fopi / Лабы по ФОИ - Изучение работы электронного осциллографа (21)

Изучение работы электронного осциллографа

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, генератор звуковых частот, регулятор напряжения, вольтметр

цель работы; измеренир параметров электрических сигналов с помощью электронного осциллографа

Электронный осциллограф предназначен для наблюдения функциональной зависимости величин, преобразованных в электрический сигнал. Наиболее часто осциллографы используются для изучения временной зависимости переменных величин.

Структурная схема осциллографа изображена на рис. 21.1. Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) 1, генератор развертки 2, блок синхронизации 3, усилитель вертикального 4 и горизонтального 5 каналов отклонения, блок питания 6.

Электронно-лучевая трубка является основной частью осциллографа. Она представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух, с находящимися внутри электродами. С одного конца стеклянный баллон имеет расширение, на торцовую часть которого (экран) нанесен слой вещества, светящегося под ударами электронов. На рис. 21.2 показано схематическое изображение ЭЛТ с электростатическим отклонением луча.

Катод (К) ЭЛТ аналогичен катоду радиолампы и имеет такое же назначение — испускать электроны. Подогревный катод имеет форму цилиндра, внутри которого находится нить накала (НН). Около катода расположен управляющий электрод (УЭ) тоже цилиндрической формы (по назначению он аналогичен сетке триода). Этот электрод называется модулятором или сеткой. На него подастся отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Изменяя напряжение, поданное на модулятор, можно регулировать количество электронов, выходящих из модулятора и, таким образом, управлять яркостью изображения. Далее расположены два анода A₁ и А₂, выполненные в виде полых металлических цилиндров. Диаметр первого анода меньше диаметра второго Они имеют высокий положительный потенциал относительно катода: первый анод — порядка нескольких сотен, а второй—нескольких тысяч вольт. Так как потенциал второго анода выше потенциала первого, то напряженность электрического поля между ними направлена от второго анода к первому. Под действием этого поля электроны ускоряются, а также фокусируются в точке, лежащей на оси трубки. Меняя напряжение на первом аноде, можно изменять напряженность электрического поля между анодами и тем самым перемещать точку фокуса вдоль оси, добиваясь ее совмещения с поверхностью экрана

Вся система, состоящая из катода, управляющего электрода и двух анодов, создает узкий направленный поток электронов — электронный луч. На пути электронного луча стоят две пары взаимно перпендикулярных пластин П_х и П_у, называемых отклоняющими. Если между этими пластинами нет электрического поля, то они не влияют на электронный луч. Если же на какую-либо пару пластин подано напряжение» то между пластинами образуется электрическое поле, которое отклоняет электронный луч. Чем выше разность потенциалов между пластинами, тем сильнее отклоняется в их поле электронный луч, а следовательно, и светящееся пятно на экране осциллографа. Пластины П_у отклоняют луч в вертикальной плоскости и называются вертикально отклоняющими пластинами. Пластины П_х отклоняют луч в горизонтальной плоскости и называются горизонтально отклоняющими пластинами. Электроны, попавшие на экран, необходимо отвести, чтобы экран не получил отрицательный потенциал, тормозящий полет последующих электронов. Для этого на внутреннюю часть боковой поверхности трубки наносится проводящий графитовый слой (ГС), имеющий небольшой положительный потенциал относительно экрана.

Если при отсутствии напряжения на горизонтально отклоняющих пластинах на вертикально отклоняющие пластины подать переменное напряжение, например синусоидальное, то на экране возникнет вертикальный прямая, так как электронный луч будет отклоняться все время в сторону положительно заряженной пластины, а заряд на пластинах будет изменяться с частотой поданных колебаний. На экране получится изображение синусоиды или другого периодического сигнала, если луч кроме колебательного движения вдоль вертикальной оси совершает еще равномерное движение вдоль горизонтальной оси. Это происходит в том случае, когда на горизонтально отклоняющие пластины подается разность потенциалов, линейно за висящая от времени. Для получения устойчивой картины на экране осциллографа необходимо, чтобы электронный луч, пройдя по горизонтали путь от одного края экрана до другого и быстро возвращаясь в первоначальное положение, повторял свою траекторию на экране. Такому условию удовлетворяет пилообразное напряжение (рис. 21.3), которое подается на горизонтально отклоняющие пластины от генератора развертки

.

Для получения на экране ЭЛТ устойчивого изображения необходимо, чтобы электронный луч начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период пилообразных колебаний равен или кратен периоду исследуемых колебаний- Процесс согласования фаз называется синхронизацией развертки и осуществляется с помощью блока синхронизации.

Усилители горизонтального и вертикального каналов отклонения позволяют изменять напряжение, подаваемое на горизонтальные и вертикальные пластины ЭЛТ, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлений.

Блок питания обеспечивает подачу необходимых напряжений на ЭЛТ, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа.

С помощью электронного осциллографа можно измерить амплитуду исследуемого напряжения. Для этого необходимо знать чувствительность осциллографа (отклонение светового пятна при изменении напряжения па отклоняющих пластинах на 1 В) Так как имеются две независимые отклоняющие системы: по горизонтальной оси . и по вертикальной оси ,— то соответственно можно указать и две чувствительности и :

(21.1)

Для измерения амплитуды напряжения в некоторых типах осциллографов канал вертикального отклонения нужно калибровать, используя эталонный сигнал. В этом случае около ручек регулировки усиления вертикального канала на лицевой панели осциллографа указываются (В/см) значения величины, обратной чувствительности, соответствующие каждому положений ручки.

Используя осциллограф, можно также определить частоту исследуемого сигнала. Для этого усиление по горизонтали калибруется в масштабе времени. Ручка регулировки длительности развертки градуирована в мкс/см. Установив фиксированную длительность развертки и измерив на экране расстояние по горизонтали между соседними точками, находящимися в одинаковых фазах, можно определить период и частоту исследуемого сигнала:

(21.2)

Частоту сигнала можно найти и другим способом. Для этого на пластины подают напряжение известной частоты (обычно 50 Гц) от сети, а на пластины — напряжение неизвестной частоты. Генератор развертки при этом не используется. В данном случае электронный луч участвует в двух взаимно перпендикулярных колебательных движениях.

При сложении двух синусоидальных колебаний, совершающихся во взаимно перпендикулярных направлениях по осям и , получаются фигуры, форма которых зависит от соотношения частот, фаз и амплитуд суммируемых колебаний На рис. 21.4, 21.5 изображены фигуры Лиссажу, получающиеся при различных соотношениях частот и фаз. По форме фигуры можно судить о частоте исследуемого сигнала.

Описание установки

Экспериментальная установка состоит из электронного осциллографа, регулятора напряжения и генератора звуковой частоты. Регулятор напряжения позволяет плавно изменить напряжение подаваемого на осциллограф сигнала частотой 50 Гц. Напряжение измеряется вольтметром. Сигнал переменной частоты подается на осциллограф от звукового генератора.

Порядок выполнения работы

1. Определение чувствительности осциллографа:

   1. включите осциллограф в сеть и дайте ему прогреться в течение 2—3 мин;

   2. подайте на вход осциллографа напряжение с регулятора напряжения, развертку по оси отключите;

   3. установите длину вертикального отрезка па экране осциллографа, равную ;

   4. вычислите амплитудное значение напряжения:

   5. рассчитайте чувствительность осциллографа;

   6. определите чувствительность осциллографа при двух других значениях подаваемого напряжения и вычислите

   7. результаты измерений и вычислений занесите в табл. 21.1.

2. Определение амплитудного значения напряжения:

   1. не меняя положении ручек регулировки усиления канала вертикального отклонения, подайте на вход осциллографа сигнал с выхода регулятора напряжения (развертка по оси отключена),

   2. измерьте длину получившегося на экране вертикального отрезка;

   3. вычислите амплитудное значение напряжения:

3. Определение частоты сигнала:

   1. подайте на вход осциллографа сигнал частотой 50 Гц с регулятора напряжения;

   2. на вход осциллографа подайте исследуемый сигнал с генератора звуковой частоты,

   3. получите на экране устойчивое изображение фигуры Лиссажу и зарисуйте его;

   4. по форме фигуры определите частоту исследуемого сигнала;

   5. отключите регулятор напряжения и включите генератор развертки;

   6. с помощью ручки регулировки длительности развертки получите на экране устойчивое изображение синусоиды и определите частоту исследуемого сигнала[см (21.2)];

   7. проделайте измерения, аналогичные п. а) — f) для сигналов других частот;

   8. результаты измерений и вычислений занесите в табл. 21.2.

Таблица 21.1

В	В	мм	мм/В	мм/В

Таблица 21.2

Фигура Лиссажу	Гц	см	мкс/см	Гц

Вопросы и упражнения

1. Из каких блоков состоит электронный осциллограф?

2. Опишите устройство электронно-лучевой трубки.

3. Что называется чувствительностью осциллографа?

4. Объясните принцип работы генератора пилообразного напряжения.

5. Что такое синхронизация сигналов, как она осуществляется в осциллографе,

6. Как осуществляется развертка сигнала во времени на экране электронного осциллографа?

7. Что такое фигуры Лиссажу и как их получают в данной работе?

8. Как с помощью осциллографа можно измерить амплитуду и частоту исследуемого сигнала?