Осциллограф-ваш помощник (как работать с осциллографом)

Иванов Б.С.

«ОСЦИЛЛОГРАФ — ВАШ ПОМОЩНИК»

(как работать с осциллографом)

_{Приложение к журналу «Радио»}

_{Выпуск № 1}

От автора

Без электронного осциллографа сегодня немыслимо быстро и качественно настроить практически любое устройство — от детекторного приемника до телевизора. Осциллограф — «глаза» радиолюбителя, позволяющие вторгаться в мир электронных процессов радиоконструкций, наблюдать форму сигнала и измерять его такие параметры, как амплитуду и длительность импульсов, скорость их нарастания и спада, амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения, частоту электрических колебаний, напряжения в различных цепях каскадов. Осциллограф не только существенно упростит налаживание конструкций, но и поможет быстрее и лучше усвоить теоретические основы радиотехники, провести немало интересных опытов, экспериментов, разнообразных исследовательских работ.

Конечно, все это станет реальным лишь при хорошем знании устройства осциллографа, овладении методикой работы с ним.

Один из популярных и доступных для приобретения осциллографов сегодня ОМЛ-3М, выпускаемый Саратовским ПО им. С. Орджоникидзе. Он малогабаритен и удобен в работе, его параметры вполне соответствуют многим видам измерений, встречающихся в радиолюбительской практике. Его предшественником был ОМЛ-2М, а еще ранее — ОМЛ-2-76. О методике самых разнообразных измерений с помощью осциллографа этой серии и рассказывается в настоящей брошюре. Хотя, конечно, материал будет полезен и для владельцев других осциллографов.

В одной из последующих брошюр Приложения под таким же названием предполагается рассказать об электронных приставках к осциллографу, значительно расширяющих его возможности.

Немного теории

Слово «осциллограф» образовано от «осциллум» — колебание и «графо» — пишу. Отсюда и назначение этого измерительного прибора — отображать на экране кривые тока или напряжения в функции времени. Встречается и другое название этого прибора — осциллоскоп (от того же «осциллум» и «скопео» — смотрю) — прибор для наблюдения формы колебаний. И хотя второе название более точное, до сих пор в литературе бытует все же первое — осциллограф.

Основная деталь электронного осциллографа — электронно-лучевая трубка (рис. 1), напоминающая но форме телевизионный кинескоп, только значительно меньших габаритов. Экран трубки покрыт изнутри люминофором — веществом, способным светиться под «ударами» электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают.

Испускаются же электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Между пушкой и экраном размещены управляющие электроды — модулятор, регулирующий поток летящих к экрану электронов, два анода, создающих нужное ускорение пучка электронов и его фокусировку, и две пары пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной (X) и вертикальной (Y) осям.

Экран электронно-лучевой трубки будет светиться лишь при подаче на ее электроды определенных напряжений. На нить накала обычно подают переменное напряжение, на управляющий электрод (модулятор) — постоянное отрицательной полярности по отношению к катоду, на аноды — положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины, а также «рисующее» на экране форму исследуемых колебаний.

Чтобы представить, как же получается форма колебаний на экране, изобразим условно экран трубки в виде окружности (хотя у трубки 6Л01И в ОМЛ-2М и ОМЛ-3М он прямоугольный) и поместим внутри ее отклоняющие пластины (рис. 2).

Если подвести к горизонтальным пластинам X₁ и Х₂ пилообразное напряжение, на экране появится светящаяся горизонтальная линия — ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения.

Если теперь подать на другую пару пластин (вертикальных — Y₁ и Y₂), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности «изогнется» по форме колебаний и «нарисует» на экране изображение.

В случае равенства периодов синусоидального и пилообразного колебаний на экране будет изображение одной «синусоиды». При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в периоде колебаний пилообразного напряжения развертки. В осциллографе есть регулировка частоты развертки, с помощью которой добиваются нужного числа наблюдаемых на экране колебаний исследуемого сигнала.

Структурная схемам осциллографа

Теперь, когда вы имеете представление о назначении и работе электронно-лучевой трубки, можно познакомиться со структурной схемой (рис. 3) изучаемого осциллографа (рис. 4) и комплектом узлов, питающих электроды трубки.

Рис. 4

_{1, 2 — переключатели делителей канала Y; 3—6 — переключатели диапазонов частот (длительностей) развертки; 7 — переключатель режима развертки; 8 — регулятор синхронизации; 9 — переключатель вида синхронизации; 10 — переключатель входа канала Х; 11 — регулятор длины развертки; 12 — гнезда входа канала X; 13 — переключатель вида входа канала Y; 14 — разъем входа канала Y; 15 — регулятор перемещения луча по оси X; 16 — регулятор фокусировки; 17 — регулятор перемещения луча по оси Y; 18 — регулятор яркости луча и выключатель питания}

Во-первых, это генератор развертки, выдающий пилообразное напряжение, частоту которого можно изменять кнопочными переключателями (кнопки 3–6 на лицевой панели осциллографа). Диапазон частот генератора весьма широк — от единиц герц до единиц мегагерц. Правда, около кнопок переключателей диапазонов проставлены значения длительности (продолжительности) пилообразных колебаний, а не их частоты. Поэтому нужно уметь переводить эту единицу измерений в частоту, и наоборот. Делают это по формулам: F = 1/Т и T = 1/F, где F — частота колебаний, а Т — длительность (или период) одного колебания.

Если частота выражена в герцах, то длительность получается в секундах; частота — в килогерцах (1 кГц = 1000 Гц), длительность — в миллисекундах (1 мс = 0,001 с); частота — в мегагерцах (1 МГц = 106 Гц), длительность — в микросекундах (1 мкс = 10-6 с).

К примеру, длительности 50 мс соответствует частота 1/0,05 = 20 Гц, а длительности 0,1 мкс — частота 1/10 = 107 = 10 МГц. В обоих примерах даны крайние диапазоны длительностей, которые можно устанавливать кнопочными переключателями осциллографа. Эти значения приведены по отношению к одному делению масштабной сетки — она прикреплена к экрану и содержит 8 делений по горизонтали и по вертикали (цена деления равна 5 мм).

Иначе говоря, максимальной длине развертки (8 делений) соответствует длительность пилообразных колебаний генератора развертки — 50 мс х 8 = 400 мс для первого примера и 0.1 мкс х 8 = 0,8 мкс — для второго. В первом случае на экране осциллографа можно наблюдать один период колебаний сигнала частотой 1:0,4 с = 2,5 Гц, во втором — 1:0,8 мкс = 1,25 МГц.

Подобный подсчет справедлив для синусоидальных колебаний или импульсных сигналов при равных длительностях импульса и паузы (рис. 5).

Если же длительность импульсов и пауз между ними различны, в формулу следует подставлять значение периода следования импульсов (период выражают теми же единицами, что и длительность).

С генератора развертки сигнал подается на усилитель канала горизонтального отклонения (канала X), необходимый для получения такой амплитуды пилообразного напряжения, при которой электронный луч отклоняется на весь экран. В усилителе расположены регулятор (11) длины линии развертки (иначе говоря, регулятор амплитуды выходного пилообразного напряжения) и регулятор (15) смещения линии развертки по горизонтали.

Канал вертикальной развертки состоит из входного аттенюатора (делителя входного сигнала), позволяющего выбирать нужную высоту рассматриваемого изображения в зависимости от амплитуды исследуемых колебаний, и из двух усилителей — предварительного и оконечного.

С помощью кнопки 2 входного аттенюатора амплитуду сигнала можно уменьшить в 100 раз. Более плавные изменения уровня сигнала, поступающего на оконечный усилитель, а значит, размера изображения на экране, получают с помощью кнопок 1 калиброванного переключателя диапазона напряжений. В итоге при максимальной чувствительности осциллографа в одном делении масштабной сетки «уместится» входной сигнал амплитудой 0,01 В (10 мВ). А максимальная амплитуда сигнала, которую можно наблюдать на экране трубки, составляет 300 В.

В оконечном усилителе этою канала, как и канала горизонтального отклонения, есть регулировка смещения луча (17), а значит, и изображения по вертикали. Зачем это бывает нужно (помимо установки луча на среднюю линию), станет ясно позже.

Кроме того, на входе канала вертикального отклонения стоит переключатель 13, с помощью которого можно либо подавать на усилитель (конечно, через аттенюатор) постоянную составляющую исследуемого сигнала, либо избавляться от нее включением разделительного конденсатора. Это, в свою очередь, позволяет пользоваться осциллографом как вольтметром постоянного тока, способным измерять постоянные напряжения примерно от 10 мВ до 300 В. Причем входное сопротивление «вольтметра» достаточно высокое — 1 МОм.

Когда выводы разделительного конденсатора замкнуты контактами переключателя, говорит, что вход осциллографа открытый, а когда они разомкнуты — закрытый.

О других регулировках

Вот вы и познакомились с некоторыми ручками управления на лицевой панели осциллографа. А теперь о других регулировках. Под переключателем 6 длительностей развертки расположен переключатель 7 режима работы развертки. Если кнопка переключателя отжата (максимально выступает над панелью), генератор развертки работает в автоматическом режиме — генерирует пилообразное напряжение заданной длительности. Если же кнопка переключателя нажата (утоплена внутрь), генератор переходит в ждущий режим, т. е. «ожидает» прихода входного сигнала, и с его появлением запускается. Этот режим бывает необходим при исследовании сигналов, появляющихся случайно, либо при исследовании параметров импульса, когда его передний фронт должен быть в начале развертки.

В автоматическом режиме работы случайный сигнал может появиться в любом месте развертки, что усложняет его наблюдение. Удобства ждущего режима вы сможете оценить во время импульсных измерений описываемым осциллографом.

Ниже переключателя 7 находится ручка синхронизации 8 («СИНХР.»), которую можно поворачивать от крайнего левого положения (знак «—») до крайнего правого (знак «+»). Это регулировка синхронизации развертки от сигнала соответствующей полярности. Для чего она нужна? Если между генератором развертки и сигналом нет никакой связи, то начинаться развертка и появляться сигнал будут в разное время, и изображение сигнала на экране осциллографа будет перемещаться либо в одну, либо в другую сторону в зависимости от разности частот сигнала и развертки.

Чтобы остановить изображение, нужно засинхронизировать генератор, т. е. обеспечить такой режим работы, при котором начало развертки будет совпадать с началом появления периодического сигнала (скажем, синусоидального). Причем синхронизировать генератор можно как от внутреннего сигнала (он берется с усилителя вертикального отклонения), так и от внешнего, подаваемого на гнезда 12 «ВХОД х /СИНХР./». Выбирают тот или иной режим кнопкой 9 «ВНУТР.-ВНЕШН.» (при отжатой кнопке действует внутренняя синхронизация, при нажатой — внешняя).

Когда ручка 8 находится в крайнем левом положении («—»), генератор развертки синхронизируется отрицательным сигналом (или полупериодом синусоидального напряжения), а в крайнем правом («+») — положительным. В среднем положении («0») ручки синхронизация выключается. Кроме того, при перемещении этой ручки изменяется амплитуда синхронизирующего сигнала, что также способствует получению устойчивой синхронизации.

И последняя кнопка — 10 («РАЗВ.-ВХ.Х.»). Когда она отжата, на вход усилителя канала горизонтального отклонения поступает пилообразное напряжение и на экране видна линия развертки. Когда же кнопка нажата, вход усилителя подключается к гнездам «ВХОД х /СИНХР./». Теперь горизонтальная линия развертки будет получаться только при подаче сигнала на указанные гнезда. Причем чувствительность этого канала равна примерно 0,5 В/дел., т. е. для отклонения луча на 8 клеток масштабной сетки на гнезда нужно подать сигнал амплитудой не менее 4 В.

Такой режим работы осциллографа бывает нужен, например, при исследовании частотных и фазовых соотношений гармонических колебаний так называемым методом фигур Лиссажу, когда одни колебания подают на вход Y осциллографа, а другие — на вход X. С этим методом мы встретимся во время практических работ.

На задней стейке осциллографа можно увидеть гнездо, около которого стоит обозначение треугольного импульса. На это гнездо выведен сигнал генератора горизонтального отклонения — он бывает нужен при специальных видах измерений, например, при снятии амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) усилителей.

Внимание! Включаем!

Теперь, когда вы имеете представление об устройстве осциллографа и назначении его кнопок и ручек управления, можно включить прибор. Но предварительно заземлите его, соединив проводником зажим на задней стенке, например, с водопроводной трубой или другой металлической конструкцией, имеющей надежное заземление. Затем поставьте все кнопки в отжатое положение, кроме кнопок «0,5-50» переключателя 1 и «1–0,1-10» переключателя 3 — они должны быть нажаты. Регулятор длины развертки 11 поставьте в крайнее положение по часовой стрелке, регулятор яркости 18 — в крайнее положение против часовой стрелки, остальные регуляторы — примерно в среднее положение. К гнездам 12 и разъему 14 пока ничего не подключайте.

Вставив вилку питания осциллографа в сетевую розетку, поверните регулятор яркости по часовой стрелке до появления щелчка (осциллограф включен) и дайте осциллографу прогреться минут 5…7. После этого поверните регулятор яркости но часовой стрелке до появления светящейся линии на экране (линия развертки), сфокусируйте ее регулятором 16, а регуляторами 15 и 17 сместите линию так, чтобы она начиналась у крайнего левого вертикального деления масштабной сетки и проходила по ее средней горизонтальной линии (рис. 6, а).

Нажмите кнопку «0,01-1» переключателя 1 —линия развертки может сместиться вверх или вниз. Это будет свидетельствовать о разбалансировке усилителя вертикального отклонения. Если смещение не превышает одного деления масштабной сетки (рис. 6, б), все в порядке. При большем смещении (рис. 6, в) нужно сбалансировать усилитель подстроечным резистором, расположенным за отверстием на правой боковой стенке кожуха (рис. 6, г) — оно показано на рисунке в инструкции. Движок резистора поворачивают отверткой так, чтобы линия возвратилась на прежнее место.

На экране — синусоидальный сигнал

Вставьте в разъем 14 «Вход Y» выносной кабель и дотроньтесь пальцем до входного щупа (рис. 7, а) — им заканчивается кабель. Если была нажата кнопка «0,5-50», линия на экране едва «утолщится» в результате сигнала наводок переменного тока на входном щупе. Последовательным нажатием кнопок «0,1—10», «0,05-5», «0,02-2» добейтесь, чтобы на экране было изображение высотой 2…4 деления.

Вы, конечно, знаете, что сигнал наводок переменного тока синусоидальной формы, частотой, равной частоте сети, — 50 Гц. Но на экране пока видна широкая дорожка бесформенного сигнала, линии которого перемещаются либо влево, либо вправо. Нужно остановить «бег» линий и рассмотреть сигнал. А для этого надо подобрать длительность пилообразного напряжения развертки примерно равно или кратной длительности одного полного колебания сигнала.

Нажмите кнопку «2–0,2-20» переключателя 3 и ручками синхронизации 8 и длины развертки 11 постарайтесь «остановить» изображение. На экране при этом удастся наблюдать несколько периодов или полупериодов синусоидальных колебаний (рис. 7, б), что свидетельствует о приближении к намеченной цели.

А теперь нажмите следующую кнопку переключателя 3 — «5–0,5-50» и снова попытайтесь «остановить» изображение указанными ручками. На этот раз удастся увидеть на экране один или два полных периода синусоидального сигнала (рис. 7, в).

Давайте определим параметры сигнала. Поскольку нажата кнопка «5–0,5-50» переключателя 3 и отжаты кнопки 4–6, цена деления масштабной сетки составляет 5 мс/дел. А период одного колебания (например, от вершины одного полупериода до вершины другого) занимает 4 деления. Поэтому длительность периода равна 4 дел. х5 мс/дел. = 20 мс (0,02 с), а частота колебаний — 1:0,02 с = 50 Гц.

Что же касается амплитуды (размаха) колебаний, ее нетрудно определить умножением числа делений по вертикали, которое занимает изображение, на цену деления, скажем, 5 В/дел. при нажатой кнопке «0,05-5». Для удобства отсчета нижнюю или верхнюю часть изображения подводят ручкой смещения луча по вертикали под ближайшую горизонтальную линию сетки и совмещают с ней.

Еще удобнее при отсчете установить кнопками переключателей 3–6 такую длительность развертки, чтобы изображение сигнала слилось в широкую сплошную дорожку (как это было вначале).

«Хитрости» ждущего режима

Как бы вы ни старались засинхронизировать изображение ручками 8 и 11, оно хоть и медленно, но будет «уплывать» влево или вправо — таков результат работы генератора развертки в автоматическом режиме.

Нажмите кнопку 7 «АВТ.-ЖДУШ.» и поставьте ручку синхронизации 8 в одно из крайних положений — теперь поворотом ручки длины развертки 11 легко добьетесь устойчивого изображения. Причем, если ручка синхронизации будет в крайнем правом (по часовой стрелке — «+») положении, изображение синусоиды на экране будет начинаться с положительного полупериода (рис. 8, б), а если в крайнем левом («—») — с отрицательного (рис. 8, а). Но начинаться полупериод будет не с нуля, а с какого-то уровня, т. е. с «запаздыванием» от нулевой линии — оно уходит на запуск генератора развертки.

Стоит повернуть ручку синхронизации к среднему положению — и изображение исчезнет, поскольку амплитуды сигнала синхронизации будет недостаточно для запуска генератора. Не будет на экране и линии развертки. Изображение (а вместе с ним и линия развертки) исчезнет и в том случае, если вы отнимите палец от входного щупа или возьметесь второй рукой за корпус осциллографа (или за «земляной» щуп).

Возможно, сразу запомнить сказанное о пользовании кнопками переключателей и регуляторами осциллографа сложно. Постарайтесь проделать описанные манипуляции несколько раз и освоить принцип получения нужного размаха изображения, его устойчивости — в этом основа умения пользоваться осциллографом.

Измеряем постоянное напряжение

Прежде чем начать знакомство с этим режимом, убедитесь, что кнопка 13 отжата, т. е. осциллограф работает с «открытым» входом. Кнопка «0,5-50» переключателя 1 должна быть нажата, а кнопка переключателя 2 — отжата. Такое положение кнопок соответствует наименьшей чувствительности осциллографа — с него желательно начинать измерения, особенно когда неизвестны параметры входного напряжения. Регулятором 17 установите линию развертки (генератор развертки работает в автоматическом режиме практически с любой длительностью, лишь бы была сплошная линия) на середину масштабной сетки.

Подключите входные щупы осциллографа к выводам гальванического элемента 373 (рис. 9) и нажмите кнопку «0,01-1» — линия развертки сместится вверх или вниз, в зависимости от полярности подключения источника тока ко входу осциллографа. Если линия оказалась выше средней, значит, входной щуп подключен к плюсовому выводу элемента, а «земляной» — к минусовому (рис. 9, а). При смещении луча вниз полярность напряжения на щупах обратная (рис. 9, б).

Насколько сместилась линия развертки? Почти на 2 деления. Значит, напряжение гальванического элемента немногим менее 2 В (цена деления сетки 1 В/дел.). Хотите точнее измерить напряжение? Нажмите кнопку «0,5-50» переключателя 1 и кнопку аттенюатора 2 — цена деления станет равной 0,5 В/дел.

Замкните между собой входные щупы (чтобы снять «размытость» линии из-за наводок) и сместите ручкой 17 линию развертки на 2 деления вниз (рис. 9, в) — это будет теперь условный нуль отсчета (таково второе назначение ручки 17, о котором упоминалось выше). Подключите «земляной» щуп к минусовому выводу элемента, а входным щупом коснитесь плюсового вывода.

На сколько делений сместилась линия? Примерно на 3,6 (десятые доли делений определяют по рискам на вертикальной и горизонтальной линиях масштабной сетки). Значит, напряжение гальванического элемента составляет 0,5 В/дел. х 3,6 дел. = 1,8 В.

Таково напряжение элемента без нагрузки. Но стоит подключить к его выводам, например, лампу or карманного фонаря на 2,5 В, и напряжение упадет почти до 1,5 В — в этом можете убедиться сами.

Рис. 9

Аналогично измерьте напряжение других имеющихся в вашем распоряжении, гальванических элементов (343, 332, 316), а также батарей 3336, «Крона», выбирая в каждом случае кнопками переключателей 1 и 2 нужный диапазон измерений.

Исследуем выпрямитель

Выпрямитель — одна из распространенных конструкций в радиолюбительском творчестве, необходимая для питания постоянным током самых разнообразных устройств. От выбора схемы выпрямителя и деталей для него зависят энергетические возможности этого источника питания и способность выдавать «чистое» напряжение, т. е. такое, у которого пульсации переменного тока ничтожны.

Измерить пульсации и выявить пути их снижения обычными измерительными приборами, имевшимися ранее в вашей лаборатории, практически невозможно. Сегодня, когда в вашем распоряжении появился осциллограф, сделать это чрезвычайно просто.

Итак, начинаем собирать выпрямитель. Первая деталь, которой нужно обзавестись, — понижающий трансформатор питания (рис. 10, а). Наиболее подходит для наших целей готовый выходной трансформатор кадровой развертки телевизоров — ТВК-110ЛМ (рис. 10, б). Подобные трансформаторы нередко используются в блоках питания радиолюбительских конструкций. Первичная (высокоомная) обмотка трансформатора выдерживает сетевое напряжение 220 В, на вторичной (низкоомной) при этом получается переменное напряжение около 14 В. Причем к обмотке можно подключать нагрузку, потребляющую ток до 1 А. Правда, напряжение на обмотке будет падать с ростом тока нагрузки.