Федеральное агентство железнодорожного транспорта

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный университет

путей сообщения»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта» исследование электронно-лучевого осциллографа

Отчет по лабораторной работе № 4

по дисциплине «Электроника»

ИНМВ. 600001. 000

Студенты гр.40а

В. А. Деринг

Ю. В. Прохоренко

Руководитель –

доцент кафедры ЭЖТ

Е. Ю. Салита

Омск 2012

Цель работы: изучить принцип действия и устройство электронно-лучевого осциллографа; овладеть навыками проведения измерений с помощью осциллографа.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Электронно-лучевым осциллографом (ЭЛО) называется прибор, предназначенный для записи или наблюдения изменения электрических сигналов во времени на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), а также для измерения амплитудных и временных параметров различных электрических величин (тока, напряжения, частоты, мощности, сдвига фаз, параметров импульсов и т. д.). Основным узлом осциллографа является ЭЛТ – электровакуумный прибор, в котором электронный поток формируется в электронный луч и используется для преобразования электрических сигналов в световые.

Принцип работы ЭЛО основан на взаимодействии электронного потока с полем, создаваемым электрическим (или преобразованным) сигналом, пропорциональным изменению исследуемых величин. Пучок электронов на экране ЭЛТ описывает замкнутую кривую (осциллограмму), отражающую исследуемый процесс.

Предлагаемый для изучения универсальный двулучевой осциллограф С1-137 позволяет исследовать формы непрерывных и импульсных сигналов путем измерения их амплитудных и временных параметров в диапазоне напряжения размахом от 6 мВ до 40 В (с выносным делителем 1:10 – до 300 В) длительностью от 0,05 мкс до 2 с в полосе частот от 0 до 25 МГц.

Структурная схема, на которой указаны основные функциональные узлы осциллографа С1-137, приведена на рисунке 1.

Назначение органов управления и их обозначение на лицевой панели осциллографа приведены в таблице 1.

По принципу действия осциллограф является прибором, чувствительным к напряжению, следовательно, все измерения в конечном счете сводятся к измерению отклонения луча под влиянием приложенного напряжения.

Усилитель

внутренней

синхронизации

Входное

устройство

Предварительный усилитель

I канала

Вход I

Коммутатор

Линия

задержки

Высоковольтный

преобразователь

Выходной

усилитель

Входное

устройство

Предварительный усилитель

II канала

Вход II

Усилитель

внутренней

синхронизации

Устройство

управления

коммутатором

ЭЛТ

Устройство

формирования

импульсов

запуска и

импульсов

подсвета

Усилитель

импульсов

подсвета

Переключатель

входа

синхронизации

Вход

синхронизации

Низковольтный

источник питания

5; 12; –12; 80; 107 В

Усилитель

горизонтального

отклонения

Генератор

развертки

Триггер

запуска

Рисунок 1 – Структурная схема электронно-лучевого осциллографа С1-137

Таблица 1 – Обозначение органов управления на лицевой панели осциллографа

Маркировка	Назначение
Сеть, откл/вкл	Включение и выключение осциллографа
☼	Регулирование яркости луча
	Регулирование фокусировки луча
V/дел I; V/дел II	Установка коэффициентов отклонения каналов I и II
1V, 1 KHz	Гнездо входа сигналов калибратора
	Клемма заземления
↕	Перемещение луча по вертикали каналов I и II
I; II; I и II; I + II	Включение канала I, канала II, двухканального режима, алгебраического суммирования каналов
---, →→	Включение прерывистого или поочередного режима работы тракта вертикального отклонения
Время/дел.	Установка коэффициента развертки
μs, ms	Выбор масштаба коэффициентов развертки
↔	Перемещение луча по горизонтали
× 10, × 1	Включение, выключение 10-кратной растяжки развертки
ТВ, 0	Выбор синхронизации развертки телевизионным сигналом
ИНВ, 0	Инвертирование сигнала в канале II
Сеть, I, II, внешн	Выбор синхронизации развертки сигналом сети питания (сеть), от канала I (I) или канала II (II), внешним сигналом (внешн)
,	Выбор открытого ( ) или закрытого ( ) входа синхронизации
+, –	Выбор полярности (наклона) сигнала синхронизации для запуска развертки
Стр, Поле	Выбор синхронизации сигналом телевизионной строки (Стр) или кадра (Поле)
Норм, Авт	Выбор режима развертки: ждущего (Норм) или автоколебательного (Авт). В автоколебательном режиме развертка запускается без сигнала, в ждущем –только при наличии сигнала запуска
Окончание таблицы 1
X – Y, 0	Выбор режима работы X – Y
Уровень	Регулировка уровня синхронизации развертки
1 МΩ, 25 ρF I, 1 МΩ, 25 ρF II	Вход исследуемых сигналов канала I или канала II усилителя вертикального отклонения
синхр	Вход сигналов внешней синхронизации

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Приведем сводную таблицу с масштабами, которые применяются в данной лабораторной работе.

Таблица 2 – Масштабы для осциллограмм

Масштаб по напряжению для первого сигнала, my I , В/дел	Масштаб по напряжению для второго сигнала, my II, В/дел	Масштаб по времени, mt , с/дел
5	0,5	2∙10-3

1. Определение с помощью ЭЛО амплитудного и действующего значение переменного напряжения синусоидальной формы и длительности периода сигнала T и частоты периодического сигнала f_с.

Показания вольтметра, подключенного к вторичной обмотке трансформатора:

U_V = 12,1 B.

Осциллограмма, снятая с вторичной обмотки трансформатора, приведена на рисунке 2.

U_m

U_m

T

Рисунок 2 – Осциллограмма фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора

По данной осциллограмме определяется амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, В:

U_m = n_y m_yI; (1)

где n_y – коэффициент, учитывающий количество делений по вертикальной оси, дел.;

m_yi – коэффициент, учитывающий масштаб по вертикальной оси, В/дел.

U_m = 3.42∙5 = 17,10 B.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, В:

; (2)

В.

Таким образом, значения фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, полученное с помощью вольтметра и рассчитанное с помощью осциллограммы, равны:

U_V = U_Д = 12,1 В.

Сигнал совершает одно полное колебание (как это показано на рисунке 2), значит время, за которое это происходит, называется длительностью периода сигнала T. Период определяется по формуле, с:

T=n_xm_x; (3)

где n_x – коэффициент, учитывающий количество делений по горизонтальной оси, дел.;

m_x – коэффициент, учитывающий масштаб по горизонтальной оси, с/дел (с учетом положения переключателей).

T=10∙2∙10^-3 =0,02 c.

Частота периодического сигнала определяется по формуле, Гц:

; (4)

Гц.

2. Определение фазового сдвига между двумя сигналами одной частоты.

Для этого необходимо использовать двухканальный режим работы осциллографа. На вход канала II осциллографа подать опорный сигнал – фазное напряжение половины вторичной обмотки трансформатора, а на вход канала I – сравниваемый сигнал (аналогичное напряжение соседней фазы).

На рисунке 3 представлена осциллограмма, необходимая для определения сдвига φ между двумя сигналами одной частоты.

А

В

I

II

l₂

l₁

Рисунок 3 – Осциллограмма двух сигналов одной частоты

На данной осциллограмме представлены два опорных сигнала I и II. Для определения сдвига сначала по осциллограмме определяем:

• период опорного сигнала l₁, дел;

• расстояние по горизонтали между точками А и В l₂, дел.

Фазовый сдвиг определяем по выражению (5), град:

; (5)

.

3. Определение фазового сдвига между двумя сигналами одной частоты с помощью фигур Лиссажу.

В данном опыте на осциллограмме получаем эллипс и пересекающую его прямую линию с наклоном вправо. Следовательно, совмещаем точку пересечения осей эллипса с началом координат. Полученная осциллограмма представлена на рисунке 4.

y

Y

x

X

Рисунок 4 - Осциллограмма двух сигналов одной частоты в виде фигур Лиссажу

Для определения сдвига сначала по осциллограмме определяем:

• длину отрезков, отсекаемых эллипсом на осях координат (по вертикальной оси – y , по горизонтальной – x), дел;

• амплитудное значение отклонения луча ( по вертикали – Y, по горизонтали – X).

Угол фазового сдвига определяется по формуле (6) и(7):

; (6)

.

; (7)

.

Вычисления проводились на калькуляторе, а значит при одном и том же аргументе арксинуса, в результате получаем два значения угла сдвига φ=60° или φ=120°. В данном случае принимаем, что угол сдвига между двумя сигналами одной частоты равен:

φ =120°.

Вывод: в ходе лабораторной работы нами было произведено исследование электронно-лучевого осциллографа. Опытным путем провели сравнение действующих значений напряжения на вторичной обмотке трансформатора с помощью вольтметра и осциллографа; определили период и частоту сигнала; определить фазовый сдвиг между двумя сигналами одной частоты двумя способами с использованием осциллограмм. Таким образом, полученные опытные значения полностью соответствуют теоретическим (с учетом допустимых погрешностей измерения и вычисления).

ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Под действием электрических полей, приложенных к отклоняющим парам пластин, электронный луч отклоняется от осевого направления. Одна пара пластин отклоняет луч в вертикальном направлении, другая – в горизонтальном. На экране луч создает светящееся пятно. Если напряжение на пластинах изменяется по определенному закону во времени, то смещение пятна будет следовать этому закону.

2. К основным функциональным узлам осциллографа С1 – 137 можно отнести:

• входы I и II;

• вертикальный и горизонтальный тракты;

• ЭЛТ;

• высоковольтный преобразователь;

• низковольтный источник питания.

3. Тракт вертикального отклонения луча состоит из двух каналов и предназначен для усиления (ослабления) исследуемых электрических сигналов до необходимых значений, обеспечивающих удобное наблюдение и исследование изображения на экране ЭЛТ без искажения формы исследуемого сигнала. Он состоит из входных устройств каналов I и II, предварительных усилителей каналов I и II, коммутатора, устройства управления коммутатором, линии задержки и выходного усилителя.

Входные устройства каналов I и II усилителя вертикального отклонения имеют переключатели входа и аттенюаторы. Переключатели входа служат для выбора вида входа: открытый или закрытый.

Предварительные и выходной усилители усиливают напряжения исследуемых сигналов до значения, необходимого для наблюдения изображения сигнала на экране ЭЛТ.

Коммутатор предназначен для создания одно- или двухканального режима работы осциллографа.

Устройство управления коммутатором служит для выбора режима усилителя вертикального отклонения: «I» (работает канал I); «II» (работает канал II); «→→» (поочередное переключение каналов I и II после каждого хода развертки); «---» (прерывистое переключение каналов I и II с частотой коммутации, приблизительно равной 50 кГц).

Линия задержки обеспечивает возможность наблюдения фронта коротких исследуемых импульсов на линейном участке быстрой развертки.

Тракт горизонтального отклонения луча содержит переключатель входа синхронизации, усилитель внутренней синхронизации каналов I и II, триггер запуска, генератор развертки, устройство формирования импульсов запуска и импульсов подсвета, усилитель импульсов подсвета, усилитель горизонтального отклонения.

Переключатель входа синхронизации обеспечивает переключение сигналов внутренней и внешней синхронизации во всем диапазоне частот, т. е. до 25 МГц.

Усилитель внутренней синхронизации осуществляет предварительное усиление сигналов внутренней синхронизации до значения, необходимого для нормальной работы устройства формирования импульсов запуска.

Устройство формирования импульсов запуска формирует импульсы синхронизации развертки. Оно также обеспечивает выдачу импульсов подсвета для прямого хода развертки.

Усилитель импульсов подсвета обеспечивает подсвет луча развертки. Импульсы подсвета поступают на высоковольтный преобразователь.

Генератор развертки генерирует пилообразное напряжение, которое необходимо для временной развертки луча ЭЛТ.

Усилитель горизонтального отклонения усиливает пилообразное напряжение до значения, необходимого для нормальной работы ЭЛТ.

4. Технические характеристики осциллографа:

к основным параметрам относятся:

• значения коэффициентов отклонения, погрешность коэффициента отклонения или связанная с ним погрешность измерения напряжения;

• значения коэффициентов развертки, погрешность коэффициента развертки или связанная с ним погрешность измерения временных интервалов;

• параметры переходной характеристики (ПХ), включая: время нарастания, выброс, неравномерность, время установления;

• параметры входа канала вертикального отклонения, включая: активное входное сопротивление, входная емкость;

• допускаемое суммарное значение постоянного и переменного напряжения;

• параметры синхронизации, включая: диапазон частот, предельные уровни, нестабильность;

к дополнительным параметрам относятся:

• параметры АЧХ, включая: полоса пропускания, нормальный диапазон частот, расширенный диапазон частот, опорная частота;

• коэффициент развязки между каналами.

5. Измерение напряжение с помощью осциллографа проводится непосредственно с учетом всех переключателей и масштабных коэффициентов.

Непосредственное измерение тока при помощи осциллографа произвести нельзя, поэтому, сначала необходимо измерить амплитуду напряжения на известном сопротивлении и затем рассчитать значение тока.

Частота определяется по периоду сигнала, период измеряется по осциллограмме.

Сдвиг фаз определяется по периоду сигнала и расстоянием между соответствующими точками либо по длине соответствующих отрезков, которые получаются в результате пресечения осей координат фигурами Лиссажу.

2