую приводит к появлению увеличенного изображения лицевой панели осциллографа (рис. 11.8). Этот режим позволяет более детально исследовать сигнал.

Рис. 11.8

Все вышеописанные органы управления присутствуют и на увеличенной передней панели, но их расположение изменено. Между экраном и блоками управления размещено табло отображения результатов измерений. Измерения координат точки на графике (осциллограмме) производятся с помощью двух вертикальных визирных линий (линия 1 – красная, линия 2 – желтая). Визирные линии имеют в верхней части треугольник с номером линии, за этот треугольник линию можно перемещать по экрану в горизонтальном направлении с помощью мыши (нужно подвести указатель мыши к треугольнику, нажать левую кнопку мыши, и, не отпуская ее, перемещать мышь влево или вправо; когда линия будет подведена к нужному месту, следует отпустить левую кнопку мыши). В окнах отображения результатов постоянно показываются временное положение соответствующего визира (T1, T2) и уровни пересечения визиров с отображаемыми процессами по каждому каналу (VA1, VB1, VA2, VB2). В третьем окне отображаются разности соответствующих координат (T2-T1, VA2-VA1, VB2-VB1). Числовые значения представлены в форме действительных чисел с плавающей точкой.

Для удобства работы предусмотрена возможность окраски луча каждого канала разными цветами. Цвет луча определяется цветом провода, по которому подводится сигнал к клемме соответствующего канала. Для изменения цвета провода на схеме следует либо дважды щелкнуть мышью по проводу и в появившейся палитре выбрать нужный цвет, либо выделить провод однократным щелчком мыши и выполнить команду “Wire Color” из меню “Circuit”, после чего, как и в предыдущем случае, выбрать нужный цвет в появившейся палитре.

Для возврата к обычному размеру лицевой панели следует нажать на кнопку «Reduse».

Оптимальные установки параметров развертки и усиления каналов зависят от вида исследуемого сигнала и от того, какие именно параметры сигнала измеряются или оцениваются с помощью осциллографа. Для большинства случаев (когда требуется получить общее представление о форме сигнала и оценить числовые значения параметров сигнала) время развертки следует выставлять таким, чтобы на экране помещалось 3–5 периодов исследуемого сигнала. Усиление канала при наблюдении переменной составляющей сигнала (или полного сигнала, который не имеет постоянной составляющей) должно быть таким, чтобы сигнал занимал примерно 2/3 экрана осциллографа (если сигнал однополярный, то он должен занимать 2/3 соответствующей половины экрана, если не применяется смещение по вертикали). При наблюдении полного сигнала с постоянной составляющей усиление канала должно быть таким, чтобы наблюдался весь сигнал (т.е. таким, чтобы график сигнала в областях максимальных значений напряжений не выходил за пределы экрана). Следует учесть, что если постоянная составляющая сигнала существенно превышает амплитуду переменной составляющей, то при наблюдении полного сигнала на экране осциллографа переменная составляющая может быть плохо видна. Для ее наблюдения и предназначен режим входа по переменному току. При необходимости можно применять смещение луча по вертикали, следует только учитывать, что при этом снижается наглядность осциллограммы (например, смещением по вертикали можно сделать полностью невидимой постоянную составляющую сигнала), поэтому всегда следует обращать внимание на значение смещения луча по вертикали.

Разумеется, если параметры сигнала известны априори, то осциллограф следует настроить заблаговременно, т.е. до подключения исследуемого сигнала. Если же никакие параметры исследуемого сигнала априори не известны, то усиление используемого вертикального канала следует установить минимальным (в данном случае 5 кВ на деление), а время развертки установить максимальным, затем следует подать исследуемый сигнал на открытый вход (режим DC) осциллографа и, увеличивая усиление и уменьшая время развертки, добиться оптимального изображения (см. выше); затем, если в сигнале визуально видна большая постоянная составляющая, то следует переключить используемый канал осциллографа в режим входа по переменному току и, продолжая увеличивать усиление, вновь получить оптимальное изображение, но теперь уже для наблюдения переменной составляющей.

Необходимо также отметить, что при подаче импульсного сигнала на вход по переменному току вид осциллограммы будет зависеть от скважности, т.к. «нулевая линия» в этом случае будет определяться как среднее значение сигнала за период.