42512

Изучение работы электронного осциллографа

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки, генератора развёртки, блока синхронизации, двух усилителей, блока питания. В некоторых осциллографах имеется генератор меток времени. Принципиальная схема осциллографа показана на рис. 14.1. Осциллографы применяются во многих отраслях науки и техники, в частности, в электро- и радиотехнике, механике, акустике, медицине, биологии и др. Осциллограф даёт возможность наблюдать процессы длительностью 10−8 … 10−7 с.

Русский

2013-10-30

126.5 KB

8 чел.

Лабораторная работа № 14

изучение работы электронного осциллографа

Цель работы: приобрести навыки работы с осциллографом, наблюдать синусоидальные сигналы, выпрямленное напряжение, затухающие колебания и фигуры Лиссажу.

Оборудование: электронный осциллограф, звуковой генератор, колебательный контур и однополупериодный выпрямитель на панели.

14.1. Краткие теоретические сведения

Электронный осциллограф − это прибор для визуального наблюдения, измерения и записи разнообразных электронных процессов.

Условно осциллографы можно разделить на такие группы:

  1.  лабораторные универсальные с чувствительностью более 100 мм/В;
  2.  простые осциллографы с чувствительностью 10 … 100 мм/В;
  3.  

осциллографы для наблюдения медленных процессов (с большим полем свечения);

  1.  импульсные осциллографы для наблюдения кратковременных процессов.

Осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки, генератора развёртки, блока синхронизации, двух усилителей, блока питания. В некоторых осциллографах имеется генератор меток времени. Принципиальная схема осциллографа показана на рис. 14.1.

Осциллографы применяются во многих отраслях науки и техники, в частности, в электро- и радиотехнике, механике, акустике, медицине, биологии и др. Осциллограф даёт возможность наблюдать процессы длительностью 10−8 … 10−7 с.

Измерительным элементом электронного осциллографа служит электронно-лучевая трубка, внутри которой создаётся электронный пучок, попадающий на экран трубки. Различают два типа трубок: с электростатической фокусировкой электронного пучка и с магнитной. Упрощённая схема электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) изображена на рис. 14.2. На нём показана и простейшая схема управления электронным пучком.

Основные характеристики ЭЛТ: чувствительность, область линейности, скорость перемещения «пятна» по экрану, ускоряющее напряжение, длительность послесвечения.

Система, создающая узкий пучок электронов, называется «электронной пушкой». Для излучения электронов лишь в одном направлении катод 1 изготовляют в виде небольшого металлического цилиндра с отдельным покрытием торца. Покрытие наносится из материала, обладающего малой работой выхода. Металлический цилиндр насажен на фарфоровую трубку, в середине которой размещена подогревательная спираль. Вследствие явления термоэлектронной эмиссии разогретый катод эмитирует большое число электронов в прикатодное пространство. Управление электронным пучком осуществляется делителем напряжения, состоящим из резисторов R0, R1, R2, R3, R4. Управляющий электрод 2 предназначен для регулирования количества электронов в электронном пучке (регулятор яркости R0) и сжатия электронного пучка. Потенциал управляющего электрода относительно катода – отрицательный, поэтому для того, чтобы вырывать электроны узким пучком через малое отверстие диафрагмы, необходим большой потенциал анодов. Два цилиндрических анода 3 и 4 осуществляют также дополнительную фокусировку (регулятор R2 − «фокус») и ускорение сформированного электронного пучка. Подстроечный резистор R4 даёт возможность установить потенциал второго анода равным потенциалу пластин при неотключенном луче на экране осциллографа. Второй анод 4 имеет больший потенциал, чем первый. Вследствие этого между анодами образуется электрическое поле. Форма силовых линий поля и инерция электронов позволяют им достигать экрана, не оседая на пластинах. Полное напряжение, которое подаётся на анод, для обычных осциллографов колеблется в пределах 500 … 5000 В.

Система пар отклоняющих пластин 5 и 6, расположенных взаимно перпендикулярно, предназначена для отклонения пучка электронов в вертикальном и горизонтальном направлениях. Смещение пучка электронов осуществляется подачей на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины напряжений от делителей R8, R9, R10, R5, R6, R7. Сопротивления R5 и R7 одинаковы, поэтому при среднем положении ползунка резистора R6 (на панели осциллографа − это регулятор «смещение х») потенциал на обеих пластинах «х» будет одинаков и луч не смещается. При смещении ползунка резистора потенциал одной из пластин уменьшается, другой − увеличивается на такую же величину. Между пластинами возникает поле, которое и отклоняет луч в горизонтальной плоскости. Аналогично происходит и отклонение луча в вертикальной плоскости (регулятор на панели осциллографа − «смещение у»). Величина смещения зависит от напряжения, приложенного к пластинам, а также и от скорости движения электронов. Например, если одно из напряжений пропорционально переменной величине «х», а другое − величине «у», то на экране осциллографа световое пятно будет рисовать некоторую фигуру в прямоугольной системе координат. Для получения фигур Лиссажу нужно к обеим парам пластин подвести синусоидальные напряжения разной частоты.

Экран ЭЛТ 7 представляет собой поверхность дна баллона, покрытую тонким слоем люминофора (сульфидом цинка), способного светиться под действием электронного пучка. Чувствительность самой ЭЛТ мала, поэтому для исследования слабых сигналов осциллографы имеют усилители на входах «х» и «у». Но в осциллографе предусмотрена и непосредственная подача сигнала на пластины (переключатели П1 и П2). Входные гнёзда пластин расположены на тыльной стороне прибора.

Важным элементом осциллографа является генератор развёртки. Его назначение − обеспечить равномерную развёртку электронного луча на экране ЭЛТ. Как правило, напряжение развёртки, используемое в осциллографах, изменяется по линейному закону. Поэтому генератор развёртки обеспечивает пилообразную форму изменения напряжения (рис. 14.3).

Для этого напряжения характерно то, что в течение относительно большого промежутка времени Т1 возрастание напряжения пропорционально времени, а спад − практически мгновенный (Т2 << Т1).

В связи с этим, электронный пучок отклоняется в одном направлении слева направо пропорционально времени (прямой или рабочий ход), а потом мгновенно возвращается в исходное положение (обратный ход). При обратном ходе луч гасится и на экране наблюдается лишь прямой ход. Если период развёртки большой, то движение светящейся точки хорошо заметно на экране. При мало периоде эти движения очень часто повторяются и глаз уже не в состоянии различать перемещение луча − на экране наблюдается непрерывная линия.

Период развёртки можно плавно регулировать ручкой «частота плавно». Режим работы устанавливается переключателем П3 «Род работы».

Исследуемый сигнал подаётся на вертикально отклоняющие пластины, а на горизонтально отклоняющие пластины подаётся пилообразно изменяющееся напряжение. Если частота исследуемого напряжения равна f, а частота напряжения развёртки f0, то на экране получим определённую кривую исследуемого сигнала. Изображение исследуемого сигнала на экране неподвижно тогда, когда частоты исследуемого сигнала и пилообразного напряжения кратны друг другу.

При невыполнении этого условия изображение на экране будет двигаться.

Для согласования частоты исследуемого сигнала с частотой генератора развёртки применяется синхронизация частоты генератора развёртки. Синхронизация может осуществляться непосредственно от сети, внешнего источника и от внутреннего источника (переключатель П4 «синхронизация»).

Питание осциллографа осуществляется от специального блока, в состав которого входят ряд устройств, обеспечивающих нормальную работу всех систем.

14.2. Прядок выполнения работы

Подготовка осциллографа к работе

  1.  Ручки «Фокус», «Ось х», Ось у», «Яркость» перевести в среднее положение
  2.  Установить переключатель «Синхронизация» в положение «Внутр».
  3.  Переключатель «Ослабление» перевести в положение 1 : 100; ручку «Усиление» в левой части панели (вертикальное усиление) − в среднее положение.
  4.  Ручку «Усиление», находящуюся в правой части панели (горизонтальное усиление), установить в положение 1 − 3; органы управления генератора развёртки − в среднее положение.
  5.  Тумблер «Сеть» перевести в верхнее положение, при этом загорится сигнальная лампочка. Через 1 … 2 мин после прогрева прибора на экране появится светящаяся горизонтальная линия.
  6.  Вращая ручки «Ось х» и «Ось у», установить светящуюся линию точно в центр экрана.
  7.  Регулируя «Яркость», уменьшить яркость горизонтальной линии до необходимой.
  8.  Поворачивая регулятор «Фокус», добиться чёткого изображения горизонтальной линии. Осциллограф к работе готов.

Задание 1. Наблюдение синусоидального напряжения.

  1.  Подключить выходные зажимы звукового генератора ГЗ-1 к вертикальному входу осциллографа.
  2.  Подготовить к работе генератор ГЗ-1, для чего

а) ручку «Напряжение выхода» вывести в среднее положение;

б) поставить большой и малый лимбы ручки «Установка частоты» на нуль;

в) включить генератор с помощью тумблера «Сеть», при этом загорится сигнальная лампочка;

г) после включения дать прибору прогреться в течение 10 … 15 мин;

д) медленно поворачивать ручку «Установка нуля» до тех пор, пока стрелка вольтметра-индикатора не станет на нуль;

е) ручку «Напряжение выхода» установить в крайнее левое положение.

3. Установить частоту генератора 500 Гц с помощью ручки «Установка частоты».

4. Установить по вольтметру-индикатору генератора с помощью ручки «Напряжение выхода» напряжение 3 … 6 В.

5. Переключателем «Диапазон работы» и ручкой «Частота плавно» добиться стабильности изображения, а ручкой «Амплитуда синхронизации» устранить проскальзывание изображения, т.е. сделать его неподвижным; добиться получения 2 − 4 периодов исследуемого напряжения на экране осциллографа рис. 14.4.

6. Зарисовать полученную осциллограмму.

7. Построить аналогичную осциллограмму на компьютере с помощью программы, данной в приложении.

8. Получить устойчивое изображение синусоидального напряжения частотой 3000 Гц.

9. Определить с помощью осциллографа напряжение сигнала, предварительно проведя калибровку.

Задание 2. Наблюдение сигнала на выходе однополупериодного выпрямителя

  1.  

При выключенном напряжении выхода генератора подключить с помощью соединительных проводов выходы «Выход» генератора к зажимам 1 и 3 измерительной панели (зажим 3 должен быть соединён с выводом «» генератора). Затем зажимы 2 и 3 измерительной панели соединить с выводами «Вход» и «Земля» осциллографа, причём клемма 3 должна быть соединена с клеммой «Земля». Схема, в соответствии с которой производится наблюдение, показана на рис. 14.5.

  1.  Установить напряжение генератора 3 … 6 В произвольной частоты.
    1.  Добиться устойчивого изображения сигнала (рис. 14.6) в соответствии с изложенной методикой.
      1.  

Зарисовать полученную осциллограмму.

  1.  Построить аналогичную осциллограмму на компьютере с помощью программы, данной в приложении.
    1.  Выключить генератор ГЗ-1.

Задание 3. Наблюдение затухающих колебаний RLC −контура

  1.  

Соединить зажим 3 измерительной панели с выводом «Земля» осциллографа; зажим 4 − с выводами «Вход» (вертикальный) и «Генератор пилообразного напряжения», в соответствии со схемой, изображённой на рис. 14.7.

  1.  

Переключатель «Ослабление» перевести в положение 1 : 1.

  1.  Органами управления добиться устойчивого изображения затухающих колебаний на экране осциллографа (рис. 14.8)
  2.  Зарисовать полученную осциллограмму.
  3.  Построить аналогичную осциллограмму на компьютере с помощью программы, данной в приложении.

Задание 4. Наблюдение фигур Лиссажу

  1.  Подать на одну пару отклоняющих пластин осциллографа напряжение 6,3 В частотой 50 Гц (от гнезда «Контрольный сигнал», а на другую − от звукового генератора. Меняя частоту генератора, наблюдать и зарисовывать получающиеся фигуры Лиссажу (табл. 14.1). Указать, при каких соотношениях частот они получаются (рекомендуемые соотношения частот 50 : 50; 50 : 100; 50 : 150; 50 : 200).

  1.  Построить аналогичную осциллограмму на компьютере с помощью программы, данной в приложении.
    1.  Проверить градуировку звукового генератора. Составить таблицу поправок.

Контрольные вопросы

  1.  Устройство и принцип действия ЭЛТ.
  2.  Основные блоки осциллографа и их назначение.
  3.  Принцип работы генератора развёртки.
  4.  Как получают на экране фигуры Лиссажу?
  5.  Как по фигуре Лиссажу определить соотношение частот?

[1, § 5,3; 2, § 188; 11, задача 109]

Приложение

10 CLS : SCREEN 9: PRINT "ПОИСК ЭКСТРЕМУМА ФУНКЦИИ F = f(Z)"

20 PRINT "_________________________________"

30 PRINT : PRINT "     Если исследуемая функция введена в программу, нажмите пробел. Eсли нет, выйдите из программы, нажав CTRL+SCROLL LOCK и введите исследуемую функцию f(Z) в  строку 500:"

40 PRINT : PRINT "500 F = ......."

50 PRINT : PRINT "     ВНИМАНИЕ! Выбирая грубый шаг исследования НЕ ПЕРЕШАГНИТЕ через два экстремума сразу.  Программа их не заметит!"

60 IF INKEY$ <> " " THEN 60

70 CLS : LOCATE 1, 1: PRINT "Введите нижнюю (Z1) и верхнюю (Z2) границы интервала исследования:"

80 LOCATE 2, 1: INPUT "Z1 ="; X1: LOCATE 3, 1: INPUT "Z2 ="; X2

90 MK = 0: K = 1.8: YK = 0: D = X1: X8 = X1: X9 = X2: X5 = X1: X6 = X2: W = 0: U = 1: Q = 0

100 LOCATE 4, 1: PRINT "Введите грубый шаг исследования:"

110 INPUT "S ="; S

120 A = S

130 LOCATE 6, 1: PRINT "Введите нужный шаг исследования:"

140 LOCATE 7, 1: INPUT "S0 ="; L

150 CLS : PRINT "Ждите, машина ищет экстремум!"

160 FOR X = X1 TO X2 + 2 * S STEP S

170 Z = X: GOSUB 500

190 F1 = F: Z = X + S: GOSUB 500

200 F2 = F: Z = Z + S: GOSUB 500

210 F3 = F: H = (F3 - F2) * (F2 - F1)

220 IF H <= 0 THEN 240

230 IF H > 0 THEN 330

240 IF X1 = D THEN GOTO 260

250 GOTO 270

260 CLS : LOCATE 1, 1: PRINT "Исследуемая функция имеет экстремум:"

270 X1 = X: S1 = S: S = .1 * S: IF S < L THEN 285

280 GOTO 160

285 IF W < 21 THEN 295

290 Q = Q + 1: U = 16 * Q: W = 0

295 W = W + 3: LOCATE W, U: PRINT "Z ="; X

300 LOCATE W + 1, U: PRINT "F ="; F: MK = MK + 1

305 IF MK > 1 THEN 315

310 FS = 4 * F

315 S = A: X1 = X + S1: GOTO 160

320 END

330 IF X >= X2 THEN 350

340 IF X < X2 THEN 380

350 IF X1 <> D THEN 400

360 CLS : PRINT "Очень сожалеем, но в указанном интервале для Вас ни одного экстремума нет!"

370 END

380 NEXT X

400 LOCATE 23, 2: PRINT "Больше экстремумов в этом интервале нет. Для построения графика нажмите пробел."

420 IF INKEY$ <> " " THEN 420

430 GOTO 1000

500 IF Z = 0 THEN Z = 1E-20

510 F = 2 * SIN(Z) * EXP(-.1 * Z)

520 RETURN

1000 CLS

1010 Y0 = 150: C3 = 2.4: C1 = ABS(C3 * 260 / (X6 - X5)): C4 = 20 / 2 / Y0: C5 = 76 / C3 / 260

1015 Y1 = INT((Y0 - YK) * C4) + 2: IF Y1 <= 0 OR Y1 > 23 THEN 1030

1020 LOCATE Y1 + 1, 1: PRINT X5: LOCATE Y1 + 1, 75: PRINT X6

1030 X0 = 260 * (-X5) / (X6 - X5)

1040 LINE (0, Y0 - YK)-(C3 * 260, Y0 - YK), 15

1060 XC = C1 * (X5 - INT(X5)): XC1 = C1 * (-X5 + INT(X6)): GOSUB 2000

1070 FOR I = -XC TO XC1 STEP K1

1072 IF I = -C1 * INT(X5) THEN LINE (I, 0)-(I, 2 * Y0), 15

1075 IF I = -XC THEN LINE (I, 0)-(I, 2 * Y0), 15

1080 LINE (I, Y0 - YK)-(I, Y0 - YK - 5), 15

1090 NEXT I

1100 FOR Z = X5 TO X6 STEP (X6 - X5) / 3000

1110 GOSUB 500

1130 XZ = (-X5 + Z) * C1: YZ = -2 * K * F / ABS(FS) * 140 + Y0

1135 IF ABS(YZ) > 1000 THEN 1150

1140 PSET (XZ, YZ - YK + 1), 15

1145 PSET (XZ, YZ - YK), 15

1150 NEXT Z

1160 LOCATE 23, 1: PRINT "Введите коэффициент увеличения по вертикали:"; : INPUT " K = "; KK: K = K * KK

1170 LOCATE 23, 1: PRINT "             Сместить график по вертикали на"; : INPUT " YK ="; YY: YK = YK + YY

1180 LOCATE 23, 1: PRINT "              Изменить интервал исследования?"; : INPUT "(y/n):"; A$

1190 IF A$ = "n" THEN 1000

1200 LOCATE 23, 1: INPUT "Введите нижний предел:                                          Z1 ="; X5

1210 LOCATE 23, 1: INPUT "Введите верхний предел:                                          Z2 ="; X6

1220 GOTO 1000

2000 K1 = C1

2010 FOR I = 1 TO 100

2020 IF K1 < 20 THEN K1 = K1 * 10

2030 NEXT I

2040 RETURN

10 CLS : LOCATE 9, 30: PRINT "ФИГУРЫ ЛИССАЖУ"

20 LOCATE 11, 20: PRINT "(Сложение взаимноперпендикулярных колебаний)"

30 LOCATE 21, 1: PRINT "Нажмите пробел"

40 IF INKEY$ <> " " THEN 40

50 CLS : PRINT "Введите фазы колебаний в градусах:": INPUT "F1 = "; F1: INPUT "F2 = "; F2

60 PRINT : PRINT "Введите соотношение частот колебаний:": INPUT "W1/W2 = "; W

70 PI = 4 * ATN(1): W1 = 50: X0 = 130: Y0 = 150: W2 = W1 / W: A1 = 100: A2 = 100: C1 = .0002: C2 = 2.4

80 IF W >= 1 THEN K = W

90 SCREEN 9: IF W < 1 THEN K = 1 / W

100 FOR T = 0 TO .03 * K STEP C1 / 10

110 V1 = PI * (2 * W1 * T + F1 / 180): V2 = PI * (2 * W2 * T + F2 / 180)

120 Y1 = A1 * COS(V1): Y2 = A2 * COS(V2)

130 PSET (X0 * C2 + Y1, Y0 - Y2), 15: NEXT T

140 LOCATE 21, 1: PRINT "Сложение взаимноперпендикулярных колебаний:"

150 PRINT "W1/W2 = "; W; ", F1 = "; F1; ", F2 = "; F2

160 IF INKEY$ <> " " THEN 160

170 SCREEN 0, 0: RUN

PAGE  109


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67578. Коммутативные группы с конечным числом образующих. Следствия из классификации 278 KB
  Теорема о подгруппах группы Всякая подгруппа группы изоморфна причем . Мы знаем что подгруппа G группыимеет не более чем n образующих и потому для нее можно записать первое каноническое разложение: где mk n. Теорема о подгруппах конечной коммутативной группы.
67579. Множества с двумя алгебраическими операциями. Кольца и поля 192.5 KB
  Множество с двумя алгебраическими операциями R называется кольцом если R абелева группа аддитивная группа кольца R. Элементы такого кольца R имеющие обратные относительно операции умножения называются обратимыми а их множество обозначается через...
67580. Кольцо многочленов над полем 139.5 KB
  Кольцо многочленов над полем в отличие от случая многочленов над кольцом обладает рядом специфических свойств близких к свойствам кольца целых чисел Z. Делимость многочленов. Хорошо известный для многочленов над полем R способ деления углом использует только арифметические действия...
67581. Мультипликативная группа поля. Неприводимые многочлены 271.5 KB
  Имеет место фундаментальная теорема Гаусса: Всякий многочлен положительной степени над полем C имеет корень. Из нее вытекает что над полем C неприводимы только многочлены первой степени. Пусть теперь многочлен положительной степени. Следовательно над полем R неприводимыми будут во первых все многочлены...
67582. Характеристика поля; автоморфизм Фробениуса 132.5 KB
  Любое тождество A = B, где A и B целые алгебраические выражения (то есть построенные из переменных с использованием только операций сложения, вычитания и умножения) с целыми коэффициентами может быть перенесено в любое поле k, путем замены каждого целого z Z на соответствующий элемент...
67583. Расширения полей. Присоединение элементов большего поля 212 KB
  Присоединение элементов большего поля. Если k подполе поля K то говорят также что K расширение поля k. Отметим что при расширении сохраняется характеристика поля. По определению расширения большее поле K содержит те же подполя и следовательно имеет ту же характеристику.
67584. Расширения полей. Формальное присоединение элементов 288 KB
  На прошлой лекции было показано что исходное поле k можно расширить добавляя элементы из некоторого большего поля. Оказывается что конструкцию присоединения можно провести изнутри не выходя в большее поле K. Пусть pk(x)неприводимый многочлен над k U его корень в некотором большем поле...