Використовуване обладнання

Лабораторна робота №4

Вивчення роботи електронного осцилографа

1. Ціль роботи: 1) ознайомитися з устроєм та принципом дії електронного осцилографа; 2) вивчити роботу осцилографа при підключенні до його входу навантаження.

 

Теоретичне введення

Електронний осцилограф. Основною частиною електронно-променевого осцилографа є електронно-променева трубка, звичайно з електростатичним керуванням положення електронного променя, одержуваного в результаті термоелектронної емісії катода (у телевізорах застосовуються трубки з електромагнітним керуванням положення луча двома парами електромагнітів, розташованих поза трубкою).

Електронно-променева трубка (мал.1) являє собою вакуумну скляну колбу, усередині якої розташовуються металеві електроди: катод К з оксидним покриттям і спіральною вольфрамовою ниткою розжарення усередині; керуючий електрод сітка С з отвором у торцевій частині; аноди А1 (із двома-трьома діафрагмами) і А2; дві пары управляющих електронним променем пластин П_у і П _х,розташованих у взаємно перпендикулярних площинах. Частина внутрішньої поверхні колби покрита шаром люмінофора (наприклад, сірчистим цинком Zn) і служить екраном (Э), що світиться в місці попадання на нього електронного промення.

 

 

Мал.1. Устрій електронно – променевої трубки (а) і схема її включення (б).

 

Потік електронів, емітованих розпеченим катодом К, заздалегідь фокусується сіткою С з невеликим негативним потенціалом щодо катода К. Інтенсивність електронного променя, а отже, і яскравість полум′я на екрані трубки регулюється зміною потенціалу сітки за допомогою резистора R _c(мал. 1, б), що входить у дільник напруги ДН. Наступне фокусування пучка електронів по осі трубки здійснюється фокусуючим анодом А1 і анодом, що прискорює, А 2 зі значними потенціалами щодо катода (А1 - 150-400В и А2 – 800-3000В). Фокусування регулюється перемінним резистором R1. Живлення електродів здійснюється від блоку живлення БП (випрямляча). Подальше керування електронним променем виконується відхиляючими по вертикальній у і по горизонтальній осі х, пластинами Пу і Пх.

При підведенні синусоїдальної напруги и _удо пластин П _уперіодично відхиляється нагору і униз від центра промінь буде вичерчувати на екрані в масштабі світну вертикальну пряму лінію, довжина якої відповідає подвоєній амплітуді 2U_m прикладеної напруги. Аналогично можна побачити на екрані і горизонтальну світну пряму лінію при підведенні синусоїдальної напруги и_х до пластин трубки Пх. Якщо ж до обох пар пластин підвести одночасно однакові синусоїдальні напруги и _уі и_х, то через дію на промінь двох взаємно перпендикулярних сил на екрані буде світна пряма лінія, розташована під кутом 45° до осі х.

При підведенні до пластин П_у і П_х перемінних напруг и_у і и_х з різними амплітудами, частотами і зрушеннями фаз електронний промінь на екрані буде вичерчувати різні світні фігури, що називаються фігурами Ліссажу. Зі збільшенням різниці частот фігури усе більше ускладнюються. Для спостереження па екрані осцилографа графіка досліджуваної напругу и_иссл, що з часом періодично змінюється, до пластин П_у необхідно підвести напругу, подібне и_нссл, а до пластин П_х підключити періодичну пилкоподібну напругу розгорнення и_разв.

Функціональна схема осцилографа показана на мал. 2. Живлення всіх елементів схеми забезпечується блоком харчування БП із випрямляючим пристроєм, що підключається до мережі змінного струму (на схемі не показаний).

Канал Y (вертикального відхилення луча) містить у собі атенюатор (вхідний дільник напруги ДН, призначений для зменшення амплітуди досліджуваної напруги и_иссл до необхідного значення), і підсилювач вертикального відхилення УВ, вихід якого підключений до пластин Y трубки.

Канал X (горизонтального відхилення луча) має генератор розгорнення ГР, пилкоподібна напруга якого через підсилювач горизонтального відхилення луча УГ підводиться до пластин X.

Как показано на мал. 2,а, електронний промінь під дією двох напруг и_ислл і и_разв на екрані переходить по кривій 1-2-3-4-5 із точки 1 у точку 5, а потім значно швидше (майже по прямій) повертається з точки 5 у вихідну точку 1, відтворюючи, таким чином, на екрані форму досліджуваної напруги и_иссл за один період. Безупинне зображення на екрані осцилограми досліджуваної напруги за один період досягається завдяки світловій інерції екрана (0,05—30 с) і інерції зору. Фактично ж електронний промінь періодично описує чи повторює цей шлях з великою швидкістю (1 раз за 1 с).

 

 

 

На мал. 3,а суцільною лінією показана ідеальна пилкоподібна функція напруги розгорнення з миттєвим поверненням луча (t_обр≈0). Реальну пилкоподібну криву и_разв = ƒ(t) забезпечує який-небудь генератор пилкоподібних коливань. Можлива функціональна схема такого генератора зображена на мал. 3,б. Лінійна зміна напруги виходить при заряді конденсатора. При розімкнутому перемикачі SA конденсатор С заряджається від джерела струму J струмом I до напруги и_с = . Замикання ключа SA, що має невеликий опір R, приводить до розряду конденсатора (штрихова лінія на мал. 3, а). Потім процес повторюється. Тому що вимикач SA (звичайно це електронний ключ) у замкнутому положенні має опір R, то процес розряду (ділянка 5-У) забирає невеликий час t_обр, що дорівнює часу зворотного ходу променя.

Якщо період пилкоподібної напруги буде в п раз більше періоду досліджуваної напруги, то на екрані осцилографа буде зображено п періодів. Для одержання стійкої нерухомої осцилограми частоти досліджуваної перемінної напруги и_иссл і напруги розгорнення и_разв повинні бути однакові чи кратні (умова синхронізації). У противному випадку зображення буде переміщатися по екрані уліво чи вправо.

Груба синхронізація перемінних напруг и_иссл і и_разв здійснюється регулятором частоти генератора розгорнення ГР (див. Мал. 3, б), наприклад зміною ємності С і вхідного опору R. Точна синхронізація досягається за допомогою блоку синхронізації БС (див. мал. 2), що керує запуском генератора розгорнення ГР за допомогою синхронізуючого сигналу, що надходить від підсилювача вертикального відхилення луча УВ чи від зовнішнього джерела в залежності від положення перемикача SA2. У випадку проведення досліджень за допомогою фігур Ліссажу перемикач SA3 переводиться в нижнє положення і на пластини X через підсилювач УГ подається напруга з входу X.

Допоміжний блок з калібратором амплітуди КА і калібратором тривалості КД використовується для забезпечення визначеної точності при вимірах амплітудних і тимчасових параметрів досліджуваних сигналів. Калібратор напруги включається перемикачем SA1. При цьому на вхід Y осцилографа подається напруга відомої амплітуди. Калібратор часу при визначенні масштабу осцилограми по осі часу керує яскравістю променю впливом на електронну гармату ЭП трубки. Це дає яркістні оцінки на осцилограмі, що слідують з відомою періодичністю.

У сучасних осцилографах калібрування виробляється автоматично. Значення масштабів висвічується на екрані осцилографа. Недоліком звичайного (однопроменевого) електронного осцилографа є те, що він дозволяє досліджувати тільки одну перемінну електричну величину. Застосування спеціальної приставки – електронного комутатора, наприклад типу ЭК-1, дає можливість досліджувати однопроменевим осцилографом одночасно дві періодичні величини. Сучасні електронні осцилографи – це універсальні вимірювальні прилади. У сполученні з різними перетворювачами вони застосовні і для дослідження неелектричних величин.

 

Використовуване обладнання

3.1. Для проведення роботи використовується електронний осцилограф С1 – 93.

3.2. В якості нагрузки до осцилографу використовується однофазний двонапівперіодний випрямляч, принципіальна схема якого приведенна на рис. 4.

 

Мал.4. Принципова схема однофазного двонапівперіодного випрямляча.

 

Опір R₁ і ємність С складають RC - фільтр;

Міліамперметр служить для виміру струму в навантаженні;

Діоди Д₁ і Д₂ служать для перетворення перемінної напруги в пульсуючу;

R_ш - опір шунта;

Стабілітрон Д₃ служать для стабілізації величини постійної напруги на опорі навантаження;

Опір R₂ служить для завдання необхідного значення струму, що тече через стабілітрон Д₃;

Rн - опір навантаження;

В₂-В₄ - тумблери підключення вирівнювача відповідно до ємності С, стабілітрона Д₃ і навантажувального опору Rн.

 

Порядок проведення роботи

4.1. Ознайомитись з методичними вказівками по експлуатації і використанню осцилографа.

4.2. Включити осцилограф в мережу і дати йому прогрітися не менше 15 хвилин.

4.3. Настроїти осцилограф до роботи у відповідності з інструкцією по експлуатації.

4.4. З′єднати з допомогою кабелю один із входів осцилографа з гніздом “вихід” на передній панелі випрямляча і замалювати осцилограми напруги на навантажені випрямляча при різних режимах його роботи: 1) при відключеному стабілітроні і використанні і використанні RC – фільтра (дивись схема на мал.4); 2) при використанні стабілізатора і RC – фільтра; 3) без використання стабілізатора і RC – фільтра.

4.5. З′єднати з допомогою кабелю один із входів осцилографа з гніздом “U₂” на передній панелі випрямляча і замалювати осцилограми напруги на вторинній обмотці трансформатора випрямляча, при цьому навантаження Rн, ємність с та стабілітрон Д повинні бути відключені.

5. Вимоги до звіту

Звіт повинний містити:

5.1. Теоретичне введення;

5.2. Схему випрямляча, використовуваного в якості навантаження до випробовуваного осцилографа.

5.3. Замальовані осцилограми напруги вторинної обмотки трансформатора і напруги на навантаженні при різних режимах роботи випрямляча.

 

6. Контрольні запитання

6.1. На чому оснований принцип дії електронного осцилографа?

6.2. З яких основних частин складається електронний осцилограф?

6.3. Для чого використовують електронні осцилографи?

 

7. Література.

1.Маркин Н.С.. Ершов В.С. Метрология. Введение в специальность. –М.: Издательство стандартов, 1991. – 208с.

2.Электрические измерения / Р.М. Демидова - Панферова, В.Н. Малиновский, В.С. Попов и др.: Под ред. В.Н. Малиновского. – М.: Энергоиздат, 1983. – 392с.

3.Электрические измерения / Под ред. Е.Г. Шрамкова. – М.: Высшая школа, 1972. – 520с.

4.Трегуб А.П. Электротехника. – К.: Вища школа, 1987. – 600с.