Осциллограф и генератор

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

В. Х. Осадченко, Я. Ю. Волкова, Ю. А. Кандрина

ОСЦИЛЛОГРАФ
И ГЕНЕРАТОР

Рекомендовано методическим советом УрФУ
в качестве учебно-методического пособия для студентов,
обучающихся по программе бакалавриата
по направлениям подготовки 03.03.03 «Радиофизика»,
28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника»,
27.03.01 «Стандартизация и метрология», 27.03.05 «Инноватика»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

2-е издание, стереотипное

УДК 621.37(07)
      О-72

В учебно-методическом пособии даются общие принципы работы осциллографа и генератора, рассматриваются теоретические параметры гармонических колебаний. Студенты знакомятся с методами измерения амплитуд,
напряжений и фазовых сдвигов между ними с помощью генератора и осциллографа, в качестве объекта изучения предлагается RC-цепь. В приложении дано
описание программы Electronics WorkBench, позволяющей моделировать электрофизические процессы в электронных схемах.
Для студентов, обучающихся по направлениям естественно-научного
и инженерного профилей, для формирования базовых знаний в электротехнике и радиоэлектронике.

Осадченко, В. Х.
     Осциллограф и генератор [Электронный ресурс]: [учеб.метод. пособие] / В. Х. Осадченко, Я. Ю. Волкова, .
Ю. А. Кандрина ; [под общ. ред. В. Х. Осадченко] ; М-во 
образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – 2-е 
изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. – 76 с.

ISBN 978-5-9765-3196-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1571-0 (Изд-во Урал. ун-та)

О-72

УДК 621.37(07)

© Уральский федеральный 
    университет, 2015

Рецензенты:
лаборатория полупроводников и полуметаллов
Института физики металлов УрО РАН
(заведующий лабораторией доктор физико-математических наук
М.  В.  Я к у н и н);
М.  С.  К а г а н,  доктор физико-математических наук,
заведующий лабораторией неравновесных электронных процессов
в полупроводниках Института радиотехники и электроники РАН

Под общей редакцией  В.  Х.  О с а д ч е н к о

ISBN 978-5-9765-3196-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1571-0 (Изд-во Урал. ун-та)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Cписок основных сокращений .................................................................... 4

Предисловие ................................................................................................ 5

1. ОСЦИЛЛОГРАФ ..................................................................................... 6
1.1. Общие сведения ................................................................................ 6
1.2. Чувствительность электронно-лучевых трубок ............................. 13
1.3. Получение изображений на экране осциллографа ....................... 14
1.4. Развертка изображений ................................................................... 17

2. ГЕНЕРАТОРЫ ........................................................................................ 21
2.1. Общие сведения .............................................................................. 21
1.2. Генераторы звуковых частот ........................................................... 21
2.3. Радиочастотные генераторы ........................................................... 24

3. РЕЗИСТОР И КОНДЕНСАТОР
В ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ ......................................... 25
3.1. Представление величин, изменяющихся во времени
по гармоническому закону ............................................................. 25
3.2. Резистор ........................................................................................... 27
3.3. Конденсатор ..................................................................................... 29

4. ПАРАМЕТРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ............................ 32

Задания к лабораторной работе 2 «Осциллограф и генератор» ............. 35

Список рекомендуемой литературы ......................................................... 38

ПРИЛОЖЕНИЕ
Программа Electronics WorkBench ............................................................ 39

Алфавитный указатель команд и опций ................................................... 71

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЧХ
– амплитудно-частотная характеристика
ОУ
– операционный усилитель
ЭДС
– электродвижущая сила
ЭЛТ
– электронно-лучевая трубка
BJT
– биполярные транзисторы
IC
– интегральные схемы
RMS
– среднеквадратичные значения сигнала

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов
1–3 курсов инженерного и физического потоков университета.
Представленный материал является актуальным и полезным для формирования у них базовых знаний в общих разделах физики и дисциплинах «Электротехника», «Основы радиоэлектроники», «Микропроцессорная техника».
В учебно-методическом пособии достаточно подробно рассмотрены общие принципы работы осциллографа и генератора, а также
параметры гармонических колебаний. Дано краткое описание программы моделирования электрических схем Electronics WorkBench.
При выполнении работы студенты сначала создают в данной программе принципиальные электрические схемы (RC-цепи) и моделируют их режимы работы, затем исследуют реальные схемы, одновременно приобретая навыки работы с осциллографом и генератором.
Учебно-методическое пособие будет полезно достаточно широкому кругу читателей, заинтересованных в получении знаний по физике и основам электротехники и радиоэлектроники.
Цель работы – ознакомление с принципом работы осциллографа, исследование фильтра высоких частот, определение фазового
сдвига между входным и выходным напряжением RC-цепи в программах Electronics WorkBench (или Multisim 12.0) и с помощью
функциональных генераторов и двухканальных осциллографов.

1. ОСЦИЛЛОГРАФ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электронный осциллограф представляет собой прибор, позволяющий зрительно наблюдать и записывать (вводить в компьютер)
электрические процессы: непрерывные и импульсные периодические, непериодические процессы и даже мгновенные одиночные явления, например, электрический разряд, а также выполнять различные измерения. Электронные осциллографы нашли исключительно широкое применение не только в радиотехнической практике,
но и во многих других областях науки и техники. Это объясняется
тем, что при помощи осциллографа можно наблюдать и исследовать быстропротекающие процессы. Более того, улучшение конструкции электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), всех электронных устройств,
входящих в состав осциллографа, позволило превратить его в точный измерительный прибор – незаменимый инструмент работников производства и науки.
Исследуемый процесс изображается на экране осциллографа
в виде линий или фигур, представляющих функциональную зависимость двух величин u1 = f (u2). Изображение напряжения, характеризующего процесс в реальном времени, называется осциллограммой.
Наиболее распространенной является зависимость от времени u1 = f(t),
так как большинство электрических и радиотехнических процессов представляются текущими во времени. На экране осциллографа получается изображение самого процесса в реальном времени.
Любой осциллограф состоит из ЭЛТ и трех электрических каналов, по которым поступают напряжения для вертикального и
горизонтального отклонений луча, а также для управления его яркостью (рис. 1.1).
Канал вертикального отклонения и составляющие его элементы обозначаются через Y, канал горизонтального отклонения –

Рис. 1.1. Структурная схема универсального осциллографа:
1 – делитель напряжения; 2 – усилитель Y; 3 – калибратор амплитуды; 4 – калибратор длительности; 5 – блок синхронизации; 6 – генератор развертки; 7 –
усилитель Х; 8 – блок питания низкого напряжения; 9 – блок питания высокого
напряжения; 10 – сеть; 11 – вход на пластины Х; 12 – вход на пластины Y

через X, а канал управления яркостью – через Z. Например, «вход Y»,
«усилитель Y», «пластины X» и т. д.
ЭЛТ с электростатическим управлением лучом является главным элементом электронного осциллографа. ЭЛТ с электростатическим управлением представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом (рис. 1.2), внутри которого находятся электронный
прожектор и две пары взаимно перпендикулярных пластин. На дно
баллона нанесен тонкий слой люминофора – вещества, способного возбуждаться (светиться) при падении на него электронов. Этот
слой образует экран трубки.

 

1
2

3

4
5

6
7

8
9

10

11

12
Канал Y

Канал Х

Вход Y

Канал Z

Вход Х

Вход Z

Синхронизация

От сети

Внш. Внт.

Электронный прожектор предназначен для создания тонкого
электронного луча. Он состоит из подогреваемого катода, управляющего и ускоряющего электродов и фокусирующей системы. Катод
имеет форму цилиндра, внутрь которого помещен подогреватель.
Углубление в торце, обращенном к экрану, наполнено оксидом. Катод окружен управляющим электродом (модулятором), в котором
имеется отверстие для пропускания электронов. Назначение управляющего электрода – концентрировать луч к оси трубки и регулировать его интенсивность, т. е. яркость свечения пятна на экране.
Для этого на него подается регулируемое отрицательное (относительно катода) напряжение, при определенном значении которого
луч полностью гаснет и трубка «запирается». Кроме того, на управляющий электрод можно подавать внешнее переменное напряже
а

б
в

К М A1
A2
Y
X A3
Э

h

l
L

d

Рис. 1.2. Электронно-лучевая трубка:
а – устройство; б – графическое обозначение в схемах; в – упрощенное обозначение;
К – катод; М – модулятор; А1 – первый анод; А2 – второй анод; Y и X – отклоняющие
пластины; А3 – третий анод; Э – экран

ние, которое, будет изменять установленную яркость или, другими
словами, модулировать луч. Поэтому управляющий электрод часто
называют модулирующим электродом, или модулятором.
Электронный луч должен быть по возможности тоньше, так
как при этом повышаются четкость осциллограммы и точность измерений. Поэтому его нужно хорошо сфокусировать. Главную роль
в фокусировке луча играют аноды.
После второго анода расположены две пары взаимно перпендикулярных пластин, на которые подаются исследуемые переменные
напряжения и постоянные напряжения для начальной установки луча в нужном месте экрана. При подаче напряжения на пластины ЭЛТ,
расположенные вертикально, сфокусированный электронный луч отклоняется от центра экрана вправо или влево в зависимости от знака
напряжения между пластинами. Чем больше величина напряжения, тем больше отклонение луча (светящейся точки экрана). Если
это напряжение будет монотонно линейно во времени возрастать
от некоторого отрицательного значения до такого же по величине
положительного напряжения, то светящаяся точка экрана ЭЛТ будет пересекать середину экрана слева направо. При повторении этого процесса электронный луч будет вычерчивать на экране осциллографа прямую горизонтальную линию. Такой процесс называется
горизонтальной разверткой электронного луча во времени. Под действием электрических полей (напряжений) на отклоняющих пластинах электронный луч искривляется в горизонтальном и вертикальном направлениях. В результате такого одновременного воздействия двух взаимно-перпендикулярных полей конец луча практически
может попадать в любое место экрана. Исследуемое напряжение
подается непосредственно или через усилитель и делитель напряжения, как правило, на пластины вертикального отклонения.
Делитель напряжения (аттенюатор-поглотитель) служит
для ослабления слишком больших сигналов в определенное число раз.
Усилители X и Y служат для усиления слишком маленьких сигналов в определенное число раз, указанных на ручках управления
на панели осциллографа.

Генераторы калибратора амплитуды и длительности вырабатывают эталонное переменное напряжение определенной амплитуды и частоты. Калибратор амплитуды подключается к усилителю Y вместо входного сигнала для проверки точности работы
усилителя Y. Калибратор длительности подключается к электроннолучевой трубке для проверки и настройки переключателей длительностей развертки. Генератор калибратора длительности вырабатывает прямоугольные отрицательные импульсы напряжения эталонной частоты (рис. 1.3, а). Если это напряжение подключается
в канале Z к модулятору ЭЛТ, то во время отрицательных импульсов электроны, испускаемые катодом ЭЛТ, отталкиваются от модулятора и не достигают экрана осциллографа. В результате исследуемый сигнал на экране будет выглядеть в виде штриховой линии, где расстояние между штрихами соответствует определенной
длительности времени t-эталонное (см. рис. 1.3, б). Таким образом,
легко измерить период исследуемого сигнала в единицах tэтал. Длительность tэтал поддерживается генератором калибратора длительности с высокой точностью. Его величина обычно указывается в документации на осциллограф и составляет для разных осциллографов от 1 мкс до 10 мс.

Рис. 1.3. Формирование временных меток:
а – импульсы, вырабатываемые генератором калибратора длительности
(Uм – напряжение модулятора); б – исследуемый сигнал (Uс – напряжение сигнала)

а

б

Uм

Uс
tэтал.

t

t

Генератор развертки служит для развертки луча на экране ЭЛТ
по горизонтали. Он вырабатывает пилообразное напряжение Uразв
(рис. 1.4, в).
Блок синхронизации служит для получения устойчивого неподвижного изображения на экране исследуемого сигнала во времени путем синхронизации генератора развертки с частотой и фазой
исследуемого сигнала. Допустим, мы исследуем синусоидальный
сигнал напряжения UY на входе Y (рис. 1.4, а). Для того чтобы период прохождения луча по горизонтали экрана совпадал с периодом исследуемого сигнала, а также чтобы начало развертки сигнала по горизонтали приходилось на одно и то же мгновенное значение сигнала, необходимо синхронизировать генератор развертки
с периодом и фазой сигнала.

а

б

в

UY

Uзап

Uразв

t

t

t

Рис. 1.4. Формирование пилообразной развертки:
а – исследуемый сигнал UY; б – импульсы напряжения, вырабатываемые блоком
синхронизации Uзап; в – импульсы, вырабатываемые блоком развертки Uразв