Изучение работы электронного осциллографа

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

1. НАЗНАЧЕНИЕ ОСЦИЛЛОГРАФА

Осциллограф является самостоятельным измерительным прибором, предназначенным для исследования периодических и импульсных процессов в научно-исследовательской работе в лабораториях, на заводах и в полевых условиях. С его помощью можно измерить напряжение и силу тока и изменение их во времени, 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, колебания температуры, давления и т.д.

В радиофизике с помощью осциллографа можно исследовать вольтамперные характеристики электронных и полупроводниковых приборов, снимать кривые намагничивания и т.д.

В биологии и медицине применяются приборы, составной частью которых является осциллограф. Например, вектор-электрокардиоскоп, предназначенный для исследования электрической активности сердца. Четырехканальный электроэнцефаллограф обеспечивает одновременную фотозапись с четырех различных точек объекта высокочастотных биопроцессов (электромиограммы, электронейрограммы) с помощью одновременно работающих четырех осциллографов. Промышленностью выпускаются многоканальные электроэнцефаллографы.

В геологии осциллограф нашел применение в исследовательской и поисковой работе в лабораторных и полевых условиях.

Достоинством электронного осциллографа являются его высокая чувствительность и безынерционность действия, что позволяет исследовать быстропротекающие процессы, длительностью порядка 10-6 - 10-8 с.

2. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Электронно-лучевая трубка позволяет получить узкий сфокусированный пучок электронов, который практически является безынерционным. По принципу отклонения электронного луча различают трубки с электростатическим и магнитным отклонением. Часто в осциллографах, предназначенных для телевидения, отклонение электронного пучка осуществляется действием магнитного поля катушек, расположенных около узкого горла трубки во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

В электростатической электронно-лучевой трубке отклонение луча осуществляется при помощи двух плоских конденсаторов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. показано схематическое устройство электронно-лучевой трубки этого типа. Она представляет собой стеклянный баллон. Из которого выкачан воздух до давления порядка 10-6 мм.рт.ст. Внутрь вмонтированы электронная пушка 1 (выделена пунктиром на рисунке), отклоняющие пластины 8 и 9, расположенные в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, и флуоресцирующий экран 10.

Источником электронов служит катод 3, подогреваемый спиралью 2. Плоская торцевая поверхность катода 4 покрывается пленкой оксидированного специального металла, например, бария. Катод находится внутри фокусирующего цилиндра 5, в основании которого сделано отверстие для пропускания узкого электронного пучка.

Изменяя отрицательный потенциал, подводящий к этому цилиндру, можно изменять количество электронов, проходящее через его отверстие, а, следовательно, и яркость пятна на экране трубки. Электроны ускоряются электрическим полем, приложенным между катодом и первым анодом 6, находящимся под напряжением порядка 1000В.

Регулировкой величины потенциала первого анода (ручка «фокус») осуществляется фокусировка луча на экране. Поле между катодами, управляющим электродом и первым анодом образуют объективную электронную линзу.

Второй анод 7, потенциал которого выше первого, ускоряет электроны. Поля первого и второго анода образуют скалярную электронную линзу. Перегородки внутри анодов служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условиям фокусировки.

Экран трубки представляет собой слой флуоресцирующего вещества, нанесенного на внутренней стороне трубки. В качестве флуоресцирующих составов используются виллемит, вольфрамово-кислый кальций, фосфористый сульфид цинка. Вещество экрана, куда попадают ускоренные электроны, начинает люминесцировать в результате процессов возбуждения и рекомбинации. Таким образом, становится видимым место попадания электронов на экран трубки. В зависимости от состава вещества экрана пятно может быть белого, зеленного или синего цвета.

Боковая поверхность электронно-лучевой трубки снаружи покрыта токопроводящим слоем, соединенным с заземленным корпусом прибора, благодаря чему осуществляется стекание электронов, попавших на экран трубки.

Цифрами 8 и 9 отмечены на рисунке вмонтированные в трубку горизонтальные (вертикально отклоняющие) и вертикальные (горизонтально отклоняющие) пластины. Если на одну из пар пластин подается напряжение, то электронный луч отклоняется, так как электроны будут притягиваться к положительно заряженной пластине и отталкивается от пластины, заряженной отрицательно. Величина отклонения пропорциональна напряжению между пластинами.

Смещение луча на экране вверх - вниз осуществляется ручкой «ось y», вправо-влево-ручкой «ось х».

Чувствительностью трубки к напряжению называют отклонение пятна на экране, вызванное разностью потенциалов в 1 В на отклоняющих пластинах т.е.

,

где Y - длина световой полоски на экране трубки, измеренная в миллиметрах, U - напряжение между отклоняющими пластинами.

При приложении напряжения на вертикальные пластины, след электронного луча смещается на величину Х в горизонтальном направлении и чувствительность по оси Х будет:

,

Если на пластины подается переменное напряжение, то для подсчета чувствительности пользуются формулой

,

где Uб - действующее напряжение, подаваемое на пластины, величина которого измеряется вольтметром переменного тока, а длина световой полоски «y» пропорциональна удвоенному значению амплитуды переменного напряжения.

Записав законы движения электрона в электрическом поле, можно найти «y» - отклонения луча на экране /1/:

,

где l - длина пластин, d - расстояние между пластинами, L - расстояние от конца пластин до экрана, U - разность потенциалов между отклоняющими пластинами, UA - потенциал второго анода по отношению к катоду.

Подставляя (4) в (1), получим

,

откуда видно, что чувствительность трубки зависит от параметров l, L, d и UA.

На входе канала вертикального отклонения луча установлен делитель напряжения, который уменьшает исследуемый сигнал в 10 или 100 раз в зависимости от положения ручки «ослабление»: 1:10 или 1:100. Если этот переключатель стоит в положении 1:1, то деления напряжения не происходит. Делителем пользуются в том случае, когда изображение сигнала на экране осциллографа выходит за пределы экрана.

С выхода делителя напряжения исследуемый сигнал поступает на вход усилителя вертикального отклонения. Регулировка усиления осуществляется ручкой «Усиление», с помощью которой устанавливаются удобные размеры осциллограммы, особенно если исследуемый сигнал слабый.

3. НАБЛЮДЕНИЕ НА ЭКРАНЕ ПРОЦЕССОВ, ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ВО ВРЕМЕНИ

Если исследуемое переменное напряжение

,

Вследствие световой инерции экрана и способности нашего глаза сохранять некоторое время полученное световое восприятие, на экране будет видна не -подвижная вертикальная линия. Чтобы на экране наблюдать синусоиду, необходимо «развернуть» эту линию во времени путем осуществления одновременного движения луча по горизонтали. Для этой цели на вертикальные пластины подают напряжение, линейно изменяющееся во времени, осциллограф звуковой генератор напряжение

,

Под действием только этого напряжения световое пятно на экране осциллографа равномерно перемещается слева направо. Результирующая траекторию луча представляет зависимость исследуемого напряжения от времени (рис. 5).

Действительно из формул 1, 2, 5, 7 следует, что

; .

При постоянных гх и гy величины и постоянны, поэтому, Y=f(x) является синусоидой, вычерченной электронным лучом на экране. Если по истечению времени, равного периоду исследуемого колебания, напряжение на вертикальных пластинах скачком упадет до нуля, то и световое пятно скачком возвратится в исходное положение. Если Ux снова возрастет по тому же закону, то на экране трубки вновь воспроизводится синусоида. Таким образом, для получения развертки исследуемого напряжения во времени на вертикальные пластины необходимо подать так называемое «пилообразное» напряжение, причем периоды пилообразного и исследуемого напряжения должны совпадать. Если период развертывающего пилообразного напряжения кратен периоду исследуемого (и больше его), то на экране получится изображение нескольких полных колебаний. При неравенстве и не кратности периодов кривая на экране будет двигаться.

Источником пилообразного напряжения является релаксационный генератор, называемый генератором развертки. Он смонтирован в осциллографе. Частоту генератора пилообразного напряжения в осциллографах можно изменять в широких пределах скачкообразно ручкой «Диапазоны частот», а в каждом выбранном диапазоне - плавно поворотом ручки «частота плавно». При ручной регулировке поддерживать строгое равенство частот напряжений Ux и Uy трудно, поэтому осциллографы снабжают автоматическим устройством для синхронизации пилообразного напряжения с исследуемым.

Для этого на лицевой панели осциллографа имеется переключатель «синхронизация», который может устанавливать три вида синхронизации: внутреннюю - положение «внутр.», внешнюю - положение «внешн.», от сети - положение «от сети».

На лицевой панели осциллографа расположены все ручки управления его с соответствующими надписями.

4. ЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР

В качестве источника переменного напряжения используется звуковой генератор (в нашем случае Г3 - 1), который представляет собой генератор электрических колебаний звуковой частоты (?? ~ 20 - 20000 Гц) синусоидальной формы, работающей по принципу мостиковых RC - генераторов. Шкала частот проградуирована в герцах. Отсчет по шкале генератора должен быть умножен на число, указанное на переключателе диапазонов. Выходное напряжение генератора снимается с клемм (внизу) и регулируется ручкой «напряжение выхода». Прибор, как и осциллограф, питается от сети переменного тока с напряжением ~ 220 В.

5. ФИГУРЫ ЛИССАЖУ

Для определения частоты неизвестного гармонического колебания часто используется метод фигур Лиссажу, который заключается в следующем.

Исследуемое колебание складывается с взаимно перпендикулярным ему колебанием известной частоты. В результате сложения получаются кривые сложной формы, называемые фигурами Лиссажу. По виду этих фигур можно определить частоту исследуемого напряжения. В работе сравнение частот производится с помощью электронного осциллографа, на горизонтальные пластины которого подается исследуемое напряжение от звукового генератора, а на вертикальные пластины - напряжение от сети переменного тока с частотой щ = 2р?? (?? = 50 Гц) через делитель напряжения.

Рассмотрим два взаимно перпендикулярных колебания Х и Y с частотами щx = щ и щy = nщx = nщ.

Очевидно, что n = щy / щx,

,

где ц - начальная разность фаз между колебаниями.

Система уравнений (9) представляет собой уравнение кривой, являющейся результатом сложения этих колебаний, заданной в параметрической форме. После преобразований получается /2/:

,

,

Разлагая по биному Ньютона уравнение в квадратных скобках и приравнивая действительные и мнимые части слева и справа, можно получить уравнение траектории колеблющейся точки.

Рассмотрим частный случай - сложение колебаний с одинаковыми частотами (n=1).

Из формулы (9) получается:

,

Откуда

,

Это уравнение эллипса.

Рассмотрим частные случаи.

1) Если колебания происходят в одинаковых фазах, т.е. ц=0, то уравнение (11) принимает вид

,

т.е. эллипс вырождается в прямую линию (рис. 7).

Если разность фаз ц = р, то и в этом случае эллипс вырождается в прямую.

2) Пусть разность фаз между колебаниями равна р/2, тогда уравнение (11) будет иметь вид:

,

Это уравнение эллипса, оси которого совпадают с осями координат.

Если амплитуды колебаний одинаковы, то эллипс превращается в окружность

,

В тех случаях, когда n ? 1, по общему виду уравнения (12) трудно судить о форме траектории. Кривые, получаемые при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний, приведены.

Если частота одного из колебаний известна, то по виду фигур Лиссажу можно определить частоту другого с помощью осциллографа, подавая на вертикальные пластины напряжение неизвестной частоты ??x, а на горизонтальные - напряжение известной частоты ??y от звуковое генератора.

Если ,тогда

,

Фигуры Лиссажу для различных сдвигов фаз ц и соотношений частот

Графически это означает, что ось «y» пересекает кривую ny раз, а ось «х» пересекает кривую nx раз. Отсюда вытекает следующее правило для нахождения частот.

Через данную фигуру (см. рис. 10) проводят две произвольные взаимно перпендикулярные прямые АВ и CD, параллельные осям x и y, но не через узлы кривой.

Потом подсчитывают число точек пересечения кривой с прямой АВ (= nx) и с прямой CD (= ny).

В данном случае nx = 4 и ny = 2, т.е

,

В случае, когда прямая проходит через точку пересечения ветвей кривой, при подсчете её считают дважды.

Ознакомиться с устройством используемого в данной работе осциллографа. Не включая осциллографа, хорошо осмыслить назначение его функциональных блоков и ручек управления работой осциллографа (см. рис. 1,2).

Определение чувствительности электронно-лучевой трубки

Для выполнения упражнения необходимо собрать схему выключенном генераторе развертки следует подать переменное напряжение от сети через делитель напряжения Д. Переключатель «диапазоны частот» стоит при этом в положении «0».

Изменяя с помощью делителя напряжение, подаваемое на вход осциллографа, от 0 до 50 В, измеряют длину световой полоски l на экране осциллографа 8 - 10 раз.

Результаты измерений записывают в таблицу.

Строят график зависимости l = f(U), из которого находят угловой коэффициент () усредненного линейного участка кривой l = f(U).

Чувствительность трубки вычисляется по формуле

,

5. НАБЛЮДЕНИЕ ФОРМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА

1. Не изменяя схемы установки, необходимо переключать «Диапозон частот», поставить в положение «50». При этом включается генератор развертки осциллографа. Ручкой регулировки «усиление y» либо делителем Д добиваются, чтобы размах исследуемого сигнала оставался в пределах экрана. Затем подбором частоты развертки (грубо - переключателем «диапазоны частот», точно - ручкой «частота плавно») получают на ширине экрана устойчивую неподвижную картину одного, двух и трех периодов сигналов.

2. Для наблюдения электрических сигналов заданной частоты необходимо отключить напряжение, подаваемое через делитель Д от сети, и на «вход y» подать напряжение заданной частоты от звукового генератора 13 - 1.

Определение частоты сигнала с помощью фигур лиссажу

Для наблюдения фигур Лиссажу необходимо собрать схему (см. рис. 12), для чего на клеммы «вход y» осциллографа подать напряжение от сети через делитель Д, а на «вход Х» - от генератора Г3-1. Включают генератор в сеть и после его прогрева ручкой «напряжение выхода» регулируют размер светового пятна по оси Х.

Изменяя частоту сигнала звукового генератора ручкой «установка частоты» получают и зарисовывают устойчивые и неподвижные фигуры Лиссажу (5 - 8 фигур). при этом записывают частоту сигнала звукового генератора ??Г3. Для каждой фигуры определяют соотношение частот.

Неизвестной считается частота сигнала, подаваемого из сети, её определяют по формуле

,

где - соотношение частот, определяемое по числу пересечения фигуры горизонтальной линией - nx и вертикальной ny.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физический практикум. (Электричество и оптика) / Под ред. В.И.Иверновой. - М.: Наука, 1967. - 281 с.

2. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. - М.: Высшая школа, 1961. - 241 с.

3. Соловьев В.А., Яхонтова В.Е. Основы измерительной техники. - Л.: ЛГУ, 1980. - 147 с.

4. Ремез Г.А. Курс основных радиотехнических измерений. - М.: Связь, 1966. - 423 с.

5. Бонч-Бруевич А.М. Радиотехника в экспериментальной физике - М.: Наука. 1966. - 768 с.

6. Козлов В.Н. Общий физический практикум. Электричество и магнетизм. Учеб. пособие / под ред. А.И. Матвеева, Д.Ф. Кисилева. - М. : МГУ, 1987. - 197 с.

Размещено на Allbest.ru