электронные измерительные приборы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Введение
Электронные измерительные приборы широко используют в инженерной и
научно-исследовательской работе для измерения электрических и
неэлектрических величин. Достоинства электронно-измерительной аппаратуры:
высокая чувствительность и быстродействие при малом потреблении
электрической энергии. Например, для электронных вольтметров минимальный
измеряемый сигнал (чувствительность) 0,1-10 мкВ, а специальные скоростные
осциллографы позволяют регистрировать и измерять сигнал наносекундного
диапазона. Поэтому электронные измерительные приборы позволяют решить
многие задачи, которые нельзя решить, используя другие приборы
(механические, стрелочные и т.д.). К таким задачам относятся например,
исследование частотных характеристик, измерение малых временных
интервалов, счет числа импульсов. спектральный анализ, измерение частоты в
широком диапазоне.
При решении практических задач электронные измерительные приборы
объединяют
в
информационно-измерительные
системы
(ИИС),
предназначенные для сбора, записи, обработки и хранения информации. В ИИС
обычно включают специализированные ЭВМ. Для объединения отдельных
приборов в комплексы необходимо предусмотреть их информационную и
конструктивную совместимость. Это достигается тем, что все разрабатываемые
приборы должны удовлетворять ГОСТ 12601-80, который определяет основные
положения "ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ СТАНДАРТОВ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ"
(ЕССП).
1. Цель работы.
1.1. Изучить принципы построения и функционирования стандартных
электронных измерительных приборов на примере осциллографа C1-68,
генератора (прямоугольных) импульсов Г5-54, генератора (синусоидальных)
сигналов низкочастотного Г3-102. Изучить разновидности электрических
сигналов и их основные характеристики.
1.2. Познакомиться с сопроводительной эксплуатационной документацией
на приборы (техническим описанием и инструкцией по эксплуатации).
1.3. Получить необходимые навыки и приобрести умение использовать
приборы для измерений.
2. Краткое описание приборов.
2.1. Электронный осциллограф
Электронно-лучевой осциллограф предназначен для того, чтобы визуально
наблюдать и фотографировать форму сигналов, измерять их параметры и
фазовые соотношения. На экране электроннолучевой трубки ЭЛТ можно
наблюдать изображение в виде функциональной зависимости напряжения от
времени (временной диаграммы) или функциональной зависимости двух
напряжений, Для получения временной диаграммы необходимо, чтобы луч
перемещался по вертикали пропорционально мгновенному значению
напряжения исследуемого сигнала, а по горизонтали - с постоянной скоростью.
Такое осциллографирование обеспечивается подачей на вертикально
отклоняющие (Y) пластины ЭЛТ исследуемого сигнала, а на горизонтальные
(X) - линейно-нарастающего напряжения развертки.
В общем случае упрощенная структурная схема электронного
осциллографа соответствует рис.1 и содержит следующие основные блоки:
 Электронно-лучевой индикатор (ЭЛИ), В системе ЭЛИ чаще всего
применяются электронно-лучевые трубки. Основным параметром ЭЛТ
является чувствительность SC^TBJ пластин, которая показывает в мм
величину отклонения луча, соответствующего одному вольту
приложенного к отклоняющим пластинам напряжения.
Pис.1. Структурная схема осциллографа
 Блок вертикального отклонения (БВО).
В канале БВО осуществляется необходимое усиление и задержка
исследуемого сигнала с той целью, чтобы развертка луча по горизонтали
началась раньше, чем усиленный сигнал поступит на вертикальноотклоняющие пластины ЭЛТ. По существу БВО представляют собой
многокаскадный усилитель вертикального отклонения (УВО), свойства
которого определяют область применения прибора, УВО не должен вносить
частотных, базовых и амплитудных искажений сигналов больше допустимого
уровня.
 Блок горизонтального отключения (БГО).
БГО предназначен для выработки напряжения развертки (рис.2). Когда это
напряжение линейно нарастает, элёктронный луч с постоянной скоростью
отклоняется в горизонтальном направлений (Тпр - время прямого хода), когда
цикл развертки оканчивается, напряжение на горизонтальных пластинах
скачком уменьшается, луч возвращается в исходное положение (Тобр - время
обратного хода), затем цикл развертки начинается снова (Тразв - период
развертки). Напряжение развертки (линейно-изменяющееся напряжение)
вырабатывает генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), Для
подсвета ЭЛТ на время прямого хода используют генератор импульсов
подсвета. Для получения устойчивого изображения линейно-изменяющееся
напряжение синхронизируют либо внешним сигналом, либо сигналом,
поступающим из канала УВО. В первом случае осциллограф работ в ждущем
режиме (внешняя синхронизация), т.е. изображения не будет, пока на вход от
внешнего генератора не будет подан сигнал. Во втором случае сигнал
синхронизации появляется на выходе схемы управления ГЛИН одновременно с
подачей на вход Y исследуемого сигнала. Осциллограф работает в режиме
внутренней синхронизации. В режиме КАЛИБР на вход канала УВО с
генератора калибровочного напряжения, расположенного внутри осциллографа,
поступает напряжение для калибровки экрана ЭЛТ| по вертикали (В/мм) и
горизонтали (единица времени/мм)
Рис.2. Форма линейно-изменяющегося напряжения развертки для подачи на пластины Х
 Вспомогательные схемы.
К ним относятся схемы управления лучом (яркость, фоку смещение по
осям), а также калибровочные устройства. Яркость изображения регулируют,
изменяя напряжение модулятора М относительно катода К. Фокусируют
изображение, изменяя напряжение первого анода А1 относительно катода К. На
катод трубки подается отрицательное высоковольтное напряжение с источника
питания. Различные режимы работы генератора развертки (ждущий,
непрерывный), а также виды синхронизации (внутренняя, внешняя, от сети)
также обеспечиваются вспомогательными схемами.
 Блок питания.
Питание электронно-лучевой трубки осуществляется от высоковольтного
выпрямителя (U больше 1 кВ). Параметры сравнительно низковольтных
выпрямителей для питания схем БГО и BBО определяются элементной базой и
требованиями к качеству проектируемого прибора. Нестабильность напряжения
питания вызывает смещение луча на экране, изменение чувствительности
прибора, нарушение синхронизации и дефокусировку луча. Для устранения
этих недостатков в отдельных схемах рекомендуется применять схемы
дополнительной стабилизации питающего напряжения.
Основные технические характеристики осциллографа:
полосам пропускания, входные сопротивление и емкость, коэффициент
отклонения (в мВ/дел), коэффициент развертки (в мкс/дел), погрешность
измерения амплитуды и временных интервалов, размеры рабочей части экрана,
габариты и вес.
2.2. Измерительные генераторы
Измерительные
генераторы
служат
источниками
переменного
(синусоидального) и импульсного напряжений и применяются для
исследования и настройки различной электронной аппаратуры.
2.2.1. Генератор сигналов низкочастотный ГЗ-102
Структурная схема генератора ГЗ-102 приведена на рис.3.
Рис.3. Структурная схема генератора ГЗ-102
Задающий генератор служит источником синусоидальных, колебаний и
представляет собой RC-автогенератор с регулируемой частотой. Усилитель
генератора состоит из нескольких каскадов усиления напряжения и мощности.
Выходное устройство включает в себя согласующие трансформаторы для
согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки
и аттенюаторы - делители напряжения для регулирования уровня выходного
сигнала. Индикатор выходного напряжения предназначен для измерения
выходного напряжения генератора.
Основные технические характеристики низкочастотных генераторов:
диапазон частот, погрешность установки частоты, нестабильность частоты,
величина и погрешность установки выходного напряжения, коэффициент
нелинейных искажений.
2.2.2. Генератор импульсов Г5-54
Структурная схема генератора прямоугольных импульсов приведена на
рис.4.
Задающий генератор вырабатывает импульсы с частотой следования,
которую можно изменять как плавно, так и дискретно. Задающий генератор
может работать в различных режимах:
 в непрерывном (автоколебательном);
 в ждущем (требуется запуск от внешнего генератора);
 в режиме разового запуска.
Режим запуска устанавливается нажатием соответствующей кнопки на
передней панели прибора. Кроме того от задающего генератора запускается
схема
формирования
импульсов
синхронизации.
На
гнездо
СИНХРОИМПУЛЬСЫ выведен сигнал синхронизации. Схема задержки
основного импульса выдает импульс с регулируемым в широких пределах
временным сдвигом, а также обеспечивает режим нулевого сдвига
относительно
синхронизирующего
импульса.
Схема
формирования
длительности основных импульсов ведает стартовый и столовый импульсы с
регулируемым временным сдвигом между ними. Поступая на схему выходного
формирования и регулировки амплитуды, стартовый импульс определяет
начало, а столовый - конец выходного импульса. Схема измерителя амплитуды
обеспечивает в пределах плавной регулировки измерение амплитуды выходных
импульсов. В качестве индикатора использован вольтметр типа M42101.
Делители делят амплитуду выходного сигнала в 10 и 100 раз. Схема питания
обеспечивает прибор постоянными стабилизированными напряжениями 3, 6,
15 В и регулируемым напряжением от 20 и 75 В.
3. ПРОГРАММА РАБОТЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ЕЁ ВЫПОЛНЕНИЮ
3.1. Изучить структурные схемы приборов.
3.2. Выписать в тетрадь основные технические характеристики
осциллографа C1-68, генератора импульсов Г5-54, генератора сигналов
низкочастотного ГЗ-102 из сопроводительных эксплуатационных документов
(техническое описание и инструкция по эксплуатации) к этим приборам.
3.3. Изучить передние панели прибора, найти название каждой ручки и
каждого переключателя и решить вопрос об их назначении. При затруднениях
найти соответствующие пояснения в сопроводительной документации.
3.4. Сравнив технические характеристики приборов, решить вопрос об их
информационной и конструктивной совместимости.
3.5. Включить осциллограф C1-68. Не подавая сигнала на вход Y получить
на экране осциллографа линию развертки (в режиме внутренней
синхронизации). Научиться управлять изображением, используя по очереди
регулировки ЯРКОСТЬ, ФОКУС.
3.6. Включить генератор ГЗ-102, Установив на генераторе амплитуду
выходного сигнала Um=З В, частоту f=10 кГц, подключить выходной кабель
прибора в входному кабелю осциллографа C1-68. При этом особенно
внимательно проследить за тем, чтобы были соединены выводы корпусов того
и другого прибора. Эти провода маркированы значком , либо отличаются
цветом (обычно чёрный или красный). В автоколебательном режиме (режим
внутренней синхронизации осциллографа) получить устойчивое изображение.
Измерить амплитуду Um и период сигнала (Т=1/f), используя ручки
УСИЛЕНИЕ и ДЛИТЕЛЬНОСТЬ. Сравнить измеренные величины с
установленными на генераторе. Закончив измерения, отключить генератор от
осциллографа.
3.7. Включить генератор Г5-54 в режим автоколебания. Установить
амплитуду выходного сигнала Um=1 В, длительность импульса tи=10 мкс,
период Т =20-40 мкс. Подключить выходной кабель генератора по входу Y
осциллографа, проследить за совмещением корпусных () проводов. На
^
гнездо Х относительно гнезда со значком «» подать импульсы синхронизации
с генератора Г5-54. Получить на экране устойчивое изображение в режиме
"Внеш.синхронизация" осциллографа.
Измерить параметры Um, tи, Т выходного сигнала и сравнить их с
установленными на передней панели генератора. Измерить фронт (ф) и срез
(с) выходного сигнала. Закончив измерения отключить генератор от
осциллографа.
3.8. Научиться выбирать заранее положение ручек осциллографа зная
параметры сигнала, поступающего от генератора. Например зная tи, можно
установить длительность развертки Тразв =2-3 tи. Изображение прямоугольного
импульса по вертикали и горизонтали практически должно занимать весь
экран. Изменяя амплитуду, длительность и период сигнала практиковаться в
получении устойчивого, удобного для наблюдения и измерений изображения
до приобретения устойчивых навыков.
3.9. Установить на выходе Г5-54 импульсы длительности менее I мкс
(например, tи =0,1 мкс). Объяснить форму сигнала наблюдаемого на экране
ЭЛТ.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
4.1. Отчет выполняется в соответствии с требованиями стандарта
предприятия СТП УПИ 1-85.
4.2. В отчете привести структурные схемы приборов, их технические
характеристики, а также зарисовать изображение сигнала (осциллограммы) с
выхода ГЗ-102 и Г5-54.
5. ЛИТЕРАТУРА
1. Основы промышленной электроники: Учеб. для неэлектротехн. спец. вузов /
В.Г. Герасимов, О.М. Князьков и др. Под ред. В.Г. Герасимова- 3-изд.,
перераб. и доп. -М., Высш.шк. 1986. -336 с, ил.
2. Тохические описания и инструкции по эксплуатации к приборам C1-68,
ГЗ-102, Г5-54.