Oscillograph_report

Левин 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 U_р 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 U_з, 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 U_з, тиратрон «зажигается», его сопротивление резко падает, и конденсатор быстро разряжается до тех пор, пока напряжение на аноде не упадет до величины напряжения «гашения» U_г. 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 U_c, 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 f_р = f_с , 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.