Лабораторная работа № 2-2 Сложение электромагнитных взаимно-перпендикулярных колебаний с помощью электронного осциллографа

Цель работы: 1. Ознакомиться с устройством и принципом работы электронного

осциллографа.

2. Получить осциллограмму переменного тока.

3. Получить фигуры Лиссажу.

Оборудование:1. Малогабаритный лабораторный осциллограф;

2. Звуковой генератор регулируемой низкой частоты;

3. Трансформатор;

4. Соединительные провода.

Краткая теория

1. Объясните устройство и назначение электронного осциллографа.

Осциллограф — прибор для визуального наблюдения и регист­рации функциональной зависимости величин, выраженных в фор­ме электрических напряжений или токов. Наиболее широко при­меняют осциллографы для исследования периодических процессов, а также для изучения вольт - амперных характеристик диода и трио­да, петли гистерезиса и др.

В простейшем случае осциллограф состоит из четырех блоков:

1) блок электронно-лучевой трубки ЭЛТ;

2) генератор развертки ГР;

3. усилитель исследуемого сигнала УС;

4) блок питания БП (рис. 1).

Рис.1.

Устройство осциллографа: ( ЭЛТ – электронно-лучевая трубка; ГР – генератор развертки; УС – усилитель исследуемого сигнала; БП – блок питания).

Основным элементом первого блока является электронно-лучевая трубка, на экране которой формируется картина исследуемого сиг­нала (осциллограмма).

Принципиальная схема трубки приведена на рисунке 2.

Рис. 2.

Принципиальная схема электронно – лучевой трубки

Электроны, излучаемые с поверхности катода под действием теплового поля, проходят через сетку (управляю­щий электрод) и ускоряются двумя анодами. Вся эта система, назы­ваемая электронной пушкой, служит для того, чтобы создать на экране сфокусированный в точку пучок электронов. Экран покрыт люминесцирующим веществом, которое ярко све­тится под действием бомбардирующих его электронов. Фокусировку электронного пучка осуществляют следующим об­разом. На управляющий электрод (сетку) подают отрицательный по­тенциал (от - 20 до - 70 В). Поле этого электрода сжимает электрон­ный пучок, выходящий из катода. На первый анод подается положи­тельный потенциал от +250 до +500 В, а на второй анод — от +1000 до +2000 В. Меняя потенциалы управляющего электрода и анодов, можно изменять фокусировку и яркость пятна на экране трубки. Дальше пучок проходит через систему управляющих электродов. Если подать, например, на верхнюю вертикально отклоняющую пла­стину положительный потенциал, а на нижнюю — отрицательный, то электронный пучок отклонится вверх. При изменении полярности пу­чок отклонится вниз. Таким образом, колебания потенциала на этих пластинах вызывают вертикальные колебания электронного пучка. Изменением разности потенциалов между катодом и управляющим электродом мож­но менять число электронов в пучке, а это по­зволяет регулировать яркость изображения на экране. Чем больше по модулю отрицательный потенциал на управляющем электроде относи­тельно катода, тем меньше электронов пройдет через управляющий электрод и достигнет анода. Осциллограф снабжен ручкой «яркость» для уп­равления потоком электронов в пучке.

Трубка, в которой смещение электронного пучка осуществляется за счет изменения электрического поля между управляющими пластинами, называют трубкой с электростатическим управлением. Существуют трубки с электромаг­нитным управлением, которые применяют, например, в телевизорах. В этих трубках отсутствуют управляющие электроды, а на горловину трубки наде­вают специальные катушки, по которым течет ток, сила и направление кото­рого меняются. При изменении вектора индукции магнитного поля соответст­венно меняются модуль и направление силы Лоренца, отклоняющей электрон­ный пучок.

Электрическое поле между фокусирующим цилиндром и анодом способно фокусировать рас­ходящийся электронный пучок. На рисунке 3 показан характер поля: сплошными линиями обозначены силовые линии электрического поля, а пунктирными—

Рис. 3.

Графическое изображение поля: (ФЦ – фокусирующий цилиндр; А – анод; Т – период сигнал;

- период развертки).

траектории движения электронов. Таким образом, фокусирующий электрод и анод составляют электростатическую линзу. Изменение разности потенциалов между фокусирующим цилиндром и анодом приводит к разной фокусировке электронного пучка. Конструкцией осциллографа предусмотрено изменение фокусировки ручкой «фокус».

Сфокусированный пучок электронов проходит между пластинами XX и УУ. Если на пластины XX или УУ подано постоянное напряжение, то электронный пучок смещается соответственно либо по горизонтали, либо по вертикали; это фиксируется либо как «», «↕», либо «Вправо-влево», «Вверх-вниз».

Генератор развертки создает пилообразное напряжение (рис. 3), которое может подаваться на горизонтально отклоняю­щие пластины (на пластины XX). При этом электронный пучок (соответственно светящаяся точка на экране) при медленном воз­растании напряжения на пластинах XX равномерно перемещается по горизонтали, прочерчивая на экране светящийся отрезок, а при резком спаде напряжения быстро возвращается в исходное поло­жение. (В осциллографе предусматривается гашение пучка при резком спаде напряжения.) Прочерчивание отрезка периодически повторяется. Частоту пилообразного напряжения можно менять либо ступенчато, либо плавно ручками развертки, которые могут быть обозначены: «Диапазон», «Частота плавно». Амплитуду пи­лообразного напряжения плавно меняют ручкой «Усиление X».

Усилитель предназначен для усиления без искажений электри­ческих колебаний, поданных на его вход. С выхода усилителя ис­следуемый сигнал подается на пластины УУ электронно-лучевой трубки. Сигнал, подаваемый на вход осциллографа, может быть как малым, так и большим. Большой сигнал (порядка десятков вольт) на входе уменьшается с помощью делителя напряжения. С делителя сигнал подается на усилитель. Ручки управления де­лителем и усилителем выведены на внешнюю панель.

Получение осциллограммы синусоидальных колебаний можно пояснить следующим образом. Нa пластины XX с генератора развертки подается пилообразное напряжение, а на пластины УУ с усилителя — исследуемый сигнал (см. рис. 3). Если частота сиг­нала кратна частоте развертки, то на экране электронно-лучевой трубки будет формироваться синусоида (в нашем случае период сигнала Т в 3 раза меньше периода развертки , на экране долж­на наблюдаться синусоида с тремя максимумами и минимумами).

Если же частота сигнала не кратна частоте развертки, то плавным изме­нением частоты развертки (специаль­ной ручкой) можно добиться ее крат­ности частоте сигнала. Однако вруч­ную это сделать трудно, поэтому в ос­циллографе предусмотрена автомати­ческая подстройка частоты развертки сигналом, идущим от усилителя. Этот сигнал может быть изменен выведен­ной на панель ручкой «Синхрониза­ция». Обычно в осциллографе предусматривают, кроме внутренней, внешнюю синхронизацию, т.е. синхронизацию от внешнего источника периодических, колебаний (возможно от сети переменного тока).