И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах
а — структурная схема; б — принцип действия
Основной составляющей частью является аналого-цифровой преобразователь, называемый в этом случае преобразователем напряжение — время. Преобразователь содержит измерительный компаратор, который сравнивает измеряемое напряжение Ux с линейно нарастающим эталонным напряжением Uэт, подводимым от специального генератора. В момент равенства напряжений Ux и Uэт на выходе схемы сравнения появляется импульс сравнения. Второй импульс сравнения появляется на выходе нулевого компаратора в момент перехода напряжения Uэт через нулевой уровень. Оба импульса открывают и закрывают вентиль, через который проходят образуемые генератором эталонных импульсов сформированные соответствующим образом узкие импульсы. Интервал времени между двумя импульсами сравнения является мерой величины Ux, а последовательность импульсов свидетельствует о знаке измеряемого напряжения. Число импульсов за время отпирания вентиля подбирается так, что напряжение непосредственно считывается по показаниям счетчика на цифровом индикаторе.
Современные цифровые вольтметры обеспечивают точность измерений 0,01—0,001 %.
Что такое осциллограф?
Осциллограф является одним из наиболее важных и самых универсальных измерительных приборов, поскольку дает возможность непосредственного наблюдения изменения напряжений и токов во времени на экране осциллографической трубки, являющейся основным элементом осциллографа.
Как работает осциллографическая трубка?
Упрощенная схема конструкции осциллографической трубки представлена на рис. 13.9.
Рис. 13.9. Упрошенная схема конструкции осциллографической трубки
Трубка является электронно-лучевым прибором с электрической фокусировкой и отклонением электронного луча. Источником электронов служит подогревный катод К. Плотность электронного луча регулируется с помощью изменения отрицательного смещения на управляющем электроде, называемом модулятором М. Электроны достигают необходимой скорости под воздействием электрического поля анодов A1 и А2, имеющих положительный потенциал относительно катода: 300 — 1000 В (А1) и 800 — 4000 В (А2). Фокусировка электронного потока в узкий пучок осуществляется с помощью электрического поля, действующего между анодами А1 и А2, образующими электронную линзу.
Экран трубки, покрытый люминофором, светится под влиянием бомбардировки потоком электронов, обладающих высокой энергией. Управление электронным потоком, т. е. придание ему желательного напряжения, осуществляется с помощью двух пар взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин у1, у2 и x1, х2. При отсутствии напряжения на пластинах электронный поток распространяется по прямой и дает световое пятно в центре экрана. Если к паре пластин подводится напряжение, то между ними возникает электрическое поле, отклоняющее электронный поток в направлении пластины с положительным зарядом. При этом происходит перемещение светового пятна на экране на расстояние, пропорциональное подведенному напряжению.
Напряжение, подводимое к пластинам x1, х2, вызывает перемещение светового пятна по горизонтали, а напряжение, подводимое к пластинам у1, у2 — по вертикали. Если на пластины подать переменное напряжение с частотой более 15–20 Гц, то на экране наблюдается линия, в которую сливаются отдельные положения светового пятна.
Почему ка экране осциллографа появляется изображение исследуемого напряжения?
Изображение исследуемого напряжения на экране осциллографа возникает благодаря подаче на отклоняющие пластины осциллографической трубки двух напряжений. На горизонтальные отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение — временная развертка. Период пилообразного напряжения состоит из рабочего периода, в течение которого напряжение меняется по линейному закону и вызывает равномерное перемещение электронного луча по экрану в горизонтальном направлении, а также времени возврата (обратного хода луча), за которое напряжение быстро возвращается к начальному значению. Напряжение, которое должно наблюдаться, подается на вертикальные отклоняющие пластины. Это напряжение отклоняет электронный луч вверх или вниз, причем отклонение луча пропорционально мгновенному значению исследуемого напряжения. Таким образом, в результате одновременного отклонения электронного луча в обоих направлениях следующие друг за другом мгновенные значения исследуемого напряжения откладываются по вертикали, начиная от левого края экрана, т. е. возникает изображение, по форме соответствующее данному напряжению.
Из каких основных узлов состоит осциллограф?
Осциллограф состоит из трех основных узлов: осциллографической трубки совместно со схемой ее питания, а также трактов вертикального Y и горизонтального отклонения X.
Тракт вертикального отклонения Y содержит усилители, задачей которых является усиление подводимого ко входу напряжения до значения, при котором происходит соответствующее отклонение электронного луча в осциллографической трубке. Эти усилители снабжены органами регулировки усиления, позволяющими выбрать удобный размер изображения на экране. Измерение отклонения луча упрощает расположенная перед экраном прозрачная пластина с нанесенной шкалой.
Тракт горизонтального отклонения X содержит генератор временной развертки, создающий рассмотренное ранее пилообразное напряжение, и усилители; частота генератора развертки регулируется, поскольку она должна быть подобрана — согласована с частотой наблюдаемого колебания. Для обеспечения стабильности изображения наблюдаемого колебания частота генератора развертки должна быть синхронна с частотой наблюдаемого колебания.
Органы регулировки усиления в тракте Y и частоты развертки в тракте X прокалиброваны соответственно в вольтах на деление вертикальной шкалы или микросекундах на деление горизонтальной шкалы. Это позволяет проводить быструю оценку амплитудных и временных зависимостей в наблюдаемом колебании. Упрощенная структурная схема осциллографа представлена на рис. 13.10.
Рис. 13.10. Упрощенная структурная схема осциллографа
Какие измерения можно проводить с помощью осциллографа?
С помощью осциллографа можно анализировать форму напряжения, что особенно важно в импульсной технике, т. е. можно измерять времена нарастания и спада импульса, его длительность, возможные пульсации, частоту повторения и т. п. Осциллограф дает возможность измерения напряжения, частоты (путем сравнения с колебанием известной частотой) и фазовых сдвигов; он также входит во многие сложные измерительные приборы, например, генераторы качающейся частоты.
Каковы основные параметры осциллографа?
Основными параметрами осциллографа являются: ширина полосы пропускания тракта Y, чувствительность тракта Y и скорость временной развертки. Выпускаемые в настоящее время осциллографы характеризуются шириной полосы 0—100 МГц, при чувствительности 5 мВ/дел. шкалы и скорость развертки от 1 с/дел. до 50 нс/дел.
* * *
Примечания
1
Действующее значение периодического колебания f(t) можно выразить интегралом
Для периодического синусоидального колебания имеем f(t) = Um·sin ωt, тогда Uд = (1/√2)·Um.
2
Среднее значение синусоидального тока можно выразить интегралом
3
Старая классификация по длине волны здесь не приводится. — Прим. ред.
4
Исключение составляют туннельные диоды, которые относятся к активным элементам.
5
Результирующий ток определяется зависимостью
6
В действительности передаваемая мощность меньше, поскольку в трансформаторе всегда имеются потери.
