37938

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНННО – ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Лабораторная работа

Физика

4 Устройство и принцип работы осциллографа.11 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 50 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНННО – ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА Цель работы Изучение устройства электронно – лучевого осциллографа и знакомство с некоторыми видами наблюдений и измерений которые можно проводить с его помощью. Устройство и принцип работы осциллографа Осциллографы бывают различного типа и назначения. Например с помощью осциллографа можно найти силу тока и напряжение изучать зависимость силы тока и напряжения от времени измерять сдвиг фаз между ними сравнивать...

Русский

2013-09-25

206.5 KB

51 чел.

Содержание

  1.  Цель работы…………………………………………………………..4
  2.  Теоретическая часть………………………………………………….4
    1.  Устройство и принцип работы осциллографа………………….…4
    2.  Получение изображения на экране ЭЛТ…………………………..8
  3.  Экспериментальная часть…………………………………………….9
    1.  Приборы и принадлежности………………………………………..9
    2.  Описание установки…………………………………………………9
    3.  Порядок выполнения работы……………………………………...10
  4.  Контрольные вопросы……………………………………………….11

Список литературы………………………………………………….11


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 50

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНННО – ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

  1.  Цель работы

Изучение устройства электронно – лучевого осциллографа и знакомство с некоторыми видами наблюдений и измерений, которые можно проводить с его помощью.

2. Теоретическая часть

2.1. Устройство и принцип работы осциллографа

Осциллографы бывают различного типа и назначения. Наиболее распространены магнитоэлектрические («шлейфовые») осциллографы и электронные осциллографы («осциллоскопы»).

Область применения осциллографов чрезвычайно обширна. Возможность преобразования механических, химических, световых, тепловых и других величин в электрические сигналы позволяет применять осциллографы во многих отраслях науки и техники.

Электронный осциллограф предназначен прежде всего для исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с помощью осциллографа можно найти силу тока и напряжение, изучать зависимость силы тока и напряжения от времени, измерять сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, при применении соответствующих преобразователей осциллограф позволяет исследовать неэлектрические процессы, например измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и  т. д.

Достоинством электронно – лучевого осциллографа является его высокая чувствительность и практическая безынерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длительность которых не превышает 10 – 6 – 10 – 7 с.

Электронный осциллограф состоит из электронно – лучевой трубки, усилителей исследуемого сигнала, генератора развертки, блока питания: трансформатора и выпрямителя. Все эти блоки находятся внутри корпуса, на переднюю панель которого выведены экран электронно – лучевой трубки, тумблер включения и выключения питания осциллографа, различные переключатели, ручки управления и зажимы для подачи на осциллограф исследуемых напряжений.

Рассмотрим устройство и принцип действия отдельных частей осциллографа.

Электронно – лучевая трубка представляет собой стеклянную колбу специальной формы рис. 2.1 с вмонтированной в нее системой электродов. Внутри колбы создан высокий вакуум.

Рис. 2.1

В колбе помещается подогреватель 1, катод 2, управляющий электрод 3, первый анод (фокусирующий) 4, второй анод (ускоряющий) 5, вертикально отклоняющие пластины 6, горизонтально отклоняющие пластины 7, экран 8, покрытый флюоресцирующим веществом.

Основной узел ЭЛТ – электронно – лучевая пушка, которая формирует электронный луч и направляет его на экран. Она состоит из нескольких электродов.

Катод – это полый тонкостенный цилиндр с плоским донышком, покрытый активирующим слоем для уменьшения работы выхода электрона.

Нить накала – спираль из вольфрама, покрытая керамикой для изоляции от катода. На спираль подается низкое напряжение, Нагреваясь, спираль накаляет катод до температуры, при которой происходит достаточно интенсивная термоэлектронная эмиссия с поверхности катода.

Управляющий электрод. выполняет две функции: предварительную фокусировку электронного луча и регулировку его плотности. Подавая на управляющий электрод отрицательный по отношению к катоду потенциал, можно регулировать число электронов, выходящих из электронной пушки, и, следовательно, яркость свечения экрана. Поэтому ручка, соответствующая движку потенциометра R1, обозначается значком   «яркость». К тому же электроны, вылетающие с торца катода в различных направлениях, отклоняются полем управляющего электрода и проходят через отверстия в его донышке. Таким образом, управляющий электрод сужает электронный луч, «фокусирует» его.

Система из двух анодов: 4 – первый анод и 5 – второй анод. Эти электроды предназначены для ускорения электронного потока и его точной фокусировки. Пучок, проходя внутри первого анода, сжимается, а затем окончательно фокусируется второй электростатической линзой, образованной полем между первым и вторым анодами. Фокусировка осуществляется изменением потенциала первого анода. Движок потенциометра R3 обозначается значком – фокус.

Система отклоняющих пластин.

  1.  

                                                         

горизонтали (вдоль оси Х).                                             Рис.2.2

Электрон влетает в однородное электрическое поле со скоростью v0 = vz. Вдоль оси z на электрон не действуют никакие силы, поэтому в этом направлении он движется равномерно:

                                                   z = v0 t .                                              (2.1)

Вдоль оси Y на электрон действует постоянная сила F = eE, где  – напряженность поля между пластинами. Следовательно, движение электрона вдоль оси Y является равноускоренным и для него справедливы уравнения:

                                           Vy = at,       y = .                                   (2.2)

Ускорение найдем из второго закона Ньютона:

                                       .                                 (2.3)

Тогда

                                                  .                                          (2.4)

Учитывая, что  из (2.4) получим

                                                .                                         (2.5)

Из формулы (2.5) видно, что смещение луча на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах. Поэтому, можно записать

                                                  ;                                             (2.6)

                                                 ,                                             (2.7)

где х, y – смещения луча в горизонтальном и вертикальном направлениях; ux, uy – разности  потенциалов между горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами; αx, αy – чувствительность трубки к напряжению соответственно в направлении осей х и у.

При одновременно действии полей между обеими парами пластин луч смещается и в горизонтальном и в вертикальном направлениях и окажется в точке с координатами х и у, определенными формулами (2.6) и (2.7).

2.2. Получение изображения на экране ЭЛТ

Для того, чтобы на экране осциллографа можно было увидеть, как в некотором физическом процессе величина у меняется в зависимости от изменения другой физической величины х, т.е.            у = f(x), необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение ux, пропорциональное х, а на вертикально отклоняющие пластины одновременно подать напряжение uу, пропорциональное у. Тогда электронный луч начертит на экране линию, соответствующую зависимости у = f(x). Если теперь луч неоднократно заставить повторить тот же путь по экрану, то в следствии инерционности глаза, наблюдатель увидит неподвижный график зависимости у = f(x).

На практике часто приходится наблюдать изменение различных физических величин в зависимости от времени, т.е. у = f (t). При этом на вертикально отклоняющие пластины необходимо подать напряжение, пропорциональное исследуемой величине у, а на горизонтально отклоняющие пластины – напряжение, изменяющееся пропорционально времени.

Для создания напряжения, величина которого меняется пропорционально времени, в осциллографе существует генератор развертки. Под действием этого напряжения луч смещается по экрану слева направо, причем в любой момент времени это смещение будет пропорционально времени, отсчитанному от начала движения луча. Одновременно поданное на вертикально отклоняющие пластины напряжение, пропорциональное исследуемой физической величине у, будет смещать луч по вертикали в соответствии с изменением у. Однако, когда луч дойдет по горизонтали до крайнего правого положения, его нужно мгновенно перевести в исходное положение, а физический процесс повторить сначала. Следовательно, напряжение генератора развертки скачком должно изменится до первоначального значения, а потом снова начать расти по тому же закону. Поэтому зависимость напряжения генератора развертки от времени должна иметь вид, показанный на рис. 2.3. Такое напряжение называются пилообразным.

Для того чтобы картинка на экране осциллографа получилась устойчивая, необходимо, чтобы частота пилообразного напряжения совпадала с частотой повторения изучаемого физического процесса или была меньше ее в целое число раз. Поэтому частота напряжения, даваемого генератором развертки, может меняться в широком диапозоне, и с помощь, специальной схемы генератор развертки синхронизируется с исследуемым напряжением, подаваемым на вертикально отклоняющие пластины.

     Рис. 2.3

3. Экспериментальная часть

3.1. Приборы и принадлежности

  1.  Осциллограф универсальный
  2.  Генераторы

3.2. Описание установки

Установка состоит из осциллографа и двух генераторов.

Измерение амплитуды и частоты сигнала осциллографом заключается в определении линейного размера изображения исследуемого сигнала с учетом цены деления шкалы на экране осциллографа:

                                                ,                                                (3.1)

                                              ,                                            (3.2)

где u – амплитуда сигнала, В; Н и П – размер изображаемого сигнала в делениях шкалы (для П расстояние между соседними максимальными значениями u); kx – цена деления шкалы осциллографа, устанавливаемая переключателем «ВРЕМЯ/ДЕЛ»; ky – цена деления шкалы осциллографа, устанавливаемая переключателем «V/ДЕЛ».

Если складывать два взаимно перпендикулярных колебания с равными или кратными частотами, то луч будет описывать на экране замкнутые траектории, которые называются фигурами Лиссажу. При небольшой разности частот форма фигур медленно меняется, а при большой – картинка размывается.

Пусть от генератора на вход “КАНАЛ 1” осциллографа подается сигнал , а на вход “КАНАЛ 11” от другого генератора поступает смещенный по фазе сигнал той же частоты: . Уравнение траектории можно получить, исключая из этих уравнений время t:

.

Таким образом фигура, которую описывает луч при сложении колебаний, имеющих одинаковую частоту, представляет собой эллипс, ориентация которого зависит от разности фаз колебаний.

В общем случае вид фигуры Лиссажу зависит от соотношений между периодами, фазами и амплитудами колебаний. Зная параметры одного колебания, можно по фигуре Лиссажу определить параметры другого колебания.

3.3. Порядок выполнения работы

Задание 1. Исследование синусоидального сигнала звукового генератора.

  1.  Подать на вход канала 1 через кабель исследуемый сигнал от генератора А.
  2.  Переключателями V/ДЕЛ канала 1, ВРЕМЯ/ДЕЛ, ручками ↕, ↔, получить на экране устойчивое изображение нескольких периодов сигнала и положения.
  3.  Определить визуально линейные размеры изображения заданных параметров сигнала в делениях шкалы экрана ЭЛТ.
  4.  По формулам (3.1) и (3.2) определить амплитуду и частоту сигнала.
  5.  Повторить измерение частоты сигнала звукового генератора на трех – четырех различных частотах.
  6.  Сравнить значения частоты измерений с помощью осциллографа с показаниями генератора.

№ п/п

Период сигнала в делениях шкалы

Период сигнала в с

Частота сигнала

Показания генератора

Амплитуда сигнала в делениях шкалы

Амплитуда сигнала в В

Задание 2. Получение фигур Лиссажу.

  1.  Подать на входы каналов 1 и 11 через кабели исследуемые сигналы с генераторов А и В.
  2.  Установить на генераторе А частоту 100 Гц.
  3.  Получить на экране осциллографа неподвижную фигуру Лиссажу и по ее виду определить неизвестную частоту генератора В (отношение частот колебаний равно отношению числа касаний фигуры с прямой, параллельной оси Х и с прямой, параллельной оси Y, например:

Рис. 3.1

4. Контрольные вопросы

  1.  Объяснить устройство ЭЛТ осциллографа и назначение ее основных частей.
  2.  Как осуществляется фокусировка электронного луча?
  3.  Как зависит чувствительность трубки осциллографа от ускоряющего напряжения и расстояния между пластинами?
  4.  Что такое фигуры Лиссажу и как они получаются в данной работе?
  5.  Как определить с помощью осциллографа период исследуемого сигнала?

Список литературы

  1.  Савельев И. В. Курс общей физики. Т.2. – М.: Наука, 1998.
  2.  Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2000.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30769. Укрупнительная сборка конструкции. Классификация монтажа по степени укрупнения 14.69 KB
  Укрупнительную сборку конструкций выполняют: на заводеизготовителе когда разделение элементов на блоки вызвано условиями изготовления в целях лучшего использования оборудования или повышения производительности труда; на строительной площадке если целесообразно собрать монтажный блок из нескольких элементов до подъема и полнее использовать грузоподъемность монтажного механизма. Сборке подлежат: стальные фермы больших пролетов поступающие на монтаж в виде двух полуферм; железобетонные и стальные колонны разделенные по высоте на несколько...
30770. Приспособления для выверки и временного закрепления конструкций 14.96 KB
  Приспособления для выверки и временного закрепления конструкций. При монтаже стальных и железобетонных конструкций используют приспособления позволяющие временно удерживать установленный на место элемент и регулировать его положение при выверке и приведении в проектное положение. Одиночные приспособления предназначены для удержания одного элемента групповые одного элемента или нескольких. Расчалки гибкие из канатов монтажные приспособления работающие только на растяжение.
30771. Основные способы строповки конструкций при монтаже. Грузозахватные приспособления 14.25 KB
  Основные способы строповки конструкций при монтаже. Строповка конструкций. Строповкой называют захват конструкций канатом стропом подвешенным к крюку монтажного крана для подъема и установки их в проектное положение. Конструкции стропуют в местах указанных в проекте и обеспечивают подачу конструкций к месту установки в положении соответствующем проекту.
30772. Приспособления для рабочего места и безопасного ведения работ на высоте 15.33 KB
  Приспособления для рабочего места и безопасного ведения работ на высоте. К работам на высоте относятся работы при выполнении которых работник находится на расстоянии менее 2 м от неогражденных перепадов по высоте 13 м и более. Рабочие места и проходы к ним зона А расположенные на перекрытиях покрытиях на высоте более 13 м и на расстоянии менее 2 м от границы перепада по высоте должны быть ограждены предохранительными или страховочными защитными ограждениями а при расстоянии более 2м сигнальными ограждениями соответствующими...
30773. Монтаж конструкций со склада и с транспортных средств 16.96 KB
  Монтаж конструкций со склада и с транспортных средств. Метод монтажа в зависимости от организации подачи элементов на монтаж: А со склада Б с колёс Основным условием доставки конструкций транспортными средствами является комплектная и ритмичная их подача в заданной технологической последовательности строго по часовому расписанному по минутам графику непосредственно к месту установки. Монтаж конструкций с транспортных средств по сравнению с предварительной разгрузкой является наиболее экономичным так как сокращаются затраты на...
30774. Классификация методов монтажа в зависимости от последовательности установки элементов 14.82 KB
  Классификация методов монтажа в зависимости от последовательности установки элементов. При раздельном методе одноименные конструкции монтируют или демонтируют самостоятельными потоками совмещенными во времени. Данный метод монтажа и демонтажа рекомендуется при реконструкции пролетов значительной протяженности небольшой внутренней стесненности обеспечивающей развертывание потока при свободном проходе монтажного крана и главное независимости СМР по реконструкции от основной деятельности предприятия. Комплексный метод связан с...
30775. Классификация методов монтажа по степени ограничения свободы перемещения в пространстве 14.68 KB
  По степени ограничения свободы перемещения элементов: А свободный Б ограничено свободный В принудительный оснастка позволяет перемещаться только в 1 необходимом направлении Свободный монтаж при котором монтируемый элемент без какихлибо ограничений устанавливают в проектное положение при его свободном перемещении. Ограниченносвободный монтаж характеризуется тем что монтируемая конструкция устанавливается в направляющие упоры фиксаторы и другие приспособления частично ограничивающие свободу перемещения конструкции но приводящие к...
30776. Выбор самоходного стрелового крана 19.06 KB
  hо – превышение монтажного горизонта над уровнем стоянки крана hз – запас по высоте для обеспечения безопасности монтажа hэл – высота монтируемого элемента hстр – высота строповки м вылет стрелы А=сlе где расстояние от оси вращения крана до оси крепления стрелы; горизонтальная проекция стрелы длина стрелы L находится по теореме пифагора мы знаем два катета. Зная необходимые характеристики которыми должен обладать кран – поднять необходимую тяжесть с некоторой длинной стрелы. Определяем фактические грузоподьёмность длину...
30777. Подбор башенного крана 16.38 KB
  Подбор башенного крана требуемая грузоподъёмность крана Qтр = Qэл Qстр Qосн т Qэл – масса монтируемого элемента Qстр – масса строповочного приспособления Qосн –масса монтажной оснастки т. Высота подъёма крюка Hкр = hо hз hэл hстр м hо – превышение монтажного горизонта над уровнем стоянки крана hз – запас по высоте для обеспечения безопасности монтажа hэл – высота монтируемого элемента hстр – высота строповки м Расчёт вылета стрелы крана производят по формуле б = а 2 b c м где а – ширина подкраннового пути b –...