1. Ознакомление с осциллографом

ЭКСПЕРИМЕНТ 16 Ознакомление с осциллографом

Цели

После проведения данного эксперимента Вы сможете использовать органы управления осциллографа для вывода на его дисплейный экран осциллограмм сигналов и осуществления измерений амплитуды и частоты для постоянного и перемен-ног» тока.

Необходимые принадлежности

* Осциллограф

* Мультиметр

* Генератор функций

* Источник постоянного напряжения

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Осциллограф становится относительно простым в использовании прибором после первого знакомства с ним. Затруднение может вызывать лишь изучение и запоминание функции каждого из различных органов управления на передней панели. На передней панели осциллографов имеется множество ручек, лимбов, переключателей, кнопок и соединителей. Для непосвященных это кажется очень трудным. Изучите назначение каждого органа управления и проследите за его действием на дисплее. В результате Вы быстро поймете способ

его использования. Одним из лучших способов изучения функций и методов использования осциллографа является получение по возможности большего опыта во время практической работы.

Осциллограф

Используемый Вами осциллограф, по-видимому, двухканального типа (он позволяет наблюдать одновременно два отдельных сигнала). Следовательно, он имеет два входных кабеля и соединителя. Они обычно маркируются как канал 1 и 2 или А и В. Каждый кабель также имеет наименование; имеются два основных типа — прямой и аттенюаторный.

Кабели осциллографа

Кабель прямого типа является коаксиальным кабелем с двумя выводами, которые обычно имеют концевую заделку посредством зажимов типа «крокодил» для подключения к схеме. В этом кабеле могут использоваться также щуповые наконечники вместо двух зажимов типа «крокодил». В любом случае данный кабель подводит сигнал, который должен воспроизводиться на экране, напрямую (без ослабления) к осциллографу.

С аттенюаторным типом соединителя также используется коаксиальный кабель, но в общем случае применяется щуп вместо зажимов типа «крокодил». Узел щупа содержит последовательный резистор с большим сопротивлением, которое вместе с полным входным сопротивлением осциллографа формирует делитель напряжения. Таким образом, данный щуп и кабель выполняют ослабление (аттенюацию) сигнала в 10 раз.

Преимуществом такого кабеля является то, что он создает меньшую емкостную нагрузку для схем высокой частоты, позволяя визуализировать высокочастотные сигналы и сложные формы сигнала. Тем не менее, взамен имеет место потеря амплитуды сигнала, которая может обычно компенсироваться увеличением усиления осциллографа. Чтобы получить корректное измерение амплитуды сигнала, настройка осциллографа умножается на 10. Такие щупы называются щупами Х10.

Измерение амплитуды

Для амплитудных измерений на осциллографе используется откалиброванная сетка или координатная сетка на экране электронно-лучевой трубки для определения числа делений между максимальным положительным и минимальным отрицательным отклонениями сигнала (такое измерение называется измерением размаха или двойной амплитуды сигнала). Для измерений выполняйте следующие шаги:

Шаги при измерении амплитуды

1. Установите переключатель управления коэффициентом усиления по вертикали для визуализации как можно большего размаха сигнала на координатной сетке.

2. Установите ручку непрерывного управления коэффициентом усиления по вертикали в позицию CAL (калибровка).

3. Подсчитайте количество делений и долей деления между положительным и отрицательным пиками сигнала. Используйте регулятор вертикальной позиции для перемещения осциллограммы сигнала при необходимости. Заметьте, что большая часть осциллографов имеет восемь больших вертикальных делений, разделенных на пять меньших делений.

4. Умножьте число делений на значение установки переключателя коэффициента усиления по вертикали. Вы получаете значение размаха сигнала.

5. Если Вы использовали щуп Х10, умножьте Ваше

значение в шаге 4 на 10. Это даст правильное

значение размаха напряжения.

Пример: Коэффициент усиления по вертикали устанавливается 50 мВ/деление. Это означает, что каждое большое вертикальное деление соответствует 50 мВ. При этом каждое из пяти малых делений соответствует 50/5 = 10 мВ.

Предположим, что амплитуда Вашего сигнала перекрывает 6, 3 делений. Тогда его значение амплитуды равно 50 х 6, 3 = 315 мВ. Если использовался щуп Х10, то амплитуда сигнала равна 315 х 10 = 3150 мВ или 3, 15В.

Измерение частоты

Для измерений частоты (f) на осциллографе сначала измерьте период (t) сигнала. Период — это время одного цикла. Самый простой способ сделать это — подсчитать количество горизонтальных делений между двумя последовательными пиками сигнала. Для измерений выполняйте следующие шаги:

Шаги при измерении частоты

1. Установите переключатель горизонтальной развертки для визуализации одного или двух периодов (циклов) сигнала.

2. Установите ручку непрерывного управления горизонтальной частотной разверткой в положение CAL (калибровка).

3. Подсчитайте количество делений между последовательными пиками сигнала. Используйте регулятор горизонтального сдвига для перемещения осциллограммы сигнала при необходимости.

4. Умножьте число делений на значение установки переключателя горизонтальной развертки. Вы получаете значение периода сигнала (t). 5. Чтобы вычислить частоту сигнала, найдите обратную величину периода: f = 1/t Пример: Переключатель горизонтальной развертки устанавливается на 20 мкс/деление. Предположим, Вы насчитали 4, 4 деления между последовательными пиками сигнала. Тогда его период (1) равен: 4, 4 х 20 = 88 микросекунд. А частота сигнала равна:

f = 1/(88 х 10^-6) = 11363, 64 Гц или 11, 36 кГц

ПРОЦЕДУРА

1. Рассмотрите измерительные выводы осциллографа, чтобы определить, какого они типа. Запишите эти типы:

СН А (канал А. __________

СН В (канал В) __________

2. Включите питание осциллографа при помощи переключателя на передней панели. Дайте электронно-лучевой трубке приблизительно одну минуту, чтобы прогреться:

а) пока электронно-лучевая трубка прогревается, установите переключатель управления режимом развертки в положение Авто;

б) установите селектор источника в положение СН 1 (канал 1) или CН А (канал А);

в) установите регулятор горизонтального сдвига в среднее положение;

г) регулятор вертикального сдвига предусмотрен для обоих входных каналов; установите его также в среднее положение;

д) установите входной переключатель для каждого канала в положение GND (масса);

е) когда осциллограф прогреется, Вы должны видеть яркую горизонтальную линию на экране осциллографа. Поворачивайте регулятор вертикального сдвига, чтобы переместить горизонтальную линию в центр экрана. 3. След на экране должен быть ярким и четким. Если это не так, отрегулируйте его ручками фокусировки и яркости, которые обычно расположены на передней панели осциллографа. Используя регулятор фокусировки, Вы должны попробовать сделать линию размытой, а затем сфокусировать ее до четкого состояния. Попробуйте поработать регулятором яркости, который устанавливает уровень яркости линии. Не делайте линию слишком яркой, ибо в этом случае она будет слишком широкой, что снизит точность Ваших измерений.

ПРИМЕЧАНИЕ: Запомните в качестве основного правила, что яркость делать надо низкой, насколько возможно, лишь бы она обеспечивала удобное наблюдение при нормальном окружающем освещении.

4. Подсоедините щуповой наконечник для канала 1 (СН 1) к небольшому соединителю на передней панели, с маркировкой CAL. Осциллограф содержит встроенный мультивибратор, который работает на частоте 1 кГц и формирует прямоугольное колебание (меандр) с размахом того или иного указанного напряжения. Этот сигнал с внутренней калибровкой позволяет Вам быстро контролировать измерения при помощи осциллографа частоты и амплитуды для корректных калибровок.

CAL (калибровочное) напряжение ___ Vpp

(напряжение размаха). Установите регуляторы передней панели осциллографа таким образом, чтобы регуляторы по горизонтали и вертикали были полностью выведены по часовой стрелке в позиции CAL. Затем установите частоту горизонтальной развертки при помощи переключателя TIME/DIV в положение 0. 1 мс. И, наконец, установите коэффициент усиления по вертикали при помощи переключателя VOLTS/DIV в положение 50 мВ.

5. Если Вы даже подали откалиброванный сигнал на вертикальный вход осциллографа, на его экране не появляется никакого сигнала. Причиной этого является то, что Вы предварительно должны установить входной переключатель в положение GND (масса). Это просто заземлит входную линию и даст Вам опорную позицию нуль вольт для входного сигнала. Вы можете теперь при помощи регулятора вертикального сдвига выполнять перемещение развертки вверх и вниз, чтобы одна из горизонтальных линий на координатной сетке соответствовала положению нуль вольт. Входной переключатель установите в позицию АС (переменный ток). Сразу же Вы должны увидеть прямоугольные колебания на экране. Выполняйте регулирование при помощи регулятора вертикального и горизонтального сдвига, чтобы меандр был четко виден на экране. ПРИМЕЧАНИЕ: Когда Вы устанавливаете входной переключатель в положение АС, последовательно с входной линией включается конденсатор. На основании этого любое постоянное напряжение во входном сигнале блокируется, и на индикацию выводится только переменная составляющая сигнала. В этом случае происходит следующее. Установив линию нуля вольт на центральной горизонтальной линии, Вы заметите, что прямоугольный сигнал коммутируется выше и ниже нулевой линии. Другими словами, блокировочный конденсатор внутри осциллографа подавляет выход постоянного напряжения мультивибратора, так что на экране осциллографа появляется только переменная составляющая сигнала. 6. Далее, используйте регулятор коэффициента усиления по вертикали, чтобы варьировать амплитуду сигнала. По мере вращения регулятора Вы можете заметить, что амплитуда может изменяться в широком диапазоне. Это позволяет Вам удобно разместить сигнал на экране осциллографа для наблюдения за ним. Помните, тем не менее, что для осуществления точных измерений этот регулятор должен быть в полностью выведенном по часовой стрелке положении (CAL).

лишь в этом случае обозначения напряжений на делениях регулятора коэффициента усиления по вертикали корректны. Поворачивайте регулятор горизонтальной развертки. Вы сейчас изменяете скорость развертки внутреннего генератора пилообразного напряжения. Следовательно, Вы можете наблюдать на экране осциллографа больше или меньше периодов сигнала. Таким образом, данный регулятор позволяет Вам удобно отрегулировать количество периодов для индикации. Тем не менее, для измерения периода или других временных параметров сигнала регулятор развертки должен быть в полностью выведенном по часовой стрелке положении (CAL), чтобы значения времени на делениях переключателя были корректны.

7. Установите входной переключатель в положение DC (постоянный ток) и заметьте влияние на форму сигнала. Вам может потребоваться поработать регуляторами вертикального и/или горизонтального сдвига, чтобы снова увидеть форму сигнала. Чтобы временно локализовать и установить нулевую линию, установите входной переключатель назад в положение GND. Затем совместите линию развертки с одной из горизонтальных линий в нижней части экрана. Это опорная линия нулевого напряжения. Теперь установите входной переключатель снова в положение DC. Заметьте, что прямоугольный сигнал появляется выше нулевой линии. Это означает, что прямоугольный сигнал переключается приблизительно от нуля вольт до пикового значения. Заметьте, что когда форма сигнала разворачивается вверх от базисной нулевой линии, она представляет положительное напряжение. Если форма сигнала разворачивается вниз от базисной нулевой линии, она отражает отрицательное напряжение. 8. Измерьте амплитуду сигнала. Обеспечьте, чтобы регулятор коэффициента усиления по вертикали был полностью выведен по часовой Стрелке в положение калибровки. Подсчитайте количество вертикальных делений между основанием прямоугольного колебания и вершиной прямоугольного колебания. Например, если напряжение CAL равно 0, 25В или 250 мВ (размах), Вы должны насчитать 5 делений, когда VOLTS/DIV установлен в. положение 50 мВ. Пять делений по 50 мВ каждое дают напряжение размаха 250 мВ. Если Вы использовали аттенюаторный щуп Х10, установите регулятор коэффициента усиления по вертикали на значение 5 мВ на одно деление, затем умножьте это значение на 10, чтобы получить 250 мВ.

калибровочное напряжение =________ Vpp

Внутренняя схема калибратора недостаточно точна, однако сигнал на экране должен приблизительно соответствовать указанному на передней панели.

9. Измерьте частоту сигнала. Большинство калибраторов используют частоту 1 кГц, однако может использоваться и другое значение. Установите переключатель TIME/DIV в положение 1 мс. Убедитесь, что регулятор развертки находится в положении CAL. Это означает, что каждое горизонтальное деление на экране соответствует одной миллисекунде. Вы должны суметь увидеть, что один период прямоугольного сигнала занимает до одной миллисекунды на экране. Вспомните, что один период состоит из одного развернутого в положительную сторану и одного развернутого в отрицательную сторону импульса.

Установите переключатель TIME/DIV в положение 0, 1 мс. Теперь каждое деление на экране соответствует 0, 1 мс или 100 мкс. Поскольку период сигнала 1 кГц равен 1 миллисекунде, один полный период сигнала должен занимать весь экран (10 горизонтальных делений). Выполняйте перемещение при помощи регулятора горизонтального сдвига туда и сюда, чтобы Вы могли видеть, что положительный фронт импульса на левой стороне экрана начинается у дальней левой вертикальной линии, а затем положительный фронт следующего импульса начинается приблизительно у дальней правой вертикальной линии. Повторите это движение, чтобы Вы могли лучше разобраться в этом. Поскольку калибратор не является чрезмерно точным, длительность одного периода может быть несколько меньше или несколько больше, чем 10 полных делений на экране. Какова измеренная частота калибратора?

частота CAL = ____ Гц

0. Пока Вы рассматриваете эту форму сигнала, установите переключатель MODE в положение NORM. Если картинка исчезает, подстраивайте регулятор порогового уровня до тех пор, пока сигнал не появится снова. Вы используете теперь функцию запускаемой развертки. Вы можете регулировать пусковой

уровень или точку на форме сигнала, где сигнал запускает горизонтальную развертку. Поскольку входной сигнал представляет собой положительный импульс, запуск будет осуществляться по положительному напряжению. Варьируйте регулятором пускового уровня как в направлении по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, замечая его влияние на форму сигнала. Установите регулятор пускового уровня таким образом, чтобы, сигнал визуализировался на экране. Вытяните ручку регулятора пускового уровня. Данный переключатель изменяет полярность при запуске. Теперь Вы заметите, что форма сигнала начинается на левой стороне экрана с разворачиванием в отрицательном направлении, а не в положительном, как раньше. Позже, когда Вы будете выводить на экран колебания синусоидальной формы, Вы снова более подробно будете знакомиться с этой пусковой функцией.

11. Подключите кабель осциллографа к выходу генератора функций.

12. Установите генератор функций для формирования синусоидального сигнала с частотой 1 кГц. Поверните регулятор амплитуды или регулятор выходного уровня на генераторе функций до упора по часовой стрелке. Вы должны увидеть синусоидальный сигнал с частотой приблизительно 1 кГц на экране осциллографа. Если на экране ничего нет, переключатель режима MODE может находиться у Вас в положении NORM, а пусковой уровень может быть некорректно отрегулирован.

Регулируйте ручкой пусковой уровень, пока на экране не появится форма сигнала. После этого отрегулируйте положения переключателя коэффициента усиления по вертикали и переключателя горизонтальной развертки таким образом, чтобы Вы могли видеть на экране несколько периодов синусоидального сигнала. Поработайте с регуляторами, пока не получите на экране удовлетворительную картинку. 13. Теперь Вы будете исследовать частотный диапазон генератора функций. На генераторе функций установите переключатель диапазонов в положение самого низкого значения и поверните регулятор частоты в крайнее положение против часовой стрелки. Установите ручку переключателя режима MODE на осциллографе в положение AUTO. Вы видите горизонтальную линию поперек экрана, перемещающуюся вверх и вниз с небольшой скоростью. Скорость небольшая потому, что частота развертки вашего осциллографа слишком быстра для Вас, чтобы визуализировать (то есть, выводить на экран) полный период синусоидального сигнала, генерируемого генератором функций на такой малой частоте. Вы можете получить представление о частоте, если подсчитаете, сколько раз нарастает и убывает синусоидальное колебание. Синусоидальному сигналу должна потребоваться приблизительно 1 секунда, чтобы пройти от самой низкой до самой высокой позиции, а затем вернуться назад. Во время наблюдения за синусоидальным сигналом начните вращать ручку регулятора частоты в направлении по часовой стрелке. Скорость движения вверх и вниз должна возрастать. В некоторый момент Вы должны будете иметь возможность установить переключатель TIME/DIV на большее значение, и Вы будете наблюдать синусоидальный сигнал низкой частоты.

Установите переключатель диапазонов на генераторе функций в положение следующего более высокого значения и заметьте эффект на экране. Частота должна сразу же возрасти до значительно большего значения, и Вы увидите уже больше периодов, визуализируемых на экране. Поверните переключатель TIME/DIV в положение большего значения, и наблюдайте за синусоидальным сигналом на экране. Варьируйте положение регулятора частоты на генераторе функции, чтобы видеть, как изменяется частота.

Продолжайте этот процесс, переключая генератор функций на более высокие частоты и варьируя регулятор частоты по всему его диапазону. Этим Вы будете продолжать увеличивать частоту. При увеличении частоты синусоидальные колебания не будут больше видны, если только Вы нс растянете их при помощи переключателя горизонтальной развертки TIME/ DIV. Всякий раз, когда Вы повышаете частоту. необходимо уменьшать частоту развертки, чтобы наблюдать за формой сигнала. 14. В качестве последнего наблюдения за частотой генератора функций установите переключатель диапазонов на генераторе функций в положение максимального значения и поверните регулятор частоты R полностью выведенное по

часовой стрелке положение. То, что Вы увидите, это сигнал максимальной частоты, которую может обеспечить генератор функций. Используя описанную методику установите переключатель развертки в удобное положение. После этого выполните измерение периода между смежными положительными или отрицательными пиками. Оцените время периода, затем рассчитайте частоту. Какова приблизительно максимальная выходная частота у генератора функций?

Максимальная частота = ___ Гц

15. Пока Вы исследуете максимальную выходную частоту генератора функций, измерьте также амплитуду этого сигнала:

а) обеспечьте, чтобы регулятор амплитуды находился в его полностью выведенном по часовой стрелке положении. Это положение максимального выходного напряжения, которое может быть получено от генератора функций без нагрузки;

б) установите на осциллографе регулятор коэффициента усиления для входного сигнала по, вертикали в полностью выведенное по часовой стрелке положение калибровки;

в) переключатель VOLTS/DIV установите в удобное положение для измерения;

г) используйте регулятор сдвига по вертикали для перемещения сигнала вверх и вниз таким образом, чтобы Вы смогли подсчитать количество делений между отрицательным пиком и положительным пиком сигнала;

д) подсчитайте количество делений и умножьте это число на цену одного деления. Затем снова

умножьте полученное значение на коэффициент 10, если Вы используете аттенюаторный щуп для измерений;

е) какое максимальное выходное напряжение Вы можете получить от генератора функций? Максимальное выходное напряжение = __ В (размах) Наконец, продемонстрируйте, как уменьшить выходное напряжение сигнала с помощью регулятора амплитуды на генераторе функций в направлении против часовой стрелки. Вы должны иметь возможность понизить выходное напряжение до очень низкого уровня, однако это напряжение не опустится полностью до нуля, и при низких амплитудах форма сигнала будет несколько искажена. Однако в любом случае Вы можете варьировать формой выходного сигнала в довольно широком диапазоне.

16. Большинство генераторов функций формируют также прямоугольные сигналы и/или сигналы треугольной формы. Если Вы захотите понаблюдать за другими формами сигналов, формируемыми генератором функций, Вы можете добиться этого настройкой органов управления на передней панели. Рассмотрите сигнал треугольной формы. Какой это сигнал, АС (переменного тока. или DC (постоянного тока)? Рассмотрите сигнал прямоугольной формы. Какой это сигнал, АС (переменного тока. или ОС (постоянного тока)?

Сигнал треугольной формы _________

Сигнал прямоугольной формы _______

ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Щуп х10 осциллографа:

а) ослабляет входной сигнал в 10 раз,

б) усиливает входной сигнал в 10 раз.

2. Расстояние между положительным и отрицательным пиками синусоидального сигнала составляет 6, 4 делений. Регулятор коэффициента усиления по вертикали установлен на 50 мкВ/деление. Используется щуп х10. Значение размаха напряжения составляет:

а) 3, 2 мкВ,

б) 32 мкВ,

в) 320 мкВ,

г) 3, 2 мВ.

3. Расстояние по горизонтали между смежными пиками синусоидального сигнала составляет 4, 7 делений. Скорость развертки составляет 2 мкс/ деление. Частота синусоидального сигнала равна:

а) 63, 5 кГц,

б) 94 кГц,

в) 106, 38 кГц,

г) 176, 24 кГц.

4. Какая форма сигнала обычно не формируется генератором функций?

а) синусоидальный сигнал,

б) пилообразный сигнал,

в) сигнал прямоугольной формы,

г) сигнал треугольной формы.

5. Какой регулятор Вы используете для перемещения сигнала вверх и вниз по экрану? а) регулятор коэффициента усиления по горизонтали,

б) регулятор коэффициента усиления по вертикали,

в) регулятор горизонтального сдвига,

г) регулятор вертикального сдвига.