Oscillograph_report
.docxЛевин Д.
Нижегородский Государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Высшая школа общей и прикладной физики
Отчёт по лабораторной работе по общей физике № 17
Осциллограф
Цели работы:
рассмотреть принцип работы осциллографа, назначение его узлов и их взаимодействие;
определить чувствительность электронно-лучевой трубки;
получить осциллограммы напряжений при различном соотношении частот сигнала и развёртки;
оценить линейность вертикального усилителя и исследовать его частотные свойства;
получить фигуры Лиссажу при различной величине n отношения частоты входного сигнала к частоте контрольного сигнала, где n = {1, 2, 3, 4}.
Приборы и оборудование: генератор низкочастотных сигналов Г3-109 (класс точности 2,5); осциллограф ЭО-7 со съёмной миллиметровой сеткой.
Теоретическая часть
Осциллограф – это прибор, предназначенный для исследования параметров электрических сигналов. Его схема приведена ниже.
Основные блоки осциллографа:
1. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).
ЭЛТ представляет собой откачанный до высокого вакуума стеклянный баллон, передняя стенка которого (экран) покрывается с внутренней стороны специальным составом – люминофором; в месте попадания на него электронного луча образуется яркая светящаяся точка.
Последний формируется с помощью электронной пушки, состоящей из подогревного катода К и трех цилиндрических коаксиальных электродов: модулятора М, первого анода А1 и второго анода А2. Электроны, вылетающие из катода, ускоряются и фокусируются полем этих электродов таким образом, чтобы на экране трубки получилось небольшое светящееся пятно.
Чем больше электронов в пучке, т.е. чем больше ток пучка, тем ярче пятно на экране. Ток регулируется напряжением на модуляторе с помощью потенциометра, ручка которого выведена на переднюю панель прибора (ручка «яркость»).
Фокусировка осуществляется изменением напряжения на первом аноде с помощью соответствующего потенциометра (ручка «фокус» на передней панели).
2. Входные цепи и усилители.
Реальная чувствительность трубки составляет порядка 1,5–2 мм/В. Исследуемые же сигналы могут иметь величину от милливольт до сотен вольт, поэтому для получения нормальной осциллограммы их, как правило, необходимо усиливать или ослаблять.
С левых гнезд «вход» и «земля» на передней панели осциллографа сигнал подается на входной делитель напряжения (аттенюатор), упрощенная схема которого приведена выше. Конденсатор C1 препятствует попаданию на вход усилителя постоянной составляющей сигнала. Резисторы R1, R2 и R3 образуют ступенчатый делитель напряжения. Ручка переключателя П выведена на переднюю панель («ослабление»). В схеме усилителя предусмотрен потенциометр, плавно регулирующий величину сигнала (левая ручка «усиление»). С выхода усилителя сигнал поступает непосредственно на Y пластины.
3. Блок развертки.
Пилообразное напряжение, с помощью которого осуществляется равномерное во времени горизонтальное отклонение луча, вырабатывается генератором развертки.
В идеале график напряжения развертки Uр должен быть таким, как изображенный слева, но на самом деле оно изменяется по экспоненциальному закону – так, как показано справа.
Генератор собран на тиратроне – газонаполненной лампе, которая имеет накаливаемый катод и управляющую сетку. Пока напряжение на аноде не достигнет величины напряжения зажигания Uз, тиратрон практически не пропускает ток. В это время конденсатор, включенный между анодом и катодом, заряжается через сопротивление (R2+R3). Как только напряжение на конденсаторе достигнет величины Uз, тиратрон «зажигается», его сопротивление резко падает, и конденсатор быстро разряжается до тех пор, пока напряжение на аноде не упадет до величины напряжения «гашения» Uг. Тиратрон при этом закрывается, его сопротивление резко возрастает, а конденсатор вновь начинает заряжаться.
Скачкообразное изменение частоты развертки осуществляется с помощью переключателя П1, который позволяет менять емкость подключаемого конденсатора (ручка «диапазон частот»). На самом деле П1 имеет 9 положений и может подключать 8 конденсаторов. В 9-м (крайнем левом) положении он отключает генератор развертки от горизонтального усилителя и подключает последний к правым входным клеммам. При каждом положении П1 частоту развертки можно менять с помощью переменного сопротивления R2 (ручка «частота плавно»).
4. Синхронизация.
Для получения неподвижной осциллограммы должно выполняться условие , где m и n – целые числа. Правда, в случае, когда m≠1, может получиться наложение друг на друга разных кусков осциллограммы.
Однако колебания генератора развертки нестабильны; кроме того, в процессе наблюдения может несколько меняться и частота исследуемого сигнала. Процесс принудительного установления и поддержания кратности этих частот называется синхронизацией.
Если на сетку тиратрона подать синхронизирующее напряжение Uc, то потенциал зажигания будет изменяться: при уменьшении напряжения на сетке он увеличивается и наоборот. В результате изменяются моменты зажигания тиратрона и устанавливается новый период развертки . Регулировка амплитуды синхронизации осуществляется потенциометром R1 (ручка «амплитуда синхронизации» на передней панели).
Практическая часть
Определение чувствительности вертикального и горизонтального каналов:
Для измерения чувствительности вертикального и горизонтального каналов при максимальном увеличении была получена зависиость отклонения луча от напряжения при максимальном усилении и частоте 1 кГц. При этом учитывалось, что вольтметр проградуирован в эффективных значениях выходного напряжения, а которое в раз меньше амплитудного.
Вертикальный канал. Усиление по X – min, по Y – max. |
Uэ, В |
0,014 |
0,020 |
0,040 |
h, мм |
30 |
45 |
85 |
|
ϰ, мм/В |
757,61 |
795,5 |
751,3 |
|
ϰср, мм/В |
768,14 |
|||
Горизонтальный канал. Усиление по X – max, по Y – min. |
Uэ, В |
0,45 |
1,00 |
1,50 |
h, мм |
25 |
55 |
75 |
|
ϰ, мм/В |
19,64 |
19,45 |
17,68 |
|
ϰср, мм/В |
18,92 |
Погрешности прямых измерений:
Погрешность сетки:
Для вертикального канала:
Для горизонтального канала:
Погрешность косвенных измерений:
Изучение работы развертки:
Получение осциллограммы напряжения с генератора при :
1)
2)
3)
3)
3)
Наблюдение срыва синхронизации при изменении частоты генератора:
n/m |
Амплитуда синхронизации |
, Гц |
, Гц |
||||||||
, Гц |
, Гц |
||||||||||
1 |
2 |
6 |
6 |
6 |
6 |
4 |
2 |
5 |
|||
9 |
35 |
30 |
35 |
36 |
40 |
42 |
36,3 |
||||
1/2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
|||
9 |
6 |
7 |
8 |
6 |
4 |
5 |
6 |
||||
2 |
2 |
10 |
7 |
10 |
10 |
10 |
12 |
9,8 |
|||
9 |
35 |
40 |
40 |
60 |
55 |
60 |
48,3 |
При включённой синхронизации, если
– картинка бежит влево;
– картинка бежит вправо.
Оценка послесвечения трубки:
f=46Гц
Оценка линейности вертикального канала усиления:
Для оценки был построен график зависимости отклонения луча от напряжения на входе при ослаблении входного делителя 1:100 и нескольких положениях регулятора усиления.
Усиление |
|
|||
4 |
U, В |
3 |
4 |
5 |
h, мм |
11 |
15 |
18 |
|
6 |
U, В |
3 |
4 |
5 |
h, мм |
31 |
43 |
55 |
|
8 |
U, В |
3 |
4 |
5 |
h, мм |
65 |
85 |
105 |
Оценка частотных свойств вертикального усилителя:
Для оценки частотных свойств была установлена зависимость отклонения луча на экране от частоты входного сигнала.
f, Гц |
||||||||
h, мм |
55 |
55 |
55 |
55 |
55 |
55 |
45 |
30 |
Фигуры Лиссажу:
Подав на вход Y осциллографа контрольный сигнал, а на вход X – сигнал от генератора, мы получили фигуры Лиссажу при n fр = fс , где n = {1, 2, 3, 4}.
n=1
n=2
n=3
n=4
Выводы:
Были рассмотрены узлы осциллографа и их взаимодействие. Удалось установить следующие важные характеристики:
чувствительность вертикального канала: мм/В,
и горизонтального канала: мм/В.
Были получены осциллограммы напряжений при .
Было установлено время послесвечения трубки: Было установлено, что вертикальный усилитель обладает хорошей линейностью и его работа мало зависит от частоты подаваемого сигнала.
Были получены фигуры Лиссажу.