Осциллограф-ваш помощник

О чем поведал прямоугольный импульс

Разве может о чем-то поведать импульс? — скажете вы. Импульс он и есть импульс, разве только прямоугольной формы. Но в том-то и дело, что если использовать прямоугольный импульс в качестве контрольного сигнала и подавать его, например, на вход усилителя 3Ч, то по форме выходного сигнала можно сразу же оценить работу усилителя и назвать его недостатки — малую полосу пропускания, недостаточное усиление на низших или высших частотах, самовозбуждение в какой-то области частот.

А возьмите широкополосный делитель напряжения, используемый, например, в самодельных измерительных приборах или осциллографах. «Пропущенный» через него прямоугольный импульс подскажет точные параметры деталей, необходимые для получения неизменного коэффициента деления сигнала в широком диапазоне частот.

Чтобы сказанное стало понятно, давайте сначала познакомимся с некоторыми параметрами импульсного сигнала, которые нередко упоминаются в описаниях различных генераторов, устройств автоматики и вычислительной техники. Для примера на рис. 59, а показан «внешний вид» несколько искаженного (по сравнению с прямоугольным) импульса, чтобы нагляднее были видны его отдельные части.

Рис. 59

Один из параметров импульса — его амплитуда (U_макс), наибольшая высота импульса без учета небольших выбросов. Продолжительность нарастания импульса характеризует длительность фронта τ_ф, а убывания — длительность спада τ_с. Продолжительность же «жизни» импульса определяет длительность τ_и — время между началом и концом импульса, отсчитываемое обычно на уровне 0,5 амплитуды (иногда на уровне 0,7).

Вершина импульса может быть плоской, с завалом или подъемом. У прямоугольного импульса вершина плоская, а фронт и спад настолько крутые, что определить их длительность по осциллографу не удается.

Импульсный сигнал оценивают еще и скважностью, показывающей соотношение между длительностью импульса и периодом следования импульсов. Скважность — частное от деления периода на длительность. В показанном на рис. 59, б примере скважность равна 3.

Вот теперь, после краткого знакомства с импульсом и его параметрами, построим генератор прямоугольных импульсов, необходимый для последующих экспериментов. Он может быть выполнен как на транзисторах, так и на микросхемах. Главное, чтобы генератор выдавал импульсы с крутыми фронтами и спадами, а также с возможно более плоской вершиной. Кроме того, для наших целей скважность должна находиться в пределах 2…3, а частота следования импульсов составлять в одном режиме примерно 50 Гц, а в другом — 1500…2000 Гц. Чем вызваны частотные требования, вы узнаете позже.

Наиболее просто обеспечить поставленные требования может генератор на микросхеме и транзисторе (рис. 60). Он содержит немного деталей, работоспособен при снижении напряжения питания до 2,5 В (при этом падает в основном амплитуда сигнала) и позволяет получить выходные импульсы амплитудой до 2,5 В (при указанном напряжении питания) при скважности 2,5.

Рис. 60

Собственно сам генератор выполнен на элементах DD1.1 — DD1.3 по известной схеме мультивибратора. Частота следования импульсов зависит от сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора, подключенного в данный момент переключателем SA1. В показанном на схеме положении подвижного контакта переключателя к генератору подключен конденсатор С1, поэтому импульсы на выходе генератора (вывод 8 элемента DD1.3) следуют с частотой 50 Гц (период следования 20 мс). Когда подвижный контакт переключателя будет поставлен в нижнее по схеме положение, подключится конденсатор С2 и частота следования станет равной примерно 2000 Гц (период следования 0,5 мс).

Далее импульсный сигнал поступает через резистор R2 на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT1. С движка переменного резистора R3, являющегося нагрузкой повторителя, сигнал подается на выходной зажим ХТ1.

В итоге с зажимов ХТ1 и ХТ2 можно снимать прямоугольные импульсы амплитудой от нескольких десятков милливольт до единиц вольт. Если по каким-либо причинам даже минимального сигнала окажется в избытке (например, при проверке весьма чувствительного усилителя), выходной сигнал можно уменьшить либо включением между верхним по схеме выводом резистора R3 и эмиттером транзистора постоянного резистора сопротивлением 1…3 кОм, либо применением внешнего делителя напряжения.

Несколько слов о деталях. В генераторе могут работать элементы И-НЕ других микросхем серий К155 (скажем, К155ЛА4), а также любой транзистор серии КТ315. Конденсатор C1 — К50-6 или другой, рассчитанный на напряжение не ниже 10 В; С2 — любой, возможно меньших габаритов. Резисторы — МЛТ-0.125 и СП-I (R3), источник питания — батарея 3336. Потребляет генератор менее 15 мА, поэтому такого источника хватит надолго.

Поскольку деталей в генераторе немного, нет нужды давать чертеж печатной платы — разработайте ее самостоятельно. Плату с деталями и источник питания укрепите внутри корпуса (рис. 61), а на его передней стенке разместите переключатель диапазонов, выключатель питания, переменный резистор и зажимы.

Рис. 61

Следующий этап — проверка и налаживание генератора с помощью нашего осциллографа. Входной щуп осциллографа подключите к выходу 8 микросхемы, а «земляной» — к общему проводу (зажим ХТ2). Осциллограф работает пока в автоматическом режиме (кнопка «АВТ.-ЖДУЩ» отжата), синхронизация — внутренняя, вход — открытый (чтобы исключить искажения сигнала, следующего с низкой частотой). Входным аттенюатором осциллографа можно установить чувствительность, скажем, 1 В/дел., а переключателями длительности развертки длительность 5 мс/дел.

После подачи питания на генератор и установки переключателя SA1 в показанное на схеме положение, на экране осциллографа появится изображение в виде двух параллельных линий (рис. 62, а), составленных перемещающимися «штрихами». Так выглядит несинхронизированное изображение импульсного сигнала.

Достаточно теперь перевести осциллограф в ждущий режим (нажать кнопку «АВТ. ЖДУЩ») и установить синхронизацию от положительного сигнала поворотом ручки «СИНХР.» в крайнее по часовой стрелке положение, чтобы изображение на экране «остановилось» (рис. 62, б). Если изображение немного подергивается, добейтесь лучшей синхронизации его ручкой регулировки длины развертки.

Рис. 62

Определите длительность периода повторения импульсов и, если это необходимо, установите ее равной 20 мс подбором резистора R1.

Измерить точно период при установленной длительности развертки затруднительно, поэтому воспользуйтесь простым приемом. При данной синхронизации установите длительность развертки равной 2 мс/дел. На экране должно появиться более растянутое изображение импульса (рис. 62, в), длина вершины которого составит примерно 3,5 деления, т. е. длительность импульса будет равна 7 мс.

Затем при этой же длительности развертки установите синхронизацию отрицательным сигналом, повернув ручку «СИНХР.» в крайнее положение против часовой стрелки. На экране увидите изображение паузы (рис. 62, г), поскольку развертка осциллографа запускается теперь спадом импульса. Длина линии 6,5 деления, значит, длительность паузы равна 13 мс. Сумма длительностей импульса и паузы составит значение периода повторения импульсов (20 мс).

Аналогично проверьте работу генератора на втором диапазоне, установив подвижный контакт переключателя в нижнее по схеме положение («2 кГц»).

Длительность развертки осциллографа в этом случае установите равной, например, 0,1 мс/дел. Период следования импульсов на этом диапазоне должен составить 0,5 мс, что соответствует частоте повторения 2000 Гц. Подстраивать в генераторе ничего не нужно, поскольку точность частоты на этом диапазоне особой роли не играет. В случае же значительного отклонения частоты от указанной ее можно изменить подбором конденсатора С2.

После этого переключите входной щуп осциллографа на зажим ХТ1 и проверьте действие регулятора амплитуды выходного сигнала — переменного резистора R3. Вы наверняка обратите внимание, что при установке движка переменного резистора в верхнее по схеме положение максимальная амплитуда импульсов будет несколько меньше, чем на мультивибраторе. Объясняется это действием эмиттерного повторителя, коэффициент передачи которого меньше единицы (для сравнительно низкоомного сопротивления нагрузки — 470 Ом он приближается к 0,8).

Генератор готов, можно проводить эксперименты. Начнем с проверки действия на импульс простых RC-цепей: дифференцирующей и интегрирующей.

Сначала подключите к выходу генератора дифференцирующую цепь, составленную из конденсатора и переменного резистора (рис. 63).

Движок резистора поставьте в нижнее по схеме положение, а на генераторе установите диапазон «50 Гц» и максимальную амплитуду выходного сигнала. При этом на экране осциллографа (он работает в ждущем режиме с синхронизацией от положительного сигнала, длительность развертки — 5 мс/дел., чувствительность — 1 В/дел.) увидите изображение импульсов со скошенной вершиной (рис. 64, а). Нетрудно заметить, что импульс как бы опустился по линии спада, из-за чего увеличился размах изображения.

Искажения импульса будут расти, а размах изображения увеличиваться при перемещении движка переменного резистора вверх по схеме. Уже при сопротивлении резистора около 4 кОм размах практически достигнет удвоенной амплитуды импульса (рис. 64, б), а при дальнейшем уменьшении сопротивления (до 1 кОм) от импульса останутся лишь остроконечные пики на месте фронта и спада. Иначе говоря, в результате дифференцирования из прямоугольного импульса удастся получить два остроконечных — положительный (по фронту) и отрицательный (по спаду).

Кроме того, дифференцирование позволяет «укоротить» импульс по времени — ведь длительность импульса измеряют по уровню 0,5 его амплитуды, а на этом уровне ширина импульса плавно изменяется при повороте ручки переменного резистора.

Дифференцирующие свойства цепи зависят от частоты повторения импульсов. Достаточно переставить переключатель диапазона генератора в положение «2 кГц» — и скос вершины практически пропадает. Импульсы, следующие с такой частотой, наша дифференцирующая цепочка пропускает практически без искажений. Чтобы получить тот же эффект, что и в предыдущем случае, емкость конденсатора должна быть уменьшена до 0,01 мкФ.

А теперь поменяйте детали местами (рис. 65) — получится интегрирующая цепочка. Поставьте движок переменного резистора в крайнее левое по схеме положение, т. е. выведите сопротивление резистора. Изображение сигнала останется практически таким же, что и на выходе генератора до подключения цепочки. Правда, спад импульсов станет слегка изогнутым — результат разрядки конденсатора, успевающего зарядиться во время импульса.

Рис. 65

Начинайте плавно перемещать движок резистора вправо по схеме, т. е. вводить сопротивление резистора. Сразу же фронт импульса и спад начнут скругляться (рис. 66. а), амплитуда сигнала падать. При максимальном сопротивлении резистора наблюдаемый сигнал станет походить на пилообразный (рис. 66, б).

Рис. 66

В чем суть интегрирования? С момента появления фронта импульса конденсатор начинает заряжаться, а по окончании импульса — разряжаться. Если сопротивление резистора или емкость конденсатора малы, конденсатор успевает зарядиться до амплитудного значения сигнала и тогда «заваливается» лишь фронт и часть вершины импульса (рис. 66, а). В этом случае можно сказать, что постоянная времени интегрирующей цепи (произведение емкости на сопротивление) меньше длительности импульса. Если же постоянная времени соизмерима или превышает длительность импульса, конденсатор не успевает зарядиться полностью во время импульса и тогда амплитуда сигнала на нем падает (рис. 66, б).

Конечно, характер интегрирования зависит не только от длительности импульсов, но и частоты их повторения.

Чтобы убедиться в сказанном, вновь выведите сопротивление резистора, установите на генераторе диапазон «2 кГц» и соответственно измените длительность развертки осциллографа. На экране предстанет картина уже проинтегрированных импульсов (рис. 66, в). Это результат «взаимодействия» сопротивления эмиттерного повторителя и емкости конденсатора. Введите хотя бы небольшое сопротивление переменным резистором — и вы увидите на экране осциллографа сигнал треугольной формы (рис. 66, г). Амплитуда его мала, поэтому придется увеличить чувствительность осциллографа. Не правда ли, отчетливо видна линейность процесса зарядки и разрядки конденсатора?

В этом примере постоянная времени интегрирующей цепи намного превышает длительность импульса, поэтому конденсатор успевает заряжаться лишь до весьма малого напряжения.

Пришло время поговорить о практическом использовании прямоугольных импульсов, например, для оценки работы усилителя звуковой частоты. Правда, подобный способ пригоден для своеобразного экспресс-анализа и не дает всеобъемлющей картины амплитудно-частотной характеристики усилителя. Но он позволяет объективно оценивать способность усилителя пропускать сигналы тех или иных частот, устойчивость к самовозбуждению, а также правильность выбора деталей междукаскадных связей.

Принцип проверки прост: на вход усилителя подают сначала прямоугольные импульсы с частотой следования 50 Гц, а затем — 2000 Гц, а на эквиваленте нагрузки наблюдают форму выходного сигнала. По искажениям фронта, вершины или спада судят о характеристике усилителя и его устойчивости работы.

Для примера можете исследовать усилитель 3Ч с темброблоком (либо другой широкополосный усилитель). Его соединяют с генератором и осциллографом в соответствии с рис. 67.

Переключатель диапазонов генератора устанавливают в положение «50 Гц», а выходной сигнал таким, чтобы при максимальном усилении усилителя и примерно средних положениях ручек регуляторов тембра амплитуда сигнала на эквиваленте нагрузки соответствовала номинальной выходной мощности, например, 1,4 В (для мощности 0,2 Вт при сопротивлении нагрузки 10 Ом).

Картина на экране осциллографа, подключенного к эквиваленту нагрузки, может соответствовать показанной на рис. 68, а, что будет свидетельствовать о недостаточной емкости разделительных конденсаторов между усилительными каскадами или конденсатора на выходе усилителя, если через него подключена нагрузка.

Чтобы убедиться, скажем, в последнем предположении, достаточно перенести входной щуп осциллографа непосредственно на выход усилителя — до разделительного конденсатора. Если скос вершины уменьшится (рис. 68, б), значит вывод верен и для лучшего воспроизведения нижних частот емкость конденсатора следует увеличить.

Аналогично просматривают изображения импульсов до и после разделительных конденсаторов между каскадами усилителя и обнаруживают тот, емкость которого недостаточна.

Если усилитель вообще плохо пропускает низшие частоты, могут наблюдаться на экране осциллографа узкие пики на месте фронта и спада импульсов, как это было при сильном дифференцировании.

Но более полная картина состояния усилителя получается при подаче на его вход импульсов частотой 2000 Гц. Считается, что фронт и спад отражают прохождение высших частот звукового диапазона, а вершина— низших.

Если в усилителе все в порядке и он равномерно пропускает сигнал в широкой полосе частот, то выходной импульс (сигнал на эквиваленте нагрузки) будет соответствовать по форме входному (рис. 69, а). В случае «завала» фронта и спада (рис. 69, б) можно считать, что на высших частотах уменьшилось усиление.

Еще большее снижение усиления на этих частотах зафиксирует изображение, приведенное на рис. 69, в.

Возможны и многие другие варианты: падение усиления на низших частотах (рис. 69, г), некоторое повышение усиления на низших частотах (рис. 69, д), падение усиления на низших и средних (провал в вершине) частотах (рис 69, е), мала постоянная времени межкаскадных связей (рис. 69, ж) — обычно мала емкость переходных конденсаторов, подъем усиления на низших (рис. 69, з) или высших (рис. 69, и) частотах, снижение усиления в каком-то узком диапазоне (рис. 69, к).

А вот два примера изображения выходного импульса (рис. 69, л, м), когда в усилителе есть резонирующие цепи.

Практически большинство этих изображений вам удастся наблюдать при изменении положений ручек регулировки тембра по низшим и высшим частотам. Одновременно с просмотром изображений неплохо было бы снимать амплитудно-частотную характеристику усилителя и сравнивать ее с «показаниями» импульсов.

И еще об одном примере применения прямоугольных импульсов — для настройки широкополосных делителей напряжения. Такой делитель, например, стоит в нашем осциллографе, он может быть в вольтметре или милливольтметре переменного тока. Поскольку полоса частот намеряемых сигналов может быть весьма широкой (от единиц до миллионов герц), делитель должен эти сигналы пропускать с одинаковым ослаблением. Иначе неизбежны ошибки в измерении.

Можно, конечно, проконтролировать работу делителя снятием его амплитудно-частотной характеристики, которая подскажет, в какую сторону следует изменить номинал того или иного элемента. Но дело это значительно более трудоемкое по сравнению с методом анализа прямоугольными импульсами.

Взгляните на рис. 70, а — на нем приведена схема широкополосного компенсированного делителя напряжения. Если на низших частотах можно было бы обойтись только резисторами, сопротивления которых определяют коэффициент передачи (или коэффициент деления) делителя, то на высших частотах, помимо резисторов, в работе делителя участвуют конденсаторы в виде емкости монтажа, входной емкости, емкости соединительных проводников. Поэтому коэффициент передачи делителя на этих частотах может измениться значительно.

Чтобы этого не произошло, в делителе используют конденсаторы, шунтирующие резисторы и позволяющие компенсировать возможное изменение коэффициента передачи на высших частотах. Причем конденсатором С2 может быть емкость монтажа, достигающая иногда десятков пикофарад. Резистором же R2 может быть входное сопротивление устройства (осциллограф или вольтметр).

Компенсированным делитель станет в том случае, если будет обеспечено вполне определенное соотношение сопротивлений и емкостей делителя, а значит, будет равномерным коэффициент передачи делителя независимо от частоты входного сигнала. К примеру, если применен делитель на 2, то должно соблюдаться условие R1∙С1 = R2∙С2.

При других соотношениях нарушится равномерность передачи сигнала разной частоты.

Принцип проверки компенсированного делителя с помощью прямоугольных импульсов аналогичен принципу проверки усилителя — подавая сигнал частотой 2000 Гц на вход делителя, наблюдают форму его на выходе. Если делитель скомпенсирован, форма (но, конечно, не амплитуда) сигналов будет одинаковой. В противном случае окажутся «заваленными» фронт и спад либо искажена вершина — свидетельства неравномерного пропускания делителем сигналов разных частот.

Если, к примеру, изображение сигнала будет таким, как показано на рис. 70, б, значит на высших частотах коэффициент передачи делителя падает из-за большого сопротивления на этих частотах цепочки R1C1. Следует увеличить емкость конденсатора С1. В случае появления искажений импульсов, показанных на рис. 70, в, придется; наоборот, уменьшить емкость конденсатора С1.

Рис. 70

Попробуйте самостоятельно составить делители с разными коэффициентами деления (например, 2, 5, 10) из резисторов с высоким сопротивлением (100…500 кОм) и конденсаторов разной емкости (от 20 до 200 пФ) и добиться полной компенсации подбором конденсаторов.

В этой работе вы заметите влияние на результаты измерений самого осциллографа — ведь его входная емкость составляет десятки пикофарад, а входное сопротивление около мегаома. Помните, что аналогичное влияние осциллограф оказывает на все высокоомные цепи, а также на частотозависимые. А это порою приводит либо к получению ошибочных результатов, либо вообще лишает возможности применить осциллограф, скажем, для анализа работы и измерения частоты радиочастотных генераторов. Поэтому в подобных случаях следует пользоваться активным щупом — приставкой к осциллографу, позволяющей сохранить высокое входное сопротивление его и в десятки раз уменьшить входную емкость.

Вот теперь, когда вы познакомились с возможностью прямоугольного импульса подсказывать «диагноз» и контролировать «лечение», соберем делитель, с помощью которого осциллографом станет возможно контролировать цепи с напряжением до 600 В, например, в телевизионных приемниках (как известно, осциллограф ОМЛ-2М допускает подачу на вход напряжения до 300 В).

Делитель образован всего двумя деталями (рис. 71), составляющими верхнее плечо предыдущей схемы. Нижнее же плечо сосредоточено в самом осциллографе — это его входное сопротивление и суммарная входная емкость, включая емкость выносного кабеля со щупами.

Поскольку нужно лишь вдвое уменьшить входной сигнал, резистор R1 должен быть такого же сопротивления, что и входное сопротивление осциллографа, а емкость конденсатора C1 соответствовать суммарной входной емкости осциллографа.

Делитель можно выполнить в виде переходника со щупом ХР1 на одном конце и гнездом XS1 на другом. Резистор R1 должен быть мощностью не менее 0,5 Вт, а конденсатор с номинальным напряжением не ниже 400 В.

Налаживание делителя весьма упрощено благодаря использованию нашего генератора импульсов. Его сигнал подают на гнездо ХР1 делителя и «земляной» щуп осциллографа. Вначале устанавливают на генераторе диапазон «50 Гц», на осциллографе включают ждущий режим и открытый вход. Касаются входным щупом осциллографа щупа ХР1 делителя (или зажима ХТ1 генератора). Подбором чувствительности осциллографа и амплитуды выходного сигнала генератора добиваются размаха изображения, равного, скажем, четырем делениям.

Затем переключают входной щуп осциллографа в гнездо XS1 делителя. Размах изображения должен уменьшиться ровно вдвое. Более точно коэффициент передачи делителя можно установить подбором резистора R1 делителя. После этого устанавливают на генераторе диапазон «2 кГц» и подбором конденсатора С1 (если это понадобится) добиваются правильной формы импульсов— такой, как и на входе делителя.

При пользовании таким делителем для проверки режимов работы блоков развертки телевизоров по приводимым в инструкциях и различных статьях изображениям сигналов чувствительность осциллографа устанавливают равной 50 В/дел., а проверку ведут при закрытом входе осциллографа. Как и прежде, отсчет ведут по шкале масштабной сетки, но результаты увеличивают вдвое.