Лабораторная работа № 10
Изучение работы осциллографа
Цель работы: изучить устройство простейшего электронного осциллографа.
Оборудование: электронный осциллограф, звуковой генератор, источник тока ВС-24.
Теория вопроса и метод выполнения работы
Электронный осциллограф – это прибор, который позволяет регистрировать и выводить на экран форму электрических сигналов (зависимость напряжения от времени), а так же измерять их параметры. Название своё осциллограф получил от двух слов: латинского oscillum – колебания и греческого grapho – пишу. В переводе на русский “осциллограф” означает прибор для записи колебаний. К достоинствам осциллографа, как измерительного прибора, следует отнести его высокую чувствительность и безинерционность действия, а так же то, что можно измерять сразу несколько параметров сигнала и наблюдать за развитием электрических процессов во времени.
При наличии устройств, преобразующих механические или другие неэлектрические колебания в пропорциональные им колебания напряжения, осциллограф может служить для исследования большинства физических процессов.
Электронный осциллограф широко применяют в экспериментальной физике, химии, биологии, медицине, геологии, радиотехнике и т.п.
По назначению и принципу действия осциллографы разделяются на универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные. В данной работе рассматривается универсальный осциллограф.
Блок схема осциллографа
На рис. 1 приведена блок-схема электронного осциллографа, часто встречающегося в лабораториях (марки С157/4, С1-94), которая включает в себя блок питания БП, электронно-лучевую трубку ЭЛТ, генератор пилообразного напряжения ГР (генератор развертки), усилители Yx и Yy и синхронизирующее устройство СУ. Яркость электронного луча и его фокусировка регулируются делителем напряжения R 1 – R 3, к которому подводится высокое напряжение от блока питания. Потенциометры R 4 и R 5 позволяют перемещать электронный луч в вертикальном и горизонтальном направлениях.
В схему генератора развертки входят резисторы и конденсаторы. Меняя величину сопротивлений и ёмкостей, можно изменять период напряжения развертки, получая при этом на экране разное число периодов исследуемого напряжения.
На панели управления осциллографа, применяемого в данной работе, расположены экран и следующие ручки:
■ ручки «Яркость», «Фокус» служат для установки необходимой яркости и чёткости изображения;
■ ручки перемещения изображения по вертикали и горизонтали;
■ переключатель длительности развертки (имеющий также положение «выкл»);
■ делитель входного усилителя, служащий для выбора нужной чувствительности усилителя вертикального отклонения луча;
■ кнопка переключения между режимами чувствительности ms и µs;
■ входные гнезда усилителей «Yy» и «Yx»;
■ ручка выключателя сети.
Рис. 1. Блок-схема осциллографа
Электронно-лучевая трубка
Базовым рабочим элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), поэтому осциллограф и называется электроннолучевым. Схематически устройство ЭЛТ показано на рис. 2.
ЭЛТ состоит из стеклянного баллона, содержащего электронную пушку (катод 1 с подогревающей спиралью 2), управляющий электрод 3, и аноды 4, 5. Управляющий электрод позволяет регулировать величину потока электронов и тем самым изменять яркость светящейся точки на экране 8. Аноды 4 и 5 ускоряют электроны и концентрируют их в узкий пучок. Из баллона откачан воздух (до ~ 
Па) для того, чтобы электроны с катода 1 беспрепятственно попадали на люминесцентный слой, нанесённый на внутреннюю, выпуклую сторону баллона.
Рис. 2. Электронно-лучевая трубка
Пройдя ускоряющее напряжение 
, электроны приобретают кинетическую энергию 
и летят со скоростью:
м/с,
где 
– заряд электрона; 
– его масса.
Отклоняющая система трубки. Блок развёртки и синхронизации
Положение светового пятна на экране зависит от пары напряжений, приложенных к горизонтально – 6 (
) и вертикально – 7 (
) отклоняющим пластинам. Если на – пластины подать переменное, например, синусоидальное напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При достаточно большой частоте колебаний (20-50 Гц) электронный луч оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию (рис. 3а). Аналогично, напряжение, поданное на горизонтально отклоняющие пластины – , даст горизонтальную линию.
а) б)
Рис. 3. Принцип образования осциллограммы
При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин можно получить различные осциллограммы. Например, подавая на пластины и два синусоидальных сигнала с определенными соотношениями частот, амплитуд и фаз, можно наблюдать кривые, изображенные на рис. 3б, рис. 4 – фигуры Лиссажу. По получаемым кривым можно определить соотношение частот и фаз двух сигналов.
Рис. 4. Фигуры Лиссажу для двух синусоидальных
сигналов с различными соотношениями частот и фаз
Если мы хотим наблюдать какой-либо периодический сигнал в зависимости от времени, то для получения его действительной формы 
напряжение 
должно быть пропорционально времени. В универсальных осциллографах для того, чтобы получить неподвижную картину, а не бегающую точку, необходимо, чтобы однократная осциллограмма не менее 10¸50 раз в секунду повторялась (это связано с временем послесвечения люминофора и временем релаксации глаза) – и каждый раз приходилась бы на одни и те же точки экрана. Для этого надо:
1 – чтобы линейно возрастающее напряжение периодически повторялось – такое напряжение называется пилообразным (рис. 5). Оно вырабатывается специальным генератором, который имеется в осциллографе. В зависимости от поставленной задачи можно пользоваться или этим генератором, или подавать на вход любое необходимое вам напряжение (генератор пилообразного напряжения и блок синхронизации при этом отключается, что соответствует положению переключателя режимов развертки);
Рис. 5. Пилообразное напряжение
2 – чтобы частоты пилообразного напряжения и исследуемого сигнала были равны или кратны друг другу. Добиться этого ручной регулировкой частоты практически невозможно из-за неизбежной нестабильности, как периода развертки, так и периода сигнала. Кроме того, при ручной регулировке периода нарушается временной масштаб и становится невозможным измерение интервалов времени методом калиброванной развертки. Поэтому в осциллографе имеется блок синхронизации, выполняющий автоматическую подстройку периода развертки под исследуемый сигнал. Этот процесс – изменение частоты повторения пилообразного напряжения до значения, равного или кратного частоте сигнала 
– называется синхронизацией. В зависимости от того, как сигнал попадает в блок синхронизации, различают три вида синхронизации: внутреннюю, внешнюю и от сети.
При внутренней синхронизацииисследуемый сигнал поступает на вход и уже внутри осциллографа разделяется и идёт как на вертикально отклоняющие пластины, так и в блок синхронизации. Таким образом, исследуемый сигнал сам управляет развёрткой осциллографа.
При внешней синхронизации сигнал с входа идёт только на пластины вертикального отклонения, а в блок синхронизации сигнал от внешнего устройства подается с входа . Использовать внешнюю синхронизацию целесообразно в случае, если исследуемый сигнал недостаточен по амплитуде или непригоден по форме для синхронизации (например, содержит шумы). Например, при работе с сигналами, изменяющимися по форме, сложно получить неподвижное изображение при внутренней синхронизации. Тогда на вход подаётся сигнал внешней синхронизации (например, запускающие импульсы исследуемого сигнала) для согласования частоты повторения развертки с частотой исследуемого сигнала. Так как его частота точно равна частоте наблюдаемого сигнала, то картина должна стать неподвижной.
Синхронизация от сети обычно используется для проверки узлов приборов, связанных с преобразованием питающего напряжения от силовой сети (трансформаторов, выпрямителей, стабилизаторов и т.д.). В этом режиме в блок синхронизации подается сигнал с частотой промышленной сети 50 Гц от понижающего трансформатора внутри осциллографа.
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 общем случае в результате сложения получаются кривые сложной формы, называемые фигурами Лиссажу, по общему виду которых можно определить как отношение частот, так и разность фаз складываемых колебаний.
Рассмотрим два взаимоперпендикулярных колебания X и Y с частотами 
= 10 и 
, и разностью фаз 
:
;
.
Исключив из этих уравнений время, получим уравнение траектории движения луча. Вид уравнения будет определяться значениями величины 
, ,
, 
. Если 
, т.е. 
, то уравнение траектории имеет вид:
,
которое является уравнением эллипса. Вид эллипса зависит от величины и амплитуд , . Если 
, то эллипс вырождается в прямую. Если 
, то получается эллипс, оси которого совпадают с осями координат. При 
эллипс переходит в окружность. При произвольных значениях 
складываемых колебаний траектория будет сложной. Существует простой метод, позволяющий по фигурам определять отношение частот складываемых колебаний. Отношение числа пересечений неподвижной фигуры Лиссажу с координатными осями равно соотношению частот, т.е.:
,
где 
– число пересечений линий фигуры с осью ; 
– число пересечений линий фигуры с осью ; , 
– частоты напряжений, подаваемые на пластины и соответственно.
В случае, когда ось координат проходит через точку пересечения линий фигур Лиссажу, при подсчете и её считают дважды.
Например:
а) б) в)
Рис. 6. К подсчёту пересечений фигур с осями
В настоящей работе сравнение частот производится с помощью электронного осциллографа, на вертикально отклоняющие пластины которого подается исследуемое напряжение от источника колебаний звуковой частоты, а на горизонтально отклоняющие пластины напряжение от сети переменного тока с частотой 
(
=50 Гц).
Порядок выполнения работы
Задание 1. Ознакомление с работой осциллографа
1. Ознакомьтесь с панелью управления осциллографа.
2. Подготовьте осциллограф к работе. Переключите тумблер «Диапазон частоты» блока развёртки в положение «Выкл».
3. Включите осциллограф в сеть переменного тока и включите тумблер «Сеть». После прогрева прибора (~ 4 мин), вращая ручку «Ось Х» и «Ось Y» вправо-влево добейтесь появления светящейся точки на экране и установите её в центр координатной сетки осциллографа. С помощью ручек «Фокус» и «Яркость» добейтесь чёткости и приятной яркости светящегося пятна.
4. На вертикальный вход осциллографа (клеммы «Вход Y», «Земля») подайте напряжение от звукового генератора. Включите звуковой генератор в сеть и установите произвольную частоту напряжения на выходе генератора.
5. Включив внутреннюю синхронизацию тумблером «Внутр» и вращая ручки «Диапазон частот» и «Частота плавно», добейтесь чёткого неподвижного изображения синусоиды на экране осциллографа, зарисовав её и записав подаваемую частоту.
Задание 2. Определение частот сигналов с помощью фигур Лиссажу
1. Соберите схему в соответствии с рис. 7.
2. Включите осциллограф.
3. Включите в сеть звуковой генератор. Включите источник тока ВС-24, подав на вход Х напряжение 5 В.
4. Меняя частоту звукового генератора, получите на экране неподвижную фигуру Лиссажу (по рис. 4).
Рис. 7. Схема эксперимента
5. Зарисуйте фигуру, наблюдаемую на экране осциллографа, и проверьте для неё соотношение 
, где и – максимальное число точек пересечения фигуры с осями 
и 
соответственно.
6. По лимбу звукового генератора зафиксируйте значение частоты
. Частота =50 Гц для цепи переменного тока.
7. Получите ещё три фигуры Лиссажу для других пар частот генераторов и проверьте для них соотношение . Зарисуйте фигуры.
8. Результаты эксперимента запишите в таблицу.
| № п/п |  , Гц
|  , Гц
| 
| 
| 
| 
|
Контрольные вопросы
1. Где применяется электронный осциллограф? Каковы достоинства осциллографа по сравнению с другими электронно-измерительными приборами?
2. Каковы устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки?
3. Каким образом можно изменить яркость пятна на экране осциллографа?
4. Как производится фокусировка электронного луча?
5. Для чего служит генератор развёртки?
6. Как получить неподвижное изображение на экране осциллографа?
7. Что такое фигура Лиссажу? Как получить её на экране осциллографа?
