42150

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Назначение электронного осциллографа. Универсальные измерительные приборы предназначенные для исследования электронных процессов с помощью графического их воспроизведения на экране электроннолучевой трубки называются электронными осциллографами. Высокая чувствительность осциллографа позволяет изучать очень слабые колебания напряжения а большое входное сопротивление исключает влияние осциллографа на режим цепей к которым он подключается.

Русский

2013-10-27

2.06 MB

5 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 3 –

ИЗУЧЕНИЕ  РАБОТЫ  ЭЛЕКТРОННОГО  ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы  ознакомление с принципом действия и органами управления электронного осциллографа, изучение простых приемов работы с ним.

ПОСТАНОВКА  ЗАДАЧИ

Назначение электронного осциллографа.

Универсальные измерительные приборы, предназначенные для исследования электронных процессов с помощью графического их воспроизведения на экране электронно-лучевой трубки, называются электронными осциллографами.

Помимо наблюдения формы и качественной оценки исследуемых процессов, осциллографы позволяют измерять величины напряжений и токов, мощность, длительность импульсов и временных интервалов между ними до 10-8 с и т.д. Малая инерционность осциллографов позволяет применять их для исследований колебаний в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до сотен мегагерц. Высокая чувствительность осциллографа позволяет изучать очень слабые колебания напряжения, а большое входное сопротивление исключает влияние осциллографа на режим цепей, к которым он подключается.

Схемы современных осциллографов очень разнообразны и определяются их назначением. Рассмотрим основные части наиболее простого осциллографа.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛT).

По принципу отклонения и фокусировки электронного луча различают два вида ЭЛТ: электростатические и магнитные. Во-первых, для отклонения и фокусировки луча используется электрическое поле, во-вторых,  магнитное. В работе будет использоваться первый тип ЭЛТ.

Электронно-лучевая трубка (рис. 1) состоит из стеклянного баллона, из которого выкачан воздух до давления порядка 10-6 мм.рт.ст., электронной пушки 1-5, двух пар отклоняющих пластин 6 и 7 и флюоресцирующего экрана 8.

Источником электронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Между катодом 2 и анодами 4, 5 приложено напряжение порядка 1-3 кВ. Электроны, ускоренные таким сильным электрическим полем, приобретают скорость порядка 10 м/с и, попадая на экран 8, вызывают его свечение. Катод находится внутри цилиндра 3, являющегося управляющим электродом (модулятором). В основании цилиндра сделаны отверстия для пропускания узкого электронного пучка. Подводя отрицательный потенциал к цилиндру-модулятору (потенциалы в электровакуумных приборах измеряются относительно катода), можно уменьшить  количество  электронов,  проходящих через его  отверстие.  Большинство

X            Y

           7

             5

Рис. 1

эмитируемых с катода электронов направляется вдоль оси трубки электрическим полем между катодом и модулятором. Стрелками на рис. 1 показаны линии напряженности электрических полей между электродами, пунктиром  траектории некоторых электронов. Там, где траектория электронов искривляется, приближаясь к оси трубки, очевидно, есть составляющая силы, действующей на электрон со стороны электрического поля, направленная к оси трубки.

По направлениям силовых линий можно определить, что потенциал второго анода 5 выше потенциала первого анода 4. Изменяя разность потенциалов между анодами, можно изменить положение точки, в которой фокусируются электроны. Если эта точка находится на поверхности флюоресцирующего экрана, то электронный пучок называется сфокусированным.

Аноды имеют форму цилиндров или дисков с отверстиями в центре.  Перегородки внутри анодов служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условиям фокусировки.

3. Отклоняющие пластины

На пути к экрану электронный пучок проходит между двумя парами отклоняющих пластин (рис. 2). Напряжения, приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля, которые отклоняют электронный луч, что приводит к смещению светящегося пятна на экране. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (вдоль оси Y), а вертикально расположенные  по горизонтали (вдоль оси X).

Установим связь между напряжением на пластинах А и В и смещением пятна на экране (рис. 3).

Электрон влетает в однородное электрическое поле Еу со скоростью V = Vx. Вдоль оси X на электрон не действуют  силы, поэтому в этом направлении он движется равномерно

х = Vt   .                                                        (1)

             Y                                                                          

Vy                                    y

                              A                      

d                                      V                y

                                                                          Z

B

                                                  L

                                         Рис. 2

Вдоль оси Y на электрон действует постоянная сила

                     ,                                                   (2)

где Еу  напряженность поля между пластинами. Следовательно, движение электрона вдоль оси Y будет равноускоренным

               ; Vy = at.                                            (3)                             

Ускорение a найдем из второго закона Ньютона

                .                                                   (4)

Тогда из (3) и (4) следует

                  .                                                                 (5)                                                  

Согласно (1)   t = x/V , тогда получим

.                                                      (6)

    Из формулы (6) следует, что траектория движения электрона между пластинами представляет собой параболу. При выходе из пространства между пластинами электрон отклоняется от своего первоначального направления на угол  и сместится по оси Y на y

.

Смещение светящегося пятна на экране в соответствии с рис. 2, определится

,

так как  << L, то   

и пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах. Аналогичное движение происходит в горизонтальном направлении, если приложить напряжение на пластины Х.

Отклонение пятна на экране ЭЛТ (в мм или см), вызванное приложением напряжения в 1 В на отклоняющие Х и Y пластины, называется чувствительностью трубки:

                                         .                            (7)

            Если  U  приложенная ускоряющая разность потенциалов между  вторым анодом и  катодом, то электрон приобретет скорость, которую найдем по закону сохранения энергии

(здесь  eU = A  - работа сил поля, а     - кинетическая энергия), откуда

.

Тогда, в соответствии с (7), чувствительность ЭЛТ окажется равной

и будет зависеть как от расстояния между пластинами и экраном, так и от потенциала на втором аноде.

4. Генератор развертки

Основным назначением осциллографа является воспроизведение на его экране формы кривых переменных напряжений, т.е. получение графиков U (t) или, как говорят, развертки напряжений по времени.

Если исследуемое переменное напряжение

Uy = U Sin t

подается на вертикальные отклоняющие пластины, то световое пятно на экране будет совершать колебания по закону

y = jy Uy Sin t.

           При малых частотах на экране будет видна вертикально колеблющаяся светящаяся точка. При больших частотах, вследствие световой инерции экрана и способности человеческого глаза сохранять некоторое время (~ 0,1 с) полученное световое восприятие, на экране .будет видна неподвижная вертикальная линия. Для того, чтобы получить развертку Uy по времени, на горизонтально отклоняющие пластины подают пилообразное напряжение, перемещающее луч по горизонтали. Период пилообразного напряжения состоит из двух частей: t  времени линейного нарастания напряжения и соответственно перемещения луча по экрану слева направо (прямой ход) и t  времени обратного хода луча, в течение которого напряжение быстро возвращается к исходному значению.

Почему нужно линейное нарастание напряжения? Согласно (7) x = jx Ux и при линейной зависимости U(t) уравнение смещения X в линейной части пилы имеет вид

                                                     Х = Сt + С.                                                      (8)                              

где С и С.  некоторые постоянные, т.е. ось X в этом случае является осью времени с линейным масштабом.

На рис. 4 рассмотрен случай одновременной подачи на отклоняющие пластины Y  исследуемого напряжения, на отклоняющие пластины X  пилообразного напряжения той же частоты, что и у исследуемого. В результате сложения движений луча по горизонтали и по вертикали  на экране между точками 0 и 10 воспроизводится большая часть кривой напряжения Uу . Небольшая часть этой кривой, приходящаяся на время обратного хода луча t, вызывает появление между точками 10 и 12 линии обратного хода, мешающей наблюдению осциллограммы. Для более полного воспроизведения исследуемой кривой стремятcя уменьшить t, a мешающий обратный ход луча гасят, подавая на время t отрицательный импульс на управляющий электрод (модулятор) ЭЛТ. Если период развертывающего пилообразного напряжения кратен периоду исследуемого, например, больше его в n раз, то на экране получится изображение n полных колебаний.

t

                                                               Рис. 3

При неравенстве и некратности периодов кривая на экране может двигаться, либо быть устойчивой, но определить форму исследуемого напряжения в этом случае трудно.

Источником пилообразного напряжения является генератор развертки. Частоту генератора пилообразного напряжения в осциллографах можно изменять в широких пределах. При ручной регулировке поддержать строгое равенство периодов напряжений Ux и Uу трудно, поэтому осциллографы снабжаются автоматическим устройством для синхронизации пилообразного напряжения с исследуемым. Осциллографы с генераторами непрерывной развертки непригодны для исследования кратковременных импульсов, длительность которых значительно меньше периода их повторения. На экране такие импульсы будут наблюдаться в виде узких вертикальных выбросов, форма которых неразличима. Поэтому в состав универсальных осциллографов включают генераторы ждущей развертки, которые могут длительное время находиться в режиме ожидания и вырабатывать одиночные импульсы пилообразного напряжения при каждом воздействии на них сигналов запуска. В качестве сигналов запуска могут использоваться и исследуемые импульсы. Таким образом, ждущая развертка позволяет исследовать кратковременные, а также одиночные и не периодически повторяющиеся импульсы.

5. Блок-схема осциллографа

На рис. 4 приведена упрощенная схема осциллографа. Основными узлами осциллографа являются электронно-лучевая трубка, блок питания, усилитель напряжения Uх; усилитель напряжения Uy , генератор пилообразного напряжения и синхронизирующее устройство.

                                                               

                                                         Рис. 4

На горизонтально отклоняющие пластины  Х  напряжение подается от генератора развертки. Исследуемое напряжение Uу подается непосредственно на вертикально отклоняющие пластины, либо через “Усилитель Y”, который имеет входные цепи, обеспечивающие защиту усилителя от перегрузок путем регулировки величины подводимых к нему сигналов. Плавная регулировка входных напряжений осуществляется с помощью высокоомного потенциометра, ступенчатая  ступенчатым делителем напряжения.

Необходимость введения усилителей по каналам X и Y обусловлена малой чувствительностью ЭЛТ. Для наиболее распространенных трубок диаметром 8-13 см диапазон напряжений, подаваемых на пластины трубок, составляет всего 20-60В. Наличие в осциллографе усилителей и входных делителей напряжения позволяет изучать напряжения от 10-5  В до 10  В.

Благодаря наличию усилителя чувствительность осциллографа по напряжению по сравнению с чувствительностью ЭЛТ, возрастает пропорционально коэффициенту усилителя К . Величину, обратную чувствительности осциллографа jу, называют ценой деления шкалы осциллографа Su no напряжению

                       S = В/дел.

Величина Su зависит от положения плавного и ступенчатого регуляторов входного напряжения. Su указывается на передней панели для каждого положения ступенчатого делителя напряжения. (В технической литературе Su называют коэффициентом отклонения).

6. Лабораторная установка и измерение переменного напряжения, его частоты и периода с помощью осциллографа.

Лабораторная установка состоит из осциллографа, генератора сигналов низкой частоты и источника питания.

6.1. Измерение временных интервалов способом калиброванной длительности развертки.

Из формулы (3) следует, что временной интервал t между событиями, изображенными на осциллограмме (рис. 5) точками с координатами Х и Х (длительность импульса)     t  t = St (X  X)  или  t = St  X,

                                                                Х     Х  Х

                                                                                                

     Х        Х             Х

                                                                         Т    

                       а)                                                      б)

Рис. 5

где St имеет размерность времени, деленной на размерность длины, называется ценой деления оси X по времени.

В современных конструкциях осциллографов величины S зависят только от положения ручки “Время/дел”и “Частота плавно”и указываются для определенных положений этих ручек. Значения указываются на передней панели осциллографа около переключателя диапазонов развертки в микросекундах (миллисекундах) на 1 см линии развертки (мкс/см или  S /см) или на 1 деление экрана. Период изображенного на рис.6 а сигнала найдем аналогично (10)

Т = St (X  X) .

6.2. Измерение напряжений способом калиброванного усиления

При подаче на вход “Y”переменного напряжения с амплитудой U максимальное смещение луча от положения равновесия обозначим через y. Согласно (2) и (4)

y = jy  U  .      (11)

Следовательно

.     (12)

Величина Su  цена вертикального деления шкалы экрана по напряжению  измеряется в В/см или мВ/см (V /см или mV/см, соответственно) и указывается на передней панели у входного делителя напряжения (аттенюатора).

6.3. Определение “скважности”прямоугольного импульса.

“Скважностью”прямоугольного импульса называют величину

,      (13)

где Т  период импульса,   длительность импульса (рис. 5 б).

6.4. Наблюдение фигур Лиссажу.

Фигурами Лиссажу называются траектории результирующего движения при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний. Эти фигуры можно получить на экране осциллографа, подавая синусоидальные напряжения различной частоты одновременно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. При этом электронный луч будет находиться под действием двух взаимно перпендикулярно отклоняющих сил. В зависимости от амплитуды, частоты и фазы подаваемых напряжений фигуры Лиссажу будут иметь различный вид.

Упражнение 1. Ознакомление с конструкцией, характеристиками и органами управления осциллографа.

1. Получите заводское описание осциллографа. Не включая его, изучите назначение ручек управления. Определите, какие из описанных выше способов измерения напряжений и временных интервалов позволяет использовать данный осциллограф. Запишите в отчет.

. Определите диапазон напряжений, которые можно измерить с помощью данного осциллографа. Запишите в отчет.

. Определите диапазон временных интервалов, которые можно измерить с помощью данного осциллографа. Запишите в отчет.

. Определите диапазон частот колебаний, которые могут воспроизводиться на экране достаточно детально (с числом периодов не более 10).

. Включите осциллограф. Выведите луч в центр экрана и установите необходимую яркость. Сфокусируйте луч.

Упражнение.  Исследование синусоидального сигнала.

  1.  Соберите схему, изображенную на рис. 6.

Рис. 6

2. Включите осциллограф и генератор сигналов. Установите ручку “Множитель”генератора в положение “”, а тумблер переключения работы генератора в положение “~ ”. Получите устойчивую картину сигнала генератора на экране осциллографа и зарисуйте ее.

. Измерьте в делениях горизонтальной шкалы экрана ЭЛТ величину нескольких (2-10) периодов сигнала на экране осциллографа. Определите цену деления шкалы осциллографа по горизонтали и подсчитайте величину периода изменения сигнала в секундах.

. Зная период сигнала, рассчитайте его частоту и сравните ее с показателями по шкале частоты генератора.

. Изменяя частоту сигнала генератора, повторите измерения периода и частоты для 4-5 различных частот. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

Период

сигнала,

дел

Период

сигнала,

с

Частота

сигнала,

Гц

Показатель по шкале

генератора,

Гц

Амплитуда сигнала,

дел.

Амплитуда сигнала,

В

6. Измерьте амплитуду сигнала по вертикальной шкале в делениях. Определите цену деления шкалы по вертикали и рассчитайте амплитуду сигнала в Вольтах. Результаты занесите в таблицу 1.

Упражнение 3. Исследование импульсного сигнала прямоугольной формы.

1. Тумблер переключения работы генератора поставьте в положение “”.      

2. Получите на экране осциллографа картину прямоугольных импульсов.

. Измерьте период и длительность прямоугольного импульса и определите “скважность”импульса по формуле (7). Повторите эти измерения для 4-5 частот генератора. Результаты занесите в таблицу 2.

Таблица 2

Длительность импульса, с

Период импульса, с

“Скважность”импульса

Упражнение 4. Измерение сопротивления с помощью осциллографа.

  1.  Соберите схему, изображенную на рис. 7.

Рис. 7

R  магазин сопротивлений, Rх  измеряемое сопротивление. Падение напряжения на измеряемом сопротивлении сравнивается с падением напряжения на эталонном сопротивлении.

2. Замкните ключ К на измеряемое сопротивление и определите подаваемое напряжение (на экране измерить амплитуду сигнала) на вход осциллографа.

. Замкните ключ на магазин сопротивлений и подберите на нем такое сопротивление, чтобы подаваемое на вход осциллографа напряжение совпадало по амплитуде для  Rх . Очевидно, что в этом случае Rх = R .

4. Зная амплитуду переменного сигнала L, выраженную в единицах координатной сетки, и чувствительность осциллографа jy , определите по формуле U = L /2jy значение напряжения. По закону Ома вычислите силу протекающего по цепи тока.

5. Измерения проделайте для 3-х неизвестных сопротивлений. Результаты занесите в таблицу 3.

Таблица 3

Амплитуда,

Напряжение

Сила тока

Упражнение 5. Наблюдение фигур Лиссажу.

         1. Соберите схему, изображенную на рис. 8. Тумблер “Развертка”на осциллографе выключить.

         2. Изменяя частоту сигнала, генератора, получите и зарисуйте фигура Лиссажу при соотношении частот 2:1, 1:1, 1:2 и т.д. Частота сигнала, подаваемого на осциллограф с источника питания, равна 50 Гц.

3. Определите соотношение частот сигналов по отношению числа касаний фигуры Лиссажу с прямыми, параллельными осям X и Y .

Рис. 8

4. Результаты измерений и рисунки занесите в таблицу 4.

Таблица 4

Частота сигнала

генератора,

Гц

Вид фигуры

Лиссажу

Соотношение частот, определенное по виду фигуры

КОНТРОЛЬНЫЕ  ВОПРОСЫ

  1.  Основные узлы осциллографа, их назначение и работа. Устройство и работа электронно-лучевой трубки.  Блок-схема осциллографа и её работа.
  2.  Сформулируйте определения параметров импульса: амплитуда, частота, период, фаза, скважность.
  3.  Как измерить временные интервалы способом калиброванной длительности развертки. Как определить период и амплитуду исследуемого напряжения с помощью осциллографа?
  4.  Как получить на экране осциллографа изображение точки в центре, смещенной по оси Х, смещенной по оси Y, в виде наклонной линии (вправо, влево), окружности, эллипса, синусоиды.
  5.  Как происходит в электронно-лучевой трубке фокусировка потока электронов, как работают отклоняющие пластины.
  6.  Как измерить напряжение способом калибровочного усиления?
  7.  Как определить скважность прямоугольного импульса?
  8.  Как получается развертка во времени? Как работает генератор развертки?
  9.  Получите формулу для чувствительности электронно-лучевой трубки.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44270. Интернет как модус коллективного бессознательного в информационном обществе: новейшая мифология Интернет-рекламы 3.41 MB
  Бессознательное имеет определенные специфические характеристики, которые отличают его от предсознания и самого сознания. Стремления и мотивы, сходные с инстинктами, существуют в бессознательном отвлеченно и не связано. Бессознательное лишает свое содержимое целого ряда атрибутов, таких, как время и взаимоисключение, поскольку функции, выполняющие эти атрибуты, свойственны сознанию
44271. Лингвистические особенности жаргона северодвинских рок-музыкантов 548 KB
  Особенности морфемной структуры жаргонного слова и способы образования жаргонных единиц. Материалы к словарю жаргона северодвинских рок-музыкантов. В принципе каждый социальный диалект может быть изучен с чисто структурных позиций описан его словарь выявлены источники его пополнения безусловно что этим фактам может быть дана и социолингвистическая интерпретация но они могут быть освещены и исключительно лексикологически выявлены наиболее частотные морфологические модели особенности фонетики и синтаксиса если таковые...
44272. Система запалювання з новим способом загоряння палива 3.04 MB
  Виконаний вибір головних розмірів і обмотки якоря, розрахунок геометрії магнітопроводу і вибір проводу обмотки якоря, визначення розмірів магнітного кола, розрахунок магнітного кола, розрахунок обмотки збудження, розрахунок колектора і щіток, розрахунок додаткових полюсів, розрахунок втрат
44273. Классификация гражданско-правовых договоров 338 KB
  Общие признаки такие как: правомерность действия действие принципа допустимости и свободы договора совпадение воли и волеизъявления не могут исключить возможность их классификации. Общее для всех сделок учение о делении их на консенсуальные и реальные может применяться и к договорам. Гражданский кодекс РФ содержит в себе правила об отдельных видах обязательств и более распространенных в практике договорах. Это значит что все участники равны при заключении и исполнении договора при судебной защите их интересов.
44274. РОЗВИТОК ТВОРЧОГО МИСЛЕННЯ СТАРШОКЛАСНИКІВ В СИСТЕМІ ІННОВАЦІЙНОГО НАВЧАННЯ ПРИ ВИВЧЕННІ ТЕМИ «УКРАЇНА В УМОВАХ НЕЗАЛЕЖНОСТІ» 405.5 KB
  Час становлення України як самостійної держави ознаменував собою нову віху в історії українського народу визначальними рисами якої є зміцнення реального суверенітету демократизація суспільного життя перехід від адміністративно-директивної...
44275. Выбор источников теплоснабжения, вида теплоносителя и его параметров 739.5 KB
  Определяем расчетную площадь га по формуле 2 где S площадь здания га. Определяем общее число жителей чел по формуле...
44276. Численное исследование процесса филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов в турбулентной атмосфере на протяжённых трассах 474 KB
  В воздухе длина филаментов создаваемых импульсами Ti:Spphire лазера достигает сотен метров; их диаметр не превышает 100 мкм интенсивность светового поля в филаменте составляет величину порядка 1013 Вт см2 частотный спектр может перекрывать видимый и простираться в ближний инфракрасный диапазон длин волн При распространении мощного фемтосекундного импульса в условиях турбулентной атмосферы случайные флуктуации показателя преломления инициируют мелкомасштабную самофокусировку При высокой плотности энергии лазерного импульса...