2530

Измерение параметров периодический электрических сигналов

Лабораторная работа

Физика

Изучить устройство и принцип действия электронного осциллографа. Научиться измерять с помощью осциллографа параметры периодических электрических сигналов – амплитуду, длительность и период.

Русский

2013-01-06

128.5 KB

22 чел.

Отчёт

О лабораторной работе №___

по курсу

«Электричество и магнетизм»


Цель работы:

  •  Изучить устройство и принцип действия электронного осциллографа.
  •  Научиться измерять с помощью осциллографа параметры периодических электрических сигналов – амплитуду, длительность и период.

Функциональная схема осциллографа.

Электронный осциллограф предназначен для измерения постоянного и переменного напряжения, периода и длительности электрических сигналов. Основное достоинство осциллографа состоит в том, что он позволяет наблюдать на экране трубки форму сигнала.

Функциональная схема осциллографа представлена на рис.1 . Основным элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка, которая представляет собой эвакуированный баллон, в котором помещены электронная пушка, горизонтально и вертикально отклоняющие пластины (рис. 2)

Электронная пушка.

Электронная пушка предназначена для получения, формирования и ускорения пучка электронов и состоит из катода К, управляющего электрода УЭ, двух анодов А1 и А2 и экрана Э. Разогретый катод эмитирует электроны, которые пролетают через узкое отверстие управляющего электрода и попадают в пространство фокусирующей системы, состоящей из анодов А1 и А2.

Рассмотрим подробнее принцип фокусировки электронного пучка. Аноды А1 и А2 выполнены в виде цилиндра, причём диаметр второго анода больше диаметра первого. На оба анода подаются потенциалы, положительные относительно катода. Потенциал второго анода больше потенциала первого (другими словами, потенциал второго анода более положительный по отношению к потенциалу первого). Следовательно, между анодами возникает электрическое поле цилиндрической симметрии, силовые линии которого изображены на рис.3.

В точке А существует электрическое поле, вектор напряжённости которого  направлен по касательной к силовой линии. Разложим вектор напряжённости поля на две составляющие – продольную  и поперечную . Продольная составляющая 1 действует на электрон с силой =e1, где e – заряд электрона и ускоряет его вдоль оси трубки. Поперечная составляющая 2 действует на электрон с силой =e2 , направленной перпендикулярно оси трубки, и прижимает его к оси трубки тем сильнее, чем электрон дальше от оси, так как у стенок анода поперечная составляющая 2 увеличивается вследствие изгиба силовых линий.

Аналогичная картина наблюдается внутри второго анода (например, в точке ). Разница лишь в том, что поперечная составляющая  оказывается направленной к оси трубки, а сила =е направлена в противоположную сторону и увеличивается по величине по мере удаления от оси. Продольная составляющая  =е силы , как и в первом случае, ускоряет электрон в ту же сторону.

Таким образом, на участке первого анода электрическое поле оказывает собирающее действие на электронный пучок, на участке второго – рассеивающее. Следовательно, изменяя разность потенциалов между анодами, можно создать такое электрическое поле, при котором электронный пучок окажется сфокусированным в плоскости экрана.

Управление электронным пучком.

На управляющий электрод подаётся слабый задерживающий (отрицательный по отношению к катоду) потенциал. Изменяя его величину, мы изменяем число электронов, попадающих на экран, покрытый люминесцирующим слоем. Изменение числа электронов приводит к изменению яркости изображения на экране. Далее пучок проходит между двумя парами пластин – вертикально и горизонтально отклоняющими. Предположим, что на вертикально отклоняющие пластины подана такая разность потенциалов U, что поле  направлено вверх (рис.4). Тогда на каждый из электронов пучка будет действовать сила , направленная вниз. Согласно второму закону Ньютона

,  (1)

откуда ускорение электрона равно:

,  (2)

где me – масса электрона; U – разность потенциалов между пластинами; d – расстояние между пластинами.

Если начальная скорость электрона была равна , то время его движения между пластинами определяется формулой

  (3)

где  - длина пластин.

Следовательно, электрон за время движения между пластинами под действием силы приобретает вертикальную составляющую  скорости , равную

 (4)

и на выходе из пластин будет двигаться с некоторой скоростью . Горизонтальная составляющая  скорости  остаётся постоянной, так как проекция силы  на ось Х равна 0. Угол отклонения электрона от первоначального направления найдём по формуле:

  (5)

Тогда отклонение луча  , вследствие отклонения электронов от первоначального направления, равно:

,

где  - расстояние от пластин до экрана; d – расстояние между пластинами.

Кроме того, за время движения электронов в пространстве между пластинами луч отклоняется на некоторую величину . Поскольку это смещение происходит с постоянным ускорением а, то его можно рассчитать по формуле:

Тогда полное смещение луча равно:

 (6)

Для данной электронно-лучевой трубки величины ,  являются постоянными. Следовательно, выражение (6) мы можем записать следующем виде:

, где   (7)

Таким образом, мы пришли к важному выводу: смещение пучка прямо пропорционально величин электрического сигнала, поданного на пластины. Очевидно этот вывод справедлив и для другой пары пластин, отклоняющей пучок в горизонтальном положении, т.е.:     (8)

где  и  - чувствительность осциллографа по вертикали и по горизонтали соответственно.

На горизонтально отклоняющие пластины подаётся сигнал развёртки – колебания пилообразной формы (рис.5а). Если изменение сигнала развёртки линейно, то скорость перемещения луча по экрану в горизонтальном направлении с учётом (8) будет определяться формулой:

,  (9)

т.е. наклоном линии aв прямого хода пилообразного импульса развёртки. Время прямого хода луча будет пропорционально его координате:

  (10)

и будет зависеть от скорости движения луча. Поэтому, зная скорость

движения луча, легко определить время, за которое луч проходит данное расстояние. Величина , обратная скорости движения, и называется коэффициентом развёртки, которая устанавливает связь между смещением луча и временем этого смещения и имеет размерность "время/см". Умножив величину смещения луча Х на показание ручки "время/см" (коэффициент развёртки), мы получим время движения луча по горизонтали. Затем величина сигнала развёртки резко падает до 0, вследствие чего луч практически мгновенно возвращается в исходную точку экрана ""(рис.5а).

На вертикально отклоняющие пластины со входа "У" осциллографа через усилитель 1 (рис.1) подаётся исследуемый сигнал. Предположим, на вход "У" мы подали синусоидальный сигнал  (рис.5б). Под действием этого сигнала луч начнет смещаться вверх-вниз и вычертит на экране вертикальную линию (если отсутствует сигнал развёртки). Если сигнал развёртки подан, то в результате одновременного воздействия на луч двух напряжений получим на экране синусоиду или картинку, соответствующую форме любого сигнала, поданного на вход "У".

Величина исследуемого сигнала пропорциональна смещению луча по оси "У"

, (11)   где

Зная коэффициент , легко вычислить величину исследуемого сигнала по формуле (11). Коэффициент  называется коэффициентом отклонения осциллографа и зависит от величины коэффициента усиления усилителя 1 (рис.1). Величина  изменяется ручкой "" на панели осциллографа.

Рассмотрим теперь назначение блок синхронизации 3 (рис.1). Пусть на вход осциллографа подан некоторый периодический сигнал (например, синусоидальный) с периодом Ty (рис. 6а). Если период исследуемой синусоиды не кратен периоду сигнала развёртки (другими словами , где n – целое число), то на экране осциллографа мы наблюдаем различные участки синусоиды при каждом прямом ходе сигнала развёртки (рис. 6а).

Если периоды исследуемого сигнала и сигнала развёртки равны между собой или кратны друг другу, т.е. выполняется условие , то мы получим на экране устойчивую картину формы исследуемого сигнала (рис. 6б).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23037. Дослідження та оптимізація структури дискретизованих динамічних систем 335.5 KB
  вказувалося що структура матриці С та векторів визначається вибором точок розміщення спостерігачів та керувачів системи проблеми оптимального розміщення яких будуть розв’язані якщо будуть знайдені явні залежності матриці від елементів множин координат спостерігачів та координат керувачів. Будуть побудовані аналітичні залежності елементів матриці від довільного елемента множини та елемента множини а також формули диференціювання матриці по цих елементах. В процесі розв’язання цієї проблеми будуть побудовані формули...
23038. Оптимізаційні методи в задачах моделювання дискретних початково-крайових умов 325 KB
  Постановка задачі та проблеми її розв’язання. Поставлені вище задачі а також запропоновані там алгоритми їх розв’язання досить широкі і можуть бути використані для оптимізації розміщення входіввиходів довільної лінійної системи в тому числі і для розв’язання задачі оптимізації розміщення спостерігачівкерувачів при моделюванні дискретизованих початковокрайових умов дискретно розміщеними фіктивними зовнішньодинамічними збуреннями. Більш точною і більш природною постановкою задачі моделювання дискретизованих початковокрайових умов є...
23039. ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ (позитивний зворотній зв’язок) 436.5 KB
  Форма генерованої напруги може бути різноманітною: гармонічною прямокутною пилкоподібною або будьякою іншою. У підсилювачі із негативним зворотним зв’язком у відсутності вхідного сигналу будьяка флуктуація напруги на вході підсилена операційним підсилювачем на виході придушується ланкою негативного зворотного зв’язку тобто сама себе послаблює. В кінці кінців на виході встановиться напруга близька до напруги живлення додатної чи від’ємної в залежності від полярності початкової флуктуації. Припустимо що в момент включення на виході...
23040. Операційні підсилювачі (негативний зворотний зв`язок) 68.5 KB
  Вступ Операційний підсилювач – це диференційний підсилювач постійного струму який в ідеалі має нескінченний коефіцієнт підсилення за напругою і нульову вихідну напругу за відсутністю сигналу на вході великий вхідний опір і малий вихідний а також необмежену смугу частот сигналів що підсилюються. Мета роботи ознайомитись із властивостями операційних підсилювачів опанувати способи підсилення електричних сигналів в ОП охопленому негативним зворотним зв`язком та способи виконання математичних операцій за допомогою ОП. Операційні...
23041. Пасивні RC-фільтри 129.5 KB
  Пасивний чотириполюсник не містить у собі джерела енергії; потужність що виділяється в елементі кола підключеного до виходу чотириполюсника менше потужності що споживається від джерела сигналу підключеного до входу чотириполюсника; на виході такого чотириполюсника ніколи не буває гармонік яких би не було у поданому на його вхід сигналі якщо цей чотириполюсника створений на базі лінійних елементів. Функцію перетворення будьякого чотириполюсника можна подати кількома варіантами в залежності від способу впливу...
23042. Напівпровідникові діоди. Вольт-амперна характеристика (ВАХ) 83.5 KB
  Вольтамперна характеристика ВАХ – це залежність величини струму ІД крізь pn перехід діода від величини і полярності напруги UД прикладеної до діода. Виконання роботи передбачає використання осцилографа як характериографа з метою одержання на екрані двоканального осцилографа зображення ВАХ діода а також побудову ВАХ шляхом вимірювання деякої кількості величин струму ІД що відповідають певним величинам та полярності напруги UД і представленням результату у вигляді графіка. Залежність струму крізь діод від прикладеної до...
23043. Транзистори 88 KB
  Вихідна вольтамперна характеристика ВАХ біполярного транзистора – це залежність величини струму колектора ІК від напруги між колектором та емітером UКЕ при певному струмі бази ІБ або напруги між базою та емітером UБЕ . Вихідна вольтамперна характеристика ВАХ польового транзистора – це залежність величини струму стока ІС від напруги між стоком та витоком UСВ при певній напрузі між затвором та витоком UЗВ . Виконання роботи передбачає використання осцилографа як характериографа з метою одержання на екрані двоканального...
23044. ПІДСИЛЮВАЧІ НА ТРАНЗИСТОРАХ 103 KB
  Він є лише керувальним пристроєм а збільшення потужності сигналу відбувається за рахунок зовнішнього джерела напруги струмом в колі якого й керує транзистор. Характер зміни вхідного сигналу повинен передаватися на вихід без помітних спотворень. Кажуть що має місце інверсія фази сигналу. Як випливає з рівняння ЕберсаМола [1] імпеданс для малого сигналу з боку емітера при фіксованій напрузі на базі дорівнює rе = kT еIк 5 де k – стала Больцмана Т – абсолютна температура е – заряд електрона Iк – струм колектора.
23045. Дешифратори та мультиплексори 1.3 MB
  Це здійснюється аналогічно заданню параметрів елементів схеми за допомогою редактора пробних сигналів Stimulus Editor. Це робиться аналогічно заданню мітки вузла схеми причому в описі шини слід перерахувати через кому мітки усіх вузлів що входять у шину Альтернативна можливість полягає у використанні конструкцій типу BUS[1n] де BUS – ім’я шини BUS[1]BUS[n] – відповідні мітки вузлів. Пакет OrCAD дозволяє провести суто цифрове моделювання для даного вузла схеми якщо до цього вузла під’єднані лише цифрові входи та виходи. Зазначимо що...