Практически упражнения за осцилоскоп (RC вериги)
В последната статия "Какво е осцилоскоп и как да го използваме" се запознахме с основите на това прекрасно устройство. За да овладеете работата с осцилоскоп, са ви необходими практически упражнения. Статията обсъжда прости експерименти с трансформаторно захранване, с мостов токоизправител, както и с RC вериги. Материалът ще бъде полезен за тези, които желаят да се запознаят с измервателния уред-осцилоскоп.
Захранване и мостов токоизправител
Да започнем с най-простия - с източник на захранване на силов трансформатор и мостов токоизправител. На първо място е необходим трансформатор, нека бъде китайски "ALG" с 12V вторична намотка (фиг. 1). Свържете входа на осцилоскопа (нека бъде C1-65) и мултицет към вторичната намотка на трансформатора.
Предварително копчето на осцилоскопа "Time / div." настроен на "10", а копчето "V / div." също на “10” и задайте входния превключвател на позиция “импулсен режим”. Сега нека приложим променливо напрежение от 220 V към първичната намотка (от мрежата, като спазваме всички необходими правила за електрическа безопасност).
Ориз. 1. Схема за експеримента и изображението на екрана на осцилоскопа.
Сега нека сравним показанията на осцилоскопа и мултиметъра. Мултиметърът ще покаже променливо напрежение от 12V (или нещо такова), а люлеенето на синусоидата на екрана на осцилоскопа от пик до пик ще бъде до 34V. Знаейки, че стойността на амплитудата на синусоидалното напрежение е равна на половината от амплитудата, а ефективната стойност е root_of_2 пъти по-малка от стойността на амплитудата, изчисляваме ефективната стойност:
Свържете мостов токоизправител от четири диода към вторичната намотка на трансформатора (фиг. 2). Свържете осцилоскоп към изхода на токоизправителя.
На екрана му ще има много интересна картина - долните полувълни на синусоидата, така да се кажесе обърна и се настани на положителната ос Y. На практика честотата на трептене се удвои, тоест не 50, а 100 Hz, а обхватът намаля наполовина.
Това, което се вижда на екрана (фиг. 2), обикновено се нарича пулсиращо напрежение. Но пулсиращото напрежение не е подходящо за захранване на електронна верига - все още не е постоянно напрежение.
И за да го направите постоянен, трябва да изгладите вълните с помощта на запаметяващ кондензатор.
Фигура 3 показва схема с кондензатор за съхранение C1 и резистор R1, който служи като товар. Да видим сега какво ще ни покажат уредите. Мултиметърът ще покаже нещо около 16,5 V и на екрана на осцилоскопа ще се вижда извита линия, повдигната нагоре по Y скалата с определена стойност (Фигура 3, лява форма на вълната).
Ориз. 2. Нека свържем и разгледаме мостовия токоизправител от четири диода.
Според горните пикове на кривината на тази линия - с 17V. Ето как изглежда напрежението с изгладени вълни. За да видите големината на пулсациите, трябва да превключите входа на осцилоскопа към променлив ток "
” и завъртете „V / div.” надолу, докато вълничките станат ясно видими. В този случай задайте 0,5 V/div. (фиг. 3, осцилограма вдясно). Вижда се, че амплитудата на пулсациите е 1V.
Така на изхода на нашия токоизправител има постоянно напрежение с пулсации от 1V. Големината на тези вълни зависи от капацитета на изглаждащия кондензатор и от товара. Ако натоварването се увеличи (съпротивлението R1 намалява), пулсацията ще се увеличи.
Ориз. 3. Изглаждащ кондензатор в токоизправителя.
Това може да се провери чрез замяна на R1 с променлива. И с увеличаването на капацитета пулсациите намаляват. Тук, ако в същия пример (със същото съпротивление R1) сте успоредни на C1свържете друг кондензатор от 220uF, пулсациите ще намалят до 0,3V, а при капацитет на кондензатора от 1000uF, нивото на пулсациите ще бъде по-малко от 0,1V.
Но това е със съпротивление на натоварване от 1 kOhm, тоест с ток на натоварване от 16 милиампера. С увеличаване на тока на натоварване пулсациите ще се увеличат. Ето защо токоизправителите, предназначени за големи натоварвания, използват много големи изглаждащи кондензатори.
По-горе, с помощта на осцилоскоп, беше разгледана работата на мостов токоизправител. Но захранването, често в допълнение към трансформатора и токоизправителя, съдържа регулатор на напрежението.
Веригата на най-простия параметричен стабилизатор се състои от ценеров диод и токоограничаващ резистор. Основното свойство на ценеровия диод е, че изглежда, че работи като диод, тоест пропуска ток в права посока, но пропуска и обратен ток, но само ако обратното напрежение е надвишило определена стойност - стабилизиращото напрежение.
Нека свържем веригата на параметричния стабилизатор към вторичната намотка на трансформатора и с помощта на осцилоскоп да видим в какво се е превърнала синусоидата на променливотоковото напрежение (фиг. 4). "Време / div." настройте осцилоскопа на "10" и "V / div." също на “10”, и входът превключва на импулсен режим.
Ориз. 4. Изследваме параметричния стабилизатор.
Ценеровият диод, работещ като диоден полувълнов токоизправител, премахва отрицателните полувълни. И като ценеров диод, той отряза горната част на положителните полувълни на нивото на стабилизиращото си напрежение (за D814V е 10V).
И сега, нека свържем същия стабилизатор на изхода на токоизправителния мост (фиг. 5). Ценер диодът също прекъсва импулсите на пулсиращото напрежение на нивото на неговото стабилизиращо напрежение. Освен това стабилизаторътбез значение каква амплитуда са тези импулси или полувълни, 17V или примерно 27V, ще ги ограничи СТАБИЛНО на ниво 10V.
Ориз. 5. Изследваме параметричния стабилизатор на изхода на моста.
Фигура 6 показва схема на захранване с параметричен стабилизатор на изхода. Мултиметърът и осцилоскопът ще покажат постоянно напрежение от 10V, а пулсацията ще бъде много по-малка, отколкото без стабилизатор.
Ориз. 6. Схема на захранване с параметричен стабилизатор на изхода.
Изследвайте RC вериги с осцилоскоп
Друго практическо упражнение за осцилоскоп е да се изследва RC верига с осцилоскоп. За това се нуждаем от генератор на квадратни вълни. Много осцилоскопи, по-специално C1-65, имат калибратор. Това е генератор на постоянно напрежение или правоъгълни импулси с честота 1 kHz.
Калибраторът е предназначен за калибриране, но може успешно да се използва като лабораторен генератор на правоъгълни импулси при настройка и ремонт на оборудване.
Но има осцилоскопи без калибратори, ако вашият е точно такъв, тогава ще трябва да вземете лабораторен функционален генератор или да направите сами прост генератор на правоъгълни импулси с честота около 1 kHz, според схемата, показана на фигура 1. Това е най-простият мултивибратор на цифрова микросхема. Но за нашите експерименти е подходящо.
След това ще разгледаме работата с калибратор на осцилоскоп като източник на импулси. Ако импулсите се вземат от отделен генератор (например, както на фиг. 1), просто трябва да ги приложите към изследваната RC верига от него. В същото време не забравяйте да свържете общия минус на захранването на генератора към клемата „корпус“ на осцилоскопа.
Ориз. 1. Схема на прост генераторимпулси.
И така, ако свържем гнездото „U“ и „изхода на калибратора“ с парче жица, включваме калибратора, за да генерира импулси със замах от 5V. В същото време задайте копчето “V / div” на “1” и задайте копчето “time / div” на “0.2mS”, превключете входа към променливо напрежение “
”, екранът на осцилоскопа ще покаже приблизително това, което е показано на фигура 2. Тоест, правоъгълни импулси.
Ориз. 2. Импулси на екрана на осцилоскопа.
За да експериментирате с RC верига, ще ви е необходим кондензатор 0,01 uF (често наричан "10n" или "103") и променлив резистор 100 kΩ.
Ще експериментираме с два вида вериги – диференциращи и интегриращи.
Първо, свързваме диференцираща верига, състояща се от резистор R1 и кондензатор C1 (фиг. 3). Сега импулси
Ориз. Z. Свързваме диференциращата верига.
от калибратора към входа "Y" на осцилоскопа идват през веригата R1C1. Резисторът R1 е поставен в положение на максимално съпротивление. В този случай импулсите на екрана на осцилоскопа ще станат като на фиг.4. Тяхната амплитуда леко ще се увеличи, но ще има наклон към спад.
Ориз. 4. Импулси на екрана на осцилоскопа.
Ако започнете да въртите дръжката на променливия резистор R1, съпротивлението му ще намалее и в същото време амплитудата на импулсите ще се увеличи, но наклонът към спада също се увеличава. На фигура 5 изобщо не изглежда като правоъгълни импулси. Амплитудата на пиковете обаче се увеличи значително. При по-нататъшно въртене на R1 амплитудата на пиковете ще продължи да расте и наклоните ще станат параболични.
Ориз. 5. Вече не изглежда като квадратна вълна.
Но с по-нататъшно въртене на R1 амплитудата започва да намалява и в най-крайния крайположение, когато съпротивлението R1 е равно на нула, импулсите изчезват (това не е изненадващо, тъй като R1, в състояние на нулево съпротивление, всъщност затвори входа на осцилоскопа).
Изводът е, че в резултат на диференциране на правоъгълен импулс, той се превръща в заострен импулс с повишена амплитуда. Освен това, колкото по-голям е R1, толкова повече импулсът прилича на правоъгълен.
Това се дължи на факта, че времето на зареждане - разреждане на кондензатора зависи от съпротивлението R1. И колкото по-малък е R1, толкова по-къс е този път. Освен това, по време на прехода от положителна полувълна към отрицателна (и обратно), напрежението, натрупано върху кондензатора, се добавя към амплитудата на импулса.
Следователно амплитудата на напрежението през резистора R1 в пикове се увеличава толкова повече, колкото по-бързо се зарежда кондензаторът. Но в същото време, колкото по-тесни са пиковете, толкова по-малък е R1. Сега нека разменим частите, за да получим веригата, показана на фигура 6. RC веригата е станала интегрираща.
Ориз. 6. Нова схема на експеримента.
Ако променливият резистор R1 е в положение на минимално съпротивление, екранът на осцилоскопа ще бъде както на фиг. 7. Почти същите правоъгълни импулси, само фронтовете и паданията са леко изгладени.
Започваме да завъртаме копчето на променливия резистор R1, - фронтовете и рецесиите се изглаждат още повече и приемат формата, както е на фигура 8. В този случай амплитудата е значително намалена.
Развиваме дръжката на променливия резистор R1 до края (до положение на максимално съпротивление), - амплитудата на импулсите е силно намалена и те вече приличат на повече триъгълници (фиг. 9).
Ориз. 7. Изображение на екрана на осцилоскопа за експеримента.
В интегриращата верига осцилоскопът показва напрежението върху кондензатора. Той получава импулси през резистора R1и го зареждайте и разреждайте. Както в първия случай, скоростта на заряд-разряд е по-голяма, толкова по-ниско е съпротивлението на резистора. Но тук ситуацията е обратна, следователно, колкото по-малък е R1, толкова по-скоро C1 се зарежда или разрежда до максималната или минималната стойност.
Това означава, че колкото по-стръмни са фронтовете и затихванията на импулсите на C1. Тези закръгляния, видими на осцилограмата на фиг. 7 е самото време, през което кондензаторът се зарежда и разрежда.
И колкото по-бързо се зарежда кондензаторът, толкова по-малки са тези области. Скоростта на зареждане на кондензатора зависи от съпротивлението на резистора R1, през който той получава импулси.
С увеличаване на съпротивлението на резистора R1, кондензаторът се зарежда и разрежда все по-бавно и плавно, - закръглянията, показващи времето за зареждане - нарастват. Поради това фронтовете и рецесиите се изглаждат, стават наклонени.
С по-нататъшно увеличаване на съпротивлението R1 времето, необходимо за зареждане на кондензатора до максималното напрежение, се увеличава толкова много, че вече става по-дълго от продължителността на полупериода на импулса. Кондензаторът просто няма време да се зареди до максималната стойност, тъй като започва разреждането му.
Ориз. 8. Фронтовете и рецесиите са още по-плавни.
Ориз. 9. Импулси - триъгълници на екрана на осцилоскопа.
Следователно амплитудата на импулса намалява с толкова, колкото кондензаторът няма време да се зареди. В крайна сметка формата на импулсите става все по-подобна на триъгълна.