42514

Изучение релаксационных электрических колебаний с помощью электронного осциллографа

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основная особенность неоновой лампы заключается в том что она начинает проводить ток только при определённой разности потенциалов Uз между её электродами. Если напряжение на электродах лампы U Uз ток через лампу не идёт так как неон является диэлектриком. В этом случае внутреннее сопротивление Ri лампы очень велико. При разности потенциалов Uз которая называется потенциалом зажигания лампы происходит пробой диэлектрика − через лампу идёт ток.

Русский

2013-10-30

113.5 KB

14 чел.

Лабораторная работа № 16

изучение релаксационных электрических

колебаний с помощью электронного

осциллографа

Цель работы: изучить физические процессы, протекающие в генераторе релаксационных колебаний, и научиться получать осциллограмму релаксационных колебаний.

Оборудование: неоновая лампа, осциллограф, магазин сопротивлений, вольтметр, источник постоянного тока, конденсатор, соединительные провода.

16.1. Краткие теоретические сведения

Релаксационными колебаниями называются периодически повторяющийся процесс, состоящий из двух стадий:

  •  медленного накопления энергии системы до определённого критического значения;
  •  последующей разрядки энергии, происходящей почти мгновенно.

Релаксационные колебания широко распространены и могут совершаться в различных системах − механических, электрических и т.д.

Рассмотрим принцип действия релаксационного генератора, основной частью которого является неоновая лампа. Она состоит из стеклянного баллона, в который впаяно два электрода − анод и катод − в виде металлических пластинок, расположенных на расстоянии 2 − 3 мм друг от друга. Баллон заполнен неоном при низком давлении (10 − 15 мм. рт. ст.). Основная особенность неоновой лампы заключается в том, что она начинает проводить ток только при определённой разности потенциалов Uз между её электродами. Если напряжение на электродах лампы U < Uз, ток через лампу не идёт, так как неон является диэлектриком. В этом случае внутреннее сопротивление Ri лампы очень велико. При разности потенциалов Uз, которая называется потенциалом зажигания лампы, происходит пробой диэлектрика − через лампу идёт ток. При этом неон светится оранжевым светом, лампа зажигается.

Потенциал зажигания зависит от расстояния между электродами, их формы, а также от природы и давления наполняющего газа. После зажигания лампа может гореть уже при более низком давлении и при некотором напряжении Uг < Uз, называемом потенциалом гашения, она гаснет. Вольтамперная характеристика неоновой лампы показана на рис. 16.1. При малом напряжении на электродах ток через лампу равен нулю. При зажигании лампы ток скачком достигает силы Iз. Дальнейшее увеличение напряжения вызывает постоянное возрастание тока в лампе по прямой аb. Если уменьшить напряжение, то ток в лампе уменьшается по прямой , близкой к ab.

Для упрощения математического описания будем считать, что прямые ab и совпадают. Такая идеализированная характеристика изображена на рис. 16.2.

Когда лампа горит, её внутреннее сопротивление

есть величина постоянная. Из рис. 16.2 следует, что

 

Если лампа не горит (I = 0), то её сопротивление Ri = . Поэтому Iг = 0 и

                                                       (16.1)

Рассмотрим принцип действия релаксационного генератора (рис. 16.3).

При замыкании ключа К конденсатор медленно заряжается от батареи Uб, напряжение на электродах лампы возрастает.

В момент времени, когда напряжение на конденсаторе достигает значения Uз, лампа зажигается, через неё идёт ток. Сопротивление лампы резко падает. В цепи происходит перераспределение напряжения. Внешнее напряжение на участке конденсатор − лампа резко падает, что вынуждает конденсатор разряжаться. Когда разность потенциалов на электродах лампы упадёт до значения Uг, лампа гаснет. Сопротивление участка конденсатор − лампа резко возрастает. Перераспределение напряжения вынуждает конденсатор вновь заряжаться.

Таким образом, лампа будет периодически вспыхивать через определённые промежутки времени T, определяющие период колебаний.

Релаксационный генератор описанного типа является источником пилообразного напряжения.

Найдём зависимость между временем t и параметрами генератора R, C, Uз и Uг.

Согласно закону Ома и первому правилу Кирхгофа,

                                                       (16.2)

                                                         (16.3)

где IR − напряжение на сопротивлении R; U − разность потенциалов между обкладками конденсатора, I1 − ток через конденсатор, I2 − ток через лампу.

Таким образом, имеем систему трёх уравнений (16.1) − (16.3). Исключая из полученной системы I и I2, получаем

                                          (16.4)

Так как , , то .

Следовательно, (16.4) примет вид

Решением этого дифференциального уравнения является

                           (16.5)

в чём можно убедиться непосредственной подстановкой (А − постоянная интегрирования).

Запишем (16.5) для момента времени, предшествующего зажиганию лампы. Пусть − промежуток времени от момента включения до момента зажигания. Если лампа не горит, то её сопротивление Ri = . Уравнение (16.5) принимает вид

                                               (16.6)

Уравнение (16.6) справедливо от момента включения до любого момента времени, предшествующего зажиганию ( 0  t  ). Из начальных условий t = 0, U = 0 получаем RA = Uб, следовательно, напряжение на обкладках конденсатора в момент времени t

                                               (16.7)

Зависимость  может наблюдаться непосредственно на экране электронно-лучевого осциллографа.

Положим, что t = − промежутку времени, необходимому для зажигания лампы. Тогда

Величина  есть постоянная для данной неоновой лампы.

Если вместо известного сопротивления R включить неизвестное Rx, то период колебаний изменится

Сравнивая последние уравнения, получаем

                                          (16.8)

Аналогично, если вместо известной ёмкости С включить неизвестную, то период колебаний снова изменится, т.е.

откуда

                                          (16.9)

16.2. Порядок выполнения работы

  1.  Собрать цепь по схеме (рис. 16.4).
  2.  Включить осциллограф. После появления на экране светящегося пятна с помощью соответствующих рукояток смещения луча по осям Х и Y установить пятно в центре экрана. С помощью рукояток «Яркость» и «Фокус» получить светящуюся точку средней яркости.
  3.  Переключатель «Синхронизация» поставить в положение 3, соответствующее оптимальным условиям эксперимента в данной работе, переключатель частоты развёртки − в положение, отмеченное на шкале числом 3000.

  1.  Подать на вход осциллографа исследуемое напряжение. Плавно увеличить напряжение, подаваемое от источника питания, и добиться зажигания неоновой лампы.
  2.  Зарисовать осциллограмму релаксационных колебаний.
  3.  Провести аналогичные наблюдения при двух − трёх значениях напряжения.
  4.  Отключить осциллограф. Переключателем подключить сопротивление R = 4,3 МОм и конденсатор ёмкостью C = 0,25 мкФ.
  5.  Секундомером определить время 25 вспышек неоновой лампы и вычислить период колебаний T = .
  6.  Заменить сопротивление R неизвестным сопротивлением Rx и повторить измерения. Определить T1 = 1.
  7.  По (16.8) вычислить Rx.

Контрольные вопросы и задания

  1.  Какой процесс называется релаксационным?
  2.  Объяснить устройство и принцип действия неоновой лампы.
  3.  Где применяются релаксационные генераторы?
  4.  Показать, что выражение (16.5) является решением уравнения (16.4).
  5.  Принцип измерения больших сопротивлений и ёмкостей с помощью неоновой лампы.
  6.  Объяснить работу генератора релаксационных колебаний.

[2, § 167, 170; 5, § 87, 90; 8; 12]

119


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19098. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Дискретное преобразование Фурье 198 KB
  Лекция № 11. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Дискретное преобразование Фурье. Дискретное преобразование Фурье ДПФ относится к классу основных преобразований при цифровой обработке сигналов. Дискретное преобразование Фурье по возможности вычисляе
19099. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Быстрое преобразование Фурье 316.5 KB
  Лекция № 12. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Быстрое преобразование Фурье. Нахождение спектральных составляющих дискретного комплексного сигнала непосредственно по формуле ДПФ требует комплексных умножений и комплексных сложений. Так как колич...
19100. Некоторые специальные возможност и Excel 467.55 KB
  После этого появится новое окно, где нужно ввести значения для указанных ячеек. Описанную операцию нужно повторить несколько раз для создания нескольких. Для того, чтобы заполнить ячейки значениями из конкретного сценария
19101. Устойчивость дискретных систем 199 KB
  Лекция № 13. Устойчивость дискретных систем. Линейная дискретная система с постоянными параметрами стационарный фильтр называется устойчивой если при любых начальных условиях и любом ограниченном входном сигнале выходной сигнал также остается ограниченным то е...
19102. Реализация алгоритмов цифровой фильтрации 281 KB
  Лекция № 14. Реализация алгоритмов цифровой фильтрации. Графическим представлением алгоритмов цифровой фильтрации являются структурные схемы. Структурную схему дискретной системы можно составить либо по разностному уравнению либо с помощью системной передаточн...
19103. Проектирование (синтез) линейных цифровых фильтров 144 KB
  Лекция № 15. Проектирование синтез линейных цифровых фильтров. Под проектированием синтезом цифрового фильтра понимают выбор таких коэффициентов системной передаточной функции при которых характеристики получающегося фильтра удовлетворяют заданным требовани...
19104. Проектирование фильтров с импульсной характеристикой бесконечной длины 174 KB
  Лекция № 16. Проектирование фильтров с импульсной характеристикой бесконечной длины. Фильтры с бесконечной импульсной характеристикой БИХфильтры коренным образом отличаются от КИХфильтров изза наличия обратной связи. Во первых они требуют проверки на устойчив
19105. Основные определения информационной теории измерений 115 KB
  Лекция №1. Введение. Основные определения информационной теории измерений. Цели и задачи курса: данный курс предназначен для освоения базовых понятий теории измерений и базовых принципов построения средств измерения физических величин. Курс знакомит с общими вопр...
19106. Структуры измерительных систем и их характеристики 225 KB
  Лекция № 2. Структуры измерительных систем и их характеристики. Для описания измерительных систем применяются структурные схемы состоящие из функциональных элементов функциональных блоков ФБ измерительных преобразователей ИП связанных между собой входными и вых