Лабораторная работа № 2

Лабораторная работа №2 Изучение электронного осциллографа

Цель работы. Ознакомление с устройством и работой электронного осциллографа, измерение с помощью осциллографа амплитуды и частоты синусоидального сигнала, определение скважности прямоугольного импульса и наблюдение фигур Лиссажу.

Приборы и оборудование. Электронный осциллограф (С1-117 или С1-65), звуковой генератор, истоечник переменного напряжения 6 В.

Теоретическая подготовка. В отчете кратко изложить содержание раздела 1. Привести бок схемы осциллографа и устройство электронно-лучевой трубки. С содержанием разделов 2 - 6 ознакомиться до начала выполнения работы

1. Электронный осциллограф

Электронный осциллограф – прибор, используемый для исследования быстропротекающих процессов, измерения электрических и не электрических величин. Осциллограф в первую очередь приспособлен для измерения напряжений, но в отличие от цифровых приборов позволяет наблюдать процесс изменения напряжения на участке цепи в зависимости от времени. Поэтому для измерения других физических величин требуется их преобразование в изменение напряжения.

Благодаря возможности измерять процессы, происходящие во времени осциллограф является незаменимым прибором для исследования формы электрических сигналов и часто удобен для измерения частоты, периода и фазовых сдвигов в цепях. Однако в отличие от специализированных приборов, таких как цифровой вольтметр, частотомер, фазометр измерения самих физических величин с помощью осциллографа нельзя выполнить с высокой точностью. Типичная погрешность при измерении напряжения, или периода составляет величину порядка 1 – 4 %. Поэтому обычно осциллограф используют для визуального наблюдения и оценочного измерения, точное измерение физической величины выполняют с помощью других приборов. По этой же причине осциллографы часто объединяют с цифровыми мультиметрами, например как в осциллографе С1-117/1.¹

1.1. Блок схема осциллографа

Основными узлами типичного электронного осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, блок синхронизации, усилители отклоняющих пластин, блок питания². Блок схема типичного осциллографа приведена на рис. 2.1.

На вход канала Yподается исследуемый сигнал, который усиливается и подается на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Для получения на экране развернутого во времени изображения на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки подается пилообразное напряжение, которое формируется в блоке развертки.

Для синхронизации исследуемого сигнала с началом запуска пилообразного напряжения служит блок синхронизации. Блок синхронизации может работать в режиме синхронизации от исследуемого сигнала или в режиме внешней синхронизации. Соответствующие режимы переключаются переключателем К₂. В ряде случаем требуется отключить блок развертки, а на горизонтально отклоняющие пластины подать другой исследуемый сигнал. Такой режим работы осциллографа обеспечивается переключателем К₁и необходим для наблюдения фигур Лиссажу. В этом случае второй исследуемый сигнал подается на входX.

Осциллографы делятся на однолучевые и двухлучевые. Двухлучевые осциллографы благодаря наличию двух одинаковых каналов вертикального отклонения и электронного коммутатора позволяют одновременно наблюдать на экране два электрических сигнала. Блок схема двухлучевого электронного осциллографа приведена на рис. 2.2.

Как видно из рис. 2.2 двухлучевой осциллограф имеет два независимых входа «Y» - «Канал А» и «Канал В». Электронный коммутатор, управляемый блоком развертки, попеременно подключает к усилителю вертикального отклонения либо вход канала А, либо канала В. В результате на экране одновременно отображаются два входных сигнала.

Рассмотрим устройство и принцип работы основных узлов осциллографа.

1.2. Электронно-лучевая трубка

По принципу отклонения и фокусировки электронного луча различают два вида трубок: электростатические и магнитные. В первых для отклонения и фокусировки луча используется электрическое поле (осциллографы), во вторых — магнитное поле (телевизоры). Электронно-лучевая трубка ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу, откачанную до высокого вакуума (рис. 2.3). Внутри неё расположена электронная пушка 1, две пары отклоняющих пластин 2 и флюоресцирующий экран 3.³

Электронная пушка предназначена для создания сфокусированного электронного пучка и состоит из следующих элементов: катода косвенного накалаК, испускающего при нагревании электроны; фокусирующего цилиндра ФЦ, имеющего отрицательный потенциал относительно катода и сжимающего выходящий из катода электронный пучок (изменяя потенциал фокусирующего цилиндра, можно регулировать количество вылетающих электронов, т. е. яркость пятна на экране трубки); первого фокусирующего A₁ и второго ускоряющего А₂ анодов. Потенциал первого анода в несколько раз меньше потенциала второго анода. Аноды имеют форму цилиндров с перегородками, в центре которых сделаны отверстия. Перегородки служат для удаления электронов, не удовлетворяющих условиям фокусировки.

Рассмотрим фокусирующее действие электрического поля на поток электронов на примере действия на электроны электрического поля между первым и вторым анодами. Распределение потенциала в пространстве характеризуется эквипотенциальными поверхностями (рис. 2.4)⁴. Электрическое поле сосредоточено в основном у щели между цилиндрами. Предположим, что электрон влетел в зазор между цилиндрами слева направо под углом к их оси. За время, в течение которого он пролетает зазор между цилиндрами, электрическое поле сообщает ему ускорение вдоль оси (тангенциальные составляющие силы F имеют все время одно направление). В то же время он отклоняется сначала вниз, а потом вверх за счет действия F_n. Следовательно, в электрических полях, эквипотенциальные поверхности которых обращены выпуклостями к катоду, электроны при своем движении будут собираться к горизонтальной оси (действие таких полей похоже на действие собирающих линз). Если эквипотенциальные поверхности полей имеют противоположное направление, то электроны будут расходиться от горизонтальной оси (действие таких полей похоже на действие рассеивающих линз).

1.3. Отклоняющие пластины

На пути к экрану электронный пучок проходит между двумя парами отклоняющих пластин. Напряжения, приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля, которые отклоняют электронный луч, что приводит к смещению светящегося пятна на экране. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (вдоль осиY), а вертикально расположенные — по горизонтали (вдоль оси X).

Установим связь между напряжением на пластинах А и В и смещением пятна на экране (рис. 2.5).

Электрон влетает в однородное электрическое поле Е_у со скоростью v₀ = v_z. Вдоль оси Z на электрон не действуют никакие, силы, поэтому в этом направлении он движется равномерно:

Z = v₀ t . (2.1)

Вдоль оси Y на электрон действует постоянная сила

F = eE_y , (2.2)

где Е_у — напряженность поля между пластинами:

E_y = U/d (2.3)

Следовательно, движение электрона вдоль оси Y будет равноускоренным:

y = at²/2, v_y = at . (2.4)

Ускорение а найдем из второго закона Ньютона:

, (2.5)

. (2.6)

Тогда

. (2.7)

Учитывая, что t = z/v₀, получаем

. (2.8)

Из формулы (2.8) следует, что траектория движения электрона между пластинами представляет собой параболу. При выходе из пространства между пластинами электрон отклонится от своего первоначального направления на угол а и сместится по оси Y на у₁:

, (2.9)

. (2.10)

Смещение светящегося пятна на экране равно

так как l/2 << L, то (2.11)

и пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах.

Отклонение пятна на экране ЭЛТ (в миллиметрах), вызванное напряжением 1В на отклоняющих пластинах, называется чувствительностью трубки:

. (2.12)

Если U₀ — потенциал второго анода относительно, катода, то

, (2.13)

откуда . (2.14)

Тогда чувствительность ЭЛТ окажется равной

(2.15)

и зависящей как от расстояния между пластинами и экраном, так и от потенциала на втором аноде⁵.

1.4. Генератор развертки

Для того чтобы на экране осциллографа можно было увидеть, как в некотором физическом процессе величина у меняется в зависимости от изменения другой физической величины х, т. е. y = f(x), необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение U_x, пропорциональное х, а на вертикально отклоняющие пластины одновременно подать напряжение U_y, пропорциональное у. Тогда электронный луч начертит на экране линию, соответствующую зависимости y = f(x). Если теперь заставить луч неоднократно повторить тот же путь по экрану, то вследствие инерционности глаза наблюдатель увидит неподвижный график зависимости y = f(x).

На практике часто приходится наблюдать изменение различных физических величин от времени, т. е. y = f(t). При этом на вертикально отклоняющие пластины необходимо подать напряжение, пропорциональное исследуемой физической величине у, а на горизонтально отклоняющие пластины — напряжение, изменяющееся пропорционально времени. Для создания напряжения, которое изменяется пропорционально времени, в осциллографе имеется генератор развертки⁶. Под действием вырабатываемого им напряжения луч смещается по экрану ЭЛТ слева направо, причем в любой момент времени это смещение будет пропорционально времени, отсчитываемому от начала движения луча. Одновременно поданное на вертикально отклоняющие пластины напряжение, пропорциональное исследуемой физической величине у, будет смещать луч по вертикали в соответствии с изменением у. Однако, когда луч дойдет до крайнего правого положения, его нужно мгновенно перевести в исходное положение, а физический процесс повторить сначала. Следовательно, напряжение генератора развертки скачком должно измениться до первоначального значения, а потом снова начать расти по тому же закону. Поэтому зависимость напряжения генератора развертки от времени должна иметь вид, показанный на рис. 2.6. Такое напряжение принято называтьпилообразным.⁷

Для того чтобы картина на экране осциллографа получалась устойчивой, необходимо, чтобы частота пилообразного напряжения совпадала или была меньше в целое число раз частоты повторения изучаемого процесса. С помощью специального блока синхронизации частота напряжения генератора развертки синхронизируется с исследуемым напряжением любой формы, подаваемым на вертикально отклоняющие пластины. Синхронизация может производиться как напряжением самого исследуемого сигнала, так и напряжением, подаваемым от внешнего источника на специальные гнезда осциллографа.

1.5. Усилители отклоняющих пластин

Чувствительность электронно-лучевой трубки, как правило, невелика, поэтому на отклоняющие пластины напряжения подают обычно через усилители. Характеристики усилителей отклоняющих пластин (линейность и диапазон пропускаемых частот) во многом определяют возможности осциллографа.