Электронный осциллограф С1-55

 

Двухлучевой электронный осциллограф С1-55 предназначен для визуализации временных диаграмм двух сигналов и измерений их параметров по осям времени и уровня. Внешний вид прибора показан на рис.5.

Изображение формируется на экране электронно - лучевой трубки осциллографа. Рядом с двух сторон расположены органы управления двумя лучами: их яркостью - «Яркость» и толщиной луча – «Фокус» и «Астигматизм». С их помощью оператор выбирает удобную интенсивность и четкость изображения. Смещение изображения по горизонтали производится двумя ручками (грубо и плавно).

Исследуемый сигнал подается на вход «Вх.1» или «Вх.2» одного из каналов вертикального отклонения луча КВО 1 или КВО 2. Переключателем З/О выбирается тип входа (закрытый

или открытый).

14

Рис. 5

 

При закрытом входе последовательно в сигнальную цепь включен разделительный конденсатор и постоянная составляющая сигнала не приводит к смещению луча по экрану. Если вход открыт, то разделительный конденсатор замыкается и можно проводить измерение как переменных, так и постоянных во времени сигналов. В каждом канале имеются ручки смещения луча по вертикали.

Размер изображения по вертикали выбирается входным аттенюатором. Он состоит из переключателя, который обеспечивает заданный размер изображения в делениях сетки экрана (В/дел.), и плавный регулятор, расположенный сверху переключателя. В крайнем правом положении ручки плавного регулятора имеется  фиксирующая  защелка. Только  в  этом  случае  развертка по вертикали калибрована, и можно проводить измерение уровня сигнала по размеру изображения с учетом положения переключателя  чувствительности  канала, ука-

15

зывающего, сколько вольт приходится на одно деление сетки экрана.

Развертка изображения по горизонтали осуществляется пилообразными импульсами напряжения  (рис. 6) от блока развертки (БР), обеспечивающими пропорциональность времени горизонтальной оси изображения сигнала .

Скорость развертки определяется переключателем, указывающим, сколько миллисекунд (ms) или микросекунд (ms) приходится на одно деление сетки экрана по горизонтали, и плавным регулятором,  расположенным

          Рис. 6                   над переключателем.

Ручка плавного регулятора в правом положении находится в защелке. Только в этом случае развертка по горизонтали калибрована, и можно проводить измерение временных характеристик сигнала по размеру изображения с учетом положения переключателя скорости развертки, указывающего, какой интервал времени приходится на одно деление сетки экрана.

Скорость развертки может резко изменяться тумблером «´1/´0,2» с двумя положениями: ´1 (скорость определяется положением переключателя) и ´0,2 (показания переключателя скорости развертки необходимо умножать на 0,2). Последний вариант используется для анализа высокочастотных сигналов. Выходной сигнал блока развертки выдается на клемму «Вых. БР».

Для обеспечения устойчивого изображения пилообразное напряжение развертки должно быть синхронизировано с  ис-

следуемым сигналом. Это обеспечивает блок синхронизации БС. Обычно используются два вида синхронизации:

16

- внешняя путем подачи синхроимпульсов на один из входов «1:1» или «1:10» БС с коэффициентами ослабления 1:1 или 1:10 соответственно;

- внутренняя путем выделения в БС синхроимпульсов из исследуемого сигнала первого или второго каналов вертикального отклонения.

Выбор вида синхронизации производится переключателем

 «Режим» с соответствующими положениями «Внешн.», «Внутр. 1» и «Внутр.2». Переключатель З/О блока синхронизации задает закрытый/открытый вход для внешнего сигнала.

Переключатель «±» указывает, что синхроимпульсы для генератора  развертки  формируются  по  фронту  («+»)  или  по срезу («-») сигнала синхронизации.

Генератор развертки может работать в двух режимах:

- непрерывной развертки, при этом пилообразные импульсы формируются всегда и независимо от наличия или отсутствия синхроимпульсов от БС и входного сигнала осциллографа;

- ждущей развертки, при этом каждый пилообразный импульс выдается в ответ на поступивший синхроимпульс от БС, и если внешние импульсы синхронизации или входной сигнал в режиме внутренней синхронизации отсутствуют, то нет и развертки луча.

Наиболее устойчивое изображение получается в режиме ждущей развертки и внешней синхронизации.

Режим развертки выбирается ручками «Уровень» (над переключателем режима) и «Стабильность».

В правом верхнем углу прибора размещен калибратор К. Он служит для проверки каналов вертикального отклонения при подаче контрольного сигнала от «Выход к.» на входной разъем канала. Можно использовать либо постоянный, либо импульсный сигнал калибровки (выбирается тумблером)  с  ве-

личиной напряжения, задаваемой переключателем «Уровень».

 

17

РАБОТА С ОСЦИЛЛОГРАФОМ

 

При включении прибора тумблером «Сеть» после нескольких секунд при отсутствии входного сигнала на экране появляется изображение горизонтальной линии.

Ручка «Стаб.» устанавливается в крайнее правое положение, а ручка «Уровень» - в среднее, при этом осциллограф будет работать в режиме непрерывной развертки.

Если изображение луча отсутствует, то возможны следующие причины:

- недостаточна яркость луча, необходимо ручку «Яркость» повернуть вправо;

- луч смещен за пределы экрана, тогда необходимо установить требуемое положение луча ручками смещения по вертикали и горизонтали.

В результате на экране наблюдается горизонтальная линия с началом в левой части экрана.

После установки луча подается входной сигнал, выбираются требуемые размеры изображения по вертикали с помощью входного аттенюатора (В/дел.) и скорость развертки (с/дел.). Изображение может быть размытым, неустойчивым, многократно повторяющимся.

Для получения устойчивого изображения необходимо провести синхронизацию осциллографа (в режиме внешней синхронизации на вход «1:1» БС должен быть подан внешний синхросигнал). Для этого ручка «Стаб.» из крайнего правого положения поворачивается влево до погасания луча и немного возвращается назад до появления изображения. Затем ручкой «Уровень» в окрестности среднего положения добиваются стабилизации (хотя бы частичной) изображения. После этого опять поворачивают ручку «Стаб.» влево до погасания луча и возвращают назад до появления  изображения,  и вновь ручкой «Уровень» добиваются его устойчивости.

 

18

Эта процедура повторяется несколько раз и обеспечивается режим ждущей развертки, в котором синхронность не нарушается при переключении входного аттенюатора или скорости развертки. Производится окончательная настройка изображения временной диаграммы сигнала.

По изображению  сигнала  можно   проводить  измерения

уровня (амплитуды) и временных параметров (например, периода повторения). Полученная соответствующая величина размера изображения в делениях сетки экрана умножается на цену деления по вертикали (задается переключателем входного аттенюатора) или горизонтали (задается переключателем скорости развертки).

Необходимо следить, чтобы ручки плавной регулировки входного аттенюатора и скорости развертки находились в крайнем правом положении (в защелке), в противном случае будет нарушаться калибровка вертикальной и горизонтальной осей изображения.

 

Лабораторный стенд

 

Лабораторный стенд является нестандартным лабораторным оборудованием и предназначен для фронтального выполнения лабораторных работ по курсам «Основы теории цепей», «Общая электротехника» и «Электротехника и электроника». Внешний вид стенда показан на рис. 7. Для каждой работы используется специальная плата с установленными элементами (на стенд можно установить две платы).

В правой части расположен блок усилителей (БУ), на вход которого подается напряжение от генератора Г4-42. Блок имеет выход «Вых. Е», соответствующий источнику напряжения, и выход «Вых. I», близкий по свойствам источнику тока. Каждый выходной сигнал имеет органы регулировки амплитуды «Е» и «I» соответственно.

19

Рис. 7

 

Ток в исследуемой цепи измеряется миллиамперметром (МА), расположенным в верхней части стенда, его вход расположен рядом с измерительной головкой. Предел измерения выбирается переключателем «Предел».

В правой части стенда находится электронный коммутатор «Эл. К». Он имеет два симметричных (без земляной точки) входа «Вх.1» и «Вх.2» и выход, к которому подключается один канал осциллографа. Отсутствие «земли» на входах коммутатора позволяет подключать их к любым точкам исследуемой цепи и попеременно подавать два гармонических напряжения на осциллограф для измерения сдвига фаз между ними. На верхней панели стенда находится выход электронного коммутатора ЭК для выполнении лабораторной работы «Свободные процессы в линейных цепях».

В правой части стенда расположен переключатель сигнала синхронизации от блока усилителей (БУ) или от электронного коммутатора (ЭК). Синхросигнал подается на вход внешней синхронизации осциллографа.

20

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ

          

Цель работы - ознакомление с измерительными приборами, установленными на рабочем месте, освоение органов управления и правил использования приборов при проведении измерений.

 

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

          

1. Ознакомьтесь с инструкцией по технике безопасности при проведении экспериментальных работ в лаборатории.

2. Получите инструктаж преподавателя о порядке выполнения лабораторных работ, об используемом оборудовании и лабораторном стенде. Освойте назначение всех узлов лабораторного стенда и органов управления.

3. После объяснений преподавателя по методическим указаниям в лаборатории изучите описание, правила подготовки к работе и проведения измерений с помощью приборов и  лабораторного стенда.

4. Установите уровень сигнала на выходе генератора АНР 1001 или Г4-42 равным 0,5 В на частоте 50 кГц. Подключите к выходу генератора осциллограф, установите устойчивое изображение гармонического сигнала на экране и измерьте его амплитуду и частоту. Сравните результаты с установленными данными. Проведите измерения при других параметрах сигнала.

5. Соедините с выходом генератора АНР 1001 или Г4-42 вольтметр и измерьте уровень сигнала. Сравните результат с установленным значением и с результатом осциллографических измерений.

6. Подключите генератор АНР 1001 или Г4-42 к входу усилителя лабораторного стенда и установите уровень сигнала 0,3-0,7 В на частоте 100 кГц. Соедините вольтметр  с  выходом

21

источника напряжения и регулятором уровня установите напряжение источника 1,5 В. Отключите вольтметр и подайте сигнал источника на осциллограф, измерьте параметры сигнала, сравните их с показаниями вольтметра.

7. Подготовьтесь к сдаче устного зачета. Отчет по данной лабораторной работе не оформляется.

 

 

22

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Цель работы - изучить взаимосвязь постоянных токов и напряжений в резистивной цепи.

 

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

 

  1. В схеме цепи, показанной на рис. 8, установите ключи  в положение, соответствующее двоичному коду Вашего номера  по модулю 32  в списке группы (таблица кодов в приложении 1), кодовая запись имеет вид , значения , . Зарисуйте полученный вариант электрической цепи. Значения сопротивлений элементов цепи в Омах определяются выражением

 

,

 

где - номер группы, - номер студента в списке группы, -номер сопротивления в схеме на рис. 8.   Значение ЭДС  источника примите равным 10 В.

 

  2. Постройте модель полученной цепи постоянного тока в программе MicroCAP, проведите моделирование, опишите его в отчете, определите обозначенные на схеме рис. 8 токи , , , ,  и , представьте результаты в табл. 1.

 

  3. Постройте модель той же цепи тока в программе WorkBench, проведите моделирование, опишите его, «измерьте» токи , , , ,  и , занесите их в табл. 1.

23

 

24

Таблица 1

Величина	, мкА	, мкА	, мкА	, мкА	, мкА	, мкА
MicroCAP
WorkBench
Расчет по закону Ома
Номер ответа в АКОС (Тема 25)	1	2	3	4	5	6

 

  4. С помощью закона Ома рассчитайте обозначенные на рис. 8 токи , , , ,  и , полученные значения в микроамперах внесите в табл. 1 и в АКОС, тема 25, согласно табл. 1.

 

  5. Запишите систему уравнений метода узловых напряжений, решите ее в программе MathCAD и вычислите значения напряжений ,  и . Их значения в милливольтах введите в табл. 2 и в АКОС, тема 26, согласно табл. 2.

 

Таблица 2

Величина	, мВ	, мВ	, мВ	P2 мкВт	P6 мкВт	P10 мкВт
Результаты
Номер ответа в АКОС (Тема 26)	1	2	3	4	5	6

 

  6. В программе MicroCAP определите мощности , , и , выделяемые в сопротивлениях , ,  соответственно. Их значения в микроваттах внесите в табл. 2 и в АКОС, тема 26, согласно табл. 2.

 

25

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

ГАРМОНИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ТОК В ЭЛЕМЕНТАХ ЦЕПИ R, L, C И ИХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ

          

Цель работы - изучить взаимосвязь гармонических токов и напряжений в элементах цепи и их последовательном соединении.

 

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

          

1. Подключите к плате исследуемой цепи  (рис. 9) источник напряжения, вольтметр, микроамперметр, коммутатор. Кривыми линиями на рис. 9 показаны соединительные провода с однополюсными вилками. Соедините со стендом генератор АНР 1001 и осциллограф. Откалибруйте измерительные приборы, подготовьте их к измерениям.

На выходе генератора установите такое напряжение, чтобы ток в цепи был равен 1 мА.

Переключатель режимов синхронизации лабораторного стенда установите в положение синхронизации от блока усилителя «БУ » Запишите значения параметров цепи, указанные на плате.

 

2. На частоте f₁ = 40 кГц вычислите реактивные сопротивления емкости X_C, индуктивности X_L и полное сопротивление последовательной RLC цепи Z. Результаты расчета внесите в табл. 3.

 

      Таблица 3

Сопротивления элементов цепи

R, Ом	XL, Ом	XC, Ом	Z, Ом

26

27

3. Измерьте напряжения и ток в цепи.

3.1. Устанавливая переключатель вольтметра на сменной панели стенда поочередно в положения U_R, U_L, U_C, U_R+U_L+U_C, измерьте соответствующие напряжения и ток в цепи I. Результаты занесите в табл. 4.

Таблица 4

Ток и напряжения в цепи

Величина	I, мА	UR, В	UL, В	UC, В	U, В	Uвыч, В	d, %
Измерения
Расчет						-	-

 

3.2. Вычислите, исходя из измеренных значений U_R, U_L, U_C, и занесите в табл. 4 значение напряжения U_выч на последовательном соединении элементов R,L,C. Сопоставьте U и U_выч, определите относительную погрешность d = | U_выч - U | / U. Если ошибка превышает 15-20 %, уточните результаты измерений.

3.3. Для измеренного общего напряжения U и известных сопротивлений элементов цепи (табл. 3) вычислите значения тока I, напряжений на элементах цепи U_R, U_L, U_C и внесите их в табл. 2. Сравните результаты расчетов и измерений.

3.4. По величинам U и I определите полное сопротивление цепи Z_изм и сопоставьте его с вычисленным значением Z из табл. 3. Определите относительную погрешность определения сопротивления d_z = | Z - Z_изм | / Z_изм.

 

4. Измерьте фазовые соотношения между гармоническими колебаниями в цепи.

4.1. Переключатель установите в положение «U_R+U_L+U_C».

 

28

4.2. Подайте на входы коммутатора напряжений опорный сигнал (напряжение источника U) и напряжение на резисторе U_R. Осциллограф подключите к выходу коммутатора и установите режим внешней синхронизации от блока усилителей БУ.

Получите устойчивое изображение на экране двух гармонических колебаний, сдвинутых во времени.

Разберитесь, какой осциллограмме соответствует напряжение U, а какой U_R. Измерьте по экрану период колебаний Т и сдвиг во времени Dt_R напряжения U_R относительно U, определите знак Dt_R (если U_R опережает по фазе U, то величина Dt_R отрицательна, а иначе положительна).

Определите сдвиг фаз j_R между U_R и U по формуле

j_R=-w´Dt_R.

Результат занесите в табл. 5.

4.3. Вместо U_R подайте на вход коммутатора напряжение на индуктивности U_L и аналогично предыдущему измерьте смещение по времени Dt_L и сдвиг фаз j_L между U_L и U. Результат внесите в табл. 5.

Таблица 5

Фазовые соотношения

Сдвиг фаз	jR, рад	jL, рад	jC, рад
Эксперимент
Расчет

 

4.4. Аналогично вместо U_L подайте на вход коммутатора напряжение на емкости U_C, измерьте смещение по времени Dt_С и сдвиг фаз j_C между U_C и U, запишите полученное значение в табл. 5.

4.5. Используя значения сопротивлений в табл. 3, проведите расчет сдвигов фаз j_R, j_L, j_C между напряжениями на элементах и общим напряжением цепи, результаты занесите в табл. 3. Сравните результаты.

29

4.5. Полагая начальную фазу источника напряжения равной нулю, определите по результатам измерений из табл. 5 начальные фазы тока y_i в цепи и напряжений на резисторе y_R, катушке индуктивности y_L и конденсаторе y_C. Занесите их в табл. 6.

Таблица 6

Начальные фазы колебаний

ye,  рад	yi, рад	yR, рад	yL, рад	yC, рад
0

 

4.6. По результатам измерений определите сдвиг фаз j между общим напряжением и током в цепи.

4.7. Проанализируйте полученные результаты. При больших (более 15-20 %) погрешностях повторите измерения.

 

5. По результатам измерений в пунктах 3 и 4 с помощью линейки и транспортира постройте векторную диаграмму тока I и напряжений U_R, U_L, U_C, U. Сложите графически векторы U_R, U_L и U_C. Сравните результат с вектором U.

 

6. Тремя способами вычислите среднюю мощность, потребляемую цепью от источника:

P₁ - по величинам напряжения U и тока I с учетом сдвига фаз между ними;

P₂ - по величине тока I и значениям сопротивлений элементов цепи;

P₃ - по значениям напряжений на элементах и их сопротивлениям.

Определите среднее значение потребляемой мощности

 

                        P_ср =(P₁+P₂+P₃)/3.

 

Результаты занесите в табл. 7.

30

Если возникают значительные погрешности, проанализируйте возможные причины.

 

Таблица 7

Потребляемая мощность

P1, Вт	P2, Вт	P3, Вт	Pср, Вт

 

ДЛЯ ПЫТЛИВЫХ

 

7. Увеличьте частоту источника до f₂=80 кГц. Изменяя уровень сигнала источника, добейтесь, чтобы ток в цепи остался прежним.

Измерьте напряжение U на последовательном соединении и сдвиг фаз j между напряжением и током в цепи. По резуПльтатам измерений вычислите модуль полного сопротивления цепи Z и потребляемую мощность P. Результаты занесите в табл. 8 и сравните с полученными ранее на частоте f₁.

 

Таблица 8 

Результаты измерений на частоте f₂

I мА	U В	j рад	Z Ом	P Вт

      

8. При экспериментальном значении напряжения цепи U из табл. 8 на частоте 80 кГц проведите расчет сопротивления цепи Z, тока I, сдвига фаз j и мощности P. Сравните результаты расчета и эксперимента.

 

31

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

 

1. В цепи (рис.10) с параметрами  r = 5 Ом и L = 27,5 мГн действует напряжение  В. Определите ток  i(t).

 

 

        Рис. 10                 Ответ:  А.

 

2. Амплитуда  общего  напряжения  = 100 В,  частота  f = 50 Гц, но осветительная лампа рассчитана на напряжение =40 В, при котором она потребляет ток =0,2 А (рис. 11 ).

Определите необходимую индуктивность L.

 

        Рис. 11            Ответ: L = 1,46 Гн.

 

3. При разомкнутом ключе ток  в цепи на рис. 12 опережает по фазе приложенное напряжение  на угол 45°. Какова величина угла j при замкнутом ключе?

 

               Рис. 12                       Ответ: j = - 26° 34¢.

 

32

4. В цепи на рис. 13 напряжение  В, амплитуды токов = 15 А,  = 8 А. Определите амплитуду общего тока , полную проводимость цепи  и сдвиг фаз между общими напряжением и током .

Рис. 13

 

Ответ: = 17 А;  Y = 0,142 Сим; j = 28°.

 

5. К реальному источнику напряжения с ЭДС  (рис. 14)  В и внутренним сопротивлением  = 425 Ом подключено последовательное соединение  из  элементов L = 1 мГн и  r = 575 Ом. Определите ток  i(t) и напряжение u(t).

              Рис. 14          Ответ:  мА,

                                                      В.

 

6. На какой частоте  сопротивление показанной на рис. 15 цепи имеет активный характер.

 

Ответ: .

 

              Рис. 15

33

7. В показанной на рис. 16 цепи определите сдвиг фаз  между напряжением на индуктивности  и емкости .

 

Рис. 16

 

Ответ: .

 

8. На каком из рисунков на рис. 17 показаны временные диаграммы тока и напряжений на элементах в показанной на рис. 18 цепи.

 

          1)                        2)                            3)

Рис. 17

 

         Рис. 18                    Ответ: 1.

 

34

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4