Электронно-лучевые осциллографы

Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ КУРС ЛЕКЦИЙ: МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕМА 1. МЕТРОЛОГИЯ ЛЕКЦИЯ 6 № СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ. ОCНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ (лекция 1) 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 2) 2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ (лекция 3) 3 ВИДЫ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 4) 4 СРЕДСТВА И СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ТОКА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (лекция 5) 5 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ. ВИДЫ.УСТРОЙСТВО. ХАРАКТЕРИСТИКИ (лекция 6) 1 5.0 Введение 2 5.1 Устройство электронно-лучевого осциллографа 3 5.1.1 Устройство электронно-лучевой трубки 3 5.1.2 Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа 10 5.2 ЭЛО. Техника применения 17 5.2.1 Использование ЭЛО в качестве индикатора 17 5.2.2 Техника применения ЭЛО как средства измерений 19 7 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (лекция 7) СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (лекция 8) ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 9) 8 9 Примечание – Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 5. 1 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ 5 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ. ВИДЫ.УСТРОЙСТВО. ХАРАКТЕРИСТИКИ 5.0 Введение Осциллографы представляют собой наиболее востребованный вид СИ не только для лабораторного (исследовательского) применения, но и в последнее время – для измерений в промышленности. Электронно-лучевой осциллограф*) (ЭЛО) был придуман для наблюдения за поведением периодических напряжений во времени, которые по-другому не изучить. Графики простейших функций на бумаге мы отображать умеем. Так, например, график синусоидального напряжения u(t)=Uмаксsinωt=Uмаксsin2ft=Uмаксsin(2t/T) имеет известный вид (рисунок 5.1). Примечание – За рубежом ЭЛО называют осциллоскопом Рисунок 5.1 – График синусоидального напряжения Такой же график мы должны получить теперь на экране ЭЛО… Фотография одного из «древних» осциллографов представлена на рисунке 5.2. На фотографии видим экран ЭЛО, много выключателей и регуляторов, несколько клемм для подключений. Рисунок 5.2 – Фотография «древнего» отечественного осциллографа 2 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Современные виды аналоговых ЭЛО представлены на рисунках 5.3 ниже. Органов управления здесь значительно больше. Двухканальный отечественный ЭЛО С1-83/ 2 канала, 5 МГц Простейшие одноканальные осциллографы Рисунок 5.3 – Аналоговые осциллографы Наша задача – разобрать, как устроен осциллограф, как с его помощью удаётся получать изображения периодических напряжений, как использовать ЭЛО для измерений и как добиваться результатов этих измерений с минимальной погрешностью. Будем это делать постепенно. 5.1 Устройство ЭЛО ЭЛО это в первую очередь электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Создав это чудо электроники 30-х годов прошлого столетия, специалисты заложили основу для массового выпуска очень полезного и, поэтому распространённого вида измерительных приборов. 5.1.1 Устройство электронно-лучевой трубки Устройство ЭЛТ в упрощённом виде показано на рисунке 5.4. 3 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.4 – Устройство электронно-лучевой трубки ЭЛТ представляет собой стеклянную запаянную колбу, из которой откачан воздух. Конусообразная часть колбы заканчивается торцевой поверхностью, которая является экраном ЭЛТ. Экран с внутренней стороны покрыт люминофором – специальной зернистой мастикой, которая может светиться, если зёрна возбуждать электронами высоких энергий. Другими словами, зёрна люминофора будут светиться, если в них ударяются электроны, разогнанные до больших скоростей: кинетическая энергия электронов при ударе об экран изнутри превращается в тепло (нежелательное явление) и фотоны света. Цвет свечения люминофора может быть белым, голубым, зелёным, оранжевым. Внутри ЭЛТ размещается электронно-лучевая пушка (ЭЛП) и две пары отклоняющих пластин. Электронно-лучевая пушка. ЭЛП эмитирует и формирует узкий пучок электронов, излучаемых в сторону экрана. Пушка имеет две регулировки*), которые выведены на лицевую панель: ФОКУСИРОВКА и ЯРКОСТЬ. С помощью фокусировки устанавливается минимальная толщина электронного луча, а вторая регулировка меняет яркость изображения на экране. В отсутствии управления электроны бомбардируют центр экрана – там наблюдатель видит яркую точку. Примечание – ЭЛТ могут иметь и третью регулировку – АСТИГМАТИЗМ. С её помощью эллиптическое сечение пучка электронов выравнивается в круговое. Этим достигается равномерность толщины изогнутых линий изображения, получаемого на экране (обдумайте). Отклоняющие пластины. Внутри колбы размещены две пары плоскопараллельных пластин. Они предназначены для отклонения электронного луча, проходящего сквозь них: электронный луч отклоняется, если внутри пластин создать электрическое поле. Как в конденсаторе поле 4 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ создаётся подачей напряжения на пластины: одна из них при этом заряжается положительно, а другая – отрицательно. Пластины, обозначенные на рисунке 5.4 как ПВО (пластины вертикального отклонения), отклоняют луч в вертикальном плоскости (рисунок 5.5), а пластины ПГО – в горизонтальной (не показано). Управление осуществляется напряжением, которое подаётся на один из входов управления: Вход Uв – управление в вертикальной плоскости; Вход Uг – управление в горизонтальной плоскости. Напряжения эти достаточно велики – достигают нескольких сотен вольт. Рассмотрим процесс управления детальнее. На рисунке 5.5 рассмотрен пример управления электронным лучом в вертикальной плоскости. На верхней паре рисунка 5.5 показана траектория полёта электронов в вертикальной плоскости при подаче на вход Uв1>0 (на верхней пластине сформирован положительный потенциал). Электроны двигаются с большой скоростью и в электрическом поле ПВО отклоняются кверху. Продолжая движение, достигают экран в точке, которая расположена выше нейтрального (когда управление отсутствует) его положения. На нижних рисунках 5.5 на вход ПВО подано отрицательное напряжение Uв2= -Uв1, что заставляет электроны отклоняться вниз от горизонтали. В этом случае электроны достигают экрана ниже нейтральной точки. Рисунки 5.5 – Управление электронным лучом в вертикальной плоскости Алогичное действие осуществляет пара пластин ПГО: при подаче положительного напряжения на вход управления Uг>0 луч отклоняется вправо от центра экрана, при подаче отрицательного напряжения – влево от 5 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ центра экрана. На рисунке 5.6 показаны примеры изображения точек, смещённых вправо и соответственно влево. Здесь также показано, что при увеличении управляющего напряжения в два раза, луч перемещается вправо или влево соответственно также на расстояние в два раза большее. Другими словами, зависимость перемещения луча от управляющего напряжения – линейная*). Это важно! Примечание – Это идеализация. Преобразование управляющих напряжений в перемещение луча по экрану содержит нелинейность, однако здесь мы этим пренебрегаем. Рисунок 5.6 – Управление электронным лучом в горизонтальной плоскости Обратим внимание на тот факт, что управление лучом осуществляется в двух перпендикулярных направлениях независимо друг от друга. Таким образом, чтобы изобразить положение точки на экране, достаточно её переместить формально сначала в одном направлении, например, в горизонтальном, и затем окончательно – в вертикальном. Итак, если на оба входа управления электронным лучом поданы постоянные (неизменные) напряжения, то на экране мы будем видеть яркую точку в соответствующей области экрана. Задание для тренировки: покажите место расположения точки на экране, если на входы управления поданы напряжения Uв = Uв1 и Uг = -Uв1. Разберём более сложный случай, когда на вход ПГО подано пилообразное напряжение (ПН; рисунок 5.7). 6 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.7 – Пилообразное напряжение Опишем поведение этого напряжения. Это периодическое напряжение с периодом Т. В течение периода оно линейно нарастает от Uг мин, (имеет отрицательное значение) до Uг макс (имеет положительное значение). В каждый момент времени напряжение принимает какое-либо конкретное значение, которое с течением времени нарастает и в конце периода мгновенно возвращается в исходное состояние. Смотрим детальнее: в момент времени t0 напряжение имеет значение Uг мин, в момент t1 – некоторое промежуточное отрицательное значение Uг1, в момент t2 – значение, равное нулю и т.д. Наконец, в момент t4 напряжение, достигнув максимума Uг макс, мгновенно возвращается к своему начальному значению Uг мин. Построим изображение ПН на экране ЭЛТ. Для этого, нам достаточно повторить предыдущие рассуждения, выполненные при построении изображений отдельных точек. Придём к пониманию, что на экране ЭЛТ будем видеть изображение горизонтальной прямой (рисунок 5.8, голубая линия). Действительно, горизонтальная прямая линия на экране это множество отдельных значений пилообразного напряжения, поданного на ПГО. Изображения точек формируются последовательно – электронный луч равномерно перемещается по экрану слева направо в течение периода ПН. Эти перемещения повторяются (накладываются) в каждом новом периоде. Скорость перемещения зависит от длительности периода: чем меньше период, тем выше скорость. Если скорость маленькая, то такое перемещения можно наблюдать визуально. Примечание – Обратить внимание на тот факт, что именно многократное повторение изображения во времени обеспечивает его незатухающее состояние – свечение. Дело в том, что зёрна люминофора имеют малое время послесвечения, и каждое повторение такое свечение восстанавливает. 7 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.8 – Изображение пилообразного напряжения на экране ЭЛТ Примечания – ПН будет рассмотрено позже при построении ЭЛО (раздел 5.1.2). Там оно будет называться напряжением развёртки (НР); Задание для тренировки: покажите, как будет пилообразного напряжения, представленного на рисунке 5.9. выглядеть изображение Рисунок 5.9 – Изображение ПН для тренировки Продолжим изучать поведение луча на экране ЭЛТ. Изобразим на экране картинку, когда на ПВО подаётся синусоидальное напряжение Uв = Uмакcsinωt, а на ПГО – пилообразное напряжение (рисунок 5.10). Рисунок 5.10 – Построение изображения синусоидального напряжения Рассматриваем частный случай, когда периоды ПН и исследуемого сигнала равны (Тпн=Тс). Изображение будем строить по точкам, используя проведённые ранее рассуждения. Для простоты выберем небольшое количество точек, равномерно расположенных по периоду. 8 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Примечание – При этом все другие точки можно также отобразить аналогичным образом и их множество даст искомое непрерывное изображение. Выбранные точки пронумерованы цифрами. Их пять на каждом из четырёх рассмотренных периодах: 1, 2, 3, 4 и 5. Очевидно, что на экране ЭЛТ получим изображение следующих пяти точек (рисунок 5.10 слева). На экране мы видим изображение только пяти точек изучаемой синусоиды, однако на самом деле каждая точка получена наложением четырёх одноимённых точек из разных периодов, рассмотренных на рисунках 5.10. Действительно, каждой из точек 1, 2, 3, 4, 5 на первом периоде ПН соответствует одноимённая точка на графике исследуемого напряжения, их размещение на экране мы легко получим. Далее, в конце периода ПН мгновенно (это абстракция, которая позволяет нам не объяснять причину отсутствия изображения при обратном перемещении луча в своё начало) возвращается в исходное состояние и процесс отображения повторяется. Так как ПН и синусоидальное напряжение синхронизированы (мы так уговорились: см. чуть выше), то новое изображение наложется на старое и это будет многократно повторяться с каждым новым периодом. Примечание – Такое наложение периодов исследуемого сигнала позволяет поддерживать его изображение на экране, т.к. свечение люминофора кратковременное: он светится только тогда, когда его зёрна бомбардируются электронами. Задание для тренировки: постройте изображение синусоиды, если начало ПН будет сдвинуто в точку t2. Можно ли получить на экране два периода исследуемой синусоиды? На рисунке 5.11 изображен такой случай. Для получения такого изображения необходимо, как мы видим, увеличить период пилообразного напряжения в два раза. Другими словами пилообразное напряжение должно нарастать (перемещаться по экрану) в два раза медленнее. Рисунок 5.11 – Изображение двух периодов исследуемых сигналов на экране ЭЛТ 9 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Аналогично можно получить изображение любого количества периодов. Попробуйте обосновать решение самостоятельно. 5.1.2 Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа Современные ЭЛО достаточно сложные приборы. На рисунке 5.12 показана фотография осциллографа С1-68 советского производства, который мы возьмём в качестве прототипа для дальнейших описаний. Его основные характеристики представлены в таблице 5.1. Таблица 5.1 – Основные характеристики*) ЭЛО типа С1-68 Характеристика № Значение 1. Число каналов 1 2. Диапазон измеряемых напряжений 2 мВ – 200 В 3. Диапазон измеряемых интервалов времени 2 мкс – 16 с 4. Рабочий диапазон частот 0 – 1 МГц 5. Погрешность (относительная) сигнала, не более измерения амплитуды ±5 % 6. Погрешность (относительная) времени, не более измерения интервалов ±5 % 7. Ширина луча на экране, не более 0,7 мм 8. Входное сопротивление и ёмкость канала 1 МОм||50 пФ 9. Характеристики питания 220 В, 50 Гц; 40 ВА 10. Масса и габариты 10 кг; 270 мм×200 мм×440 мм Примечание – Представляемые значения будем воспринимать как типовые для рассматриваемого класса осциллографов (или задач). В этом подразделе мы не будем разбирать назначение всех органов управления, а рассмотрим работу ЭЛО в упрощённом виде. 10 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.12 – Внешний вид одноканального ЭЛО типа С1-68 Это мы будем делать, используя упрощённую функциональную схему ЭЛО (рисунок 5.13). Рисунок 5.13 – Упрощённая функциональная схема ЭЛО Работу ЭЛО будем рассматривать для простоты на примере исследования синусоидального напряжения. 5.1.2.1 Итак, исследуемое напряжение подаётся на Вход и преобразуется нормализатором: если сигнал слабый, то нормализатор должен его усилить, 11 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ если – слишком велик, то его необходимо ослабить. Управление режимами нормализатора пользователь осуществляет с помощью секторного многопозиционного переключателя, который выведен на лицевую панель ЭЛО (см. рисунки 5.13 и 5.12).*) Манипулируя переключателем, мы изменяем коэффициент преобразования входного напряжения (Кпр) и вместе с ним вертикальные размеры отображаемого сигнала. Каждое положение переключателя для удобства дальнейшего использования проградуирован в единицах вида вольт/сантиметр. На левом рисунке 5.14 переключатель установил Кпр=0,2 V/cm (0,2 В/см). Примечание – Несмотря на то, что нормализатор может не только усиливать, но и делить входное напряжение, его переключатель обозначен на панели как УСИЛИТЕЛЬ Y – такова существующая практика. На правом рисунке 5.14 в качестве примера изображена синусоида, амплитуду которой (UA) мы легко можем измерить. Для этого, пользуясь сделанной на экране ЭЛТ разметкой, имеем: UA = LA × Кпр = 3,2 cm × 0,2 V/cm = 0,64 В. UA = LA × Кпр = 3,2 cm × 0,2 V/cm = 0,64 В*) Рисунок 5.14 – Измерение амплитуды сигнала Примечания – 1 В соответствии с советскими стандартами единицы измерений на лицевых панелях приборов записывались латинскими буквами; 2 Результаты измерений записывать двумя значащами разрядами. Например, 0,34 В; 3,4 В; 34 В; 340 В. … На выходе нормализатора всегда формируется напряжение такого уровня, которое может использоваться для решения задач синхронизации. На рисунке 5.13 показано, что напряжение с выхода нормализатора подаётся по линии синхронизации на устройство запуска и одновременно на вход УВО (усилитель вертикального отклонения). УВО усиливает поступающее напряжения до значений в несколько сотен вольт – именно такого уровня напряжение позволяет эффективно отклонять электронный луч. 12 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Примечание – Функциональная схема ЭЛО содержит и аналогичный по назначению усилитель горизонтального отклонения (УГО). 5.1.2.2 Второй ключевой компонентой (после ЭЛТ) осциллографа является генератор развёртки (ГР). ГР создаёт пилообразное напряжение, которое здесь принято называть напряжением развёртки – напряжение развёртки (НР) разворачивает исследуемый сигнал по экрану ЭЛТ. Скорость развёртки задаётся пользователем с помощью секторного многопозиционного переключателя на лицевой панели. Изображение переключателя и временные диаграммы реакция НР на его воздействие даны на рисунке 6.15. Рисунок 5.15 – Воздействие переключателя ГР на поведение НР На нижнем рисунке напряжение развёртки нарастает медленнее в соответствии с установленным на переключателе значением: Кразв =0,1 s/cm (0,1 с/см) вместо Кразв =0,2 s/cm (0,2 с/см) на верхнем рисунке. На правом рисунке 5.16 в качестве примера изображена синусоида, период которой необходимо измерить. Для этого, используя выполненную на экране ЭЛТ разметку, проведём следующий расчёт: Т = LТ × Кразв = 6,0 cm × 5,0 ms/cm = 30 ms (30 мс). Рисунок 5.16 – Измерение периода синусоидального напряжения В современных ЭЛО ГР имеет несколько режимов работы: 13 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ - режим внутренней непрерывной развёртки, когда ГР работает в режиме автозапуска. Этот режим используется редко; - режим внутренней ждущей развёртки, когда ГР запускается исследуемым сигналом. - режим внешнего запуска от сигнала, синхронизированного с исследуемым сигналом; - режим запуска от сигнала, синхронизированного с сетевым напряжением питания, имеющего (промышленную) частоту 50 Гц. Работу ЭЛО в наиболее используемых режимах автозапуска и ждущем рассмотрим на графических примерах в этом подразделе. Востребованность двух последних режимов будет проиллюстрирована в разделе 5.2. Режим непрерывной развёртки. На рисунке 5.10 было показано, как получить на экране ЭЛТ изображение одного периода синусоиды. Теперь мы знаем, как эта задача реализуется уже в самом осциллографе – с помощью ГР. Однако дальнейшие рассуждения вызывают сомнение в практической реализуемости разобранной ситуации. Действительно, если периоды сигнала и развертки в точности равны, то изображение будет таки выглядеть неподвижным: каждый новый период сигнала будет накладываться на такой же предыдущий. Но такая ситуация на практике встречается редко: период НР, вначале как-то подстроенный, будет затем не совпадать с меняющимся на законных основаниях периодом исследуемого сигнала. При этом, каждое новое изображение будет накладываться на предыдущее со сдвигом и мы будем наблюдать «перемещение» сигнала справа налево или наоборот (рисунок 5.17). Примечание – На экране изображения разных периодов представлены нами разными цветами (чего нет на реальном экране), чтобы различить разные периоды одного и того же квазипериодического сигнала. Под квазипериодическим сигналом будем понимать сигнал, повторяющийся, но с разным периодом. 14 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.17 – Изображение синусоидального сигнала с нестабильным периодом (Тс≠Тр) Для исключения такого явления был придуман ждущий режим работы ГР. Ждущий режим работы ГР. Решение проблемы заключается, как мы теперь понимаем, в подстройке периода ГР к постоянно изменяемому периоду исследуемого сигнала. Тогда периодические фрагменты исследуемого сигнала будут накладываться без сдвига. Для этого структуру ЭЛО дополнили УСТРОЙСТВОМ ЗАПУСКА, а ГР научили запускаться в нужный момент времени по управляющему импульсу. Работа устройства запуска ГР проиллюстрирована на рисунке 5.18. Рисунок 5.18 – Работа устройства запуска В соответствии с временной диаграммой запуск ГР возникает при соблюдении двух условий: установленного с помощью регулировки уровня запуска и установленного с помощью двухпозиционного переключателя – он находится в положении минус, знака производной запускающего сигнала. Итак, мы видим из рисунка, что очередной запуск ГР осуществляется всегда при достижении одного и того же состояния (как говорят, – фазы) исследуемого сигнала, т.е. на экране ЭЛО фрагменты периодов накладываются без сдвигов. Что и требовалось достичь (рисунок 5.19)! 15 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.19 – Пример изображения синуса в ждущем режиме запуска Примечание – Переключатель S в современных ЭЛО часто совмещён с регулятором УРОВЕНЬ (так это сделано и в осциллографе С1-68). Задания для тренировки: - постройте изображение рассмотренной синусоиды, если переключатель УСЛОВИЕ будет находиться в положении 1 (плюс); - на рис. 5.19 мы видим изображение только фрагмента синусоиды. Что нужно сделать для того, чтобы на экране увидеть неподвижное изображение полного периода исследуемой синусоиды? 16 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ 5.2 ЭЛО. Техника применения 5.2.1 Использование ЭЛО в качестве индикатора (не средства измерений) Обычно использования ЭЛО в таком качестве ограничивается измерением частоты синусоидального сигнала по методу Лиссажу. Это красивый, но в современных условиях редко используемый метод, когда осциллограф используется в качестве индикатора, а не средства измерений: результат измерения получают не в результате расчёта – как это ранее было продемонстрировано, а на основании визуального анализа получаемого на экране изображения. Сам метод несложный, однако, нужно сделать предварительные пояснения. Дело в том, что ранее – на рисунке 5.13, была намеренно представлена упрощённая структура ЭЛО. А сейчас её мы несколько уточним. У современного ЭЛО существует возможность подключения к УГО взамен ГР внешних сигналов (рисунок 5.20). Рисунок 5.20 – Уточнённая структура ЭЛО Теперь собственно о методе. На рисунке 5.21 показана схема его реализации. Рисунок 5.21 – Схема измерения частоты методом Лиссажу 17 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ СУТЬ МЕТОДА. На Вход У подаём синусоидальное напряжение, частоту которого нужно измерить. На Вход Х подаём напряжение с генератора синусоидального напряжения, частоту которого можно плавно менять. В первый момент на экране осциллографа будем наблюдать некую динамичную фигуру вида абракадабра (рисунок 5.22). Рисунок 5.22 – Вариант сложной фигуры Лиссажу Изменяем частоту генератора и добиваемся неподвижного изображения более простой фигуры. Простейшие из фигур показаны на рисунках 5.23. Для этого состояния справедливо соотношение: fизм/fген = Nх/Nу. Где: fизм – частота измеряемая, fген ̶ частота генератора; Nх – максимальное число пересечений с изображённой фигурой горизонтальной секущей, Nу – максимальное число пересечений с фигурой вертикальной секущей. На левом рисунке 5.23 имеем Nх = 4, Nу = 2 и тогда соотношение равно 4/2. На правом рисунке число пересечений одинаково, поэтому имеем отношение 2/2. Рисунок 5.23 – Простейшие фигуры Лиссажу (восьмёрка и эллипс) на экранах осциллографов Очевидно, что погрешность измерения частоты рассмотренным способом не зависит от метрологических свойств осциллографа и определяется полностью погрешностями применённого генератора. Другими словами, если относительная погрешность частоты генератора равна 18 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ ± 0,1%, то и погрешность измеренной частоты также будет равняться ± 0,1%. У метода есть ограничения: его можно использовать для измерений частоты только синусоидальных напряжений. Его хорошо применять, когда под рукой нет точного частотомера, но имеется генератор синусоидального напряжения с регулируемой прецизионной частотой. 5.2.2 Техника применения ЭЛО как средства измерений Во введении 5.0 уже обращалось внимание, что осциллограф был создан для исследования поведения периодических сигналов во времени. По мере развития электроники удалось приспособить ЭЛО также и для измерений. Измерение это процедура получения результата и его погрешностей. Простейшие манипуляции с органами управления ЭЛО и получение собственно результатов уже были рассмотрены. Здесь обсудим погрешности и типовые способы их минимизации. 5.2.2.1 Структура погрешностей ЭЛО В соответствии с известными метрологическими основами погрешность результата измерений содержит в общем случае четыре составляющие: методическая, взаимодействия, субъективная и инструментальная. С методической погрешностью мы встретимся только в конце раздела – когда будем пытаться определять и затем – измерять параметры импульсных сигналов. Погрешность взаимодействия возникает при подключении средства измерений (СИ) в электрическую цепь – меняется конфигурация цепи, режим её работы и следовательно – значение измеряемой величины. Расчёт этой составляющей погрешности применительно к вольтметру рассмотрен в настоящем курсе в теме 1 «Метрология», а взаимодействие ЭЛО с объектом происходит идентично вольтметру. Субъективную вносит пользователь и её мы рассмотрим подробно. Инструментальная погрешность обусловлена отклонением характеристик измерительных цепей ЭЛО от номинальных значений. На рисунке 5.24 представлена укрупнённая структура источников погрешностей (обозначены бежевым кругом с цифровой внутри), которые мы перечислили. Опишем последовательно все указанные источники. 19 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.24 – Структура источников погрешностей ЭЛО 1-й источник погрешностей – явление взаимодействия. Погрешность обусловлена конечным (не нулевым) значением выходного сопротивления источника сигнала и одновременно – конечным (не равным бесконечности) значением входного сопротивления ЭЛО. 2-й источник погрешностей – ошибки пользователя (субъекта). Суть ошибки нам знакома по стрелочным и в общем случае – аналоговым средствам измерений. Там человек ошибается при считывании результата по аналоговой (непрерывной) шкале. Обычно, ошибка не превышает половины деления шкалы. Здесь ситуация аналогична: вместо стрелки – электронный луч с конечной шириной, вместо шкалы – горизонтальные и вертикальные разметки, которые сделаны на экране ЭЛТ, минимальная ошибка – те же полделения (ист. 7). 3-й источник погрешностей – погрешности номинальных функций преобразования исследуемых сигналов, а также явление временной и температурной нестабильности характеристик электронных устройств. Это источник инструментальных составляющих погрешностей.  Применительно к каналу вертикального отклонения неидеальными и нестабильными являются коэффициенты преобразования нормализатора (ист. 2) и УВО (ист. 3). На рисунке 5.25 показаны варианты влияния этих источников на изображение сигнала. 20 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.25 – Воздействие инструментальных погрешностей канала вертикального отклонения на изображение сигнала  Для канала горизонтального отклонения влияние неидеальностей и нестабильностей на точность измерения несколько сложнее. На размещённых на рисунке 5.24 пояснительных графиках (тип 1, тип 2, тип 3) показано, что ГР (ист. 6) может формировать напряжение развёртки (НР) с тремя видами искажения формы: амплитуды и периоды могут быть меньше или больше номинальных значений, а линейно изменяющаяся часть сигнала может быть ещё и искривлённой (искажение линейности). Отклонения амплитуды и периода, а также нестабильность коэффициента усиления УГО (ист. 7) приводит к погрешностям измерений временных отрезков исследуемых изображений. Искажения линейности НР приводит к неравномерности временной оси (ось Х) и в конечном итоге – также к погрешностям измерений временных характеристик изучаемых сигналов. 5.2.2.2 Минимизация погрешностей ЭЛО  Минимизация погрешности взаимодействия Погрешность взаимодействия можно оценить по формуле, известной для вольтметра: вз= -Rвых/Rвх*, где Rвх – входное сопротивление ЭЛО, а Rвых – эквивалентное выходное сопротивление объекта. Типовое входное сопротивление Rвх = 1 МОм (таблица 5.1). Задавшись, к примеру, значением вз.пред. = - 0,005, получим Rвых.макс = -0,005×1×106=5 кОм. Другими словами, если мы не хотим, чтобы погрешность взаимодействия превысила |-0,5|%, то измерять этим ЭЛО можно в схемах с Rвых.макс =5 кОм. Примечание – Формула справедлива для низкочастотных сигналов. Из такого оценочного расчёта видно, что при изучении высокоомных схем (10…100 кОм и более) только погрешность взаимодействия может достигать 21 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ 10% и более. Для её снижения в ряде случаев используют измерительный кабель с встроенным высокоомным делителем – так обеспечивается входное сопротивление, равное 10 МОм, а также входная паразитная ёмкость порядка 10 пФ.  Минимизация субъективной погрешности Для уменьшения субъективной погрешности необходимо выполнить процедуру настройки электронного луча: - ЭЛО включается и 5 минут прогревается. За это время все тепловые переходные процессы заканчиваются и электрические режимы работы электронных схем стабилизируются; - манипулируя регуляторами ЯРКОСТЬ, ФОКУС и АСТИГМАТИЗМ (см. раздел 3.1) добиваются минимальной ширины электронного луча. Относительное значение субъективной погрешности (погрешность отсчитывания) принимает минимальные значения, когда считываемый размер измеряемого параметра сигнала (амплитуда, период, другое) занимает максимально возможные значения на экране ЭЛТ. Горизонтальная шкала ЭЛО типа С1-68 имеет 80 делений, тогда минимальная относительная погрешность отсчитывания временных отрезков не должна превышать ±0,5×100/80 = ±0,63%. При считывании вертикальных отрезков минимальная погрешность будет чуть больше: ±0,5×100/60 = ±0,83%. Примечание – Для улучшения процедуры отсчитывания, особенно в условиях с недостаточной освещённостью, в ЭЛО предусмотрена возможность подсветки шкалы. Она осуществляется специальным регулятором «Освещение шкалы» (рисунок 5.12).  Минимизация инструментальной погрешности Для минимизации инструментальных погрешностей необходимо выполнить две комплексные процедуры: - по включении ЭЛО осуществить метрологическую настройку его измерительных каналов; - посредством манипуляций с регуляторами изображение измеряемого параметра сигнала получить с максимально большим размером. Эта процедура совпадает с процедурой минимизации погрешности отсчитывания. Процедура 1 – метрологическая настройка 22 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Эта процедура называется коротко калибровкой [измерительного канала]. С её помощью проводится подтверждение и, если потребуется – метрологическая подстройка измерительных каналов. Проводится в следующей последовательности: - осуществляется настройка электронного луча (см. раздел 5.1); - на Вход Y осциллографа подаётся переменное напряжение с эталонными (метрологически выверенными) значениями амплитуды и периода (частоты); - манипулируя регуляторами УСИЛЕНИЕ и ВРЕМЯ, добиваются изображения сигнала с максимальными по размерам амплитудой и периодом; - измеряют размеры полученных изображений в сантиметрах; - переводят размеры в вольты и секунды соответственно; - сравнивают полученные значения с известными эталонными: - если измеренные и эталонные значения совпадают, то каналы признаются откалиброванными; - если совпадения отсутствуют, то необходимо осуществить эту калибровку (метрологическую подстройку). Для процедуры калибровки в ЭЛО предусмотрены необходимые регулировочные органы (винты), доступные только с помощью отвёртки. С помощью отвёртки добиваются необходимого изображения эталонного сигнала. Процедура 2 – способы получения изображения измеряемого параметра с максимально возможными размерами. Структурная схема современного ЭЛО значительно сложнее, чем та, которая представлена на рисунке 5.13. Эти усложнения необходимы для расширения круга решаемых задач измерений, таких задач, которые требуют минимальных погрешностей. Структура ЭЛО, представленная на рисунке 5.26, описывает более правдоподобно осциллограф С1-68, выбранный в качестве изучаемого прототипа. 23 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.26 – Расширенная структура ЭЛО типа С1-68 Этот ЭЛО – как и все другие современные, имеет встроенный калибратор. Опуская выше описанные этапы, дадим наглядное представление о последнем этапе калибровки С1-68: - штатный кабель ЭЛО подключаем к гнёздам КАЛИБРАТОРА (рисунок 5.26), который формирует прямоугольное напряжение с двойной амплитудой 100 мВ и частотой 2 кГц; Рисунок 5.27 – Фрагмент лицевой панели С1-68 - полученное на экране изображение путём манипуляций с регуляторами УСИЛЕНИЕ (S2) и ВРЕМЯ (S5) доводим до вида, представленного на рисунке 5.28. 24 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.28 – Изображение калибровочного сигнала На рисунке 5.28 мы видим кондиционное изображение калибровочного сигнала: двойная амплитуда сигнала совпадает с пунктирными границами, а два периода – в точности разместились на всей ширине экрана. Получив такое изображение стандартными манипуляциями, мы можем быть уверены, что измерительные каналы ЭЛО откалиброваны. Ничто не мешает проверить это утверждение. Для этого достаточно измерить частоту и период в соответствии с ранее описанной процедурой. В том случае, если кондиционное изображение получить не удаётся, и мы наблюдаем в изображении небольшие отличия, проведём калибровку. На рисунке 5.27 мы видим утопленный в панель миниатюрный винт. Вращая винт специальной отвёрткой, добиваются необходимого вертикального изображения калибровочного сигнала. Для калибровки канала по горизонтали (временной оси) используется винт, размещённый на боковой поверхности ЭЛО (не показан). На этом метрологическая настройка каналов заканчивается и можно приступать к измерениям различной сложности с контролируемой точностью. Пример 1. Измерение переменного сигнала с большим значением постоянной составляющей. Типовая задача – измерение амплитуды пульсаций источника постоянного стабилизированного напряжения. Пусть номинальное значение стабилизированного напряжения +10 В. Измерить и убедиться, что амплитуда пульсаций не превышает значения 100 мВ. Решение поставленной задачи. Измерить точно амплитуду пульсаций сразу не получиться, т.к. она существенно меньше собственно напряжения питания и выглядит еле заметной на фоне стабилизированного напряжения. 25 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Если мы увеличим входной сигнал с помощью регулятора УСИЛИТЕЛЬ, то одновременно с пульсациями будет усиливаться и напряжение питания (рисунок 5.29А), а изображение «упрётся» в верхний край экрана (как в нашем примере). Изображение пульсаций при этом увеличились незначительно. Нам же необходимо получить изображение амплитуды максимального размера, желательно, на весь экран. Для решения подобных задач в ЭЛО предусмотрен специальный режим, который называют режим закрытого входа (рисунок 5.29Б): переключатель S1 переводится в положение 1, при котором входной сигнал пропускается через разделительный конденсатор. При этом постоянная составляющая сигнала отсекается и на вход нормализатора поступает только переменная составляющая. Её амплитуда по-прежнему небольшая, но её мы уже можем увеличить в нужное число раз с помощью регулятора УСИЛЕНИЕ (рисунок 5.29В). 26 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ А. Открытый вход Б. Закрытый вход В. Закрытый вход. Усиление увеличено в 10 раз 2 В/см 0,2 В/см Рисунок 5.29 – Демонстрация использования закрытого входа ЭЛО Пример 2. Измерение амплитуды однополярного импульса. Цель прежняя: измерить амплитуду, амплитуду однополярного импульса с максимальной точностью. Решение задачи проиллюстрировано на рисунках 5.30. А. Исходное изображение амплитуды импульсного сигнала Б. Смещение нулевого уровня шкалы до верхней границы экрана В. Увеличение усиления канала вертикального отклонения Регулятор смещения нулевого уровня (R5) Рисунок 5.30 – Демонстрация использования регулятора смещения нулевого уровня (R5) 27 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Примечание – Эту же задачу можно решить, если использовать режим закрытого входа ЭЛО и максимально усилить изображение переменной составляющей сигнала, которая прошла на вход нормализатора. Пример 3. Измерение фазового сдвига между синхронизированными цифровыми последовательностями (ЦП). Этот режим работы ЭЛО позволяет в некоторых случаях отказаться от приобретения более дорогих двухканальных осциллографов. В этом режиме, режиме внешней синхронизация, переключатель S3 переводится в положение 2 (рисунок 5.31Б) и запуск ГР осуществляется не исследуемым сигналом, как это было до сих пор, а внешним вспомогательным (ЦП2). А. Исходные сигналы В. Исходное, менее точное измерение ош. в изображении Б. Схема подключения сигналов (фрагмент из рисунка 5.26) Г. Изменение состояния регулятора ВРЕМЯ (S5) Д. Измерение фазового сдвига с максимальной точностью Рисунок 5.31 – Демонстрация использования режима внешней синхронизации Пример 5. Использование внешней синхронизации от сети. Существует класс помех, синхронизированных с сетевым напряжением 220В/50Гц. Природа этих помех – в технике преобразования энергии. Помехи вредные и с ними необходимо бороться, но предварительно их необходимо обнаружить и описать количественно. В осциллографе предусмотрен режим синхронизации исследуемых сигналов с сетью (рисунок 5.31Б). При этом в ЭЛО, имеющих питание от сети, такое напряжение всегда можно найти. 28 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Если ЭЛО портативный, то придётся искать сетевое напряжение снаружи и подключать его, соблюдая осторожность, к каналу внешней синхронизации. А. Исходный сигнал В. Исходное изображение измеряемой помехи Б. Схема подключения сигнала (фрагмент из рисунка 5.26) Г. Измерение в режиме закрытого входа Д. Измерение амплитуды и частоты помехи с максимальной точностью Рисунок 5.32 – Демонстрация использования режима внешней синхронизации от сети переменного тока Пример 6 для самостоятельного решения. Измерение параметров импульсных сигналов. На рисунках 5.33 представлены изображения импульсных сигналов с указанными основными их параметрами. Задание для тренировки: расписать последовательность действий (манипуляций) с органами управления ЭЛО с целью измерения параметров импульсов с максимальной точностью. Основные параметры импульса Период (Т) и скважность импульса (S) 29 Редакция 18.02.2018 Макарычев П.К. ИИТ Рисунок 5.33 – Графические определения основных параметров импульсов 30