Осциллографические измерения

Измерение амплитуд компенсационным методом производят в осциллографах с дифференциальными  входами. На второй (инвертирующий) вход подают постоянное (опорное) напряжение от плавно регулируемого источника. Это может быть калибратор" осциллографа или внешний источник, параметры которого известны или могут быть измерены (например, с помощью цифрового вольтметра). Изменением опорного напряжения производят совмещение минимального уровня сигнала с какой-либо горизонтальной риской шкалы. Значение опорного напряжения фиксируют. Затем совмещают с этой же риской максимальный уровень сигнала. Разность в значениях опорного напряжения равна амплитуде сигнала.

Компенсационный метод измерения длительности реализуют  в осциллографах с двойной  разверткой. При этом используют калиброванную задержку второй развертки. Осциллограф устанавливают в режим работы с задержанной разверткой и регулировкой задержки, передний фронт сигнала совмещают с вертикальной риской шкалы. Затем производят совмещение заднего фронта сигнала с этой же риской. Разность значений задержки в том и другом случаях равна длительности импульса.

Метод сравнения измеряемой величины с образцовой реализован в осциллографе С1-40. Для этого с помощью электронных коммутаторов на экране вместе с сигналом формируют две светящиеся точки, положение которых в пределах экрана может независимо регулироваться. Расстояние между точками по вертикали является образцовым для измерения напряжения, по горизонтали — для измерения длительности; значения образцовых величин считывают с органов регулировки положения точек. Процесс измерения заключается в совмещении точек с интересующим размером изображения. Таким образом, сравнение измеряемой и образцовой величин производят непосредственно на экране без использования шкалы. Это позволяет получить погрешность измерения не хуже 2%.

В качестве примера  использования метода калиброванных  шкал рассмотрим измерение параметров прямоугольных импульсов. Размер изображения импульса устанавливается так, чтобы его амплитуда занимала всю шкалу. При этом калибровка по оси Y может не соблюдаться. Затем производится отсчет длительностей фронта τф среза τср и длительности импульса τ_и в делениях шкалы, причем τф и τср измеряют между уровнями  0,1 и 0,9, а τи—по уровню 0,5. Для удобства измерений шкала осциллографа обычно имеет пунктирные линии, соответствующие отсчетным уровням. Пересчет в значения длительности осуществляется домножением на коэффициент развертки с учетом множителя растяжки. После установки калиброванного масштаба по оси У производится измерение амплитуды, а также величины выброса импульса.

Измерение коэффициента амплитудной модуляции производят путем отсчета максимального  и минимального размера изображения амплитудно-модулированного сигнала непосредственно в делениях шкалы. Расчет ведут по формуле: 

Иногда величины А и Б удобнее измерять при синусоидальной развертке. Для этого отключают генератор развертки, а на вход X подают модулирующее напряжение. На экране получается изображение в виде трапеции по которому и определяют величины А и Б, подставляемые в формулу (1).

Одним из интересных применений осциллографа является измерение вольт-амперных характеристик. Для этого используют схему, изображенную на рис.2 и предназначенную для наблюдения выходных характеристик транзисторов. Источником коллекторного напряжения является генератор пилообразного напряжения, которое служит также напряжением развертки.

Напряжение, пропорциональное току коллектора, выделяется на резисторе R_K небольшой величины и подается на вход канала Y осциллографа. Ток базы задается генератором ступенчатого напряжения и резистором R_б. Параметры ступенчатого напряжения согласованы с периодом изменения напряжения коллектора так, чтобы на каждом ходе развертки высвечивалась характеристика, соответствующая одному значе-

нию 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 вольт-амперных 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 
 

                 Рис.3. Блок-схема калибровки масштабной сетки ЭЛТ

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.

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.

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

                              Рис.5. Измерение тока при помощи ЭЛО

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.

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 Х_с 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