Курсовая работа «Осцилограф»
Скачать 0.61 Mb.
|
| Министерство образования Тверской области ГБОУ СПО «Ржевский колледж» Специальность 230106 Группа 31 «к» Курсовая работа «Осцилограф» Студент_________________________________________________ (подпись) (фамилия, имя, отчество) Преподаватель___________________________________________ (подпись) (фамилия, имя, отчество) Дата защиты ________________ Оценка_________________ 2015 г.  Содержание ВведениеРазличные колебательные движения, существующие в природе, часто имеют форму синусоиды. Вырабатываемая энергия, различные колеблющиеся частицы и многие другие явления, недоступные нашим глазам наполняют окружающее пространство. В связи с этим актуальными являются измерительные преобразователи, т.е. различные устройства, которые способны производить конвертацию вышеописанных явлений в электрические сигналы. Такие сигналы могут быть изучены с помощью прибора, который называется осциллографом. Данный прибор имеет большой потенциал и позволяет инженерам, учёным, техникам и преподавателям адекватно изучать события и процессы в виде сигналов, которые изменяются во времени. Осциллографы – это полезный инструмент в первую очередь для проектировщиков, производителей и ремонтных мастеров электронного оборудования. В современном мире специалистам необходимо использовать лучшее и максимально эффективное оборудование для качественного выполнения поставленных задач. В связи с этим, осциллографы являются ключевым прибором при изучении процессов, протекающих в электронных схемах. Применение осциллографов достаточно обширно и не ограничивается только миром цифровой и аналоговой электроники. В случае использования различных преобразователей осциллографы позволяют контролировать широкий спектр природных явлений. Преобразователем является устройство, которое генерирует различные электрические сигналы вследствие фиксации определенных физических воздействий (звуков, световых или тепловых волн, механических ударов, давления). Основная часть 1.1. Понятие осциллографа Электронный осциллограф, в общем смысле, это прибор, который используется для измерения и наблюдения за изменениями значений параметров электрических сигналов. В данном приборе используется технология отклонения электронного луча с целью получения изображения значений функциональных зависимостей различных переменных величин, одной из которых является время. При исследовании зависимости напряжения от времени на вход "Y" подается исходное напряжение, затем включается генератор развертки, который осуществляет выработку линейно изменяющегося напряжения. При исследовании зависимости между двумя напряжениями (токами) первое из них подается на вход "Y", а второе – на вход "Х". В таком случае генератор развертки не применяется. На современном рынке существуют многоканальные и многолучевые осциллографы. В последних применение нашли специальные многолучевые электронные трубки. В многоканальных используются коммутаторы электрических сигналов, которые позволяют обеспечить наблюдение нескольких сигналов на экране. Принцип работы электронного осциллографа и его структурная схема приведены на рис. 1.  Рис.1. Принцип работы и структурная схема осциллографа Данная схема включает: ЭЛТ – электронно-лучевую трубку;  канал вертикального отклонения луча - "Y", который содержит входное устройство, предварительный усилитель (Y), линию задержки сигнала, конечный усилитель (Y); канал горизонтального отклонения луча ("Х"), который содержит генератор развертки по оси Х, синхронизирующее устройство, конечный и предварительный усилители Х; канал управления яркостью луча (Z); устройство калибровки. Также, в состав осциллографа входят высоковольтный и низковольтный выпрямители. Центральным узлом осциллографа является ЭЛТ. Это стеклянный баллон с высоким уровнем вакуума, содержащем систему электродов и экран, который покрыт люминофором. В случае попадания электронов на экран происходит свечение. В цилиндрической части трубки находятся модулятор, катод, два анода и четыре отклоняющих пластины. В качестве источника электронов выступает оксидный катод. Данный катод нагревается с помощью нити накала, которая изолирована от катода. Используемую систему электродов часто называют электронной пушкой. На модулятор подают отрицательный потенциал, значение которого регулируется с помощью переменного резистора, что также позволяет изменить яркость пятна, светящегося на экране электронно-лучевой трубки. Первый анод предназначен для фокусировки электронного луча. Второй анод используется с целью ускорения электронов. Ряд трубок имеют дополнительный третий анод, который предназначен для повышения яркости экрана. Последняя буква в условном обозначении электронно-лучевой трубки позволяет определить тип покрытия экрана: А – покрытие дает голубое свечение и обладает низкой продолжительность послесвечения, В – обеспечивает длительное послесвечение 3-5 секунд, И – зеленое свечение средней продолжительности. Длительность послесвечения ЭЛТ, при необходимости, можно оценить без включения прибора. Для этого можно в течение нескольких секунд осветить экран ЭЛТ с помощью любого фонарика, затем выключив свет, наблюдается уменьшение яркости свечения экрана с течением времени. Покрытие типа И является более удобным для наблюдения сигналов, обладающих частотой более 10 Гц. Входное устройство канала "Y" содержит переключатель входа, соединительный кабель, входные делители напряжения. Соединительный кабель предназначен для согласования выхода источника сигнала со входом осциллографа по всему рабочему диапазону частот и для защиты от влияния внешних электромагнитных полей. В качестве данного кабеля часто используется коаксиальный. Коаксиальный кабель состоит из внутреннего проводника, отделенного цилиндрическим изолятором от внешней проводящей оболочки. Эта оболочка (оплетка) покрывается защитной изоляцией. Оплетка изготавливается из тонких медных проводников. Один из концов коаксиального кабеля имеет разъем для подключения к прибору, к другому присоединяются два проводника. Проводник, который непосредственно соединяется с оплеткой, выбирают с изоляцией черного цвета. Проводник, который подключается к центральной жиле кабеля, называют сигнальным. Проводящая оболочка подключается к корпусу прибора. С помощью переключателя выбирается способ подачи сигнала к предварительному усилителю. Таких способов 2: посредством конденсатора или непосредственно – используется для импульсов большой длительности и сигналов постоянного тока.  Ряд осциллографов имеет встроенные входные делители напряжения. Выносной входной делитель напряжения называется пробником. Для входных делителей необходима сложная настройка на этапе изготовления прибора, для того, чтобы они обеспечивали передачу сигнала без искажений независимо от формы и амплитуды по всему диапазону частот. Такие делители разрабатываются с использованием конденсаторов и резисторов. Настройка делителей напряжения происходит с помощью осциллографа и генераторов напряжения прямоугольных импульсов. Делитель настраивается подстроечным конденсатором таким образом, что на выходе делителя получают прямоугольные импульсы, аналогичные изначально входящим. Предварительный усилитель вертикального отклонения используется для преобразования сигнала из несимметричного в симметричный, его усиления, установки по вертикали изображения сигнала в рабочей части экрана, обеспечения совместной работы с коммутатором. Линия задержки, которая включается в канал вертикального отклонения прибора, обеспечивает задержку сигнала на период времени, необходимый для активации генератора развертки. В случае отсутствия линии задержки экран осциллографа не будет отображать передний фронт исследуемого сигнала. Это связано с тем, что линия задержки не должна искажать форму исследуемого сигнала, в противном случае будет наблюдаться обратный эффект. Оконечный усилитель канала вертикального отклонения луча обеспечивает усиление сигнала до значения, которое является достаточным для отклонения луча электронно-лучевой трубки по вертикали в рамках рабочей части экрана прибора. Коммутатор сигналов позволяет использовать усилитель канала Y в ряде рабочих режимов: одновременная работа обоих каналов Y1 и Y2 (сложение сигналов с возможностью изменения полярности сигнала в одном из каналов), работа только канала Y1, работа только канал Y2, поочередная работа каждого канала, т.е. переключение каналов обратным ходом развертки, прерывистый режим (переключение каналов с частотой несколько десятков или сотен килогерц от специального генератора прямоугольных импульсов). Если исследуемое напряжение (при необходимости оно усиливается усилителем) подано только на пластины “У”, то на экране осциллографа будет видна вертикальная линия, длина которой равна удвоенной амплитуде колебаний. Для изучения изменения сигнала с течением времени необходимо подать напряжение на горизонтально отклоняющие пластины. Напряжение для отклонения луча в горизонтальном направлении подается с выхода канала "Х", содержащего генератор развертки, устройство синхронизации, оконечный и предварительный усилители Х. Генератор развертки формирует линейно изменяющееся напряжение пилообразной формы, предназначенное для равномерного движения электронного луча по  оси Х от левого до правого края экрана, а затем обратного его возвращения до левого крайнего положения. Обратное движение луча на экране соответствует всем участкам изменения формируемого пилообразного напряжения.Вырабатываемую, генератором развертки, частоту напряжения необходимо плавно и ступенчато менять в довольно широком диапазоне, от 10 Гц до 1 МГц и более. В случае, когда напряжение на входе “Y” равно нулю, однако при этом включен генератор развертки, то на экран выдается горизонтальная линия. Когда поступают одновременно входное напряжение и формируемое генератором развертки на экран выводиться осциллограмма сигнала, который исследуется.
Генератор развертки в канале Х способен функционировать в одном из трех режимов: Находясь в ждущем режиме производиться выработка пилообразного напряжения, однако лишь в том случае, когда на вход “Y” прибора поступает сигнал с достаточно высокой амплитудой. Следует отметить, что особенностью данного режима является то, что в данном режиме нельзя обеспечить внутреннюю синхронизацию при исследовании выпрямленного напряжения, обладающего малым коэффициентом пульсаций. В ряде существующих осциллографов поддерживается режим растяжки развертки, который позволяет обеспечить крупный масштаб изображения по горизонтали посредством повышения степени усиления в конечном усилителе X. Для формирования неподвижного изображения значение частоты генератора развертки необходимо обеспечить равным значению частоты исследуемого сигнала. Для этого используется синхронизация частоты генератора развертки с частотой исследуемого сигнала. В случае, когда частота генератора развертки приближается к значению частоты исследуемого напряжения, то данное напряжение изменяет значение частоты генератора развертки, вплоть до точного совпадения с частотой сигнала, который исследуется. Согласование частоты генератора развертки с частотой исследуемого сигнала обеспечивается работой блока синхронизации. Поддерживается три различных варианта синхронизации: внутренняя, внешняя и от сети. Последний вариант применяют для задач исследования сигналов, у которых частота равна частоте питающей сети, т.е. равна 50 Гц. Достаточно широко используют внутреннюю синхронизацию, т.к. в этом варианте синхронизации часть исследуемого напряжения поступает в блок синхронизации, вырабатываемом импульсы, которые управляют функционированием генератора развертки. Исследуемое напряжение является приоритетным для формирования периода работы генератора развертки. В случае, когда период собственных колебаний генератора развертки равен или кратен периоду колебаний исследуемого напряжения, то колебания генератора происходят в такт с исследуемым напряжением.  Современные осциллографы снабжены переключателями полярности синхронизирующего напряжения и вида синхронизации.Конечный усилитель канала Х используется для усиления величины внешнего сигнала или напряжения развертки до уровня, который является достаточным для отклонения луча по горизонтали в рамках экрана. Канал Z предназначен для гашения луча во время обратного хода и обеспечения подсветки прямого хода развертки. Данный канал выполняет модулирование яркости изображения модулирующим внешним сигналом. При подаче на входы X и Y сигналов с одинаковой частотой, в случае, если на канал Z подано напряжение более высокой частоты, существует возможность определения значений частоты сигнала, который подан на X и Y. Калибраторы прибора позволяют повысить точность измерения амплитуды и частоты сигнала. Калибратор - это генератор напряжения с известной частотой и амплитудой. Обычно используются напряжения в виде меандра и постоянные напряжения. Высоковольтный выпрямитель блока питания предназначен для обеспечения питания электродов электронно-лучевой трубки, а низковольтный используется для питания всех остальных узлов прибора. Современные осциллографы часто имеют калиброванный коэффициент усиления усилителя “У” и калиброванную длительность развертки по оси Х, что позволяет легко определить напряжение и частоту исследуемого сигнала. Таким образом главное предназначение прибора заключается в отображении получаемой информации в графическом виде (формирует диаграмму электрического сигнала). Данная диаграмма отражает изменения сигнала во времени: горизонтальная ось (X) представляет значения времени, а вертикальная ось (Y) – напряжения. Яркость или интенсивность выведенной на экран картинки сигнала называют осью Z (рис . 2).  Рис. 2. Компоненты отображаемого сигнала  В осциллографах с цифровым люминофором ось Z обычно представлена градациями цвета (рис.3). Рис.3. Отстройка частоты с градациями яркости (ось Z) Любая формируемая прибором диаграмма способна показать такие параметры сигнала:
1.2. Классификация осциллографов Электронное оборудование может быть поделено на две основные категории: аналоговое и цифровое. Аналоговое оборудование работает с непрерывно изменяющимися во времени значениями напряжения, а цифровое – с дискретными (бинарными) сигналами, представляющими собой выборки напряжения. Точно таким же образом классифицируются и осциллографы: на аналоговые и цифровые. В противоположность аналоговым моделям, в цифровых осциллографах используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования измеряемого напряжения в цифровой вид. АЦП выполняет  периодический захват сигнала и направляет в память захваченные выборки . Из множества сохраненных в памяти выборок осциллограф строит форму измеряемого сигнала. Затем полученная информация выводится на экран (рис. 4). Рис.4. Технологии обработки сигналов и их отображение на экранах аналогового и цифрового осциллографов Цифровые осциллографы подразделяются на цифровые запоминающие осциллографы (DSO), осциллографы с цифровым люминофором (DPO) и стробоскопические осциллографы. Применение цифровой технологии предполагает способность осциллографа отобразить сигнал любой частоты в пределах полосы пропускания прибора в чётком, ясном и стабильном виде. Для периодических сигналов полоса пропускания осциллографа определяется, как правило, аналоговой полосой его входного каскада, рассчитываемой по уровню –3 дБ . Для однократных событий и переходных процессов (импульсных сигналов) полоса пропускания может быть ограничена частотой выборки осциллографа . Осциллографы различают по: а) назначению; б) количеству одновременно исследуемых сигналов; в) ширине полосы пропускания; г) точности измерений; д) характеру исследуемого сигнала.  По назначению осциллографы делят на: осциллографы универсальные (С1); осциллографы скоростные, работающие на частотах 100 МГц - 1 ГГц (С7); осциллографы запоминающие (С8); осциллографы специальные (С9).По количеству одновременно исследуемых сигналов на – однолучевые, двухлучевые, многолучевые (многоканальные). По ширине полосы пропускания ЭЛО делятся на низкочастотные (f верхн = 1 МГц), на среднечастотные (f верхн = 10 МГц), скоростные. Полоса пропускания дается при спаде АЧХ в 3 дБ. По точности измерения временных интервалов и амплитуд осциллографы делятся на 4 класса точности (табл.1). Таблица 1
По характеру исследуемых сигналов различают ЭЛО для исследования периодических сигналов, ЭЛО для исследования апериодических сигналов. Основная структурная схема ЭЛО изображена на рис.1 и состоит из следующих узлов: электронно-лучевой трубки; канала вертикального отклонения (канала У); канала горизонтального отклонения (канала Х); двух калибраторов 3,5 (амплитуды и длительности). С помощью переключателей S устанавливают различные режимы работы прибора. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) служит для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение - осциллограмму. Канал вертикального отклонения обеспечивает регулировку (усиление и ослабление) входного напряжения до уровня, необходимого для отклонения луча по вертикальной оси ЭЛТ. Канал состоит из входного устройства и широкополосного усилителя напряжения. Исследуемый сигнал поступает на входное устройство, в котором он ослабляется и задерживается для того, чтобы напряжение развертки поступило на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ с некоторым опережением, что позволит наблюдать на экране ЭЛТ начало процесса. Усилитель канала обеспечивает необходимое усиление исследуемого сигнала и преобразует его из однофазного в два противофазных напряжения, которые подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Канал горизонтального отклонения вырабатывает развертывающее напряжение, усиливает его, а также синхронизирует в различных режимах работы. Канал состоит из входного устройства, блока синхронизации, генератора развертки и усилителя горизонтального отклонения.  Синхронизация колебаний генератора развертки может осуществляться как исследуемым сигналом, так и от внешнего источника, подключаемого к гнезду "Вход Х". Развертывающим напряжением может быть как пилообразное напряжение генератора развертки так и любое другое, поданное на гнездо "Вход Х" Входное устройство и усилитель напряжения канала Х выполняют функции аналогичные функциям соответствующих узлов канала вертикального отклонения. Блок синхронизации служит для усиления синхронизирующего напряжения и изменения его полярности в том случае, когда оно не совпадает с полярностью, необходимой для запуска генератора развертки. Калибраторы ЭЛО служат для измерения амплитуды и длительности исследуемого сигнала. Канал управления яркостью 4 (канал Z) презназначен для получения масштабных меток, которые используются при измерении временных параметров сигнала. |
Похожие:
 | Курсовая работа должна носить творческий исследовательский характер и быть направленной на приобретение и развитие, во-первых, практических... |  | Студенты выпускных курсов пишут выпускные квалификационные работы (бакалаврскую, дипломную работы или магистерскую диссертацию).... |
| Курсовая работа – это первый опыт самостоятельной научной работы студента по той или иной дисциплине. Изучение избранной проблемы... | | Данная курсовая работа посвящена изучению анимационных эффектов в рамках JavaScript. Раскрывая тему, мы сочли нужным раскрыть понятие... |
| Курсовая работа по дисциплине «Делопроизводство и его компьютеризация»: учеб пособие / Л. Ю. Сербинович; Рост гос ун-т путей сообщения,... | | Курсовая работа выполняется на одной стороне листа белой бумаги формата А4 (210 Х 297 мм). Иллюстрированный материал (таблицы, схемы,... |
| Курсовая работа является формой учебно-исследовательской активности студента и призвана формировать навыки и умения исследователя.... | | Типы семейного бюджета |
| |