Устройство и принцип действия осциллографа

Министерство образования и науки РФ

Пермский государственный технический университет

Кафедра общей физики

ЭЛЕКТРО

МАГНЕТИЗМ

Лабораторный практикум

Пермь 2004

 

 

УДК 53(07): 378

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ: Лабораторный практикум / Составители: К. Н. Лоскутов, доцент; В. А. Лощилова, ассистент; Д.В. Баяндин, доцент; Н.А. Вдовин, доцент; И.П. Степанов, старший преподаватель. Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2004. - 74 с.

Под общей ред. А.И. Цаплина, профессора.

 

Практикум включает в себя 11 лабораторных работ. В начале каждой работы даны краткие теоретические сведения, а в конце – вопросы для самоконтроля. Указан порядок выполнения работ.

Практикум предназначен для студентов дневной, заочной и дистанционной форм обучения.

Перед каждой лабораторной работой рассматривается теоретический материал, относящийся к данной теме. Однако это не исключает необходимости работы с учебником.

Табл. 16. Ил. 39. Библиогр.: 4 назв.

 

Рецензент канд. техн. наук, доцент А.Н. Паршаков

 

 

Ó Пермский государственный

технический университет,

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………….. 4

1. Изучение электронного осциллографа............................................ 4

2. Исследование электростатических полей.................................... 13

3. Определение ЭДС источника тока компенсационным методом...... 19

4. Градуировка термопары……………………………………………… 24

5. Определение магнитной индукции в межполюсном зазоре

прибора магнитоэлектрической системы......................................... 27

6. Исследование магнитного поля кругового тока.............................. 34

7. Определение индукции магнитного поля Земли с помощью

электронно-лучевой трубки.............................................................. 39

8. Изучение явлений электромагнитной индукции и

взаимоиндукции............................................................................ ..... 45

9. Исследование кривых гистерезиса ферромагнетиков

с помощью осциллографа................................................................. 53

10. Изучение затухающих электромагнитных колебаний в контуре 61

11. Исследование зависимости сопротивления проводника

от температуры……………………………………………………… 66

Литература......................................................................................... 71

Приложения…………………………………………………………. 72

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью изучения курса физики. Цель работ – дать студенту возможность самому воспроизвести некоторые физические явления, научить его обращению с основными физическими приборами и ознакомить с важнейшими методами измерений. Студент должен приобрести навыки ведения лабораторного журнала, построения графиков, оценки достоверности полученных результатов и оформления отчета.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Изучение электронного осциллографа

Цель работы: ознакомиться с принципом действия и эксплуатацией электронного осциллографа.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, звуковой генератор, источник исследуемых сигналов (источник низкого переменного напряжения промышленной частоты, генератор специальных сигналов), проводники.

Устройство и принцип действия осциллографа

 

Электронный осциллограф (ЭО) - прибор, предназначенный для изучения разнообразных переменных электрических процессов. Помимо качественной оценки исследуемых процессов осциллографы дают возможность оценить ряд величин (напряжение сигнала, фазу, частоту и др.) количественно.

Достоинствами электронного осциллографа являются его высокая чувствительность, малая инерционность и большое входное сопротив-ление. Последнее достоинство исключает влияние прибора на режим работы цепей, к которым он подключается. Работает осциллограф, как правило, от переменного тока (220 В).

ЭО состоит из следующих узлов и блоков (функциональная схема ЭО представлена на рис. 1.1): электронно - лучевой трубки (ЭЛТ); блока питания; усилителей сигналов каналов Х и У и аттенюатора (делителя напряжения); генератора развертки (пилообразного напряжения); блока синхронизации; калибратора.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) - основная часть прибора (на экране трубки наблюдается исследуемый сигнал). ЭЛТ представляет собой (рис.1.2) вакуумную колбу 10, внутри которой впаяны электроды различного назначения. Одна группа электродов образует так называемую электронную пушку, создающую электронный луч, направленный вдоль оси ЭЛТ.К этим электродам относятся следующие:

- катод 2, нагреваемый с помощью нити накала 1. Эмиссия электронов происходит с торцевой поверхности катода, покрытого слоем окисла с малой работой выхода электронов;

- управляющий электрод (модулятор) 3, на который подается отрицательный относительно катода потенциал. Величина этого потенциала с помощью потенциометра R₁ может изменяться, что приводит к изменению яркости пятна на экране 8 (чем меньше по абсолютной величине потенциал, тем больше пройдет через модулятор в единицу времени электронов и тем ярче будет пятно);

- первый анод 4, выполненный в виде цилиндра, внутри которого расположено несколько диафрагм с отверстиями в центре;

- второй анод 5 - более короткий цилиндр с отверстием в центре.

На оба анода подаются положительные относительно катода потенциалы (на анод 4» 500 В, на анод 5» 3000 В), а потому они являются ускоряющими элементами (сообщают электронам ускорение и большую скорость). Кроме того, они совместно с модулятором 3 формируют здесь электрическое поле. Результирующее электрическое поле электродов 3, 4 и 5 оказывается таким, что электроны, двигаясь вдоль силовых линий, фокусируются на экране. Регулировка фокусирующего действия осуществляется потенциометром R₃.

К другой группе электродов относятся:

- вертикально отклоняющие пластины 6. Именно на них подается, как правило, после усиления исследуемое напряжение;

- горизонтально отклоняющие пластины 7. На них обычно подается напряжение с генератора развертки (см. ниже);

- третий анод 9, соединенный с электродом 5 и играющий вспомогательную роль.

Для понимания принципа действия осциллографа очень важно понять действие вертикально-отклоняющих пластин (ВОП). Как уже сказано, именно на них подается исследуемое напряжение U. Следовательно, между пластинами имеет место электрическое поле (рис. 1.3), напряженность которого в любой момент времени определяется равенством

 

E = U / d,

 

где d - расстояние между пластинами.

Пусть электрон со скоростью v_o влетает в это поле вдоль оси z. Очевидно, что координата z связана с временем соотношением

 

 

z = v_o × t. (1.1)

 

Вдоль оси y электрон будет двигаться с ускорением

 

(1.2)

 

где е и m - заряд и масса электрона соответственно. Следовательно,

 

(1.3)

 

Исключая из (1.1) и (1.3) время, найдем

 

(1.4)

 

Это означает, что электрон между пластинами движется по параболе. При выходе из поля ВОП электрон будет двигаться вдоль прямой МN (касательной к параболе), давая в точке N экрана вспышку. Можно показать, что отклонение h электрона на экране трубки пропорционально подаваемому напряжению U (см. формулы (1.4) и (1.1)), т.е. h = cU, где с - постоянная для данной трубки величина, называемая чувствительностью трубки - отклонение луча при подаче на ВОП напряжения, равного 1 В (с= h / U).

Так как напряжение, подаваемое на ВОП, чаще всего является переменным, то, естественно, под влиянием поля электронный луч отклоняется вертикально на величину 2 h.

Блок питания обеспечивает питающими напряжениями схему осциллографа. В него входят: выпрямители, трансформаторы, стабилизатор и некоторые другие элементы.

Блоки усилителей и аттенюатор. Чувствительность непосредственно ЭЛТ (но не осциллографа) не велика (»2 мм/В), поэтому подаваемые сигналы (особенно вертикальный - Y) часто должны быть предварительно усилены. Это и делается с помощьюусилителей Y и Х (рис.1.1). В случае большой амплитуды исследуемого сигнала его необходимо ослабить. Для этого на входе усилителя Y (ручка “Усиление”) ставят делитель напряжения - аттенюатор (ручка “Вольт/дел.”).

В усилителе Х аттенюатор отсутствует, поэтому подавать на горизонтально отклоняющие пластины большие (> 25 В) напряжения нельзя. Однако коэффициент усиления Х усилителя может быть увеличен в 5 раз (тумблер из положения “´1” перевести в положение ”´ 0,2”).

При помощи потенциометров, входящих в усилители Х и Y, производится управление положением луча по горизонтали (ручки “Плавно” и “Грубо”) и по вертикали (ручка).

Генератор развертки. Для получения на экране ЭЛТ осциллограмм (графика зависимости напряжения исследуемого сигнала от времени) необходимо на вход Х осциллографа (а с него на горизонтально отклоняющие пластины) подать напряжение, пропорциональное времени, т.е. напряжение развертки (U_х). Создается это напряжение генератором (непрерывной) развертки, на выходе которого ста­вится усилитель.

Напряжение раз­вер­т­­ки имеет пило­образ­ный вид (рис.1.4) и может ре­гулироваться по ам­пли­ту­де и частоте. На участке пря­мого хода, где U_x ~ t, электронный луч сме­ща­ет­ся по экрану трубки слева направо. За время обратного хода луч быстро возвращается в крайнее левое положение. Для некоторых специ­аль­ных целей генератор раз­верт­ки можно ввести в режим так называемой ждущей развертки (о принципе действия генераторов развертки можно прочесть в специальной литературе). При непрерывной развертке ручка “Стаб.” должна стоять в положении, когда при отсутствии сигнала, на экране появляется линия развертки (горизонтальная линия).

Блок синхронизации. Для наблюдения периодических быстропро-текающих процессов важно получить на экране ЭО неподвижное изображение сигнала. Для этого нужно, чтобы период развертки был кратен периоду изучаемого сигнала. Обеспечить заранее это условие трудно. Поэтому используют принудительное согласование периодов - синхронизацию. Эту функцию в ЭО и выполняет блок синхронизации. Синхронизация может быть внутренней (ручка “Внутр.”) и внешней (ручка “Внешн”.). Внешняя синхронизация осуществляется от внешнего источника, сигнал которого может быть ослаблен в 10 раз (1:1; 1:10). Кроме того, предусмотрено изменение полярности синхронизации (+,-)- сигнал синхронизации совпадает или противоположен по полярности входному сигналу. Возможен и плавный переход от “+” к “-” (ручка “Уровень”), когда добиваются устойчивого положения сигнала. Блок синхронизации осуществляет также выбор типа входа (открытый вход - проходят и постоянная, и переменная составляющие; закрытый вход - проходит только переменный сигнал), а также отключение генератора развертки (ручка переключается в положение “ X ”).

Калибратор. Чтобы измерить величину сигнала и его длительность, нужно сравнить этот сигнал с другим известным по величине и длительности сигналом. Иначе говоря, нужно знать цену деления сетки экрана по вертикали и горизонтали (прокалибровать сетку). Делается это с помощью специального генератора-калибратора, который создает П-образные сигналы частотой 2 кГц и амплитудой 6 В. Калибровка производится, как правило, в заводских условиях, однако при эксплуатации ЭО приходится ее проверять и уточнять.

По вертикали калибровку уточняют при помощи шлица “Чувст.”, расположенного с левой стороны прибора, а по горизонтали - с помощью шлица “Калибровка длительности”, расположенного с правой стороны прибора.

Пользоваться указателями цены деления ручек “Вольт/дел.” и “Время/дел.” можно только при условии уверенности и правильности калибровки.

На рис. 1.5 изображена панель осциллографа С1-67. Здесь же указаны названия ручек управления, по которым (названиям) можно судить об их назначении. Назначения ручек управления указаны также в табл. 1.1.

 

Порядок выполнения работы

1. Подготовить осциллограф к измерениям.

1.1. Установить органы управления осциллографом в положения, указанные в приведенной табл. 1.1.

 

Таблица 1.1

 

№ п/п	Органы управления на панели	Устанавливаемые положения органов управления	Назначение органов управления
	Общие “Яркость” “Фокус” “Шкала” Усиление по У “Вольт/дел.” “Усиление”   “ ”   “ , ^, ” Развертка “Грубо” “Плавно” “Стаб.”   “Время/дел.”   “Длительность”   “´I, ´02” Cинхронизация “Внутр., внеш., Х” “ , , +,-”   “Уровень”   Тумблер “ûù_”, 2кГц   Тумблер ”Cеть”	Среднее Среднее Среднее   “V 6 дел.” Крайнее правое   Среднее   “ ”     Среднее Любое Крайнее правое   “0,5 mS”   Крайнее правое   “´I”     “внутр.” “ +”   Крайнее правое   “ûù_”, 2 кНz   Выключено	Яркость луча Фокусировка луча Подсветка шкалы   Делитель напряжен. Коэффициент усиления Перемещение луча вверх, вниз Режим работы усилителя   Перемещение луча вправо, влево Режим работы развертки Длит. развертки (скачком) Длит. развертки (плавно) Изменение “цены” деления шкалы   Вид синхронизации Вход и полярность синхронизации Плавный переход от “+” к “-” Подача калибровоч- ного напряжения Подключение осциллографа к сети

 

1.2. Вилку питающего шнура включить в сеть 220 В). Тумблером “Сеть” подать на прибор напряжение (загорается сигнальная лампа).

1.3. Через 2-3 минуты после включения на экране появится сигнал формы ûùûùûùûùûù (иногда вертикальные линии этого сигнала не высвечиваются), что означает, что подано калибровочное напряжение.

Отрегулировать яркость сигнала и вывести его в центральную часть экрана. Ручкой “Уровень” остановить картину. Ручкой “ Грубо” установить ее в такое положение, чтобы удобно было считать число импульсов. Проверить, не сбилась ли градуировка: в 10 делениях горизонтальной шкалы должно быть 10 импульсов, по оси У сигнал должен занимать 6 делений.

2. Проанализировать форму исследуемого сигнала, измерить его амплитуду и вычислить эффективное значение напряжения.

2.1. Ручку “Вольт/дел.” повернуть влево (т.е. отключить калибровочный сигнал) и поставить ее указатель на цифру 5 или 10.

2.2. Исследуемый сигнал (сеть 6,3 В) с помощью специального шнура подать через гнездо 1МW 40 рF на вертикально отклоняющие пластины. На экране появится множество кривых, накладывающихся друг на друга (если они по вертикали не входят в экран, ручкой “Вольт/дел.” уменьшить их видимую амплитуду). Вращая влево ручку “Время / дел.”,

сделать так, чтобы осталась одна кривая с 3-4 полными колебаниями, а ручкой “Стаб.” добиться того, чтобы она была неподвижна. Полученную кривую нарисовать, пометив величины, соответствующие осям.

2.3. Определить амплитуду U_o сигнала и эффективное значение напряжения U_эф. Для этого измерить по вертикали расстояние между крайними точками кривой в делениях шкалы (например, Н =2,6 дел.), тогда U₀ = цифровая отметка “Вольт/дел.” ´ Н ( число делений) / 2.

 

3. Определить период колебаний сигнала и его частоту.

3.1. Сосчитать, сколько N горизонтальных делений шкалы занимают некоторое число колебаний n. Очевидно, период колебаний вычисляется как:

Т = Dt / n = N ´ цену деления шкалы “Время/дел.”

´ множитель (´1 или 0,2) / n,

а частота n и циклическая частота w вычисляются как:

 

n = 1/ T, w = 2 p n =

 

3.2. Исследуемый сигнал снять.

4. Наблюдатьфигуры Лиссажу (кривая, по которой движется частица, участвующая в двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаниях). Использовать их для нахождения частоты исследуемого сигнала.

4.1. Ручку “Внутр., Внеш., Х ” поставить в положение Х (этим отключили генератор развертки).

4.2. На вход канала вертикального отклонения вновь подать исследуемый сигнал. На вход канала горизонтальногоотклонения подать сигнал от звукового генератора (частота его сигналов может изменяться и измеряться по шкале генератора).

4.3. Изменяя частоту сигнала генератора, добиться по­лучения устойчивых фигур Лиссажу разной формы, на­при­мер, таких как на рис.1.6.

Для трех-пяти фигур из­ме­рить по шкале звукового генератора частоту n_х сигнала ге­нератора. Частота иссле­ду­е­мо­го сигнала определяется как: n_у = n_х ´ число точек касания горизонтальной прямой / число точек касания вертикальной прямой (см. рис. 1.6).

Результаты занести в табл. 1.2. Сделать вывод относительно n_у.

 

Таблица 1. 2

 

Частоты
nх
nу
Фигуры Лиссажу

4.4. Снять исследуемый сигнал и сигнал звукового генератора.

5. Наблюдать форму, определить амплитуду, период и частоту второго исследуемого сигнала.

5.1. Ручку “Внутр., ВНЕШ., Х ” вернуть в положение “Внутр.”.

5.2. Подать на вход вертикального канала от специального генератора второй исследуемый сигнал и повторить работу по п.п. 4.2, 4.3.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Электронный осциллограф: назначение, основные узлы осциллографа.

2. Устройство электронно-лучевой трубки.

3. Назначение блока питания, усилителей, генератора развертки, блока синхронизации, калибратора.

4. Физические основы работы электронно-лучевой трубки.

5. Назначение основных ручек управления, размещенных на панели осциллографа.

6. Определение амплитуды сигналов.

7. Определение периода колебаний и частоты.

8. Фигуры Лиссажу и использование их для определения частоты сигналов.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2