Более эффективные режимы работы транзистора
С целью увеличения КПД усилителя используют нелинейные режимы работы транзистора. При этом часть времени транзистор работает в активной области, часть — в области отсечки. Для анализа нелинейных режимов переходную характеристику транзистора аппроксимируют прямыми линиями, как показано на рис. 6.8. Параметры w ^ d iK
аппроксимированной характеристики: S = —крутизна
и иотс — напряжение отсечки коллекторного тока.
Рис. 6.8. Режим работы транзистора с отсечкой коллекторного тока
При такой аппроксимации коллекторный ток имеет вид отрезков косинусоиды и описывается двумя параметрами: максимальным значением zKmax и углом отсечки 0. Угол отсечки — это промежуток фазового угла, за который ток меняется от максимального значения до 0.
Периодическая последовательность импульсов тока с отсечкой может быть разложена в ряд Фурье по гармоникам входной частоты со. В разложении Фурье симметричных импульсов, изображенных на рис. 6.6, имеются лишь косинусоидальные члены:
Постоянная составляющая /ко и амплитуда первой гармоники /К1 находятся по формулам для коэффициентов ряда Фурье:
и могут быть записаны в виде
или 
где ос„(0), у„(0) — нормированные коэффициенты ряда Фурье для /7-й гармоники, полученные при подстановке в (6.6) и (6.7) выражения для /к(со?):
или 
При интегрировании выражений (6.6) и (6.7) получаем следующие формулы для нормированных коэффициентов: 
Зависимости а- и у-коэффициеитов от угла отсечки 0 изображены на рис. 6.9.
Рис. 6.9. Зависимости нормированных коэффициентов а (а) и у (б) ряда Фурье от угла отсечки 0
Выбор оптимального угла отсечки
Основные энергетические показатели усилителя мощности зависят от угла отсечки коллекторного тока 9. Действительно, 
где RKOtl = — сопротивление нагрузки транзистора;
Максимальный коэффициент усиления мощности получается при 0 = 180°, как это очевидно из (6.15).
Классификация нелинейных режимов работы транзистора
Режимы работы транзистора классифицируют в зависимости от угла отсечки импульсов коллекторного тока (табл. 6.1).
Описание лабораторной установки.
В лабораторной работе используется блок №1 лабораторной установки, содержащий транзисторный умножитель частоты, схема которого приведена на рис.4.1.
Рис. 4.1. Транзисторный умножитель частоты.
Нагрузкой транзистора в умножителе частоты служит колебательный контурLС с резонансной частотой fрез = 16 кГц. Для измерения параметров коллекторного тока транзистора в качестве нагрузки используется резистор R. Переключение нагрузки осуществляется с помощью кнопочных переключателей "ВКЛ " на блоке №1, расположенных под условными обозначениями. При нажатии левой кнопки нагрузкой транзистора служит резисторR, а при нажатии правой кнопки- колебательный контурLC.
Напряжение Есм устанавливается при помощи регулятора "смещение " и вольтметра Есм, расположенных в верхней части лабораторной установки в блоке питания и измерений.
При использовании в качестве нагрузки транзистораR, форма входного напряжения повторяет форму коллекторного тока транзистора. При подключении колебательного контура выходной сигнал имеет форму гармонического колебания, т.к. контур выделяет одну из гармонических составляющих сигнала, частота, которой совпадает с резонансной частотой контура.
В лабораторной работе используется генератор низкой частоты (ГНЧ) и двухлучевой осциллограф.
Измерительные приборы и лабораторная установка заземлены, поэтому все соединения выполняются при помощи одножильных проводов. Выход генератора (незаземленная клемма) соединяется со входом 1 умножителя частоты. ВходY1 осциллографа соединяется с гнездом 1, вход Y2 c гнездом 5 умножителя частоты. Использование двухлучевого осциллографа позволяет выполнять совместное наблюдение осциллограмм на входе и на выходе.
Лабораторное задание.
1. Собрать схему лабораторной работы, установить электрический режим умножителя и определить резонансную частоту колебательного контура.
2. Исследовать влияние напряжения смещения на угол отсечки тока.
3. Наблюдать явление умножения частоты в 2 раза, и исследовать зависимость амплитуды выходного напряжения от угла отсечки.
Методические указание.
1. Собрать схему лабораторной установки, установить электрический режим умножителя и определить резонансную частоту колебательного контура.
1.1. Включить лабораторную установку и измерительные приборы.
1.2. Соединить выход генератора НЧ (незаземленная клемма) со входом 1 умножителя частоты.
1.3. Включить колебательный контурLC в качестве нагрузки транзистора, для этого нажать правую кнопку переключателя нагрузок.
1.4. Установить напряжение смещения Есм, =2 В.
1.5. Установить на выходе генератора колебание с амплитудойU=0,5В по измерительному прибору генератора НЧ с частотой f = 16 кГц.
1.6. Подключить вход Y1 осциллографа к гнезду 1, а вход Y2 к гнезду 5 умножителя частоты. Синхронизация осциллографа осуществляется в режиме " внутр. 1".
1.7. Получить в верхней части экрана осциллографа осциллограмму входного колебания, а в нижней- выходного. Осциллограммы должны содержать по 2-3 колебания (периода).
1.8. Вращая ручку установки частоты ГНЧ добиться наибольшей амплитуды выходного колебания. При точной настройке в резонанс сдвиг фаз между верхней и нижней осциллограммами равен нулю.
1.9. Записать значение резонансной частоты со шкалы установки генератора.
2. Исследовать влияние напряжения смещения на угол отсечки тока.
2.1. Оставить подключенными к умножителю частоты генератор и осциллограф, и включить резистор R в качестве нагрузки транзистора нажатием левой кнопки переключателя нагрузок транзистора.
2.2. Установить на выходе генератора колебание с амплитудой 0,5В и частотой, равной резонансной частоте колебательного контура.
2.3. Изменяя напряжение от 0 до 3 В наблюдать изменение формы колебаний на выходе схемы. При напряжении смещения Есм=1В выходное колебание близко по форме к гармоническому. При увеличении напряжения до 3В происходит ограничение (отсечка) колебания. Графики, поясняющие процесс ограничения, показаны на рис.4.2.
Рис. 4.2. Процесс ограничения.
Для определения угла отсечки q в градусах по осциллограмме выходного колебания требуется измерить в клетках шкалы экрана осциллографа интервалыТ и t. Угол отсечки определяется соотношением
2.4. Изменяя напряжение смещения выполнить 10-12 измерений угла отсечки. Диапазон изменений напряжения смещения определяется изменением угла отсечки от 180° до q ° (Есм=1..3В, шаг выбирается равным 0,1. 0,2В). Данные измерений величин и Т занести в таблицу 4.1. Таблицу дополнить расчетом углов отсечки, выполненных по соотношению (4.1).
| Есм,В | -1,2 | -1,4 | -1,6 | -1,8 | ……. | -2,4 | -2,6 | -2,8 | -3 |
| Т | |||||||||
| t | |||||||||
| q |
Построить график зависимости угла отсечки от напряжения смещения.
3. Наблюдать явление умножения частоты в 2 раза и исследовать зависимость амплитуды выходного напряжения от угла отсечки.
3.1. Оставить подключенными к умножителю частоты генератор и осциллограф. Установить на выходе генератора колебание с амплитудой 0,5В и частотой, в 2 раза меньше резонансной частоты колебательного контураLC.
3.2. Включить колебательный контурLC в качестве нагрузки транзистора и плавно уменьшая напряжение смещения от 5В, добиться максимального значения амплитуды исследуемой гармоники. Построить частоту генератора НЧ для более точной настройки в резонанс.
3.3. Зарисовать одну под другой осциллограммы колебаний на входе и выходе умножителя частоты. Записать напряжение смещения и величину амплитуды входного напряжения.
3.4. Подготовить таблицу для записи результатов измерений и расчетов (табл.4.2).
| Коэффициент умножения n=fвых/fвх=2 | ||||||
| Есм,В | 2,8 | 2.6 | …………….. | 1,6 | 1,4 | 1,2 |
| Un(B) | ||||||
| Umax(B) | ||||||
| q | ||||||
| an |
3.5. Определить границы изменения напряжения смещения, между которыми происходит явление умножения частоты.
3.5.1. Перемещая ручку регулятора смещения вправо, определить и записать напряжение смещения- Емакс, при котором амплитуда исследуемой гармоники становится равной нулю.
3.5.2. Плавно перемещая ручку регулятора смещения влево наблюдать изменение амплитуды исследуемой гармоники и определить напряжение смещения- Емин, при котором вновь амплитуда становится равной нулю.
Примечание: для второй гармоники величина Емин определяется по исчезновению колебания с наименьшей амплитудой. Обратите внимание на то, что при умножение частоты в 2 раза в осциллограмме наблюдается колебания с разной амплитудой.
3.6. Изменяя напряжение смещения от — Емакс до Емин с шагом 0,1 . 0,2В определить и записать в таблицу амплитуду исследуемой гармоникиUn и амплитуду импульсного напряжения. Величина Un измеряется в клетках экрана осциллографа по вертикали при использовании в качестве нагрузки транзистора колебательного контураLC, а величина Umax — при использовании резистора R. При каждом значении напряжения смещения необходимо измерять поочередно обе величины. Величины градq иan определяются при составлении отчета.
Метод расчета коэффициента угла отсечки.
Коэффициент угла отсечки равен: an= In/Imax , (4.2)
где Imax— максимальное значение тока, протекающего через нелинейный элемент (транзистор);
In — амплитуда “n” ой гармонической составляющей тока.
Вместо измерений значений ImaxиIn в лабораторной работе измеряются пропорциональные им значения напряжений Umax и Un. При измерении Umax нагрузкой транзистора служит резистор R, падение напряжения на котором
Umax = Imax R . (4.3)
При измерении амплитудыIn “n” ой гармоники коллекторного тока используется колебательный контур. Гармоническая составляющая тока, частота которой совпадает с резонансной частотой контура, создает на нем падение напряжения
гдеRoe — активное сопротивление колебательного контура при резонансе.
С учётом выражений (2.3) и (2.4) коэффициент угла отсечки можно определить следующим образом:
Численное значение коэффициента пропорциональности К может быть определено при обработке экспериментальных данных.
Коэффициент К в соотношении 2.5 может быть определен по экспериментальным данным пп. 3.2-3.6. В результате их выполнения становятся известны значения Umax иUn в режиме работы без отсечки (q=180°).Составляя их отношение и учитывая, что при (q=180°), из соотношения (4.5) получим
К = Umax / Un приq=180° (4.6)
Значение угла отсечки определяется по графику, построенному по результатам таблицы 4.1.
Содержание отчета. Отчет должен содержать:
1. Принципиальную схему исследуемого умножителя частоты.
2. Таблицу 2.1 измерений и график зависимостиan (q ).
3. Выводы о степени совпадения экспериментальных результатов определения зависимости an(q ) с теоретическими.
Контрольные вопросы.
1. При каком виде аппроксимации для гармонического анализа используется метод угла отсечки?
2. Поясните, используя метод трех координатных плоскостей, явление отсечки тока в нелинейном элементе. Дайте определение угла отсечки.
3. Что называют коэффициентами угла отсечки? От чего они зависят?
4. Каким отношением связаны коэффициент угла отсечки, амплитуда токаIn"n-ой" гармоники и максимальное значение импульса тока?
5. При каких значениях углов отсечки амплитуды гармоник тока достигают максимальных значений?
6. Приведите методику расчета амплитуд гармоник тока через нелинейный элемент при использовании метода угла отсечки.
7. Какое преобразование сигнала называют " умножением частоты"? В каких устройствах и для каких целей используется умножение частоты?
8. Поясните, почему умножение частоты может быть произведено в нелинейной цепи? Изобразите схему умножителя частоты на транзисторе.
9. Как достигается умножение частоты в большее число раз?
10. Что называют оптимальным умножением частоты? Приведите примеры вольтамперных характеристик нелинейных элементов, используемых в оптимальных умножителях частоты.
11. В чём преимущество использования нелинейных реактивных элементов в умножителях частоты перед нелинейными активными элементами?
12. Поясните возможность построения умножителей частоты на основе использования параметрических элементов.
13. Поясните методику определения значения углов отсечки, используемую в настоящей работе.
14. Поясните методику определения зависимости коэффициентов угла отсечки от значений угла отсечки, применяемую в настоящей лабораторной работе
Список литератур
1. М. Птачек “Цифровое телевидение. Теория и техника”. – Москва: Радио и связь, 1990.
2. Е. И. Джакония “Телевидение” – Москва: Радио и связь, 2002 (Раздел 5 “Основы цифрового телевидения”).
3. Э. Айфичер, Б. Джервис “Цифровая обработка сигналов” – Москва, 2004.
4. Ю. А. Ковалгин “Цифровое кодирование звуковых сигналов” – СПб, 2004.
5.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: Радио и связь, 1996, с.768.
6.Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. – М.: Радио и связь,1983, с.264.
Спектральный анализ колебаний в нелинейных преобразователях: метод кратных дуг, метод трех и пяти ординат, Метод функций Бесселя
При изучении процессов нелинейных преобразований в первую очередь приходится решать задачу нахождения спектра колебаний на выходе преобразователей. Данная задача формулируется следующим образом.
Имеется безынерционный нелинейный преобразователь, характеристика которого аппроксимируется зависимостью i = f(u). На вход этого преобразователя поступает так называемое полигармоническое колебание вида
В частном случае это может быть моногармоническое колебание вида
u(t) = Ucos(ωt + φ).
Необходимо определить спектр тока i на выходе преобразователя. Такая задача получила название «спектральный анализ». Для решения этой задачи можно использовать аппарат рассмотренных ранее рядов Фурье. Однако такой метод определения спектра отклика оказывается весьма трудоемким, поэтому на практике применяются специальные методы спектрального анализа, связанные с рассмотренными ранее методами аппроксимации характеристик нелинейных преобразователей. При этом наибольшее распространение получили:
- метод кратных дуг;
- метод формул трех и пяти ординат;
- метод функций Бесселя от мнимого аргумента;
- метод угла отсечки.
Метод кратных дуг
Данный метод является основным при использовании полиномиальной аппроксимации. Его удобно применять при анализе нелинейных преобразований в процессе модуляции, демодуляции, преобразования и деления частоты.
Пусть вольт-амперная характеристика нелинейного резистивного элемента аппроксимирована многочленом n-й степени:
На вход преобразователя подается гармоническое колебание вида
u(t) = Ucos(ωt + φ).
Выполнив соответствующие подстановки, получим
Воспользуемся следующими известными формулами:
позволяющими степени косинусов (синусов) заменить тригонометрическими формулами кратных аргументов, отсюда и происходит название данного метода.
Предположим x = ωt + φ, тогда, выполнив очевидные подстановки, получим:
Здесь
При произвольном номере гармоники общее выражение для тока имеет вид
Спектр амплитуд тока на выходе нелинейного преобразователя при воздействии одного гармонического колебания показан на рис. 3.5, а.
Из сказанного можно сделать следующие выводы.
- Выходной спектр нелинейного преобразователя при воздействии гармонического сигнала является линейчатым. При этом составляющие сигнала имеют частоты, кратные частоте входного сигнала. Наивысший номер составляющей спектра равен степени аппроксимирующего полинома.
- Постоянная составляющая и амплитуды четных гармоник определяются только четными степенями напряжения.
- Значение текущей фазы k-й гармоники больше значения фазы входного сигнала в k раз, т.е. (Формула), откуда (Формула).
Ранее отмечалось, что нелинейные преобразования вызывают появление новых спектральных составляющих, которых не было на входе. Данный эффект проявляется наиболее ярко, если на вход преобразователя подается колебание, являющееся суммой нескольких гармоник с различными частотами.
Пусть на нелинейный резистивный элемент поступает так называемое бигармоническое колебание вида
Рис. 3.5. Амплитудные спектры тока на выходе нелинейною преобразователя при воздействии одного (а) и двух (б) гармонических колебаний
Для упрощения анализа рассмотрим случай, когда вольт-амперная характеристика описывается многочленом 2-й степени (т.е. слабо нелинейный режим):
Выполним соответствующие подстановки:
Из этого выражения видно, что в выходном колебании содержатся составляющие, которые имелись в спектре входного колебания, а также появились и новые гармоники. Иными словами, на выходе имеются постоянная составляющая и первые, вторые гармоники входных сигналов. Принципиально новым является появление двух комбинационных колебаний с частотами (Формула) и (Формула). Амплитуды этих колебаний, равные (Формула), в одинаковой степени зависят от амплитуд каждого из входных сигналов. Комбинационные колебания обращаются в нуль, если на входе устройства отсутствует любой из двух входных сигналов.
Спектр амплитуд тока для рассмотренного случая показан на рис. 3.5, б.
Метод трех и пяти ординат
Данный метод применяют, как правило, при графических расчетах для оценки нелинейных искажений, возникающих в модуляторах, усилителях и других устройствах. Его отличительной особенностью является то, что в нем не требуется осуществлять аппроксимацию вольт-амперной характеристики нелинейного элемента.
Метод формул трех ординат позволяет определить значения постоянной составляющей и амплитуды первых двух гармоник тока в следующем виде:
Пусть характеристика нелинейного преобразователя задана графически (рис. 3.6).
Выберем на графике три ординаты и потребуем, чтобы значения тока в этих точках совпадали с его действительными значениями. Иными словами, возьмем следующие точки:
Рис. 3.6. Определение значений гармоник тока посредством выбора ординат характеристики нелинейного преобразователя
Подставив выбранные значения в формулу для тока, получим систему из трех уравнений:
Решив эту систему уравнений относительно (Формула), получим:
Аналогично используют формулу пяти ординат для определения значений тока первых четырех гармоник. В этом случае точность расчетов будет выше. Однако в целом точность нахождения амплитуд гармоник с использованием данного метода невысока: ошибка растет с увеличением амплитуды подводимого напряжения.
Метод функций Бесселя
Данный метод применяется при анализе работы демодуляторов и преобразователей частоты в случае, когда вольт-амперная характеристика аппроксимируется экспоненциальной функцией.
Пусть имеется нелинейный преобразователь в виде полупроводникового диода, характеристика которого аппроксимирована выражением
На его вход подается напряжение
u(t) = E + Ucosωt.
Подставив это напряжение в аппроксимирующее выражение, получим
Это выражение можно представить в виде ряда Фурье, для чего необходимо найти коэффициенты разложения, использовав выражения из теории функций Бесселя:
— модифицированная функция Бесселя n-го порядка от аргумента х.
При этом x = αU, φ = ωt.
Тогда разложение в ряд Фурье будет иметь следующий вид:
Из этого разложения видно, что постоянная составляющая тока
амплитуда первой гармоники
alt=»Спектральный анализ колебаний в нелинейных преобразователях: метод кратных дуг, метод трех и пяти ординат, Метод функций Бесселя» width=»99″ height=»24″ />амплитуда n-й гармоники
alt=»Спектральный анализ колебаний в нелинейных преобразователях: метод кратных дуг, метод трех и пяти ординат, Метод функций Бесселя» width=»99″ height=»24″ />
Расчеты по данным выражениям показывают, что с увеличением номера гармоники ее амплитуда уменьшается. При выполнении расчетов можно использовать подробные таблицы функций Бесселя, приведенные в специальных справочниках.
Метод угла отсечки
Метод угла отсечки применяют при кусочно-линейной аппроксимации вольт-амперных характеристик. Он весьма эффективен для расчетов умножителей частоты, усилителей и генераторов, собранных на полупроводниковых приборах и лампах.
Пусть имеется нелинейный преобразователь, вольт-амперная характеристика которого аппроксимирована соотношением
где S — крутизна характеристики; U0 — напряжение отсечки.
На рис. 3.7 эта характеристика представляет собой две прямые линии.
Рассмотрим воздействие напряжения
u = E + Ucosωt,
где Ε — напряжение смещения, которое определяет рабочую точку.
Из рис. 3.7 видно, что нелинейный элемент работает с отсечкой, т.е. часть входного напряжения, которая не заштрихована, не участвует в создании тока. Получаемые при этом импульсы тока характеризуются двумя величинами: высотой (Формула) и шириной, т. е. углом отсечки, который обозначен θ.
«Углом отсечки» называется часть периода колебания с частотой ω, в течение которого или ток изменяется от максимального значения до нуля, или входное напряжение изменяется от максимального U до U0. Угол отсечки θ = ωt и измеряется в градусах или в радианах. Следовательно, можно записать
откуда
Угол отсечки может принимать значения от нуля (ток не проходит) до π, что соответствует линейному режиму работы преобразователя. Если напряжение смещения Ε равно напряжению отсечки, то θ = π/2 , т. е. в этом случае проходят только положительные полупериоды входного сигнала.
Рис. 3.7. Пояснение процессов в нелинейном преобразователе при использовании для расчета метода угла отсечки
Определим значение выходного тока. Для чего подставим выражение входного напряжения u в соотношение, которым аппроксимирована вольт-амперная характеристика:
Поскольку при ωt = θ ток равен нулю (i = 0), можно записать
Вычитанием второго выражения из первого получим
i = SU(cosωt − cosθ).
При ωt = 0 выходной ток имеет максимальное значение
, т.е.
Полученная графическим построением периодическая последовательность импульсов тока является четной функцией, поэтому ее можно представить в виде ряда Фурье, в котором содержатся постоянная составляющая и косинусоидальные гармоники:
Постоянную составляющую найдем из соотношения
— коэффициент постоянной составляющей.
Соответственно амплитуда первой гармоники
Аналогично определяется амплитуда n-й гармоники:
n = 2, 3, 4, …
Иногда при расчете удобнее использовать нормированные коэффициенты гармоник (нормированные относительно значения максимального тока (Формула)):
Эти коэффициенты являются функциями только угла отсечки θ, поэтому для них имеются справочные графики и специальные таблицы, которые удобно применять в расчетах нелинейных преобразователей. Заметим, что для наиболее часто применяемого режима при θ = π/2
Анализ зависимостей позволяет сделать следующие выводы.
- Амплитуды гармоник спектра сигнала имеют максимум при оптимальных углах отсечки, которые определяются соотношением θ ≈ 120°/n. Например, амплитуда второй гармоники максимальна при θ ≈ 60°, 3-й гармоники — при θ ≈ 40° и т.д. Данное обстоятельство позволяет выбирать оптимальную рабочую точку при некоторых видах нелинейных преобразований, например при умножении частоты.
- Амплитуды всех нечетных гармоник (за исключением первой) равны нулю при θ = 90°, что избавляет от нежелательных гармонических составляющих.
Порядок операций при использовании метода угла отсечки
- Для выбранной рабочей точки по известным значениям амплитуды сигнала U, напряжения смещения Е, напряжения отсечки (Формула) и крутизны ΒΑΧ S вычисляется угол отсечки:
- Для найденного угла отсечки θ определяется максимальное значение тока по формуле
- По графикам или таблицам определяются коэффициенты
- Вычисляются амплитуды гармонических составляющих
Осциллограмма
При настройке электронного оборудования, мониторинге сигналов в промежуток времени на экране осциллографа отслеживается осциллограмма. Ремонт аудио,- и видеоаппаратуры становится намного легче, если процессы, происходящие в электрической цепи, можно не только измерить, но и увидеть.
Значение слова осциллограмма
В переводе с греческого языка осциллограмма – это качающееся изображение. Действительно, на экране осциллоскопа можно наблюдать колеблющуюся светящуюся линию. Этот движущийся график способен показать, как изменяется электрический сигнал с течением периода времени.
Определение угла сдвига фаз на осциллограмме
Чтобы измерить угол сдвига фаз на графиках двух сигналов, следует подавать на первый канал максимальное напряжение. Это улучшит синхронизацию картинки на экране. Величина сдвига измеряется не в секундах, а в градусах. Визуально можно проследить расположение двух графиков электрического сигнала относительно друг друга в конкретный период времени. Синусоидальная форма сигнала позволяет фиксировать сдвиг фаз. Для повышения точности результата можно растягивать изображение в длину или установить для сигналов разную амплитуду, чтобы отличать один от другого.
Применение осциллографа
Прибор используют для наблюдения на дисплее графика изменения параметров исследуемого сигнала или сигналов. Что измеряет осциллограф? С его помощью можно одновременно контролировать напряжение, силу тока, частоту и сдвиг фаз. Измерение сигналов, подаваемых на вход осциллоскопа, проводят как в стационарных, так и в полевых условиях.
Принцип функционирования
Общий принцип работы прибора прост. Он регистрирует любое изменение напряжения испытуемого сигнала и выводит его на дисплей. Со времён самописца, придуманного Андре Блондалем, где индуктивная катушка управляла колебаниями маятника, идея претерпела изменения. После изобретения электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) прибор стал полноценным измерителем. Органы управления находятся на передней панели.
Поданный на вход сигнал может иметь разную амплитуду. Расположенный на передней панели регулятор «В/дел», позволяет растягивать или уменьшать получаемую картинку по оси Y. Ручка «длительность» изменяет скорость движения луча по дисплею. Это частота развёртки.
К сведению. Луч постоянно перемещается слева на право, вертикальное отклонение ему задаёт импульс, приходящий на вход. В результате на дисплее получается синусоида или иные колебания.
С помощью частоты развёртки добиваются остановки картинки. Когда она близка или совпадает с частотой сигнала, то картинка замирает и становится статичной. Вот главный принцип работы прибора.
Классификация
Так как осциллоскоп работает с входящими сигналами, то по виду обработки импульсов приборы делятся на:
- аналоговые;
- цифровые.
В аналоговых аппаратах применяются ЭЛТ с электростатическим смещением.
Цифровые аппараты оснащены жк-дисплеем. Они имеют память, позволяющую рассматривать уже зафиксированные сигналы, делать их скриншоты. ЖК-цветной монитор способствует улучшению восприятия картинки.
Следующее деление можно провести по числу лучей:
- однолучевые;
- двухлучевые;
- многолучевые.
Важно! N-лучевой прибор показывает сразу n-графиков на дисплее. У него n-входов. Но количество входов (каналов) не всегда равно количеству лучей. Так, двухканальный измеритель может отображать два сигнала одним лучом, но не одновременно.
Цифровые осциллографы можно разделить на модели:
- стробоскопические;
- запоминающие;
- люминофорные;
- виртуальные.
Стробоскопические осциллографы сжимают спектр исследуемого сигнала путём моментального стробирования в определённой точке. С каждым новым появлением сигнала точка смещается по кривой, пока не простробируется сигнал. На дисплей выдаётся преобразованная кривая, повторяющая форму основного сигнала, но состоящая из мгновенных значений.
В запоминающих моделях цифровой формат информации позволяет сохранять результаты измерений в памяти или выводить на печать. У большинства моделей в наличии накопитель, где можно хранить картинки в виде файлов.
Технология «цифрового люминофора» даёт возможность имитировать изменение интенсивности картинки, присущее аналоговым моделям, но уже в цифровом формате. Люминофорные осциллографы выдают на дисплей модулированные сигналы в мельчайших подробностях, как и аналоговые устройства. При этом они обеспечивают измерение, сравнение и хранение, как цифровые запоминающие модели.
Отдельный класс виртуальных осциллографов может быть внешним или внутренним дополнительным гаджетом на базе ISA или PCI карт. ПО любого виртуального осциллоскопа разрешает полностью управлять прибором и предоставляет линейку сервисных опций: цифровая фильтрация, экспорт и импорт данных и иные возможности.
Двухканальный прибор
Модели типа «два канала – один луч» имеют два канала вертикальной развёртки и однолучевую ЭЛТ. Конструктивно это переключаемые электронным переключателем входы Y1 и Y2. Переключатель поочерёдно соединяет выходные сигналы каналов с пластинами вертикального отклонения.
Устройство
Упрощённая блок-схема осциллографа отображает структурное строение аналогового прибора. Это входной делитель, усилитель горизонтальной развёртки и схема синхронизации, усилитель вертикального отклонения, блок питания и электронно-лучевая трубка.
Цифровые измерители осциллограмм имеют в своём составе:
- входной делитель;
- нормализующий усилитель;
- аналого-цифровой преобразователь;
- блок памяти;
- устройство управления;
- устройства отображения.
Устройство отображения представляет собой жидкокристаллическую панель чёрно-белого или цветного отображения картинки.
Экран
Способность изображать изменения исследуемых гармонических колебаний – есть основная задача этого прибора. До появления жк-дисплеев эту роль выполняла ЭЛТ. Это стеклянный конусообразный баллон, дно которого покрыто люминофором. Он издаёт видимое свечение при попадании на него электронного луча. На экран нанесена калибровочная сетка с делениями.
Сигнальные входы
Количество входов прибора обозначает число его каналов. Наличие 2 и более каналов обозначает многоканальный осциллограф. Входные импульсы от каждого канала подаются на Y-вход и усиливаются собственным усилителем вертикальной развёртки.
Важно! Такой усилитель всегда выполнен по схеме усиления постоянного тока. Значит, нижняя граница частоты – 0 Гц. Это даёт возможность измерить постоянное напряжение, отображать несимметричные сигналы и контролировать постоянную составляющую сигнала.
Управление развёрткой
График, который получится в результате подачи напряжения на вертикально расположенные пластины, напоминает зубья пилы. Разность потенциалов нарастает, потом резко падает. При наблюдении за движением луча видно, что он бегает слева направо. Такие пилообразные движения называются вертикальной и горизонтальной развёрткой. Горизонтальную развёртку ещё зовут строчной. Периодичность повторения пилообразных импульсов определяет частоту развёртки.
Синхронизация развёртки с исследуемым сигналом
Эта функция необходима для того, чтобы картинка луча в циклах развёртки была неподвижной. Значит, что при повторении каждого следующего движения по экрану луч должен проходить свой путь по одной и той же траектории. Этим занимается синхронизация развёртки. Она запускает развёртку с заданной точки. При частоте повторения больше 20 Гц, в результате инерционности человеческого зрения, наблюдается неподвижное изображение.
Информация. Схема синхронизации задерживает запуск развёртки до какого-либо заданного события. Это событие задаёт оператор. Этот импульс может задаваться в режимах внутренней и внешней синхронизации.
Оперируют всегда с двумя настройками:
- уровень запуска – по напряжению;
- тип запуска – по фронту или спаду импульса.
Применительно к работе с цифровыми устройствами запуск развёртки происходит при совпадении заданного двоичного кода с кодом на шине микропроцессора.
Применение
Работа с осциллографом позволяет выполнять ряд действий, не связанных с визуализацией:
- измерение амплитуды сигнала;
- контроль временных интервалов;
- настройку каналов звука в радиоаппаратуре;
- наблюдение фигур Лиссажу;
- курсорные измерения в современных моделях;
- математические операции-функции;
- захват строки телевизионного сигнала.
Это только некоторая часть опций, которые можно выполнить при помощи этого прибора.
Наблюдение фигур Лиссажу
При необходимости подстроить частоту сигнала одного источника под частоту другого применяют этот приём. Для работы используют два генератора частоты и осциллограф с опцией XY-режима. Фигуры Лиссажу – это рисунки, созданные точкой, колеблющейся в одной плоскости, но в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.
Интересно. Если подать на каждый канал двухканального прибора сигналы от двух разных генераторов и включить на устройстве режим XY, то на экране получится фигура. Фигуры будут менять свои очертания в зависимости от кратности частот генераторов.
На практике метод используется для определения неизвестной частоты, при сравнении её с известной частотой. Зная, осциллограмма какого сигнала изображена на рисунке, по фигуре, которая получилась, можно определить искомый параметр.
Курсорные измерения
В аппаратах современного поколения имеется вспомогательный интерфейс в виде курсоров. Это прямые линии, выводимые на экран. Они могут быть расположены и перпендикулярно друг к другу. Курсор можно наводить на любую точку графика сигнала и видеть её координаты. Это уровень напряжения и момент времени по осям X и Y.
Курсорные измерения упрощают считывание характеристик исследуемых сигналов. Отпадает зависимость от подсчёта количества клеток по шкале и умножения на цену деления по обеим осям.
Математические функции
К математическим операциям с функциями, определяемым с помощью осциллографа, относятся:
- сложение и вычитание;
- абсолютное значение;
- преобразования Фурье;
- интегрирование.
Если остановиться на этих опциях, то сложение и вычитание мгновенных значений исследуемых осциллограмм выполняется быстро, результат выводится на экран в виде сигнала.
Следующая функция определяет абсолютное значение сигнала и отображает его в вольтах.
Определить гармонические частоты (компоненты сигнала) поможет математическая функция преобразование Фурье.
Интеграл исследуемого сигнала можно вычислить с помощью математической функции интегрирования.
Захват строки телевизионного сигнала
В осциллоскопах с ЭЛТ, а также в современных специальных моделях встречается особый режим – телевизионная синхронизация. Одну или несколько телевизионных строк можно отобразить на экране, выбрав их из видеопакета. При помощи таких осциллографов в телестудиях контролируют технические характеристики записывающей и передающей аппаратуры.
Настройка
Перед работой с прибором производят калибровку его входов при помощи встроенного калибратора. Осуществляя калибровку высокочастотных моделей, используют кабель с двумя разъёмами. Разъёмы подключаются к выходу калибратора и входу прибора. Калибруя низкочастотные устройства, нужно кратковременно приставить щуп к выходу калибратора. Далее выполняются следующие шаги:
- регулятором «вольт/дел» устанавливается сигнал калибратора на 3-4 деления сетки дисплея;
- канал включается на переменное напряжение, и контролируется появление сигнала;
- регулятор развёртки выставляется так, чтобы наблюдать 6-7 периодов импульсов;
- отмечается точное совпадение сигнала по делениям на промежутке полученных периодов (±4 деления от центра);
- при несовпадении ручкой плавной регулировки развёртки добиваются нужного положения периодов, следя за соответствием амплитуды сигнала значениям, указанным на калибраторе;
- в случае несоответствия значений амплитуды их приводят к норме регулятором «вольт/дел».
При чувствительности канала в 250 мВ сигнал амплитудой 1В занимает 4 деления шкалы. Если это так, то калибровка устройства произведена.
История
Трудность создания осциллографа заключалась в том, что регистрирующие части первых приборов имели большую инерцию. Смог с этим справиться Ульям Дадделл. В 1897 году он использовал зеркальный измерительный элемент. Так был создан светолучевой прибор. В качестве приёмника использовалась светочувствительная пластина. На неё записывался поданный сигнал. Только изобретение Карлом Брауном кинескопа позволило Йонатану Зеннеку выполнить в нём горизонтальную развертку. Так, в 1899 году появилось устройство, похожее на современные осциллографы. Уже в 30-е годы следующего столетия Владимир Зворыкин совершил прорыв в этой области, создав свой кинескоп, который был надёжнее.
Интересные факты
Катодные лучи, открытые Юлиусом Плюккером в 1859 году, хоть и распространяются линейно, но подвержены действию электромагнитных полей. Это установил Уильям Крукс. Он выявил, что катодные лучи, попадая на некоторые вещества, заставляют их светиться.