Техника осциллографических измерений

Напряжение, пропорциональное току коллектора, выделяется на резисторе RK небольшой величины и подается на вход канала Y осциллографа. Ток базы задается генератором ступенчатого напряжения и резистором Rб. Параметры ступенчатого напряжения согласованы с периодом изменения напряжения коллектора так, чтобы на каждом ходе развертки высвечивалась характеристика, соответствующая одному значению тока базы. Таким образом, на экране получается изображение семейства выходных характеристик транзистора. Масштаб изображения определяется путем предварительной калибровки каналов X и У. В некоторых специальных осциллографах (например, С1-Ш) предусмотрены сменные блоки для измерения вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов различного вида.

 

 

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКА И МОЩНОСТИ

 

Измерение напряжения. Даже если в ЭЛО нет калибратора напряжения, его все равно можно использовать в качестве вольтметра, предварительно откалибровав масштабную сетку. При этом можно измерять любое мгновенное значение напряжения.

Блок-схема калибровки приведена на рис.3. Источником гармонического сигнала может быть как плавно регулируемое напряжение сети, так и напряжение звукового генератора. Контролировать напряжение можно любым ламповым вольтметром; лучше использовать вольтметр типа ВЭ-20, который имеет широкий диапазон измерения напряжений.

Калибровку масштабной сетки производят в следующем порядке. Установив в какое-либо определенное положение потенциометр регулировки усиления канала У, на вход ЭЛО от генератора подают такое напряжение, которое отклонит луч на одну клетку масштабной сетки вверх и вниз (всего на две клетки). Измерив величину этого напряжения вольтметром, изменяют сигнал генератора настолько, чтобы луч отклонился вверх и вниз на две клетки (всего на четыре), снова отмечают величину соответствующего напряжения и т. д. Такую градуировку следует делать примерно в пределах  диаметра ЭЛТ. Полученные данные наносят на масштабную сетку или составляют график зависимости величины отклонения луча (в одну сторону) от измеренного напряжения. Важно обратить внимание на следующие особенности. Перед началом измерения луч ЭЛТ должен быть хорошо сфокусирован и находиться в центре экрана. Не следует забывать, что на экране ЭЛТ виден полный размах калибровочного напряжения, а показания вольтметра соответствуют отклонению луча лишь в одну сторону от центра. При калибровке развертку ЭЛО можно и не включать.

 

Рис.3. Блок-схема калибровки масштабной сетки ЭЛТ

Поскольку шкалы индикаторов вольтметров обычно градуируют в действующих значениях, а в дальнейшем предполагается измерять мгновенные или амплитудные значения напряжения, то подготовляемую сетку (график) следует сразу же пересчитать в амплитудные значения. Если предстоит измерять напряжение синусоидальной формы, то калибровку можно оставить в действующих значениях, но отсчеты по масштабной сетке снимать лишь те, которые соответствуют одинарной амплитуде измеряемого напряжения.

Ошибка измерения в этом случае определяется погрешностью самого вольтметра (около ±3%), точностью определения линейных размеров осциллограммы и диаметром луча ЭЛТ. Таким образом, общая погрешность измерения напряжений может достигнуть величины ±7%. Особое внимание следует обратить на фиксацию положения масштабной сетки — это относится ко всем случаям ее применения.

Указанные графики изготовляются для нескольких определенных значений усиления канала У. Аналогичным же образом изготовляют сетку (график) и для измерения напряжений, подаваемых на пластины ЭЛТ непосредственно.

Для измерения пикового значения напряжений импульсной формы с высокой точностью (порядка долей процента) применяют компенсационный метод (рис.4). Поскольку измеряемое и компенсирующее напряжения должны подаваться на пластины ЭЛТ непосредственно (минуя усилитель), то, очевидно, измерять этим способом можно напряжения порядка сотен вольт. Методика измерения состоит в следующем. Отключив источник постоянного напряжения (ИПН) и установив переключатели П1 и П2 в положение 2, устанавливают луч в каком-либо определенном положении, например в центре экрана (точка О). Затем на эту пластину подают измеряемое периодическое импульсное напряжение. Поскольку импульсы имеют положительную полярность, то под их воздействием луч отклонится вверх на некоторую высоту.

 

 
     Рис.4 компенсационный  метод

Затем к нижней пластине подключают ИПН (переключатели П1 и П2 в положении 1). Так как его напряжение положительно, то оно будет стремиться отклонить луч вниз, т. е. компенсировать смещение, вызванное измеряемым напряжением. Регулируя величину напряжения ИПН, совмещают верхний конец импульса (точка А) с исходной точкой О. Величину этого напряжения отсчитывают по шкале вольтметра постоянного напряжения высокой точности. Так же измеряют амплитуду импульсов отрицательной полярности: надо лишь изменить полярность напряжений ИПН и вольтметра. При этих измерениях напряжение развертки на горизонтально-отклоняющие пластины можно не подавать. Этим же способом можно измерить и синусоидальное напряжение. Для этого нужно установить луч ЭЛТ по масштабной сетке в центре экрана, а компенсирующее напряжение должно быть равно амплитуде измеряемого напряжения. Смещать осциллограмму можно в любую сторону, так как полярность ИПН не важна. Достоинство этого метода в том, что им можно измерять напряжения колебаний таких частот, на которых вольтметры переменного тока уже не работают.

Измерение тока. Измерение тока сводится к измерению напряжения, создаваемого этим током на резисторе. Рассмотрим такой пример. В каскаде усилителя низкой частоты нужно определить величину анодного тока и найти зависимость его изменения во времени iа=f(t) при подаче на вход каскада переменного напряжения. Для этого в анодную цепь лампы (рис.5) включают дополнительный резистор R4, величина которого должна быть значительно меньше резистора R3, чтобы не нарушать работу схемы.

Например, если резистор R4 будет в 100 раз меньше резистора R3, то погрешность измерения тока будет порядка 1%. Для получения зависимости ia=f(t) получают осциллограмму сигнала и, измерив мгновенные значения напряжения в нескольких точках вдоль линии развертки, рассчитывают ток, после чего строят график искомой зависимости.

 

Рис.5. Измерение тока при помощи ЭЛО

 

Измерение мощности. Один из способов измерения мощности состоит в следующем. Например, нужно измерить мощность, потребляемую каким-либо полным сопротивлением Z, с реактивной составляющей, имеющей емкостный или индуктивный характер (рис.6,а). Если сопротивление Z имеет емкостный характер, то последовательно с ним включают конденсатор С, величину которого выбирают такой, чтобы на частоте измерения его реактивное сопротивление Хс было меньше Z.

На вход Y ЭЛО подают напряжение с исследуемого сопротивления Z, на вход X—со вспомогательного конденсатора С. На экране получают осциллограмму в виде фигуры, показанной на рис.6,б. Искомую мощность, выделяющуюся на сопротивлении Z, находят из соотношения:

          P=SCfk,

 

где f — частота подводимого напряжения; S— площадь осциллограммы, которую проще всего подсчитать по миллиметровке, перенеся на нее фигуру; k — коэффициент, учитывающий усиление каналов ЭЛО.

 

Рис.6.Измерение мощности при помощи ЭЛО

 

Для облегчения расчетов рекомендуется предварительно вычислить коэффициент пропорциональности k = Cf. Для этого вместо исследуемого сопротивления Z включают резистор R, соизмеримый с величиной Z, и, измерив с помощью ЭЛО падение напряжения на нем (вертикальный размер фигуры), вычисляют мощность Р0, которая пропорциональна площади S0:

 

P0= kS0,

 

где S0 — площадь фигуры на ЭЛТ, полученная при подключении резистора R. Затем вычисляют:

 

k=P0/S0

 

После этого, не меняя положения органов регулировки усиления обоих каналов ЭЛО, включают исследуемое сопротивление Z, вычисляют площадь фигуры 5 и определяют искомую мощность Р.

Например, при известной величине резистора R мощность Р0 = 700 мВт, площадь Sn= 14 см2, а коэффициент k =700:14= =50 мВт/см2; при S=11,2 см2 мощность, выделяющаяся на сопротивлении Z, будет равна:

 

P=k*S=50*11,2 = 560 мВт.

 

Этот способ следует применять в том случае, когда цепочку питают напряжением синусоидальной формы, при высоких частотах питающего сигнала и маломощных источниках напряжения. Погрешность измерения мощности зависит от точности определения коэффициента k, -правильности подсчета площади осциллограммы и различия фазовых характеристик усилителей каналов ЭЛО, достигая ±(10-15)%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУД СИГНАЛОВ

 

Смещение светящегося пятна на экране ЭЛТ пропорционально ее чувствительности, величине напряжения измеряемого сигнала и коэффициенту усиления в канале осциллографа. Сказанное справедливо для обоих каналов прибора, но поскольку исследуемый сигнал подается в канал Y, в дальнейшем речь будет идти только об этом канале. Между вертикальными размерами осциллограммы, величиной входного сигнала и чувствительностью ЭЛО существует зависимость:

 

l=uhy

 

где l — размер осциллограммы по вертикали, мм; u —мгновенное значение напряжения входного сигнала, В; hy — чувствительность канала, мм/В. Чтобы измерить напряжение входного синусоидального сигнала (рис.7), надо определить l =2Uмакс по масштабной сетке и вычислить величину входного сигнала Uмакс по указанному в технических характеристиках осциллографа значению hy или заменить исследуемый сигнал калиброванным напряжением, отклоняющим электронный луч на ту же высоту l, т. е. сравнить измеряемое напряжение с образцовым. Рассмотрим пример измерения напряжения гармонического сигнала с помощью ЭЛО типа С1-1, который имеет чувствительность канала hy = 2,5 мм/мВ, а аттенюатор входного устройства установлен на ослабление входного сигнала в 10 раз; положим, что размер осциллограммы при этом l=50 мм. Из вышеприведенного соотношения имеем:

u= l/hy =50/2,5 = 20 мВ.

Поскольку входной сигнал был ослаблен в 10 раз, то результат нужно увеличить в 10 раз, т. е. u=2Uмакс=200 мВ.

Амплитуда исследуемого напряжения будет Uмакс= 100 мВ, а его действующее значение U=Uмакс/ =70,7 мВ.

С учетом сказанного выражения для вычисления амплитудного и действующего значений примут вид:

 

Uмакс= l /2 hyK; U= l /(2 hyK);

 

где К — коэффициент ослабления аттенюатора ЭЛО.

Необходимо обращать внимание на размерность величины hy так как она в разных описаниях указывается в сантиметрах на вольт, миллиметрах на вольт, вольтах на миллиметр, миллиметрах на милливольт. Этот метод измерения применим и для определения мгновенного значения напряжения. При этом исследуемую осциллограмму нужно разместить симметрично относительно оси абсцисс и отсчитывать от нее мгновенное значение сигнала; уменьшать отсчет в два раза нет необходимости.

Рассмотрим измерение напряжения при подаче исследуемого сигнала на отклоняющие пластины ЭЛТ помимо усилителя канала ЭЛО. Подача сигнала должна осуществляться через разделительные конденсаторы большой емкости, чтобы избежать подключения одной из пластин ЭЛТ к корпусу через источник исследуемого сигнала.

 

 

Поскольку чувствительность ЭЛТ невелика (около нескольких десятых долей миллиметра на вольт), то измеряемый сигнал должен быть достаточно большим — сотни вольт.

Максимальное напряжение, которое можно измерить в этом случае, используя ЭЛО типа С1-5 (или ЭЛО ЭО-6М), в котором установлена ЭЛТ типа 8Л029 (рабочий диаметр d=70 мм, чувствительность вертикально отклоняющих пластин hy=0,23 мм/В), будет равно:

 

Uмакс=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОГРЕШНОСТИ ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

 

При непосредственном определении мгновенных значений и локальных параметров сигналов по калибрационной сетке на экране осциллографа важное значение имеют погрешности калибровки амплитудной и временной шкал (погрешности коэффициентов отклонения и развертки). Обеспечить стабильность этих коэффициентов во времени, тем более с учетом внешних влияющих факторов (температуры, влажности, давления и т.п.), достаточно сложно. Поэтому в осциллограф часто встраивают калибраторы амплитуды и длительности, которые служат для калибровки коэффициента отклонения каналов вертикального отклонения и калибровки длительности развертки. Калибратор, как правило, представляет собой генератор прямоугольных импульсов.

Погрешность измерения амплитуд импульсов методом совмещения с калиброванной шкалой определяется выражением:

 

U =

 

Где δк — погрешность выбранного коэффициента отклонения, δн — неравномерность переходной характеристики канала вертикального отклонения, δв — погрешность сравнения или визуальная погрешность. А погрешность измерения длительности импульса определяется с помощью выражения:

 

T =

 

где δкр — погрешность коэффициента развертки, — погрешность вызванная неточностью определения уровня 0,5 от амплитуды (или любого другого заданного уровня) на котором определяется длительность, δв — погрешность сравнения или визуальная погрешность.

Вычислим погрешности измерений, выполняемых с помощью осциллографа С1-77.

Погрешность коэффициента отклонения для этого типа прибора при размере изображения сигнала от 2 до 6 делений составляет % и в рабочем диапазоне влияющего фактора, неравномерность переходной характеристики каждого канала вертикального отклонения не превышает 2,5%, а визуальная погрешность не превышает 1%, однако, при наличии шумов, увеличивающих эффективную ширину линии луча, визуальная погрешность увеличивается до 4%. Таким образом, общие погрешности измерения амплитуды сигнала имеют следующие значения: