Изучение электронно-лучевого осциллографа

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Содержание

1. Цель работы

2. Теоретическая часть

2.1 Устройство и принцип работы осциллографа

2.2 Получение изображения на экране ЭЛТ

3. Экспериментальная часть

3.1 Приборы и принадлежности

3.2 Описание установки

Список литературы

1. Цель работы

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

2. Теоретическая часть

2.1 Устройство и принцип работы осциллографа

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

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

Электронный осциллограф предназначен прежде всего для исследования быстропеременных периодических процессов.

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

Достоинством электронно-лучевого осциллографа является его высокая чувствительность и практическая без инерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длительность которых не превышает 10 ^{- 6} - 10 ^{- 7} с.

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

Рассмотрим устройство и принцип действия отдельных частей осциллографа.

Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянную колбу специальной формы рис. 1 с вмонтированной в нее системой электродов. Внутри колбы создан высокий вакуум.

Рисунок 1:

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

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

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

Нить накала - спираль из вольфрама, покрытая керамикой для изоляции от катода. На спираль подается низкое напряжение.

Нагреваясь, спираль накаляет катод до температуры, при которой происходит достаточно интенсивная термоэлектронная эмиссия с поверхности катода.

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

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

Система отклоняющих пластин.

Рисунок 2:

Электрон влетает в однородное электрическое поле со скоростью v₀ = v_z. Вдоль оси z на электрон не действуют никакие силы.

Поэтому в этом направлении он движется равномерно:

z = v₀ * t

Вдоль оси Y на электрон действует постоянная сила F, где:

- напряженность поля между пластинами. Следовательно, движение электрона вдоль оси Y является равноускоренным и для него справедливы уравнения:

V_y = at * y =

Ускорение найдем из второго закона Ньютона:

Тогда:

В результате получим:

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

Где:

х, y - смещения луча в горизонтальном и вертикальном направлениях;

u_x, u_y - разности потенциалов между горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами;

б_x, б_y - чувствительность трубки к напряжению соответственно в направлении осей х и у.

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

2.2 Получение изображения на экране ЭЛТ

Для того, чтобы на экране осциллографа можно было увидеть, как в некотором физическом процессе величина у меняется в зависимости от изменения другой физической величины х, т. е.:

у = f * (x)

Необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение u_x, пропорциональное х, а на вертикально отклоняющие пластины одновременно подать напряжение u_у, пропорциональное у. Тогда электронный луч начертит на экране линию, соответствующую зависимости:

у = f * (x)

Если теперь луч неоднократно заставить повторить тот же путь по экрану, то в следствии инерционности глаза, наблюдатель увидит неподвижный график зависимости:

у = f * (x)

На практике часто приходится наблюдать изменение различных физических величин в зависимости от времени, т. е.:

у = f * (t)

При этом на вертикально отклоняющие пластины необходимо подать напряжение, пропорциональное исследуемой величине у, а на горизонтально отклоняющие пластины - напряжение, изменяющееся пропорционально времени.

Для создания напряжения, величина которого меняется пропорционально времени, в осциллографе существует генератор развертки. Под действием этого напряжения луч смещается по экрану слева направо, причем в любой момент времени это смещение будет пропорционально времени, отсчитанному от начала движения луча.

Одновременно поданное на вертикально отклоняющие пластины напряжение, пропорциональное исследуемой физической величине у, будет смещать луч по вертикали в соответствии с изменением «у».

Однако, когда луч дойдет по горизонтали до крайнего правого положения, его нужно мгновенно перевести в исходное положение, а физический процесс повторить сначала.

Следовательно, напряжение генератора развертки скачком должно изменится до первоначального значения, а потом снова начать расти по тому же закону. Поэтому зависимость напряжения генератора развертки от времени должна иметь вид, показанный на рисунке 3. Такое напряжение называются пилообразным.

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

Рисунок 3:

3. Экспериментальная часть

3.1 Приборы и принадлежности

1. Осциллограф универсальный;

2. Генераторы.

3.2 Описание установки

Установка состоит из осциллографа и двух генераторов.

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

Где:

u - амплитуда сигнала, В;

Н и П - размер изображаемого сигнала в делениях шкалы (для П расстояние между соседними максимальными значениями «u»);

k_x - цена деления шкалы осциллографа, устанавливаемая переключателем «ВРЕМЯ/ДЕЛ»;

k_y - цена деления шкалы осциллографа, устанавливаемая переключателем «V/ДЕЛ».

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

Пусть от генератора на вход “КАНАЛ 1” осциллографа подается сигнал:

А на вход “КАНАЛ 11” от другого генератора поступает смещенный по фазе сигнал той же частоты:

Уравнение траектории можно получить, исключая из этих уравнений время t:

Таким образом фигура, которую описывает луч при сложении колебаний, имеющих одинаковую частоту, представляет собой эллипс, ориентация которого зависит от разности фаз колебаний. В общем случае вид фигуры Лиссажу зависит от соотношений между периодами, фазами и амплитудами колебаний. магнитоэлектрический осциллограф сигнал

Зная параметры одного колебания, можно по фигуре Лиссажу определить параметры другого колебания.

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. - М.: Наука, 1998.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2000.

Размещено на Allbest.ru