Осциллограф-ваш помощник (как работать с осциллографом)

Чтобы проверить работу усилителя, нужно подать на его вход электрические колебания от собранного ранее генератора 34 и «просмотреть» с помощью осциллографа форму колебаний на выходе усилителя. Правда, чувствительность усилителя такова, что даже минимальная амплитуда колебаний, которую удастся установить регулятором «Амплитуда» генератора, окажется чрезмерной и усилитель перегрузится (колебания исказятся). Поэтому к генератору нужно добавить делитель напряжения (рис. 22), способный уменьшить сигнал почти в 10 раз.

Рис. 22

Подключив параллельно резистору R2 делителя осциллограф, установите регулятором «Амплитуда» генератора размах колебаний примерно 0,1 В. Осциллограф должен работать в автоматическом режиме (кнопка 7 «АВТ.-ЖДУЩ.» отпущена) с внутренней синхронизацией (кнопка 9 отпущена). Когда переключателями 1 и 2 делителей канала Y удастся добиться достаточной высоты изображения (не менее одного деления шкалы) и почти засинхронизировать ручками синхронизации 8 и длины развертки 11, можно включить ждущий режим (нажать кнопку 7) и добиться устойчивого изображения. А затем проконтролировать частоту генератора и, если это необходимо, установить ее равной 1 кГц.

Все готово к проверке усилителя. Подайте сигнал с делителя на вход усилителя (рис. 23), а к выходу (к выводам вторичной обмотки трансформатора Т2) подключите вместо динамической головки эквивалент нагрузки — резистор сопротивлением 6 Ом мощностью не менее 0,5 Вт. Такой резистор можно составить из нескольких параллельно соединенных резисторов МЛТ, например, из четырех резисторов МЛТ-0,25 сопротивлением по 24 Ом. К эквиваленту нагрузки и подключают щупы осциллографа (входной — к верхнему, по схеме, выводу, «земляной» — к нижнему, т. е. общему проводу усилителя).

Рис. 23

На экране осциллографа появятся синусоидальные колебания (рис. 24, а), размах которых можно изменять переменным резистором R2 усилителя и регулятором амплитуды генератора 3Ч. При этом может наступить момент, когда колебания ограничатся (рис. 24, б) — вершины полуволн станут плоскими.

Поставив регулятор громкости в положение максимального усиления, установите такой входной сигнал, при котором выходной будет равен, скажем, 1 В (имеется в виду размах колебаний). Проверьте, нет ли на изображении «ступеньки» — наиболее распространенного вида искажений в двухтактных усилителях.

Если «ступенька» есть (рис. 24, в), включите вместо R7 два последовательно соединенных резистора — постоянный сопротивлением 1 кОм и переменный сопротивлением 10 или 15 кОм. Перемещением движка переменного резистора добейтесь ровной линии на подъемах и скатах синусоид в местах «стыковки» полуволн.

Для более эффективной проверки временно замыкайте резистор R8 — на изображении будет появляться ярко выраженная «ступенька». Движок добавочного переменного резистора оставьте в таком положении, при котором размах колебаний будет наибольшим, а искажения станут незаметными.

Вот теперь можно измерить один из важных параметров усилителя — его выходную мощность. Для этого движок переменного резистора R2 усилителя ставят в верхнее, по схеме, положение (наибольшее усиление), а с генератора подают такой сигнал, при котором размах колебаний на экране осциллографа максимален, но искажений вершин полуволн еще нет. Измерив по шкале осциллографа размах колебаний, переводят полученный результат в действующее значение напряжения (делят на 2,82), возводят действующее значение в квадрат и делят на сопротивление эквивалента нагрузки.

К примеру, размах колебаний составил 3,2 В. Тогда действующее значение переменного напряжения составляет 3,2:2,82 = 1,13 В, а выходная мощность усилителя — 1,13/6 = 0,21 Вт (210 мВт).

Измерив осциллографом входной сигнал (между верхним, по схеме, выводом резистора R1 и общим проводом), определяют чувствительность усилителя.

Выходная мощность усилителя зависит от сопротивления нагрузки, в чем нетрудно убедиться. Измените сопротивление эквивалента нагрузки с 6 на 10 Ом размах колебаний на нем возрастет до 3,6 В. Но, как нетрудно подсчитать, выходная мощность усилителя становится равной 0,16 Вт (160 мВт).

Осциллограф поможет убедиться, что ограничение максимальной амплитуды сигнала происходит именно в выходном каскаде, а не в фазоинверсном. Для этого достаточно добиться ограничения выходного сигнала (рис. 24, б) увеличением входного и переключить входной щуп осциллографа на вывод коллектора транзистора VT2, т. е. на нагрузку фазоинверсного каскада. Здесь сигнал, как правило, имеет больший размах по сравнению с выходным, но полуволны синусоидальных колебаний не ограничены.

Увеличивая амплитуду входного сигнала усилителя, добейтесь ограничения полуволн сверху или снизу, а затем попробуйте изменять сопротивление резистора R5 (например, заменив его цепочкой из последовательно соединенных постоянного резистора сопротивлением 10 кОм и переменного сопротивлением 220 или 330 кОм). При повороте движка переменного резистора можно наблюдать, как будут ограничиваться либо положительные полуволны (рис. 25. а), либо отрицательные (рис. 25, б), либо и те и другие (рис. 25, в). Правильным считается такое положение движка резистора, при котором наблюдается одинаковое ограничение обоих полуволн, как на рис. 25, в. При этом наложении движка следует измерить получившееся сопротивление цепочки резисторов и впаять на место резистора R5 резистор такого сопротивления.

Что касается проверки диапазона воспроизводимых усилителем частот, то в этом случае можно установить такой сигнал на входе усилителя, при котором выходная мощность составит примерно 0.25 от номинальной, измеренной ранее.

Частоту входного сигнала можно оставить прежней — 1 кГц, а после определения с помощью осциллографа амплитуды выходного сигнала изменять частоту входного сигнала регулятором «Частота» генератора. Здесь, конечно, желательно использовать образцовый генератор с более широким пределом изменения частоты, например 20…20 000 Гц. Выходной сигнал генератора при перестройке частоты должен поддерживаться неизменным. Тогда удастся для ряда частот определить амплитуду выходного сигнала и построить характеристику, примерный вид которой для данного усилителя может быть таким, как показано на рис. 26.

С помощью осциллографа ОМЛ-2М можно наблюдать фазовый сдвиг выходного сигнала по отношению к входному, т. е. задержку сигнала во времени при прохождении его через усилитель, а также замечать даже незначительные искажения сигнала, не всегда видимые на изображении синусоидальных колебаний, снимаемых с эквивалента нагрузки. При такой проверке на вертикальный вход осциллографа подают входной сигнал усилителя (рис. 27), а на горизонтальный (как при «просмотре» фигур Лиссажу) — выходной. Как вы знаете, при подаче сигнала одинаковой частоты на указанные входы осциллографа на его экране должна появиться наклонная прямая линия.

Но в данном случае вы увидите эллипс (рис. 28, а), свидетельствующий о фазовом сдвиге сигнала в усилителе.

Чем шире эллипс, тем больше сдвиг А если эллипс искажен, значит в усилителе есть и амплитудные искажения, при которых положительные и отрицательные полуволны синусоидальных колебаний усиливаются неодинаково. «Увидеть» такие искажения можно, начав подбирать режим работы выходных транзисторов ранее включенным переменным резистором в цепи базы. Тогда при перемещении движка резистора из одного крайнего положения в другое можно наблюдать самые разнообразные искажения формы эллипса (рис. 28, б). Правильно установленным режимом можно считать такой, при котором эллипс наименее искажен.

Прежде чем продолжить разговор о проверке усилителя 3Ч, несколько слов о децибеле — единице измерения, с которой вы, возможно, встретились впервые.

Входные и выходные сигналы усилителей, измеряемые в единицах напряжения, могут изменяться в десятки, сотни и тысячи раз. При таких соотношениях передать на рисунке характер изменения сигнала трудно — характеристика будет плохо «читаться». Другое дело, если подобные соотношения «сжать» так, чтобы были различимы и малые и большие изменения на одном чертеже. Такое «сжатие» получается при пользовании децибелом — единицей логарифмического соотношения между уровнями сигналов. Обозначается единица буквами дБ.

Так, 1 дБ соответствует отношению уровней сигналов 1,12, 5 дБ — 1,78, 10 дБ — 3,16, 20 дБ — 10, 40 дБ — 100. 60 дБ — 1000 и т. д.

Нетрудно заметить, что новая единица позволит «увидеть» на характеристике как незначительные, так и существенные изменения сигнала. А чтобы вы могли взять на вооружение эту единицу в дальнейшем, приводим таблицу децибел и соответствия им отношений токов, напряжений и мощностей. Не беда, если, скажем, на практике понадобится определить отношение напряжений, соответствующее 35 дБ, а в таблице такого значения нет. Поскольку 35 дБ = 30 + 5 дБ, берете из таблицы соответствующие им числа и перемножаете их.

Если же вы знакомы с логарифмическими вычислениями, то можете самостоятельно переводить любые значения отношений электрических параметров в децибелы, зная, что число децибелов равно двадцати десятичным логарифмам отношений токов или напряжений либо десяти таким же логарифмам отношений мощностей.

Кстати, значения частот на характеристике усилителя также даны в логарифмическом масштабе, позволяющем получить более компактное изображение.

А теперь вернемся к нашей теме и проверим усилитель мощности двухтактного бестрансформаторного усилителя 3Ч (рис. 29). Он выполнен на транзисторах разной структуры, а на входе установлен высокочастотный транзистор (VT1), выбранный из условия получения наибольшей чувствительности усилителя и наименьших собственных шумов. На транзисторах VT2, VT3 выполнен фазоинверсный каскад, а на VT4, VT5 — выходной. Через резистор R1 осуществляется отрицательная обратная связь по постоянному напряжению между выходом и входом усилителя. Она нужна для поддержания постоянным напряжения на коллекторе транзистора VT5, составляющего половину напряжения питания усилителя. Для предотвращения искажений типа «ступенька» между базами транзисторов VT2 и VT3 фазоинверсного каскада включен диод, благодаря чему на базах образуется напряжение смещения.

Как и предыдущий усилитель, этот подключаем к делителю напряжения на выходе генератора 3Ч (см. рис. 23), а выход усилителя нагружаем (вместо динамической головки ВЛ1) на эквивалент — резистор сопротивлением 6 Ом и мощностью не менее 2 Вт. Измеряем максимальный размах неискаженных синусоидальных колебаний на эквиваленте нагрузки при изменении уровня входного сигнала. Получается около 5 В. Значит, выходная мощность усилителя достигает почти 0,53 Вт. На эквиваленте же нагрузки сопротивлением 10 Ом размах колебаний составит примерно 6 В, что соответствует выходной мощности 0,45 Вт. Входной сигнал в обоих случаях получился равным 0,1 В — такова чувствительность усилителя.

А теперь подключите входной щуп осциллографа ко входу усилителя, а гнездо горизонтального входа соедините с эквивалентом нагрузки (рис. 30) — вы сможете проверить наличие амплитудных искажений, как делали с предыдущим усилителем.

Правда, выходной сигнал этого усилителя значительно возрос, поэтому в цепь проводника от гнезда горизонтального входа придется включить переменный резистор R_х сопротивлением 68 или 100 кОм и подобрать им такой сигнал на горизонтальном входе осциллографа, чтобы длина линий по горизонтали и вертикали была одинаковая. Тогда на экране появится прямая наклонная линия (рис. 31, а). Увеличивая входной сигнал усилителя, сможете наблюдать, как линия начнет «прогибаться» (рис. 31, б), а вскоре на одном конце ее появится загиб (рис. 31, в).

Если переключить входной щуп осциллографа на резистор нагрузки и включить внутреннюю развертку (отпустить кнопку «РАЗВ.-ВХ.Х» (10), увидите искаженный сигнал (рис. 31, г). Уменьшением входного сигнала добейтесь неискаженного изображения, а затем вновь переключите осциллограф в режим проверки амплитудных искажений — на экране увидите прямую линию (рис. 31, а).

По этой линии вообще нетрудно увидеть начало искажений при увеличении входного сигнала и более точно определить максимальный неискаженный выходной сигнал, а затем подсчитать по нему выходную мощность усилителя.

Чтобы увидеть «работу» диода по устранению искажений «ступенька», подключите входной щуп осциллографа к эквиваленту нагрузки и изменением амплитуды входного сигнала установите размах выходного 0,5…1 В. Если теперь замкнуть выводы диода, появится «ступенька» (см. рис. 24, в).

А как влияет на выходной сигнал напряжение на средней точке выходного каскада? Проверить это сможете самостоятельно, заменив резистор R1 двумя последовательно соединенными резисторами — переменным сопротивлением 330 или 470 кОм и постоянным сопротивлением 47…68 кОм. Устанавливая переменным резистором различные напряжения на средней точке, определяйте каждый раз неискаженную выходную мощность усилителя, а также замечайте, какие полупериоды сигнала начинают ограничиваться раньше — положительные или отрицательные. Эти наблюдения позволят вам сделать практические выводы о влиянии напряжения средней точки на параметры усилителя.

И еще одно испытание полезно провести с бестрансформаторным усилителем — подать на него большее питающее напряжение, например 12 В. При нагрузке 6 Ом неискаженный выходной сигнал достигнет амплитуды 3,2 В (размах на экране осциллографа 9 В), что соответствует выходной мощности почти 1,7 Вт (против 0,5 Вт при питании напряжением 9 В).

На этом проверку усилителя закончим, отключим от нею питание и выключим осциллограф.

Радиочастота и модуляция

Следующий этап освоении осциллографа — наблюдение немодулированных и модулированных колебаний радиочастоты (РЧ) и определение глубины (коэффициента) модуляции. Дли этих целей соберем простейший генератор на одном транзисторе (рис. 32), вырабатывающий колебания РЧ, в нашем случае — диапазона средних волн (СВ).

Сначала о самом генераторе. Чтобы получить радиочастотные колебания, в генераторе применен колебательный контур, составленный из катушки индуктивности L1 и конденсаторов С2 и С3. Подстроечным конденсатором С3 и ферритовым подстроечником катушки устанавливают точнее одну из границ диапазона частот, перекрываемого контуром, а конденсатором переменной емкости С2 плавно изменяют резонансную частоту контура.

С катушкой L1 связана индуктивно катушка L2, включенная в эмиттерную цепь транзистора. Причем начало катушки L1 подключено (через конденсатор С1) к выводу базы транзистора, а начало катушки L2 — к выводу эмиттера. В результате между базой и эмиттером образуется положительная обратная связь и каскад, собранный на транзисторе VT1, возбуждается, появляются колебания РЧ. Они выделяются как на резисторе нагрузки R2, так и на катушке L2, а значит, и на переменном резисторе R3. С движка этого резистора колебания РЧ подаются через развязывающий конденсатор С4 на зажим ХТ3.

Питание на каскад можно подать от батареи «Крона» или от другого источника постоянного тока напряжением 9 В. Но лучше сразу подключить генератор РЧ к зажимам ранее изготовленного генератора 3Ч и установить движок переменного резистора R7 последнего в верхнее, по схеме, положение. Тогда между зажимами ХТ1 и ХТ2 будет постоянное напряжение 9 В.

Для постройки генератора РЧ понадобятся, прежде всего, катушки L1 и L2, намотанные на общем каркасе. Подойдет готовый контур гетеродина диапазона СВ от малогабаритного транзисторного радиоприемника «Селга» (для этого контура и приведена на схеме нумерация выводов катушек). Он представляет собой четырехсекционный каркас высотой 22 мм и размерами основания 11х11 мм. Внутри каркаса помещен подстроечник диаметром 2,8 и длиной 12 мм из феррита 600НН.

Во всех секциях равномерно размещены витки катушки L1 — по 32 витка провода ПЭВ-2 0,09 в каждой, а в верхней (от основании) секции размещена еще и катушка L2 — 10 витков провода ПЭВ-2 0,1.

Подойдет другой контур гетеродина диапазона СВ с катушкой L1 индуктивностью 150…220 мкГ и с катушкой L2, содержащей практически любое число витков. В крайнем случае подберите подходящий каркас (с тремя или четырьмя секциями) и намотайте на нем катушки по вышеуказанным данным.

Транзистор может быть любой из серии KT315, но с коэффициентом передачи тока не менее 50. Постоянные резисторы — МЛТ-0,125 или МЛТ-0,25. переменный — СП-I или другой, сопротивлением 470 Ом, 1 кОм, 2,2 кОм. Конденсатор переменной емкости — КП-180, но подойдет любой другой малогабаритный с максимальной емкостью до 500 пФ. Подстроечный конденсатор — КПК-М, КПК-1, остальные конденсаторы — любые, например, КТ, КМ, КЛС.

Часть деталей генератора (постоянные резисторы, конденсаторы С1, С3, катушки индуктивности и транзистор) можно смонтировать на макетной панели или на небольшой плате из изоляционного материала. Монтаж может быть как навесной, так и печатный. Внешне макет генератора РЧ выглядит аналогично генератору 3Ч (рис. 33). На лицевой панели макета укрепляют конденсатор переменной емкости, переменный резистор и зажимы ХТ3, XT4. Проводники питания, подключаемые к зажимам генератора 3Ч, — отрезки монтажного провода в изоляции.

Наступило время включить генератор и проконтролировать его колебания с помощью осциллографа. Входной щуп осциллографа подключите к зажиму ХТ3, а «земляной» — к зажиму ХТ4. Движок резистора R3 генератора установите в верхнее, по схеме, положение. Осциллограф работает в автоматическом режиме (кнопка 7 «АВТ. — ЖДУЩ» отжата) с внутренней синхронизацией (кнопка 9 «ВНУТР. — ВНЕШН.» отжата), с закрытым входом (кнопка 13 нажата). Переключателями делителей 1 и 2 установите чувствительность осциллографа 0,2 В/дел., а переключателями 3–6 — длительность 0,5 мкс/дел.

Сразу же после подачи напряжения питания генератора на экране осциллографа должны появиться синусоидальные колебания (рис. 34, а) либо яркая «дорожка» (рис. 34, б) — все зависит от положения ротора конденсатора переменной емкости, а значит, от частоты колебаний генератора РЧ. В любом случае по масштабной сетке определите размах колебаний — он может быть равен, например, 0,8 В.

Если же колебаний нет вообще, проверьте напряжение на коллекторе транзистора (вы уже умеете делать это с помощью осциллографа, работающего с открытым входом — при отжатой кнопке 13) — оно должно быть в пределах 3…5 В, а затем поменяйте местами выводы одной из катушек индуктивности. При правильной фазировке — подключении начал обмоток к указанным на схеме цепям — колебания должны появиться.

Может случиться, что фазировка правильная, а напряжение на коллекторе не соответствует указанному, из-за чего нет генерации. Тогда включите вместо резистора R1 два последовательно соединенных резистора — постоянный сопротивлением 50…100 кОм и переменный сопротивлением 680 кОм или 1 МОм. Изменением сопротивления переменного резистора добейтесь устойчивой генерации колебаний во всем диапазоне частот — при повороте ротора конденсатора переменной емкости из одного крайнего положения в другое, а затем измерьте получившееся общее сопротивление цепи и впаяйте на место R1 резистор такого же сопротивления.

Итак, колебания наблюдаются. Включите ждущий режим (нажмите кнопку 1) и установите ручками 8 и 11 (соответственно синхронизации и длины линии развертки) на экране несколько колебаний синусоидальной формы. Если вершины полупериодов колебаний искажены (ограничены), значит чрезмерна обратная связь между эмиттерной и базовой цепями каскада. Уменьшить ее можно более точным подбором числа витков катушки L2, уменьшением емкости или шунтированием выводов катушки L2 резистором сопротивлением 2200…100 Ом.

В любом варианте обратную связь подбирают такой, чтобы неискаженная форма и устойчивость колебаний сохранялись при повороте ротора конденсатора С2 из одного крайнего положения в другое.

Далее установите ротор конденсатора в положение минимальной емкости, измерьте по осциллографу частоту колебаний (т. е. измерьте длительность одного колебания, а затем переведите ее в значение частоты) и установите ее равной примерно 1,5 МГц (длительность одного колебания около 0,6 мкс) подстроечником катушки и подстроенным конденсатором С3. Рассматривать и измерить такой сигнал удобно при установке переключателей диапазонов частот в положение, соответствующее длительности 0,2 мкс/дел., а переключателя режима развертки — в положение «ЖДУЩ.» (кнопка 7 нажата).

Переведя затем ротор конденсатора С2 в положение максимальной емкости, измерьте получившуюся наименьшую частоту диапазона. Вы увидите, что с конденсатором указанной емкости (180 пФ) частота составляет примерно 750 кГц.

Иначе говоря, общее перекрытие по частоте равно 1500…750 кГц, что соответствует длинам волн 200…400 м. Диапазон же СВ несколько шире — от 187 м до 570 м. При желании расширить диапазон генератора в сторону более длинных волн, достаточно установить вместо КП-180 конденсатор переменной емкости с большей максимальной емкостью. Но делать это на данном этапе не следует, поскольку наш генератор — экспериментальный, необходимый для решения вполне определенной задачи.

Следующим этапом может быть градуировка шкалы конденсатора переменной емкости в единицах частоты, а шкалы переменного резистора в единицах амплитуды колебаний. С этим вы справитесь самостоятельно, пользуясь советами по градуировке аналогичных шкал генератора 3Ч.