Осциллограф-ваш помощник (как работать с осциллографом)

Сначала подключите к выводам вторичной обмотки входные щупы осциллографа и включите первичную обмотку в сеть. Проводники от выводов первичной обмотки должны быть, конечно, в хорошей изоляции и с вилкой на конце. После подпайки проводников выводы нужно обернуть изоляционной лентой, чтобы исключить возможность поражения электрическим током во время экспериментов.

На осциллографе нажмите кнопку «0,5-50» переключателя 1, кнопка переключателя 2 должна быть отжата. Осциллограф работает в режиме автоматического запуска и с открытым входом (кнопки переключателей 7 и 13 соответственно должны быть отжаты), переключателями 3–6 устанавливают длительность развертки 5 мс/дел.

На экране осциллографа появится изображение синусоидальных колебаний небольшой амплитуды. Нажмите кнопку «0,1-10» переключателя 1 — изображение увеличится и займет около четырех делений шкалы (рис. 10, в). Значит, размах колебаний составит 40 В, хотя измеренное авометром переменное напряжение на вторичной обмотке равно 14 В В чем же дело?

Разгадка проста. На экране вы видите удвоенную амплитуду (положительный и отрицательный полупериоды) синусоидальных колебаний. Действующее значение переменного напряжения, измеряемое авометром, в 2√2 раз меньше. Разделив показания осциллографа на это значение, получите почти 14 В. Аналогично определяйте по изображению на экране осциллографа действующее значение синусоидального напряжения и в дальнейшем.

Подключите ко вторичной обмотке четыре диода (рис. 11, а; — двухполупериодиый выпрямитель, собранный по мостовой схеме, и резистор нагрузки R1, а к резистору подсоедините щупы осциллографа («земляной» щуп — к нижнему по схеме выводу резистора). На экране осциллографа будут только положительные полупериоды синусоидального напряжения, следующие с частотой вдвое большей частоты сетевого напряжения. Иначе говоря, отрицательные полупериоды «перевернулись» и заняли место между положительными (рис. 11, б).

Такое выпрямленное напряжение подавать на транзисторное устройство нельзя — слишком велики его пульсации. Напряжение нужно сгладить. Для этого достаточно подключить параллельно резистору оксидный конденсатор С1.

Для начала возьмите конденсатор, скажем, типа К50-6, емкостью 100 мкФ на номинальное напряжение не менее 25 В. Полупериоды сразу же исчезнут, а на уровне их вершин на экране возникнет слегка изогнутая линия (рис. 11, в). Это пульсации сглаженного напряжения.

Рис. 11

Чтобы лучше рассмотреть их и измерить амплитуду, нажмите кнопку 13 (осциллограф будет работать с закрытым входом) и поочередно нажимайте кнопки переключателей 1 и 2 до получения достаточно большого по вертикали изображения. Так, при нажатии кнопки «0,5-50» переключателя 1 и кнопки переключателя 2 на экране удастся увидеть картину, показанную на рис. 11, г. Она свидетельствует о том, что конденсатор заряжается от каждого полупериода сетевого напряжения и в промежутках между ними успевает немного разрядиться. В итоге на нагрузке действует постоянное напряжение с пульсациями около 1,5 В.

Еще более уменьшить пульсации удастся при подключении к резистору нагрузки конденсатора емкостью 500 мкФ — теперь они составят примерно 0,3 В. А при емкости конденсатора 1000 мкФ пульсации составят 0,12 В (120 мВ). Постоянное напряжение с такими пульсациями уже можно подавать на многие электронные устройства.

Однако измеренные пульсации в данном случае справедливы для тока нагрузки около 18 мА (определяется резистором R1). При увеличении тока нагрузки возрастут и пульсации. В этом вы можете убедиться сами, подключая к выпрямителю резисторы сопротивлением 510 Ом, а затем 300 Ом и измеряя амплитуду пульсаций в каждом случае.

Значительно уменьшить пульсации переменного тока можно, питая нагрузку через параметрический стабилизатор, подключенный к выпрямителю (рис. 12, а).

Для него понадобится стабилитрон VD5 и балластный резистор R1. Причем напряжение на нагрузке (резистор R2) будет определяться только используемым стабилитроном. К примеру, для указанного на схеме стабилитрона Д814Д оно составит 11,5…14 В (таков разброс напряжения стабилизации в зависимости от конкретно установленного экземпляра), для Д814Г — 10…12 В, для Д814В — 9…10,5 В и т. д.

Измерьте теперь амплитуду пульсаций на нагрузке — она составит около 0,02 В при емкости фильтрующего конденсатора 200 мкФ, т. е. значительно меньше даже по сравнению с пульсациями при конденсаторе фильтра 1000 мкФ! Иначе говоря, параметрический стабилизатор позволяет «сэкономить» емкость конденсатора фильтра.

А теперь вообще отключите конденсатор фильтра — на экране осциллографа, подключенного параллельно резистору нагрузки R2 появится изображение полупериодов синусоидального напряжения со срезанными вершинами (рис. 12, б). Это результат «работы» стабилитрона. До определенного напряжения он «выключен», после чего «пробивается» — напряжение на нем остается равным напряжению стабилизации (правда, оно немного изменяется в зависимости от тока через стабилитрон).

Рис. 12

Подключив вновь конденсатор фильтра, установите параллельно резистору нагрузки еще один резистор — сопротивлением 600…800 Ом. Пульсации на выходе стабилизатора резко возрастут и станут равными пульсациям на конденсаторе фильтра. Причина в том, что ток нагрузки возрос и стабилитрон вышел из режима стабилизации, т е. практически перестал действовать.

При указанном на схеме сопротивлении балластного резистора к стабилизатору можно подключить нагрузку, потребляющую ток до 7 мА. Если же сопротивление балластного резистора уменьшить до 130 Ом, ток нагрузки может доходить до 20 мА.

А как быть, если стабильным напряжением нужно питать нагрузку со значительно большим током потребления? В этом случае достаточно подключить к стабилитрону усилитель тока — эмиттерный повторитель на мощном транзисторе VT1 (рис. 13, а). Теперь даже при подключении к выходу получившегося блока питания резистора сопротивлением 100…130 Ом, что эквивалентно нагрузке с током потребления около 1 (X) мА, пульсации возрастут лишь вдвое. Правда, напряжение на нагрузке будет несколько меньше, чем на стабилитроне — из-за падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора (0,5…0,7 В).

При больших токах нагрузки транзистор выбирают с возможно большим коэффициентом передачи тока. Если же в наличии лишь транзистор с малым коэффициентом передачи, добавляют к нему маломощный транзистор (рис. 13, б) — и в итоге получается составной транзистор с большим коэффициентом передачи тока. Правда, в этом случае напряжение на выходе будет уже отличаться от напряжения на стабилитроне на 1…1.4 В. В любом варианте мощный транзистор нужно укрепить на теплоотводящей пластине из дюралюминия, алюминия или меди толщиной 2…3 мм и общей площадью поверхности не менее 15 см2 (рис. 13, в).

С собранным блоком питания проведите эксперименты, подключая к выходу нагрузки с различными токами потребления и измеряя амплитуду пульсаций. Одновременно контролируйте амплитуду пульсаций на конденсаторе фильтра.

Результаты измерений позволят еще раз оценить зависимость пульсаций от емкости фильтрующего конденсатора и тока нагрузки.

По фигурам Лиссажу

Определять частоту синусоидальных колебаний с помощью установленной на осциллографе ОМЛ-2М длительности развертки вы уже умеете. А если придется работать с другим осциллографом, у которого нет калибровки длительности? Тогда нужно воспользоваться методом сравнения неизвестной частоты с известной по фигурам Лиссажу.

Но прежде чем перейти к знакомству с этим методом, соберем макет простого генератора сигналов 34, поскольку подобного измерительного прибора у вас может не оказаться. Кроме того, на макете вы познакомитесь с методикой проверки и налаживания генератора.

Схема генератора приведена на рис. 14. Нетрудно заметить, что без цепи из деталей C1, С2, R1 —R3 устройство, выполненное на транзисторах VT1, VT2,— не что иное, как двухкаскадный усилитель 3Ч с непосредственной связью между каскадами и отрицательной обратной связью по постоянному и переменному токам (через резистор R6). При подключении указанной цепи, называемой в технике мостом Вина, между выходом и входом усилителя образуется положительная обратная связь. Усилитель самовозбуждается. На коллекторной нагрузке транзистора VT2 (резистор R7) появляются колебания, частота которых зависит от емкости конденсаторов C1 и С2, а также от сопротивлений резисторов R1.1, R2 и R3, R1.2. Сдвоенным переменным резистором RI «Частота» можно плавно изменять частоту колебаний.

Форма колебаний на коллекторе транзистора VT2 может быть синусоидальной или искаженной, в виде импульсов, — все зависит от глубины положительной обратной связи. А последняя, в свою очередь, во многом определяется сопротивлением резистора R4 — в этом вы убедитесь немного позже.

Сигнал генератора поступает на выходные зажимы ХТ1, ХТ2 через переменный резистор R7 «Амплитуда» — им регулируют амплитуду колебаний, снимаемых с зажимов.

Наш генератор разработан специально для экспериментов с осциллографом ОМЛ-2М. Исходя из этого и определены его параметры. Во-первых, для получения достаточной длины развертки максимальная амплитуда сигнала составляет 2,5 В (размах колебаний 5 В). Частоту же сигнала можно регулировать примерно от 350 Гц (движки переменного резистора R1 в нижнем по схеме положении) до 2 кГц (движки — в верхнем положении). Такого диапазона вполне достаточно, чтобы не только потренироваться в определении частоты по фигурам Лиссажу, но и использовать генератор в дальнейшем для проверки усилителей 3Ч, а также для модуляции генератора РЧ (ои понадобится для проверки радиоприемника).

Несколько слов о деталях для генератора. Сдвоенный переменный резистор R1 может быть любой конструкции, но обязательно с одной осью, например, СП-III, СПЗ-4 группы А (с линейной характеристикой) или движковый СПЗ-23а. Подстроенный резистор R4 — СПЗ-1а, СПЗ-1б, переменный резистор R7 — СП-I либо движковый. Постоянные резисторы МЛТ-0,25 (можно МЛТ-0,125). Конденсаторы C1, С2 — МВМ; С3 — К50-6. Транзисторы — любые из серии КТ315 с коэффициентом передачи тока не менее 50.

Чертеж монтажной платы не приводим, поскольку он во многом зависит от габаритов используемых деталей. Его нетрудно составить самим, учитывая, что взаимное расположение деталей не имеет значения. Внешний же вид макета в случае использования переменных резисторов типа СП может быть, например, таким, как показанный на рис. 15. Напротив ручки переменного резистора R1 желательно приклеить к передней панели шкалу, на которую в дальнейшем нанесете значения частот генератора.

Для подключения генератора к выпрямителю или батарее предусмотрите отрезки многожильного монтажного провода в изоляции, на концах которых укрепите штепсели или зажимы «крокодил».

Генератор готов, можно проверять его, налаживать и градуировать шкалу.

В первую очередь следует проверить и, если нужно, установить режим работы транзистора VT2. Для этого вначале полностью вводят сопротивление резистора R4, т. е. устанавливают ею движок в крайнее правое (по схеме) положение. Положительная обратная связь будет минимальной, и усилитель не сможет самовозбудиться. Движки же резисторов R1.1 и R1.2 должны быть в крайнем верхнем (по схеме) положении — оно соответствует максимальной частоте генератора.

Далее подготовьте осциллограф к измерению постоянного напряжения. Переключатель 13 установите в положение, соответствующее открытому входу осциллографа, а переключатели 1 и 2 — в положение «2 В/дел.». Кнопкой 7 переведите генератор развертки в автоматический режим и сместите линию развертки на нижний край шкалы (рис. 16, а).

Включите питание генератора 3Ч, «земляной» щуп осциллографа подключите к зажиму ХТ2, а входным коснитесь верхнего (по схеме) вывода резистора R7 — проверьте напряжение питания. Линия развертки поднимется вверх (рис. 16, б), и вы сможете по делениям шкалы отсчитать измеряемое напряжение — около 9 В.

Затем коснитесь входным щупом осциллографа вывода коллектора транзистора VT2. Линия развертки опустится несколько ниже по сравнению с предыдущим измерением (рис. 16, в). Это объяснимо — ведь через транзистор протекает ток, и напряжение на коллекторе отличается от питающего на величину падения напряжения на резисторе R7.

По напряжению на коллекторе транзистора можно судить о режиме его работы. Если оно 6,5…7 В — все в порядке, удастся получить достаточную амплитуду сигнала генератора при хорошей линейности формы. Если же напряжение больше и близко к питающему, значит выходной транзистор открыт недостаточно, амплитуда неискаженного выходного сигнала окажется небольшой.

Попробуйте заменить эмиттерный резистор R8 переменным, сопротивлением 150 или 220 Ом. Перемещением движка резистора можете изменять напряжение на коллекторе транзистора VT2 — чем больше сопротивление резистора, тем меньше напряжение. Установите такое сопротивление, при котором будет указанное выше напряжение.

Пора «запускать» генератор. Оставив входной щуп осциллографа подключенным к коллектору транзистора VT2, плавно перемещайте движок подстроечного резистора R4 влево (по схеме). Глубина положительной обратной связи будет возрастать, и при определенном сопротивлении резистора усилитель самовозбудится. На линии развертки появятся колебания 3Ч (рис. 16, г).

Теперь можно перейти на закрытый вход (нажать кнопку 13), переместить изображение на середину экрана и установить такую чувствительность осциллографа, при которой изображение по вертикали занимает 4…6 делений. А чтобы «остановить» перемещение сигнала на экране, включите ждущий режим работы развертки (нажмите кнопку 7) и поверните в крайнее положение по часовой стрелке ручку синхронизации 8. С помощью кнопок частоты развертки 3, 4 и регулятора длины развертки 11 добейтесь устойчивого изображения нескольких синусоидальных колебаний. Рассмотрите вершины полуволн синусоиды. Они могут быть уплощены (рис. 16, д), что свидетельствует об искажении сигнала из-за большой глубины положительной обратной связи. Нужно более точно установить движок подстроечного резистора R4, чтобы форма сигнала была возможно более близкой к синусоидальной (рис. 16. е).

Далее перестройте частоту генератора — поставьте ручку сдвоенного переменного резистора R1 в другое крайнее положение. Вновь подберите кнопками 3, 4 и ручкой 11 такую длительность развертки, при которой на экране будет устойчивое изображение нескольких колебаний. Если сигнал окажется искаженным (появится уплощение вершин полуволн), значит нужно немного увеличить сопротивление резистора R4. Постарайтесь подобрать такое положение его движка, чтобы форма колебаний почти не искажалась, а их амплитуда была бы примерно постоянной при перестройке частоты генератора.

Как отградуировать шкалу переменною резистора R1? Сначала установите его движок поочередно в крайние положения, определите известным вам способом длительность одного колебания и но ней подсчитайте частоту колебаний. Нанесите полученные значения на шкалу. Таким же способом нанесите промежуточные значения частот, скажем, через 100 Гц. Впрочем, для наших экспериментов вполне достаточно «найти» частоты 500, 1000, 1500 и 2000 Гц.

При желании можно установить шкалу и напротив ручки переменного резистора R7, отградуировав ее в значениях амплитуды сигнала на зажимах ХТ1 и ХТ2. Для этого подключите к зажимам осциллограф, установите частоту генератора 1000 Гц и, изменяя положение движка переменного резистора R7, отметьте на шкале точки, соответствующие амплитуде выходного сигнала (определенной но экрану осциллографа), например, 0,5 В, 1 В; 1,5 В и т. д.

Изготовленный генератор способен выполнять роль внешнего источника развертки. необходимого для определения частоты но фигурам Лиссажу. Соедините гнезда 12 входа канала X через конденсатор емкостью 0,1…1 мкФ с зажимами генератора (рис. 17), нажмите кнопку 10 и переведите кнопкой 7 генератор развертки в автоматический режим работы. Появившуюся на экране точку переместите ручками 15 и 17 в центр экрана, а затем включите генератор 3Ч. Теперь при изменении амплитуды выходного сигнала генератора будет изменяться длина линии развертки. Максимальной амплитуды сигнала должно хватить, чтобы линия развертки «растягивалась» на весь экран и даже уходила за его пределы.

Установите амплитуду сигнала такой, чтобы длина линии развертки составила 6 делений. Выключите генератор и дотроньтесь пальцем до входного щупа осциллографа. Появится вертикальная линия (наводка переменного тока), высоту которой можно установить равной 4…6 делениям (рис. 17, б) с помощью переключателей делителей канала Y (кнопки 1, 2).

Рис. 17

Если теперь включить генератор, на экране появится «растр» (рис. 17, в), как на экране телевизора. При изменении частоты генератора между верхней и нижней границами «растра» будут мелькать горизонтально расположенные синусоидальные колебания. Осциллограф готов к определению частоты по фигурам Лиссажу.

Собственно, эти фигуры вы только что видели в виде «растра» — результата воздействия на горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки колебаний разных частот.

Чтобы ближе познакомиться с указанным методом измерения, нужен еще один генератор, сигнал с которого подают на вертикальный вход (Y) осциллографа. Предположим, это будет такой же макет, что и для получения горизонтальной развертки. Будем считать его генератором измеряемой частоты, а изготовленный ранее — эталонной. Тогда к зажимам ХТ1 и ХТ2 испытываемого генератора подключают входные щупы осциллографа (рис. 18), работающего в режиме с закрытым входом. Регулятор амплитуды выходного сигнала этого генератора и кнопки переключателей делителей канала Y устанавливают в такое положение, чтобы вертикальная линия на экране осциллографа (при выключенном эталонном генераторе) занимала, скажем, 4 деления. Такой же длины устанавливают и линию развертки (при выключенном испытываемом генераторе).

Рис. 18

При включении обоих генераторов на экране, как вы знаете, появится «растр». Установите частоту испытываемого генератора равной, например, 500 Гц и медленно перестраивайте эталонный генератор до получения на экране изображения, показанного на рис. 19. а или 19. б. Оно укажет на то, что частоты обоих генераторов одинаковы (форма изображения зависит от разности фаз между подаваемыми на осциллограф сигналами).

Рис. 19

А теперь плавно увеличивайте частоту эталонного генератора. Вскоре на экране появится изображение, показанное на рис. 19, в или 19, г. Оно свидетельствует о том, что частота эталонного генератора вдвое превышает частоту испытываемого. Когда же при дальнейшем увеличении частоты эталонного генератора она станет втрое больше частоты испытываемого генератора, на экране появится одно из изображений, показанных на рис. 19, д и 19, е.

Если же будете изменять частоту испытываемого генератора по отношению к частоте эталонного, приведенные изображения «повернутся» на 90° против часовой стрелки.

Конечно, соотношения частот могут быть не равны кратным числам, поэтому будут другими и изображения. Чтобы определить по ним искомую частоту, достаточно помнить простое правило: сместив ось координат относительно центра симметрии получившейся устойчивой фигуры (рис. 20, а, б), подсчитать число точек пересечения или касания N_г и N_в осциллограммы с горизонтальной и вертикальной линиями соответственно. Тогда частоту F_x можно найти по установленной частоте F_г эталонного генератора: F_x = N_гF_г/N_в.

Потренируйтесь самостоятельно в определении частоты испытываемого или эталонного генератора по фигурам Лиссажу.

Рис. 20

Как проверить усилитель ЗЧ

Освоив работу генератора, можно перейти к проверке с его помощью усилителя 3Ч. Процедуру проверки удобнее рассмотреть на примере двух усилителей — трансформаторного и бестрансформаторного. Мы это сделаем, воспользовавшись несложными усилителями, которые вы сможете собрать на макетной плате.

Схема трансформаторного усилителя, выполненного на четырех маломощных транзисторах, приведена на рис. 21. При своей относительной простоте усилитель развивает выходную мощность около 200 мВт и рассчитан на работу с пьезоэлектрическим звукоснимателем электропроигрывающего устройства (ЭПУ).

Несколько слов о самом усилителе. Он трехкаскадный. Первый каскад — усилитель напряжения — выполнен на транзисторе VT1. Входной сигнал на базу транзистора поступает через делитель напряжения R1R2, необходимый для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала (в данном случае звукоснимателя) с малым входным сопротивлением каскада. Далее следует второй каскад — фазоинверсный, выполненный на транзисторе VT2. Его нагрузкой является согласующий трансформатор Т1, вторичная обмотка которого подключена к двухтактному выходному каскаду — он собран на транзисторах VT3 и VT4.

Каждая половина вторичной обмотки «работает» на свой выходной транзистор.

В свою очередь, каждый выходной транзистор открывается лишь при отрицательной полуволне напряжения синусоидальных колебаний 3Ч, поступающих на базу транзистора. Благодаря соединению средней точки вторичной обмотки с общим проводом (иначе говоря, с эмиттерами транзисторов), один транзистор открывается во время положительного полупериода входного сигнала, а второй — во время отрицательного. Иначе говоря, каждый транзистор открывается через такт. Так же протекает ток через половинки первичной обмотки выходного трансформатора Т2. В итоге на первичной обмотке «стыкуются» полу периоды колебаний обоих тактов (отсюда и название каскада — двухтактный) и появляются полные синусоидальные колебания. Через вторичную обмотку они поступают на нагрузку усилителя — динамическую головку ВЛ1.

Все транзисторы могут быть серий МП39—МП42 с возможно большим коэффициентом передачи тока. Трансформаторы — готовые, от малогабаритных приемников: Т1 — согласующий, Т2 — выходной. Динамическая головка — мощностью до 3 Вт со звуковой катушкой сопротивлением постоянному току 6…8 Ом. Питать усилитель можно от любого источника — двух последовательно соединенных батарей 3336 либо выпрямителя с малыми пульсациями напряжения.