Практическая работа.Измерение электрических величин с

Практическая работа.Измерение электрических величин с помощью
электронно-лучевого осциллографа
Цель работы. Ознакомление с устройством и работой электронного осциллографа,
измерение с помощью осциллографа электрических величин.
Краткие теоретические сведения.
Осциллограф – прибор, показывающий форму напряжения во времени. Также он
позволяет измерять ряд параметров сигнала, такие как напряжение, ток, частота, угол
сдвига фаз. Но главная польза от осциллографа – возможность наблюдения формы
сигнала. Во многих случаях именно форма сигнала позволяет определить, что именно
происходит в цепи рис.1.
рис1
Принцип действия осциллографа.
«Сердцем» прибора является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ является
электронной лампой, и, как и все лампы, она «заполнена» вакуумом. Катод излучает
электроны, а система фокусировки формирует из них тонкий луч. Этот электронный луч
попадает на экран, покрытый люминофором, который под воздействием электронной
бомбардировки светится, и в центре экрана возникает светящаяся точка.
Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных
направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для
наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся
по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси – пропорционально исследуемому напряжению.
На пластины горизонтального отклонения луча (расположенные вертикально) подается
напряжение развертки. Оно имеет пилообразную форму: постепенно линейно нарастает и
быстро спадает (рис. 3). Отрицательное напряжение отклоняет луч влево, а положительное – вправо (если смотреть со стороны экрана). В результате луч движется по экрану
слева направо с определенной постоянной скоростью, после чего очень быстро
возвращается к левой границе экрана и повторяет свое движение. Расстояние, которое
проходит луч вдоль горизонтальной оси, пропорционально времени. Этот процесс
называется разверткой, а горизонтальная линия, которую луч прочерчивает по экрану,
называется линией развертки (иногда при измерениях ее называют нулевой линией). Она
играет роль оси времени t графика. Частота повторения пилообразных импульсов
называется частотой развертки, но она для измерений не используется.
1
рис2-Устройство электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением.
Рис. 3. Форма напряжения развертки
Если при этом на пластины вертикального отклонения (расположенные горизонтально)
подать исследуемое напряжение, то луч начнет отклоняться и по вертикали: при
2
положительном напряжении вверх, а при отрицательном – вниз. Движения по вертикали и
по горизонтали происходят одновременно и в результате исследуемый сигнал
«разворачивается» во времени. Получившееся изображение называется осциллограммой.
Кроме линейной существует еще круговая и спиральная развертки, а также фигуры
Лиссажу, когда один из сигналов является разверткой для второго.
Важным моментом является соотношение частот развертки и сигнала. Если эти
частоты в точности равны, то на экране отображается ровно один период исследуемого
сигнала. Если частота сигнала вдвое больше частоты развертки, то мы увидим два
периода, если втрое – то три. Если частота сигнала вдвое меньше частоты развертки, то
мы увидим только половину периода сигнала. Частоту (скорость) развертки можно
регулировать в широких пределах. Но изображение будет стабильным только в том
случае, если частоты развертки и сигнала точь-в-точь совпадают. При малейшем
несовпадении частот, каждое начало движения луча по экрану будет соответствовать
новой точке функции входного сигнала, и ее график каждый раз будет рисоваться в новом
положении. При небольшом несовпадении частот (доли герца) это будет выглядеть как
график, «плывущий» влево или вправо. При несовпадении частот в несколько герц и
более, осциллограмма становится нечитаемой (рис. 4).
Рис. 4. Осциллограмма при отсутствии синхронизации.
Добиться абсолютно точного совпадения частот (особенно в десятки-сотни килогерц)
практически невозможно. Поэтому разверткой в осциллографе управляет специальная
схема синхронизации. Она задерживает начало движения луча по экрану так, чтобы луч
начинал двигаться в тот момент, когда входное напряжение достигло определенного
значения. В этом случае луч начинает движение (и рисование осциллограммы) каждый
раз с одной и той же точки графика входного сигнала. В результате каждое следующее
движение луча рисует картинку в одном и том же положении, даже если частоты сигнала
и развертки заметно не совпадают. Изображение получается стабильным и устойчивым.
Напряжение сигнала, при котором происходит синхронизация (уровень синхронизации),
задается органами управления осциллографа. Визуально изменение этого напряжения
вызывает смещение начала изображаемого графика относительно начала периода сигнала,
рис. 5.
3
Рис. 5. Осциллограммы при разных уровнях синхронизации.
Для того чтобы можно было наблюдать несколько сигналов одновременно, выпускают
многолучевые и многоканальные осциллографы. ЭЛТ двухлучевых осциллографов
работает одновременно с двумя лучами на общем экране, которые позволяют наблюдать
два сигнала абсолютно независимо. Поэтому больше распространены двухканальные
осциллографы. Их ЭЛТ самая обычная, но они имеют два отдельных входа и два
независимых усилителя вертикального отклонения, которые обслуживают входные
сигналы. Кроме того, они имеют встроенный высокоскоростной коммутатор, очень
быстро переключающий ЭЛТ (пластины вертикального отклонения) от одного канала к
другому. Изображения сигналов при этом не являются непрерывными линиями, а состоят
из множества штрихов. Но на экране штрихи сливаются, и в результате получается два
графика входных сигналов. Лишь при наблюдении высокочастотных сигналов и
неудачной частоте развертки изображение может стать пунктирным.
Подключение осциллографа.
Поскольку напряжение измеряется между двумя точками, то вход осциллографа имеет две
клеммы. Причем они не равнозначны. Одна клемма, называемая «фаза», подключена ко
входу усилителя вертикального отклонения луча. Вторая клемма – «земля» или «корпус».
Она называется так потому, что электрически соединена с корпусом прибора (это общая
точка всех его электронных схем). Осциллограф показывает напряжение фазы по
отношению к земле.
Очень важно знать, какой из входных проводников является фазой
Определив фазу и корпус входного кабеля, можно подключать осциллограф к
исследуемой цепи. Если в ней нет четко выраженного общего провода, то корпус
подключается к любой из точек, напряжение между которыми требуется исследовать.
Если в цепи присутствует общий провод – точка, условно принимаемая за нулевой
потенциал, соединенная с корпусом устройства или реально заземленная, то корпус
осциллографа лучше подключать к этой точке. Невыполнение этого правила может
привести к значительным погрешностям измерений.
По своей сути осциллограф является вольтметром, показывающим график напряжения.
Однако с его помощью можно наблюдать и форму тока. Для этого последовательно с
исследуемой цепью включают резистор Rт (здесь индекс «т» означает токовый), рис. 6.
Сопротивление резистора Rт выбирают намного меньшим, чем сопротивление цепи, тогда
резистор не влияет на ее работу и его включение не приводит к изменениям режима
работы цепи. На резисторе по закону Ома возникает напряжение:
4
Это напряжение и измеряется осциллографом. А зная величину Rт можно перевести
напряжение, показываемое осциллографом в ток.
Двухканальный (и двухлучевой) осциллограф может показывать осциллограммы двух
сигналов одновременно. Для этого у него имеется два входа (канала), обычно
обозначаемых I и II. Следует помнить, что одна из входных клемм каждого канала
соединена с корпусом осциллографа, следовательно, клеммы «корпус» обоих каналов
соединены между собой. Поэтому эти клеммы должны подключаться к одной и той же
точке цепи, иначе в цепи произойдет замыкание (рис. 7).
На рис. 7а точки цепи В и D оказались замкнутыми между собой через корпус
осциллографа (замыкающий проводник показан пунктиром). В результате конфигурация
цепи изменилась.
Возможность наблюдать не любые два напряжения, а только имеющие общую точку,
является недостатком, но небольшим – в электронике один из полюсов источника питания
всегда является общим проводом, и все напряжения измеряются относительно него.
Используя двухканальный осциллограф можно одновременно наблюдать и напряжение, и
ток в цепи.
Рис. 6. Измерение тока осциллографом
5
Рис. 7. Подключение двухканального осциллографа.
Порядок работы:
1. Зарисовать схему измерение тока осциллографом.
2. Зарисовать схему подключение двухканального осциллографа.
Контрольные вопросы.
1. Каково назначение осциллографа?
2. Опишите принцип действия электронно-лучевой трубки.
3. Какое изображение называется осциллограммой?
4. Условие когда осциллограмма становится нечитаемой?
5. Какая схема управляет разверткой в осциллографе ?
6. Сколько клемм на входе одноканального осциллографа и как они называются?
7. Как определяют ток по измеренному напряжению?
8..Преимущество двухканального осциллографа.
6