ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 50
«ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА»
Заведующий кафедрой ЕНиОТД
профессор, к.т.н. Даутов А.И.
Составил: старший преподаватель
Корниенко Л.М.
г. Кумертау
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
Приборы и принадлежности:
1. Осциллограф С1-5
2. Звуковой генератор ГЗ-18
3. Специальная приставка
4. Источник питания
Цель работы:
Изучение устройства электронно-лучевого осциллографа типа С1-5 и ознакомление с некоторыми видами наблюдений и измерений, которые можно проводить с его помощью.
Устройство и принцип работы осциллографа. Электронно-лучевая трубка
Осциллографом называется прибор, позволяющий визуально наблюдать быстрые периодические (колебания) процессы: (ascilla - колебание, grafo -пишу). Осциллографы бывают различного типа и назначения. Наиболее распространены магнитоэлектрические («шлейфовые») осциллографы и электронные осциллографы («осцилоскопы»).
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.
Специальные типы осциллографов позволяют наблюдать и фотографировать очень медленные периодические процессы и очень быстрые (вплоть до сверхвысоких частот) колебания, а также одиночные импульсы сложной формы.
С помощью осциллографов можно проводить не только качественные, но и количественные измерения параметров исследуемых сигналов.
Основным узлом осциллографов является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу специальной формы, показанная на рис. 1, с вмонтированной в нее системой электродов. Трубка откачена до давления 10" — 10" мм рт. ст.
Основной узел ЭЛТ - электронно-лучевая пушка, которая формирует электронный луч и направляет его на экран 8, покрытый люминофором, светящимся под ударами электронов.
Пушка состоит из следующих электродов (рис. 1):
Рис. 1.
1. Катод, представляющий собой полый тонкостенный цилиндр с плоским донышком, покрытым активирующим слоем для уменьшения работы выхода электрона;
2. Нить накала - спираль из вольфрама, покрытая керамикой для изоляции от катода. На спираль подается низкое напряжение (6,3 В). Нагреваясь, спираль накаляет катод до температуры t 0 С, при которой происходит достаточно интенсивная эмиссия с поверхности катода.
3. Управляющий электрод выполняет две функции: предварительную фокусировку электронного луча и регулировку его плотности. На управляющий электрод подается отрицательный потенциал по отношению к катоду (рис. 1). Поэтому электроны, вылетающие из торца катода в различных направлениях, отклоняются полем управляющего электрода и проходят через отверстие в его донышко (рис. 2). Таким образом, управляющий электрод сужает электронный луч, «фокусирует» его.
Изменяя потенциал на управляющем электроде, сопротивлением (рис.1) можно регулировать количество электронов, вылетающих в единицу времени, т.е. регулировать плотность электронного луча и тем самым менять яркость свечения экрана. В этом случае управляющий электрод играет роль аналогичную управляющей сетке в триоде.
4. Система из двух анодов: 4 - первый анод и 5 - второй анод (рис. 1,2). Эти электроды предназначены для ускорения электронного тока и его точной фокусировке.
Для получения свечения экрана ЭЛТ необходимо ускорить электроны до значительных энергий. Поэтому на 2-й анод подается высокое напряжение около 800 В. 1-й анод имеет более низкий потенциал. В результате между 1-м и 2-м анодами образуется электростатическое поле, эквипотенциалы которого имеют форму двояковыпуклой линзы (рис. 2). В таком поле электроны, удаленные от оси трубки, получают дополнительную поперечную скорость, направленную к оси ЭЛТ,
 |
2 анод
Рис.2
Регулируя величину напряжения между 1-м и 2-м анодами с помощью сопротивления R2 (рис. 1), можно добиться, чтобы практически все траектории электронов сходились в одной точке, лежащей на поверхности экрана (8). При этом регулируется только потенциал 1-го анода, т.к. потенциал 2-го анода влияет на яркость свечения и чувствительность ЭЛТ.
5. Система отклоняющих пластин. Пара параллельных, горизонтально расположенных пластин 6 (рис. 1) служит для отклонения электронного луча в вертикальном направлении и называется вертикально-отклоняющими пластинами. При подаче на них разности потенциалов, светящееся пятно на экране будет отклоняться в сторону положительно заряженной пластины. Величина смещения луча от оси трубки пропорциональна величине приложенной разности потенциалов: у=jU (1) где: у - величина напряжения; U - разность потенциалов на отклоняющих пластинах; j - чувствительность ЭЛТ.
Получение изображения на экране ЭЛТ
Периодические во времени процессы изображаются в виде графиков, по оси ординат которых откладываются переменная величина (функция), а по оси абсцисс время (аргумент). На рис. 3 показаны графики некоторых видов периодических сигналов.
Для наблюдения на экране ЭЛТ этих процессов необходимо каким-либо способом преобразовать величину в пропорциональное ей напряжение и подать его на вертикально отклоняющие пластины. Т.к. напряжение будет меняться со временем, светящаяся точка на экране будет смещаться от центра вниз и вверх, так что в каждый момент времени y=jU, где U -мгновенная величина напряжения. При быстрых колебаниях из-за инертности зрения мы увидим на экране вертикальную светящуюся линию, длина которой пропорциональна удвоенной амплитуде переменного напряжения.
Рис. 3
Чтобы увидеть на экране колебания в форме графиков (рис. 3), необходимо одновременно с началом колебаний смещать луч слева на право, равномерно прикладывая к горизонтально отклоняющим пластинам линейно возрастающее со временем напряжение. Однако при некоторой разности потенциалов луч может выйти за пределы экрана. Чтобы этого не произошло, напряжение должно возрастать до некоторой максимальной величины. Это напряжение называется развертывающим напряжением, а затем процесс перемещения луча медленно - слева направо - и быстро - справа налево - называется разверткой. Иногда за его характерную форму это напряжение называют «пилообразным». График такого напряжения показан на рис. 4.
Рис. 4
Так как никакой процесс не может протекать мгновенно, то спад напряжения будет не вертикальным, а наклонным (рис. 4). Кроме того, чтобы использовать всю площадь экрана ЭЛТ, необходимо отклонять луч как влево, так и вправо от центра экрана. Это достигается тем, что напряжение развертки делают симметричным относительно оси абсцисс (рис. 4).
Время движения луча слева направо и обратно называется периодом развертки. Оно складывается из времени прямого луча Т1 и времени обратного хода Т2. Напряжение развертки получают с помощью генератора развертки.
Генератор развертки
Упрощенная схема генератора развертки показана на рис. 5.
Схема состоит из цепочки RC, соединенной последовательно с источником питания +А, -А. Параллельно емкости С подключен тиратрон Л. Конструктивно тиратрон близок к обычному триоду, но вместо вакуума имеет в баллоне газ под низким давлением.
На сетку тиратрона подано напряжение синхронизации Uс о назначении которого будет сказано ниже. Тиратрон обладает тем свойством, что при напряжении ниже заданной величины, называемой напряжением зажигания, Uзаж, он не проводит ток. Величина Uзаж определяется конструкцией тиратрона и напряжением на его управляющей сетке. При достижении внешнего напряжения U=Uзаж происходит «зажигание» тиратрона и он начинает проводить ток. В проводящем состоянии тиратрон обладает низким внутренним сопротивлением. Изменение напряжения на сетке «зажженного» тиратрона практически не влияет на его проводимость. Таким образом, сетка тиратрона, в отличии от триода, управляет только моментом зажигания, а затем перестает влиять на работу.
При снижении внешнего напряжения до Uзаж тиратрон не гаснет. Чтобы он погас, необходимо снизить внешнее напряжение до Uгаш<Uзаж - После гашения тиратрон перестает проводить ток и может зажечься при увеличении внешнего напряжения U=Uзаж. В момент подключения источника конденсатор С не имеет заряда. Напряжение на сетке будет считаться равным нулю. После подключения начинается процесс зарядки конденсатора С от источника через сопротивление R. График этого процесса показан на рис. 6 (кривая 1).
Рис.5
 |
Рис.6
Если бы в схеме не было тиратрона, процесс зарядки происходил бы по экспоненте до U=Uo (напряжение источника). Но при достижении U=Uзаж происходит зажигание тиратрона. А так как он обладает низким сопротивлением, то конденсатор разряжается через него и напряжение на конденсаторе быстро падает до Uraш при котором тиратрон гаснет (кривая 2 на рис. 6). После этого процесс повторяется, но уже не от нуля, а от Uгаш. В результате напряжение на конденсаторе С будет меняться по кривой, близкой к пилообразному напряжению. Специальными мерами, которые здесь не рассматриваются, можно улучшить форму кривой, сделав ее практически линейной. Для изменения частоты развертывающего напряжения нужно менять величину С и R. При увеличении R и С увеличивается время зарядки конденсатора и частота уменьшается, а при уменьшении - возрастает.
Синхронизация
Для того, чтобы изображение кривой периодического процесса выглядело бы на экране неподвижным, необходимо выполнить условие
Тразв=nТсигн (2)
где Тразв - период развертки,
Тсигн - период исследуемого сигнала,
n - целое число.
При п=1 на экране будет виден один период сигнала, при п =2 - два периода и т.д.
Подбор соотношений между периодом развертки и периодом сигнала осуществляется путем перенастройки генератора развертки: изменением величины емкости С (ручка «частота грубо») и сопротивлением R (ручка «частота плавно»).
Но добиться равенства или кратности частот двух независимо работающих генераторов практически невозможно из-за «плавания» частоты, т.е. случайных отклонений частоты в большую или меньшую сторону, вызываемых нестабильностью работы генераторов.
Для выполнения условия (2) необходимо подстраивать непрерывную частоту генератора развертки. Это осуществляется подачей напряжения исследуемого сигнала на управляющую сетку тиратрона (рис. 6). Напряжение внешнего сигнала называется «синхронизирующим» напряжением или сигналом, а сам процесс автоматической подстройки генератора развертки называется «синхронизацией». Синхронизация осуществляется с помощью ручки «амплитуда синхронизации».
Блок - схема осциллографа
Осциллограф состоит из ЭЛТ, вертикально отклоняющих пластин, связанных с генератором развертки через «усилительиУ». С помощью переключателя «частота грубо» можно отключить генератор развертки и соединить горизонтально - отклоняющие пластины с входом «X». На «X» и «У» можно подавать два независимых сигнала.
Блок питания осциллографа дает постоянное напряжение для питания усилителей, генератора развертки и ЭЛТ, а также переменное напряжение 6,3 В для питания нитей накала ламп и ЭЛТ.
Виды измерений
Почти все виды измерений параметров сигналов можно свести к трем видам измерений: 1) измерения амплитуды, 2) измерению частот, 3) измерение фазы сигнала (точнее - разности фаз между двумя сигналами).
Измерение амплитуды
Подача переменного сигнала на вертикально — отклоняющие пластины дает на экране вертикальную линию длина которой h=2 y=2joUo. Здесь Uo -амплитуда напряжений на пластинах и j - чувствительность ЭЛТ. Так как сигнал подается не прямо на пластины, а на аттенюатор «усилитель У», то амплитуда напряжения на пластинах Uo и амплитуда изучаемого сигнала UK связаны отношением:
U0=k,k2Uk,
где k1 - коэффициент усиления «усилителя», k2 - коэффициент ослабления аттенюатора. В результате можно записать: y=jU, т.е. длина видимой на экране линии пропорциональна напряжению сигнала. Величина j=k2j0 (3) называется чувствительностью осциллографа.
Измерение частоты
Частота различных сигналов с помощью осциллографа может измеряться несколькими методами. Наиболее распространен метод фигур Лиссажу. Если два синусоидальных сигнала Ux=Uox sin ώx t и Uy=Uoy sin ώy t подать на выходы «X» и «У», отключить генератор развертки, то на экране ЭЛТ можно наблюдать кривую, являющуюся результатом сложения двух взаимно- перпендикулярных колебаний электронного луча с частотами ώx и ώ y Как показывает расчет, кривая на экране будет неподвижна, если выполнено условие n ώx =m ώy где m и n - любые целые числа. Такие кривые получили название фигур Лиссажу, которые показаны на рис. 8
Рис. 8
По форме кривых можно определить соотношение частот сигналов. Для этого надо мысленно провести к кривой две касательных – вертикальную и горизонтальную. Пусть m -число касаний горизонтальной линии. Тогда 
Зная частоту ώх, можно найти частоту ώу. Для этого на вход «X» подключают сигнал с известной частотой (генератор), а на вход «У» - с неизвестной частотой. Изменяя частоту генератора, добиваются получения одной из фигур Лиссажу и определяют m и n. Тогда:
| (4) |
ώу=ώх
где ώN - частота генератора;
ώу - частота исследуемого сигнала.
Измерение разности (сдвига) фаз φ2 — φ1
Принцип измерения разности фаз с помощью осциллографа основывается на измерении параметров эллипса (фигуры Лиссажу), получающейся на экране ЭЛТ при подаче на входы «X» и «У» двух напряжений, одинаковых по частоте, но сдвинутых по фазе:
Ux=U1cos(ώt +φ1)
Uy=U2cos(ώt+φ2), (5)
Разность (φ2 – φ1) называется разностью или сдвигом фаз сигналов Uх Uy.
Так величина отклонения угла пропорциональна величине напряжения, то вместо уравнения (5) можно записать:
x=a1сos(ώt+φ1)
y=a2cos(ώt+φ2)
Здесь х - отклонение луча по горизонтали;
у - отклонения луча по вертикали;
а1 - максимальное отклонение луча по горизонтали;
а2 - максимальное отклонение луча по вертикали.
Система уравнений (6) представляет собой уравнения траектории электронного луча на экране ЭЛТ в параметрической форме. Исключение приводит к уравнению следующего вида:
Это уравнение эллипса, оси которого расположены под некоторым углом к осям X и У (рис.8).
Рис. 8
Найдем точки А и В на оси X. А - точка пересечения эллипса с осью X, а точка В - максимальная координата Хмах=а. Точка А получается при подстановке в уравнение у=0.
Точка В соответствует максимальному отклонению луча по оси X, т.е. величина XB=ai.
Следовательно, такой метод позволяет находить разность фаз двух сигналов с точностью до знака.
Знак разности фаз можно найти, если есть возможность менять фазу одного из сигналов, например, Ux. Тогда, увеличивая ф2 можно по изменении формы кривой определить, возрастает или уменьшается разность фаз (ф2-ф). Если с ростом разность фаз уменьшается, то в выражении (10) надо взять знак «-».
Перечисленные виды измерений далеко не исчерпывают всех возможностей применения электронного осциллографа. Однако, специальные виды измерений здесь не рассматриваются.
Общий вид установки приведен на рис. 9.
Рис. 9
Установка состоит из осциллографа типа С1-5, звукового генератора, специальной приставки «СП» и источника питания (клеммы на щитке)
Приставка «СП» представляет собой компактное устройство, состоящее из нескольких генераторов, дающих напряжение различной частоты и формы, фазовращающейся цепочки и переключателей, с помощью которых тот или иной сигнал может подаваться на клеммы «выход» приставки «СП».
Соединение проводов показано схематично на рис. 10.
СХЕМА РАЗБОРКЕ НЕ ПОДЛЕЖИТ!
Выполнение работы:
Работа состоит из трех самостоятельных задач:
1. Градуировка чувствительности осциллографа.
2. Наблюдение сигналов различной формы и измерение их амплитуд.
3. Измерение частоты генератора методом фигур Лиссажу.
Градуировка чувствительности осциллографа
1. Отключают от осциллографа шнур, идущий от клемм «выход СП» к клеммам «Вход У» осциллографа.
2. Соединяют клемму «контр, сигнал» с клеммой «вход У». При этом на «вход У» осциллографа будет подано синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц и амплитудой U=6 В.
3. Ручку «усиление У» ставят в крайнее положение (на цифру 10). При этом светящаяся точка на экране вытягивается в вертикальную линию и может выйти за пределы экрана.
4. Устанавливают ручку «аттенюатор» в положение 1:10 или 1:100, ослабляя тем самым сигнал в 10 или 100 раз. Выбирают такое положение аттенюатора, при котором линия имеет максимальную длину, но не выходит за пределы экрана.
5. Ручкой «усиление X» развертывают изображение синусоиды на всю ширину экрана.
6. Если синусоида на экране «бежит», подбирают сначала такое положение ручки «частота плавно», чтобы движение было медленным или скачкообразным; поворачивая ручки «амплитуда синхронизации», добиваются полной остановки синусоиды.
7. Записывают в таблицу 1 величину удвоенной амплитуды сигнала в мм, показания ручки «аттенюатор» и значению амплитуды контрольного сигнала Ux в вольтах.
Таблица 1
| Положение ручки | Положение ручки | Удвоенная | Чувствительность |
| «усиление У» | «аттенюатор» | амплитуда, (мм) | j (мм)/(в) |
10. Проделывают аналогичные измерения для положений переключателя 1, 2, 3, 4, 5, зарисовывая графики и указывая величину амплитуды.
Измерение частоты сигнала методом фигур Лиссажу.
1. Устанавливают переключатель П1 в положение 3.
2. Ставят переключатель «множитель» на ЗГ в положение х10
3. Ручками «выход» и «усиление У» регулируют на экране изображение так, чтобы оно имело приблизительно одинаковые ширину и высоту 1/3 + ½ диаметра экрана.
4. Плавно вращая лимб «частота» ЗГ влево, наблюдают за положением кривых на экране.
5. Добиваются на экране изображения эллипса неподвижного или медленно движущегося.
6. При этом частота генератора ЗГ равна частоте исследуемого сигнала. Измеренную частоту записывают в таблицу 2.
7. Рассчитывают частоты кратные измеренной в отношениях 1:2, 1:3, 2:3, 2:1, 3:2.
Устанавливают эти частоты на ЗГ и наблюдают получаемые фигуры Лиссажу, добиваясь их неподвижности или медленного движения. Зарисовывают фигуры и записывают в таблицу 2 для каждой фигуры частоты сигналов и соотношение.
| Таблица 2 | ||
| № фигуры | Соотношение частот | Частота генератора (V) |
Измерение разности (сдвига) фаз (φ1-φ2)
1. На «вход У» подают синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц.
2. На экране осциллографа добиваются изображения неподвижного эллипса.
3. Находят на экране точки А и В на оси Х.
4. Определяют разность фаз двух сигналов по формуле φ1- φ2=arsin Xa/Xb.
Все графики должны быть выполнены на миллиметровой бумаге со всеми необходимыми пояснениями.
Контрольные вопросы:
1. Из каких узлов (блоков) состоит осциллограф?
2. Как устроена электронно-лучевая трубка?
3. Как регулируется яркость изображения на экране ЭЛТ?
4. Как происходит фокусировка электронного луча?
5. Какое назначение имеют пары отклоняющих пластин?
6. Что называется чувствительностью осциллографа и как она определяется?
7. Что такое синхронизация? Как она практически осуществляется?
8. Что такое фигуры Лиссажу? Как их получить?
9. Как с помощью фигур Лиссажу измерить частоту неизвестного сигнала?
10. Какую роль играет в работе специальная приставка СП?
11. Как устроен и работает генератор развертки?
Литература:
1. И.В. Савельев. Курс общей физики, том. 2 «Наука» 1978, §§ 72, 73
2. Г.А. Зисман О.М. Тодес Курс общей физики, том.2 «Наука» 1974, § 38
3. Т.И. Трофимова. Курс физики. М.: Высшая школа, 1999г.
