51532

ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖЕНИЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА

Лабораторная работа

Физика

Устройство и принцип работы электронного осциллографа рассмотрены в Приложении 1. Электронный осциллограф С1137 может работать в двух основных режимах: а Исследуемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения осциллографа вход I или II а на вход канала горизонтального отклонения подается пилообразное напряжение с генератора развертки встроенного в осциллограф. При этом на экране осциллографа наблюдается график зависимости исследуемого сигнала от времени.

Русский

2014-02-12

2.12 MB

16 чел.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Брестский государственный технический университет»

Кафедра физики

ЛАБОРАТОРНЫЕ  РАБОТЫ

ПО КУРСУ ФИЗИКИ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Э8

ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖЕНИЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА

Брест 2001


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Э8

ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖЕНИЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы:

- знакомство с устройством и принципом работы электронного осциллографа, измерение с его помощью временных характеристик и амплитудных значений электрических сигналов;

- изучение сложения гармонических колебаний одного направления и взаимно перпендикулярных колебаний.

Приборы и принадлежности: Электронный осциллограф типа С1-137, два генератора электрических сигналов Г3-120, фазовращатель, соединительные провода.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Основным элементом экспериментальной установки является электронный осциллограф, который позволяет визуально наблюдать и исследовать электрические сигналы, периодически изменяющиеся во времени. Устройство и принцип работы электронного осциллографа рассмотрены в Приложении 1.

Электронный осциллограф С1-137 может работать в двух основных режимах:

а) Исследуемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения осциллографа (вход I или II), а на вход канала горизонтального отклонения подается пилообразное напряжение с генератора развертки, встроенного в осциллограф. При этом на экране осциллографа наблюдается график зависимости исследуемого сигнала от времени.

Если на вход канала вертикального отклонения осциллографа одновременно подать два сигнала, например,  и , то на экране осциллографа будет изображен график зависимости , т.е. будет наблюдаться результат сложения гармонических колебаний одного направления.

б) Один из исследуемых сигналов, например , подается на вход канала горизонтального отклонения осциллографа (вход I), а второй -  - на вход канала вертикального отклонения (вход II). При этом на экране осциллографа будет наблюдаться результат сложения гармонических колебаний, происходящих во взаимно перпендикулярных направлениях Если частоты колебаний исследуемых сигналов  и  совпадают или кратны, то электронный луч описывает на экране осциллографа замкнутые кривые, которые называются фигурами Лиссажу. При небольшом различии частот сигналов форма фигур Лиссажу медленно изменяется, а при большом различии частот картина размазывается.

Таким образом, электронный осциллограф позволяет моделировать сложение гармонических колебаний одного направления, а также сложение взаимно перпендикулярных колебаний.

Рис. 1

Общий вид установки и схема подключения приборов для изучения сложения колебаний одинаковой частоты изображены на рис. 1. Принципиальная схема установки приведена на рис. 2. Синусоидальное напряжение с генератора подается на фазовращатель и вход I осциллографа. Фазовращателем называется устройство, позволяющее изменять фазу синусоидального напряжения в широких пределах. В качестве фазовращателя в работе используется колебательный контур, помещенный в корпус. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности L, емкости С1  и активного  сопротивления RK  (сопротивление катушки, соединительных проводов и т.д.). С помощью кнопочных переключателей К1, К2 и К3 параллельно к конденсатору С1 можно подсоединять соответственно конденсаторы С2, С3 и С4 в различной комбинации, что позволяет изменять емкость контура.

Рис. 2.

Под действием синусоидального напряжения в контуре возникает переменный ток. При этом напряжение на конденсаторе колебательного контура, подаваемое на вход II осциллографа, отстает по фазе от входного синусоидального напряжения на величину , которая определяется параметрами контура: , где L, С и RK - соответственно индуктивность, емкость и активное сопротивление контура. Таким образом, на входы I и II осциллографа подаются синусоидальные напряжения одинаковой частоты, сдвиг фаз между которыми может изменяться за счет изменения емкости контура.

При изучении сложения гармонических колебаний различных частот в качестве источников электрических сигналов используются два генератора, вырабатывающие синусоидальное напряжение. Соответствующая схема подключения приборов изображена на рис. 3.

ЗАДАНИЕ 1. Подготовка осциллографа к работе.

1. Ознакомившись с расположением органов управления (см. Приложение 1), подготовить осциллограф к работе. Для этого выполнить следующие операции:

а) Перед включением прибора установите органы управления осциллографа в следующие положения:

"", "", “”, “”- в среднее положение;

переключатель “I,II,I и II,I+II” - в положение “I”;

переключатель вида входа "," - в положение "";

переключатель “V/дел I” - в положение “1 V/дел”;

переключатель "х1, х10" - в положение "х1";

переключатель “s, ms” - в положение “ms”;

переключатель “НОРМ, АВТ” - в положение “АВТ”;

переключатель “X-Y, O” - в положение “О;

переключатель “ТВ, О” - в положение “О”;

переключатель “СЕТЬ, I, II, ВНЕШН” - в положение “I”;

переключатель вида входа синхронизации - в положение  "";

переключатель полярности синхронизации - в положение  "+";

переключатель “ВРЕМЯ/ДЕЛ” - в положение “1 ms/дел”;

ручка “УРОВЕНЬ” - в среднее положение;

тумблер "СЕТЬ" - выключено.

б) Соедините прибор соответствующим шнуром с источником питания и тумблером "СЕТЬ" включите его. При этом должна загореться сигнальная лампочка. Через 2-3 минуты после включения отрегулируйте яркость и фокусировку линии развертки с помощью ручек "", "".  Если  луча не будет на экране при максимальной яркости, переместите луч в пределы рабочей части экрана ручками  “”, “”.

2. Откалибруйте канал вертикального отклонения. Для этого подайте на вход I (“ 1 М 20pF I”) сигнал с калибратора (гнездо “ 1V 1kHz” на передней панели осциллографа). Убедившись в появлении сигнала калибратора на экране осциллографа, установите переключатель “V/дел I” в положение “0.2 V”. С помощью ручки “” совместите изображение калибрационного сигнала с рисками шкалы экрана. Если изображение калибрационного сигнала по вертикали занимает участок шкалы больше или меньше, чем 5 делений, необходимо с помощью регулировки “YI”, расположенной на нижней стенке прибора, произвести коррекцию до точного совмещения калибрационного сигнала с рисками шкалы экрана.

Аналогично, подавая сигнал с калибратора на вход II (“ 1 МW 20pF II”), с помощью регулировки “YII” произведите коррекцию коэффициента отклонения канала II, если это необходимо.

3. Откалибруйте длительность развертки. Для этого установите ручку “ВРЕМЯ/ДЕЛ” в положение “1 ms” и подайте сигнал с калибратора на вход I осциллографа. Ручкой “УРОВЕНЬ” установите устойчивое изображение сигнала. С помощью ручки “” совместите фронт первого импульса со второй слева вертикальной линией шкалы на экране осциллографа. При этом фронт девятого импульса должен быть совмещен с десятой вертикальной линией. В случае несовмещения установить необходимый размер изображения регулировкой “х1”, расположенной на верхней стенке осциллографа.

Установите переключатели “ВРЕМЯ/ДЕЛ”, “s, ms”, "х1, х10" в положения “5”, “ms” и “x10” соответственно. С помощью ручки “” совместите фронт ближайшего импульса со второй слева вертикальной линией. При этом фронт пятого импульса должен быть совмещен с десятой вертикальной линией. В случае несовмещения установите необходимый размер изображения регулировкой “х10”, расположенной на верхней стенке осциллографа.

После этого прибор готов к работе и можно приступать к выбору режима работы (см. Приложение 1) и проведению необходимых наблюдений и измерений.

 Задание 2. Измерение амплитуды и периода синусоидального напряжения.

  1.  Установите органы управления осциллографа в положения, указанные в п.1 задания 1, и подайте на вход I синусоидальное напряжение с генератора. Параметры подаваемого напряжения согласуйте с преподавателем. Используя переключатели “V/дел I”, “ВРЕМЯ/ДЕЛ”, “s, ms” и ручку “УРОВЕНЬ”, получите на экране осциллографа изображение сигнала, удобное для измерений.

2. Период колебаний Т определяется как промежуток времени между двумя последовательными моментами, в которые напряжение достигает максимального или минимального значения (см. рис. 4). Для измерения периода колебаний с помощью ручки “” совместите вершины синусоиды с горизонтальной осью отсчетной шкалы на экране осциллографа. Затем измерьте расстояние  между соседними вершинами в больших делениях шкалы с точностью до десятых долей. Определите период колебаний Т по формуле: , где k1 - коэффициент развертки, измеряемый в s/дел или в ms/дел (в зависимости от положения переключателя “s, ms”), который определяется положением метки на переключателе “ВРЕМЯ/ДЕЛ”.

Рис. 4.

Период колебаний можно также определить, измеряя промежуток времени между двумя последовательными моментами, в которые напряжение обращается в нуль,  изменяясь в одну  и ту же сторону, например, возрастает (см. рис. 4). В этом случае необходимо предварительно с помощью ручки “” установить  синусоиду  таким образом, чтобы ее максимальные отклонения вверх и вниз относительно горизонтальной оси были одинаковы.

Для увеличения точности измерения периода колебаний необходимо установить ручку переключателя “Время/дел” в такое положение, при котором на экране осциллографа наблюдается не более двух периодов колебаний. При этом погрешность измерения периода в основном определяется параметрами осциллографа и в каждом случае равна: Т = 0.05Т.

3. Установите синусоиду так, чтобы ее максимальные отклонения вверх и вниз  относительно горизонтальной оси на экране осциллографа были одинаковы. С помощью ручки “” подведите вершину синусоиды к вертикальной оси. Затем измерьте амплитуду сигнала  в больших делениях шкалы с точностью до десятых долей. Тогда амплитуда сигнала будет равна: , где k2 - чувствительность усилителя канала вертикального отклонения, измеряемая в В/дел, которая определяется положением метки на переключателе “V/дел”.

Для повышения точности определения амплитуды сигнала измерения необходимо производить при таком положении переключателя “V/дел”, при котором  > 2 больших делений.

ри этом погрешность измерения амплитуды в основном определяется параметрами осциллографа и в каждом случае равна: .

 ЗАДАНИЕ 3. Изучение сложения гармонических колебаний одинаковой частоты и одного направления.

1. Соберите установку в соответствии с рис. 1 и включите генератор и осциллограф. С помощью кнопочных переключателей на верхней панели фазовращателя установите значение емкости С1.

Множитель частоты генератора установите в положение “103”, уровень сигнала - в положение “0 dB”.

На передней панели осциллографа нажмите кнопочные переключатели “s” и “Сеть внешн. I”. Остальные кнопки должны находиться в отжатом положении.

С помощью переключателей “V/дел I”, “V/дел II”, “ВРЕМЯ/ДЕЛ” и ручки “УРОВЕНЬ” получите на экране осциллографа устойчивое изображение двух сигналов, подаваемых на входы I и II (см. рис. 5). Плавно изменяя частоту сигнала, подаваемого с генератора, установите период колебаний Т(Tmax+Tmin)/2 мкс, где  и . В данной установке индуктивность катушки , а емкости конденсаторов С1, С2, С3, С4 указаны на панели фазовращателя.

Убедитесь в том, что периоды колебаний для обеих синусоид совпадают.

2. Измерьте амплитудные значения сигналов А1 и А2.

  1.  Измерьте разность фаз колебаний . Для этого установите обе синусоиды так, чтобы максимальные отклонения каждой из них вверх и вниз  относительно горизонтальной оси на экране осциллографа были одинаковы. Сдвиг фаз напряжений, подаваемых на входы I и II осциллографа,  определяется  промежутком времени  между соответствующими точками пересечения синусоид с горизонтальной осью (см. рис. 5), причем значение  выбирается из интервала . Измеряя это расстояние в больших делениях шкалы с точностью до десятых долей и умножая полученный результат на показания метки на переключателе “Время/дел”, определите промежуток времени  в микросекундах (при условии, что кнопка “s” нажата).  Тогда сдвиг фаз между напряжениями вычисляется по формуле: (рад) или .

Для уменьшения погрешности определения  измерения необходимо проводить при таком положении переключателя “Время/дел”, при котором  больших делений. Тогда относительная погрешность измерения  в основном определяется параметрами осциллографа и не будет превышать 5%.

4. Установите переключатель “I, II, I и II, I+II” в положение “I+II” и получите на экране осциллографа устойчивое изображение сигнала, соответствующего алгебраической сумме напряжений, подаваемых на входы I и II осциллографа. Затем установите переключатели “V/дел I” и “V/дел II” в одинаковые положения и измерьте амплитуду синусоидального напряжения А.

Измерьте период колебаний Т и сделайте вывод.

  1.  Установите на фазовращателе значение емкости С12 и повторите измерения п.п. 2-4.

6. Повторите измерения п.п. 2-4, устанавливая на фазовращателе все возможные значения емкости.

В результате получится набор соответствующих значений (A1i, A2i, Ai, i), где i - номер опыта.

7. Теория, изложенная в Приложении 2, предсказывает линейную зависимость между переменными  и :

                                              (1)

где  - постоянная.

Располагая экспериментальными значениями (A1i, A2i, Ai, i), вычислите  и  и отметьте на координатной плоскости (x, y) все экспериментальные точки. Оцените визуально, хорошо ли расположение экспериментальных точек соответствует линейной зависимости (1).

8. Рассчитайте наилучшее с точки зрения МНК значение постоянной  и погрешность ее определения  по формулам:

               ,               (2)

Сделайте вывод о справедливости соотношения  в пределах точности измерений.

9*. Вычислите величину  по формуле

,

где , а , , - погрешности измерения амплитуд А, А1 и А2 в i-ом опыте соответственно, и сделайте вывод о соответствии экспериментальных данных линейной зависимости (1).

 ЗАДАНИЕ 4. Изучение сложения взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты.

  1.  Соберите установку в соответствии с п. 1 задания 3 и получите на экране осциллографа устойчивое изображение сигналов, подаваемых на входы I и II (см. рис.5).

Установите период колебаний Т(Tmax+Tmin)/2 мкс и измерьте амплитуду сигнала А2, подаваемого на вход II осциллографа. Затем измерьте разность фаз колебаний .

2. Установите переключатель “I, II, I и II, I+II” в положение “II”, а переключатель “X-Y,O” - в положение “X-Y”. В этом случае сигналы, подаваемые на входы I и II, поступают соответственно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, и на экране осциллографа появляется  изображение  эллипса.  С помощью  ручки  “”,

встроенной в переключатель “V/дел I”, установите эллипс так, чтобы его максимальные отклонения влево и вправо относительно вертикальной оси были одинаковы. Затем измерьте длину отрезка вертикальной оси 2Y, находящегося внутри эллипса (см. рис. 6), в больших делениях шкалы с точностью до десятых долей и результат умножьте на показания метки на переключателе “V/дел II”. Разделив полученную величину на 2, найдите Y - значение координаты y точки пересечения эллипса с вертикальной осью.

3. С помощью кнопочных переключателей на верхней панели фазовращателя установите значение емкости С12 и повторите измерения п.п. 2-3.

4. Повторите измерения п.п. 2-3 при всех возможных значениях емкости фазовращателя.

В результате получится набор соответствующих значений (А2i, i, Yi), где i - номер опыта.

5. Из уравнения (П.3.2) в Приложении 3 следует, что переменные  и  связаны между собой линейным соотношением:

                        ,                     (3)

где  - постоянная.

Располагая экспериментальными значениями (А2i, i, Yi), вычислите   и  и отметьте на координатной плоскости  (x, y)  все  экспериментальные  точки.  Оцените

визуально, хорошо ли расположение экспериментальных точек соответствует линейной зависимости (3).

6. Согласно МНК, наилучшее значение постоянной  и погрешность ее определения  можно найти по формулам (2).

Рассчитайте  и  и сделайте вывод о справедливости соотношения  в пределах точности измерений.

7*. Вычислите величину  по формуле

,

где , а , - погрешности измерения Y и А2 соответственно, и сделайте вывод о соответствии экспериментальных данных линейной зависимости (3).

 ЗАДАНИЕ 5. Получение фигур Лиссажу.

1. Соберите установку в соответствии с рис. 3 и включите генераторы и осциллограф.

Установите на обоих генераторах множитель частоты в положение “1”, уровень сигнала - в положение “0”.

На передней панели осциллографа установите переключатель “I,II,I и II, I+II” в положение “II”, а переключатель “X-Y, O” - в положение “X-Y”.

2. Получите на экране осциллографа и зарисуйте фигуры Лиссажу при соотношениях частот, указанных преподавателем. С помощью полученных рисунков проверьте правило для определения отношения частот складываемых колебаний (см. Приложение 3).

 ЗАДАНИЕ 6. Изучение сложения колебаний одного направления и различных частот.

1. Соберите установку в соответствии с рис. 3 и включите генераторы и осциллограф.

Установите на обоих генераторах множитель частоты в положение “103”, уровень сигнала - в положение “0 dB”.

Установите переключатели “V/дел I” и “V/дел II” на передней панели осциллографа в одинаковое положение.

2. Установив переключатели “I,II,I и II, I+II” и “Сеть Внешн. I II” в положение “I”, получите на экране осциллографа изображение сигнала, подаваемого на вход I. Плавно изменяя частоту сигнала, подаваемого на вход I, установите период колебаний, например, Т1=50 мкс.

Измерьте амплитуду сигнала А1.

3. Установив переключатели “I,II,I и II, I+II” и “Сеть Внешн. I II” в положение “II”, получите на экране осциллографа изображение сигнала, подаваемого на вход II.

Затем установите такое значение периода колебаний Т2, чтобы выполнялось условие: .

Измерьте амплитуду сигнала А2.

4. С помощью специального разъема подайте на один вход осциллографа, например, вход I, сигналы от двух генераторов и установите переключатель “I,II,IиII,I+II” в положение “I” (переключатель “Сеть Внешн. I II” должен быть установлен в положение I, что соответствует синхронизации запуска развертки по сигналу, подаваемому на вход I). Используя переключатель “ВРЕМЯ/ДЕЛ” и ручку “УРОВЕНЬ” получите картину биений на экране осциллографа (см. рис. П.2.3).

5. Измерьте минимальное и максимальное значения амплитуды результирующих колебаний на экране осциллографа. Сравните полученные результаты с  и  и сделайте вывод.

6. Измерьте период биений ТБ и сравните его с теоретическим значением .

7. Повторите измерения п.п. 2-6 при других значениях Т1 и Т2.

 

 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Устройство и принцип работы электронного осциллографа.

Электронный осциллограф - универсальный и самый распространенный прибор для исследования электрических сигналов. С его помощью можно визуально наблюдать форму сигнала, а также измерять его амплитуду и временные характеристики.

Основной частью электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), схематически  изображенная на рис. П.1.1.

ЭЛТ представляет собой стеклянный баллон конической формы, в котором создан высокий вакуум. Внутри баллона размещены   электронная   пушка,   отклоняющая  система  и люминесцирующий экран Э, нанесенный изнутри на стенку  трубки. Электронная пушка испускает тонкий пучок электронов (электронный луч), создающий маленькое пятнышко п на экране Э, и состоит из подогреваемого катода К, а также управляющего электрода 1 и двух анодов 2, 3, выполненных в виде трех коаксиальных цилиндров. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода (-2070 В) и сжимает выходящий из катода электронный пучок. Изменяя этот потенциал, можно изменять количество электронов, проходящих через диафрагмы первого анода, а следовательно, регулировать яркость  пятна на экране. Потенциал первого анода положителен относительно катода, а потенциал второго анода положителен относительно первого анода. При этом  между  управляющим электродом и первым анодом, а также между первым и вторым анодами возникают неоднородные электрические поля (так называемые электрические линзы), отклоняющие электроны к оси трубки. Регулируя потенциал анодов, можно изменять поперечное сечение электронного пучка и добиться наилучшей фокусировки пятна на экране. Потенциал второго анода относительно катода определяет также конечную скорость электронов в пучке. В типовых ЭЛТ потенциал первого анода делают равным U1=+(200500) В, а потенциал второго анода доводят до U2=+(40008000) В.

Для отклонения электронного пучка в горизонтальном (Х) и вертикальном (Y) направлениях служат  две  пары  металлических пластин П1П1 и П2П2. Если к одной из пар пластин, например П1П1, приложить напряжение U, то между пластинами возникнет электрическое поле  с  напряженностью ,  где d - расстояние между пластинами. При движении электрона между этими пластинами на него будет действовать сила , сообщающая электрону ускорение ,  направленное перпендикулярно к начальной скорости v0 (см. рис. П.1.2). Время действия силы определяется временем  пролета электрона вдоль пластин длиной : . За это время электрон смещается на расстояние

вдоль оси ох и получает составляющую скорости

Далее электрон движется равномерно и прямолинейно в течение времени ,  где L - расстояние от пластин до  экрана, и смещается вдоль оси ох еще на расстояние

    В результате суммарное смещение электрона составляет

где  - постоянная, называемая чувствительностью осциллографа.

Таким образом, смещение пятна на экране осциллографа пропорционально приложенному к пластинам напряжению, что позволяет использовать осциллограф в качестве вольтметра.  С другой стороны, так как масса электронов очень мала,  электронный луч практически не обладает никакой инерцией даже для очень быстро изменяющихся напряжений, то есть отклонение электронного луча во времени полностью воспроизводит зависимость от времени приложенного к пластинам напряжения.

Чаще всего осциллограф используется в режиме, позволяющем получать на экране ЭЛТ изображение зависимости исследуемого напряжения от времени. В этом случае к горизонтально отклоняющим пластинам прикладывают электрическое напряжение, линейно нарастающее во  времени: (такое напряжение создается специальным генератором внутри осциллографа - генератором развертки). Это  напряжение  вызывает смещение пятна на экране ЭЛТ , то есть пятно на экране равномерно перемещается в горизонтальном направлении. К вертикально отклоняющим пластинам при этом прикладывают исследуемое напряжение, предварительно  усиленное до необходимой величины. Под действием обоих электрических полей, создаваемых горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами, пятно  на экране вычерчивает кривую , изображающую зависимость исследуемого напряжения от времени (временная развертка сигнала).  Постоянные B и k определяют масштаб времени и  напряжения  на  координатных  осях  X и Y соответственно и подбираются таким образом,  чтобы кривая на  экране была наиболее удобна для наблюдения.

Ясно, что для наблюдения начального участка сигнала линейно растущее напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах “Х” должно появиться одновременно или несколько раньше, чем исследуемый сигнал на пластинах “Y”, то есть момент запуска генератора развертки должен быть синхронизован с исследуемым сигналом. Эту задачу выполняет специальная схема синхронизации и запуска развертки, которая может работать в режиме внутренней или внешней синхронизации. В первом случае запуск генератора развертки производится самим исследуемым  сигналом, а во втором - сигналом от дополнительного внешнего источника напряжения. Выбор вида синхронизации определяется условиями измерений.

В некоторых типах осциллографов предусмотрена также  возможность отключения генератора развертки  и  подачи  на горизонтально отклоняющие пластины сигнала от внешнего источника напряжения. Такой режим расширяет измерительные  возможности осциллографа и позволяет, например, получать на экране ЭЛТ фигуры Лиссажу.

Обычно в состав осциллографа входит также специальный генератор (калибратор), вырабатывающий калиброванное по амплитуде и частоте напряжение. Это напряжение бывает  двух видов: прямоугольные импульсы фиксированной  амплитуды, следующие с некоторой частотой, и постоянное напряжение, по амплитуде равное импульсному. При наличии калибратора можно  быстро  без  каких-либо  дополнительных приборов  оценить  работоспособность осциллографа и произвести его настройку.

 Органы управления осциллографа С1-137.

Любой осциллограф имеет ряд органов управления,  расположенных на передней панели, а также на задней, верхней и нижней стенках прибора. В зависимости от типа осциллографа количество их может быть различным. Все органы управления имеют соответствующую маркировку. В качестве примера рассмотрим размещение и назначение органов управления осциллографа С1-137.

Органы управления, расположенные в левом нижнем углу передней панели осциллографа, предназначены:

тумблер "СЕТЬ" - для включения и выключения прибора;

ручка  "" - для установки необходимой яркости  луча ЭЛТ;

ручка "" - для регулирования фокусировки луча ЭЛТ;

клемма " 1V 1kHz" - для вывода калиброванного напряжения;

гнездо "" - для подключения корпуса прибора (не предназначена для заземления).

Органы управления, расположенные на правой нижней половине передней панели осциллографа, определяют работу канала вертикального отклонения и предназначены:

гнезда " 1M 20 pF I" и " 1M 20 pF II" - для подачи исследуемого напряжения на вход усилителя вертикального отклонения каналов I и II соответственно;

переключатель "," - для выбора режима открытого ("") и закрытого ("") входа усилителя вертикального отклонения каналов I и II;

переключатель "---, " - для включения поочередного и прерывистого режима работы каналов вертикального отклонения (двухканальный режим);

переключатель "I, II, I и II, I+II" - для включения канала I, канала II, двухканального режима ("I и II") и режима алгебраического суммирования напряжений, подаваемых на вход каналов I и II ("I+II)";

переключатель "ИНВ, 0" - для инвертирования сигнала в канале II;

переключатели "V/ДЕЛ I" и "V/ДЕЛ II" - для ступенчатого переключения чувствительности усилителей вертикального отклонения каналов I и II;

ручки, обозначенные "" - для перемещения луча по вертикали каналов I и II.

Органы управления, расположенные на правой верхней половине передней панели осциллографа, определяют работу  блоков развертки и синхронизации и предназначены:

переключатель "ВРЕМЯ/ДЕЛ" - для установки коэффициента развертки;

ручка "" - для перемещения луча по горизонтали;

переключатель "s, ms" - для выбора масштаба коэффициента развертки;

переключатель "х1,х10" - для включения десятикратного растяжения  развертки;

переключатель "НОРМ, АВТ" - для выбора режима работы развертки: ждущего ("НОРМ") или автоколебательного ("АВТ");

переключатель "X-Y,  0" - для включения режима работы X-Y (в режиме X-Y на горизонтально отклоняющие пластины  поступает сигнал, подаваемый на вход канала I, в режиме "0" - сигнал с генератора развертки);

переключатель "ПОЛЕ, СТР" - для выбора синхронизации сигналом телевизионной строки ("СТР") или кадра ("ПОЛЕ");

переключатель "ТВ, 0" - для включения режима синхронизации развертки телевизионным сигналом;

переключатель "СЕТЬ, I, II, ВНЕШН" - для выбора синхронизации развертки от канала I ("I") или канала II ("II"), сигналом сети питания ("СЕТЬ") или внешним сигналом ("ВНЕШН");

переключатель "+,-" - для выбора полярности сигнала синхронизации развертки;

переключатель "," - для установки открытого ("")

или закрытого ("") входа синхронизации;

ручка "УРОВЕНЬ" - для выбора уровня запуска развертки;

гнездо " СИНХР" - для ввода сигналов внешней синхронизации.

Органы управления, расположенные на задней стенке прибора, предназначены:

шлиц "" - для регулировки астигматизма луча ЭЛТ;

переключатель "220 V, 127V" - для переключения напряжения сети питания;

клемма корпусная "" - для защитного заземления корпуса прибора.

Органы управления, расположенные на нижней стенке прибора, предназначены:

шлиц "YI", "YII" - для калибровки чувствительности каналов I и II вертикального отклонения;

шлиц "X-Y" - для корректировки коэффициента усиления канала X в режиме X-Y;

шлиц "III" - для балансирования лучей каналов I и II.

Органы управления, расположенные на верхней стенке прибора, предназначены:

шлиц "х10,х1" - для калибровки длительности  развертки.

обоих электрических полей, создаваемых горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами, пятно  на экране вычерчивает кривую , изображающую зависимость исследуемого напряжения от времени (временная развертка сигнала).  Постоянные B и k определяют масштаб времени и  напряжения  на  координатных  осях  X и Y соответственно и подбираются таким образом,  чтобы кривая на  экране  была наиболее удобна для наблюдения.

Ясно, что для наблюдения начального участка сигнала линейно растущее напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах “Х” должно появиться одновременно или несколько раньше, чем исследуемый сигнал на пластинах “Y”, то есть момент запуска генератора развертки должен быть синхронизован с исследуемым сигналом. Эту задачу выполняет специальная схема синхронизации и запуска развертки, которая может работать в режиме внутренней или внешней синхронизации. В первом случае запуск генератора развертки производится самим исследуемым  сигналом, а во втором - сигналом от дополнительного внешнего источника напряжения. Выбор вида синхронизации определяется условиями измерений.

В некоторых типах осциллографов предусмотрена также  возможность отключения генератора развертки  и  подачи  на горизонтально отклоняющие пластины сигнала от внешнего источника напряжения. Такой режим расширяет измерительные  возможности осциллографа и позволяет, например, получать на экране ЭЛТ фигуры Лиссажу.

Обычно в состав осциллографа входит также специальный генератор (калибратор), вырабатывающий калиброванное по амплитуде и частоте напряжение. Это напряжение бывает  двух видов: прямоугольные импульсы фиксированной  амплитуды, следующие с некоторой частотой, и постоянное напряжение, по амплитуде равное импульсному. При наличии калибратора можно  быстро  без  каких-либо  дополнительных приборов  оценить  работоспособность осциллографа и произвести его настройку.

 Органы управления осциллографа С1-137.

Любой осциллограф имеет ряд органов управления,  расположенных на передней панели, а также на задней, верхней и нижней стенках прибора. В зависимости от типа осциллографа количество их может быть различным. Все органы управления имеют соответствующую маркировку. В качестве примера рассмотрим размещение и назначение органов управления осциллографа С1-137.

Органы управления, расположенные в левом нижнем углу передней панели осциллографа, предназначены:

тумблер "СЕТЬ" - для включения и выключения прибора;

ручка  "" - для установки необходимой яркости  луча ЭЛТ;

ручка "" - для регулирования фокусировки луча ЭЛТ;

клемма " 1V 1kHz" - для вывода калиброванного напряжения;

гнездо "" - для подключения корпуса прибора (не предназначена для заземления).

Органы управления, расположенные на правой нижней половине передней панели осциллографа, определяют работу канала вертикального отклонения и предназначены:

гнезда " 1M 20 pF I" и " 1M 20 pF II" - для подачи исследуемого напряжения на вход усилителя вертикального отклонения каналов I и II соответственно;

переключатель "," - для выбора режима открытого ("") и закрытого ("") входа усилителя вертикального отклонения каналов I и II;

переключатель "---, " - для включения поочередного и прерывистого режима работы каналов вертикального отклонения (двухканальный режим);

переключатель "I, II, I и II, I+II" - для включения канала I, канала II, двухканального режима ("I и II") и режима алгебраического суммирования напряжений, подаваемых на вход каналов I и II ("I+II)";

переключатель "ИНВ, 0" - для инвертирования сигнала в канале II;

переключатели "V/ДЕЛ I" и "V/ДЕЛ II" - для ступенчатого переключения чувствительности усилителей вертикального отклонения каналов I и II;

ручки, обозначенные "" - для перемещения луча по вертикали каналов I и II.

Органы управления, расположенные на правой верхней половине передней панели осциллографа, определяют работу  блоков развертки и синхронизации и предназначены:

переключатель "ВРЕМЯ/ДЕЛ" - для установки коэффициента развертки;

ручка "" - для перемещения луча по горизонтали;

переключатель "s, ms" - для выбора масштаба коэффициента развертки;

переключатель "х1,х10" - для включения десятикратного растяжения  развертки;

переключатель "НОРМ, АВТ" - для выбора режима работы развертки: ждущего ("НОРМ") или автоколебательного ("АВТ");

переключатель "X-Y,  0" - для включения режима работы X-Y (в режиме X-Y на горизонтально отклоняющие пластины  поступает сигнал, подаваемый на вход канала I, в режиме "0" - сигнал с генератора развертки);

переключатель "ПОЛЕ, СТР" - для выбора синхронизации сигналом телевизионной строки ("СТР") или кадра ("ПОЛЕ");

переключатель "ТВ, 0" - для включения режима синхронизации развертки телевизионным сигналом;

переключатель "СЕТЬ, I, II, ВНЕШН" - для выбора синхронизации развертки от канала I ("I") или канала II ("II"), сигналом сети питания ("СЕТЬ") или внешним сигналом ("ВНЕШН");

переключатель "+,-" - для выбора полярности сигнала синхронизации развертки;

переключатель "," - для установки открытого ("")

или закрытого ("") входа синхронизации;

ручка "УРОВЕНЬ" - для выбора уровня запуска развертки;

гнездо " СИНХР" - для ввода сигналов внешней синхронизации.

Органы управления, расположенные на задней стенке прибора, предназначены:

шлиц "" - для регулировки астигматизма луча ЭЛТ;

переключатель "220 V, 127V" - для переключения напряжения сети питания;

клемма корпусная "" - для защитного заземления корпуса прибора.

Органы управления, расположенные на нижней стенке прибора, предназначены:

шлиц "YI", "YII" - для калибровки чувствительности каналов I и II вертикального отклонения;

шлиц "X-Y" - для корректировки коэффициента усиления канала X в режиме X-Y;

шлиц "III" - для балансирования лучей каналов I и II.

Органы управления, расположенные на верхней стенке прибора, предназначены:

шлиц "х10,х1" - для калибровки длительности  развертки.

             или  ,    (П.2.5)

где .

При условии  за то время, в течение которого  совершает несколько полных колебаний, величина , а следовательно и , почти не изменяется. Таким

образом, результатом сложения двух гармонических колебаний одного направления и близких частот являются негармонические колебания (П.2.1), амплитуда A(t) и начальная фаза  которых медленно изменяются в соответствии с (П.2.4), (П.2.5). Такие колебания называются биениями. Их график показан на рис. П.2.3. Как следует из (П.2.4), при биениях амплитуда колебаний изменяется в пределах от  до  с циклической частотой , которая называется циклической частотой биений. Соответственно, период биений равен: .

Если частоты колебаний совпадают (), то разность фаз колебаний  не зависит от времени. Поэтому угол  между векторами  и  на векторной диаграмме с течением времени не изменяется. Нарисовав соответствующую диаграмму в момент , из геометрических соображений легко показать, что соотношения (П.2.2), (П.2.3) принимают вид:

                    ,          (П.2.6)

                      ,

где .                               (П.2.7)

Итак, в результате сложения двух гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты получаются гармонические колебания той же частоты, амплитуда и начальная фаза которых определяется соотношениями (П.2.6), (П.2.7).

 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний.

Предположим, что материальная точка движется в плоскости (x,y)  и ее координаты изменяются с течением времени по законам:

          ,  .       (П.3.1)

Для получения уравнения траектории движения материальной точки необходимо исключить время t из уравнений (П.3.1). Для этого из первого уравнения выражаем  и подставляем во второе уравнение:

.

После несложных преобразований получаем уравнение траектории в виде:

                 .            (П.3.2)

Уравнение (П.3.2) есть уравнение эллипса, ориентация которого относительно осей x и y зависит от амплитуд A1 и A2 и разности фаз колебаний . Таким образом, материальная точка, совершая колебания во взаимно перпендикулярных направлениях с одинаковыми частотами , движется по эллипсу, делая один оборот за время, равное периоду складываемых колебаний .

Если разность фаз колебаний , то уравнение (П.3.2) принимает вид:

                  или  .

Таким образом, при  эллипс вырождается в отрезок прямой (см. рис. П.3.1а).

Аналогично, при  из (П.3.2) получается уравнение:

 или  ,

т.е. результирующее движение материальной точки также представляет собой гармонические колебания вдоль прямой (см. рис. П.3.1б).

При  уравнение (П.3.2) принимает вид:

,

т.е. материальная точка движется по эллипсу, полуоси которого ориентированы вдоль осей x и y и по величине равны амплитудам складываемых колебаний (см. рис. П.3.1в).

Если частоты взаимно перпендикулярных  колебаний не одинаковы, то траектория результирующего движения имеет вид сложных, вообще говоря, незамкнутых кривых, называемых фигурами Лиссажу. Однако, если частоты колебаний равны , , где n и m - целые числа, то значения координат материальной точки одновременно повторяются через одинаковые промежутки времени Т, равные наименьшему кратному  и  - периодов колебаний вдоль осей x и y. При этом фигуры Лиссажу представляют собой замкнутые кривые, вписанные в прямоугольник со сторонами 1 и 2, где А1 и А2 - амплитуды складываемых колебаний.

По общему виду фигур Лиссажу можно легко определить отношение частот складываемых колебаний. Для этого достаточно подсчитать число точек пересечения кривой с горизонтальной осью nx и вертикальной осью ny. Тогда .

 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Назначение осциллографа.

2. Устройство и принцип действия ЭЛТ.

3. Как измерить амплитуду и длительность импульса?

4. Как измерить разность фаз колебаний?

5. Что такое биения и как их наблюдать?

6. Как определить отношение частот складываемых колебаний по фигурам Лиссажу?

 ЛИТЕРАТУРА.

1. Калашников С.Г. Электричество.- М., 1985.- С.399-

      400.

2. Савельев И.В. Курс физики. Т.2. Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика.- М., 1989.- С.256-264.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики.- М., 1989.- С.303-307.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3479. Определение коээфициента поверхностного натяжения жидкости по способу отрыва капли 185 KB
  Определение коээфициента поверхностного натяжения жидкости по способу отрыва капли Приборы и принадлежности: Бюретка с краном на штативе, два стакана, воронка, вода, исследуемая жидкость (спирт). Теория работы и описания приборов Жидкость состоит из...
3480. Физика среды и ограждающих конструкций, Строительная теплофизика 206 KB
  Физика среды и ограждающих конструкций. Среда и ее воздействие на объекты строительства. Воздушная среда и ее параметры. Водная среда и ее параметры. Климатические факторы. Влияние среды на долговечность строительных конструкций...
3483. Медична генетика 638 KB
  Залежність прояву ознак від впливу зовнішніх умов відзначав ще Ж.-Б.Ламарк, який розглядав це як один із еволюційних факторів. Учені давно помітили, що однояйцеві близнята, тобто організми з однаковим генотипом, відрізняються фенотипно, якщо розвива...
3484. Лекційний курс з основ фізики 2.71 MB
  Тема 1. Фізичні основи механіки. Кінематика Лекція 1. Основи кінематики поступального та обертального рухів Основні визначення В механіці розглядають механічний рух. Під механічним рухом розуміють зміну з часом положення тіла відносно інших тіл в пр...
3485. Измерение скорости пули с помощью физического маятника 55.8 KB
  Измерение скорости пули с помощью физического маятника Цель работы: с помощью физического маятника определить скорость пули. Рабочую формулу для экспериментального определения скорости пули получить исходя из законов сохранения момента импульса и эн...
3486. Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного и математического маятников 443.96 KB
  Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного и математического маятников, изучение законов колебания маятника, ознакомление с косвенными методами измерения ускорения свободного падения при помощи математического и оборотного...