Устройство и принцип действия электронного осциллографа
Цель работы
1. Изучить устройство и принцип действия электронного осциллографа.
2. Использовать осциллограф для исследования формы сигнала, определения его параметров и измерения сдвига фаз двух переменных напряжений.
Устройство и принцип действия электронного осциллографа
Электронный осциллограф – один из важнейших контрольно-измерительных и научно-исследовательских приборов. Он применяется в основном для следующих целей:
- для изучения зависимости быстро меняющегося напряжения (или силы тока) от времени или от напряжения (силы тока) в другом процессе;
- для определения частоты и амплитуды переменного напряжения, длительности импульсов и прочих параметров электрических величин, зависящих от времени;
- для определения разности фаз двух переменных напряжений.
Поскольку с помощью различных датчиков многие физические величины, меняющиеся со временем (температура, давление, освещенность, перемещение тела и другие), могут быть преобразованы в переменное напряжение (ток), то с помощью осциллографа могут быть изучены зависимости от времени и этих величин.
Основные узлы осциллографа: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор пилообразного напряжения (генератор развертки), усилитель исследуемого сигнала, синхронизатор, блок питания.
Электронно-лучевая трубка (см. рис.1) представляет собой колбообразный герметический откачанный сосуд, плоское или слегка выпуклое дно которого (экран осциллографа) покрыто изнутри люминофором – веществом, светящимся при падении на него пучка быстрых электронов. Внутри трубки расположены элементы, предназначенные для получения узкого, сфокусированного на экран пучка электронов и перемещения его по экрану.
Электроны испускаются поверхностью 4 катода 3, нагреваемого нитью 2. Из отверстия в основании цилиндрического управляющего электрода 5, окружающего катод, выходит узкий электронный пучок. Изменяя отрицательный относительно катода потенциал цилиндра (ручка «Яркость» на панели управления), варьируют поток электронов через отверстие и, следовательно, яркость пятна на экране 10 трубки. Для ускорения электронов между катодом и анодами 6 и 7 создано ускоряющее электрическое поле. Положительный потенциал первого анода 6 относительно катода достигает 1 кВ, а потенциал второго анода 7 еще выше и составляет 1-5 кВ. Управляющий электрод и аноды образуют фокусирующую систему. Электроны, прошедшие сквозь отверстие в цилиндре 5, под действием поля, созданного катодом, управляющим электродом и первым анодом, сходятся в точке А. Затем пучок вновь расширяется, так как внутри первого анода напряженность электрического поля очень мала. Поле между первым и вторым анодами искривляет траектории электронов, приближая их к оси, и фокусирует пучок в точке В. Если точка В лежит на поверхности экрана, то пучок называется сфокусированным, при этом на экране наблюдается светящаяся точка. Для фокусировки пучка изменяют потенциал первого анода (ручка «Фокус» на панели управления).
Две пары отклоняющих металлических пластин 8 и 9 служат для перемещения пучка по экрану. При приложении напряжения к какой-либо паре пластин пучок отклонится в сторону пластины с бóльшим потенциалом (положительно заряженной). Если, например, на пару вертикально отклоняющих пластин 9 (сами они расположены горизонтально) подать напряжение, меняющееся со временем по закону U(t), то величина отклонения пучка по вертикали от исходного положения будет меняться со временем по такому же закону. Пучок смещается фактически мгновенно вслед за изменением напряжения, так как масса электронов очень мала (mе = 9,1·10-31 кг) . При быстрых колебаниях пучка, например по вертикали, вследствие остаточного свечения экрана и способности зрения некоторое время сохранять воспринятое изображение быстро колеблющаяся по экрану точка будет восприниматься как сплошная вертикальная линия.
Генератор пилообразного напряжения (ГПН) служит для подачи на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки периодического линейно нарастающего напряжения (напряжения развертки), график которого представлен на рис.2. Под действием этого напряжения электронный пучок движется с постоянной скоростью по горизонтали (вдоль оси Ох экрана), а затем очень быстро возвращается в исходное положение, причем во время возвращения яркость пучка автоматически гасится. При подключении ГПН к горизонтально отклоняющим пластинам на экране наблюдается прямая горизонтальная линия. Если одновременно на вертикально отклоняющие пластины подать зависящее от времени исследуемое напряжение U(t), то наряду с равномерным движением по горизонтали точка на экране смещается по вертикали и вырисовывает график зависимости U(t) в течение одного периода развертки ТР. При следующем проходе луча по экрану будет изображен график зависимости U(t) за следующий период развертки и так далее.
 |
Если исследуемое напряжение периодическое с периодом Т, то на экране наблюдается устойчивое изображение n периодов сигнала ( n = 1, 2, 3 …), если период развертки ТР в n раз превышает период Т исследуемого сигнала, то есть выполняется условие устойчивого изображения периодического сигнала на экране осциллографа:
ТР = nТ (1)
При невыполнении условия (1) на экране осциллографа наблюдается множество быстро сменяющих друг друга отрезков синусоид.
Если ГПН отключен от пластин, а на вертикально отклоняющие пластины подан сигнал, то на экране наблюдается вертикальная линия.
Период изменения напряжения развертки и, следовательно, скорость движения луча по горизонтали можно менять с помощью переключателя «Длительность развертки» («Частота развертки»). Чем более короткие сигналы мы хотим наблюдать, тем меньше должна быть длительность развертки, то есть выше ее частота.
Усилитель исследуемого сигнала служит для усиления и подачи на вертикально отклоняющие пластины исследуемого сигнала. Коэффициент усиления регулируется переключателем «Усиление Y».
Синхронизатор служит для получения устойчивого (неподвижного) изображения исследуемого сигнала на экране осциллографа. Он автоматически изменяет период развертки таким образом, чтобы этот период был кратен периоду исследуемого сигнала, то есть выполнялось условие (1). Устойчивости изображения добиваются, вращая ручку «Синхронизация».
Описание установки и метода
Установка для выполнения данной лабораторной работы включает в себя электронный осциллограф, два генератора переменного напряжения, блок сдвига фазы (БСФ) и соединительные кабели.
Осциллограф любого типа имеет следующие органы управления: «Сеть» - тумблер подключения блока питания осциллографа к сети, «Яркость» – регулировка яркости луча, «Фокус» – ручка фокусировки луча на экране, «Смещение Y» и «СмещениеХ» – ручки регулировки смещения луча по вертикали и по горизонтали, «Частота (длительность) развертки» – регулятор скачкообразного и/или плавного изменения частоты развертки. В некоторых осциллографах (например, типа С1-1) в положении «Выкл» последнего горизонтально отклоняющие пластины отключаются от ГПН и подсоединяются к входным клеммам «Вход Х» осциллографа. В других осциллографах (например, типа С1-68) эта операция осуществляется переключением дополнительного тумблера «Развертка» в положение «Х». Регулятор «Синхронизация» или «Стабильность» служит для получения устойчивого изображения на экране путем изменения амплитуды синхронизирующего сигнала. Ручки «Усиление Х» и «Усиление Y » служат для скачкообразной и/или плавной регулировки коэффициента усиления сигналов, поступающих на входные клеммы или разъемы «Вход Х» и «ВходY» соответственно.
Генераторы переменного напряжения предназначены для выработки переменного синусоидального напряжения в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Могут использоваться генераторы, вырабатывающие также и напряжение в виде прямоугольных импульсов; у них переключатель рода работы должен находиться в положении «~». Генераторы имеют следующие органы управления: тумблер подключения прибора к сети, регулятор для плавного изменения частоты выходного сигнала, переключатель диапазонов (множитель частоты), регулятор амплитуды выходного напряжения, выходные клеммы или разъем.
Блок сдвига фазы смонтирован под вертикальной панелью лабораторного стола. Снаружи имеются входные и выходные клеммы и переключатели, регулирующие сдвиг фазы. При подаче на вход колебаний с частотой 1 кГц на выходе имеется переменное напряжение такой же частоты, но сдвинутое по фазе относительно входного на величину, зависящую от положения переключателя.
Пусть на вертикально отклоняющие пластины подано меняющееся по гармоническому закону напряжение Uу = Uy0cos(ωt + φ2), тогда точка на экране осциллографа будет совершать колебания по закону у =Вcos(ωt + φ2). Горизонтально отклоняющие пластины можно отключить от генератора пилообразного напряжения и подать на них извне переменное напряжение такой же частоты Uх=Uх0cos(ωt + φ1). Тогда наряду с колебаниями вдоль оси У точка будет колебаться и вдоль оси Х по закону х = Аcos(ωt + φ1).
Вид траектории, описываемой точкой на экране будет зависеть от соотношения амплитуд и фаз этих взаимно перпендикулярных колебаний. Рассмотрим частные случаи:
а) φ1 = φ2, тогда у/х = В/А, то есть у = kx, где k=B/A (k>0). Следовательно, траектория движения точки по экрану – диагональ прямоугольника со сторонами 2А и 2В , лежащая в первой и третьей четвертях (см. рис.3а);
б) φ2 = φ1 + π, тогда у =Вcos(ωt + π +φ1) = - Вcos(ωt + φ1), то есть у = kx, где k= - B/A (k<0).Следовательно, траектория будет другой диагональю прямоугольника (см. рис. 3б);
в) φ2 = φ1 ± π/2, тогда х/А = cos(ωt + φ1), у/В = cos(ωt+φ1 ± π/2) = ±sin(ωt+ φ1).
Возводя в квадрат и складывая последние выражения, получаем:
или 
.
Таким образом, в этом случае траектория есть эллипс, оси которого имеют длину 2А и 2В и совпадают с координатными осями (см. рис. 3в);
г) в общем случае произвольного сдвига фаз траектория луча на экране представляет собой наклонный эллипс, вписанный в прямоугольник со сторонами 2А и 2В , а наклон эллипса определяется разностью фаз колебаний φ2 – φ1. Уравнение этого эллипса:
По виду эллипса можно определить сдвиг фаз, использовав любую из двух следующих формул:
φ2 – φ1 = arcsin(х0/А), φ2 – φ1 = arcsin(у0/В), (2)
где х0, у0 – длины отрезков, отсекаемых эллипсом на координатных осях (см. рис.3г), А, В - максимальные отклонения луча на экране по горизонтали и по вертикали.
При сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний с разными частотами на экране наблюдаются устойчивые замкнутые фигуры сложной формы – фигуры Лиссажу.
Порядок выполнения работы
По указанию преподавателя могут быть выполнены те или иные упражнения из перечисленных ниже. Подробный порядок выполнения упражнений описан в инструкциях на стендах.
Упражнение 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ И АМПЛИТУДЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ.
1. Установите частоту fГ одного из генераторов в диапазоне 500 – 1000 Гц (по указанию преподавателя) и подайте вырабатываемое им переменное напряжение на вход «Y» осциллографа.
2. Установите на экране осциллографа устойчивое изображение 2-3 периодов исследуемого сигнала так, чтобы по вертикали оно не выходило за пределы экрана.
3. Сделайте вывод о форме наблюдаемого сигнала. С помощью масштабной сетки на экране измерьте (в сантиметрах или в делениях шкалы) период и амплитуду сигнала. Определите по положению переключателей «Усиление Y» и «Длительность развертки» цену деления вертикальной и горизонтальной шкал. Рассчитайте амплитуду U0 (в вольтах) и его период Т (в секундах), затем рассчитайте частоту f = 1/Т и сравните с выставленной на генераторе частотой fГ.
Упражнение 2.
НАБЛЮДЕНИЕ ФИГУР ЛИССАЖУ ПРИ СЛОЖЕНИИ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ ОДИНАКОВЫХ И КРАТНЫХ ЧАСТОТ
1. На одном из генераторов установите частоту fу в пределах 600 – 1000 Гц и подключите его ко входу «Y» осциллографа. Другой генератор подключите ко входу «Х» осциллографа.
2. Отключите режим развертки осциллографа.
3. Регуляторами выходного напряжения генераторов и регуляторами усиления осциллографа добейтесь того, чтобы изображение занимало большую часть экрана, не выходя за его пределы.
4. Изменяя частоту fх генератора, подключенного к входу «Х», получите на экране изображение простейшей фигуры Лиссажу – эллипса. Убедитесь , что при этом fх = fу . Зарисуйте наблюдаемое изображение при фазовых сдвигах Δφ = 0, π/2, π.
5. Не изменяя частоту fу , изменяйте частоту fх так чтобы поочередно выполнялись соотношения fу : fх = 1 : 2; fу : fх = 1 : 3; fу : fх = 2 : 1; fу : fх = 3 : 1;
fу : fх = 3 : 2. Для каждого случая запишите частоты генераторов и зарисуйте наблюдаемые на экране фигуры при сдвиге фаз Δφ = 0, π/2, π.
Упражнение 3.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗНОСТИ ФАЗ ДВУХ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ОДИНАКОВОЙ ЧАСТОТЫ
1. Переменное напряжение частотой f = 1 кГц с одного из генераторов подайте на вход «Х» осциллографа и одновременно на вход блока сдвига фазы. Напряжение с выхода блока сдвига фазы подайте на вход «Y» осциллографа.
2. Установите такой режим работы осциллографа, когда горизонтально отклоняющие пластины подключены не к ГПН, а ко входу «Х» (развертка отключена). При этом электронный луч будет совершать на экране взаимно перпендикулярные колебания одинаковой частоты (1 кГц), сдвиг по фазе которых задается переключателем блока сдвига фазы.
3. Зарисуйте наблюдаемые на экране фигуры при сдвиге фаз 0, π/4, π/2 и при положении «х» переключателя блока сдвига фазы. В последнем случае в соответствии с рис. 14г измерьте величины х0, у0, А, В, по каждой из двух формул (2) определите величину Δφ и найдите ее среднее значение.
Упражнение 4.
ПРОВЕРКА УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА НА ЭКРАНЕ ОСЦИЛЛОГРАФА
1. Горизонтально отклоняющие пластины должны быть подключены к ГПН (развертка включена), синхронизатор отключен. Один из генераторов переменного напряжения подключит ко входу «Y» осциллографа.
2. Установить частоту развертки fР порядка 1 кГц.
3. Плавно меняя частоту fГ генератора переменного напряжения в диапазоне от 0,5 кГц до 1,5 кГц, получить на экране устойчивое изображение одного периода сигнала. Убедиться, что при этом fР = fГ .
4. Не изменяя частоту развертки fР, увеличивать частоту генератора fГ, добиваясь получения на экране изображения двух, трех, четырех и пяти периодов сигнала. Записать частоты генератора при получении устойчивых изображений. Убедиться в справедливости условия (1).
Контрольные вопросы
1. Определение и график гармонического колебания; его параметры (амплитуда, частота, период, циклическая частота, фаза, начальная фаза); связь между периодом, частотой и циклической частотой.
2. Какие фигуры возникают при сложении двух взаимно-перпендикулярных колебаний одинаковой частоты и кратных частот?
3. Устройство электронно-лучевой трубки. Где она применяется?
4. Работа осциллографа в режиме развертки. Условие устойчивости изображения. Как с помощью осциллографа исследовать форму и параметры переменного напряжения?
5. Для чего предназначены и как действуют регулировки на передней панели осциллографа?
6. Как при помощи звукового генератора определить период развертки осциллографа?
7. Как с помощью осциллографа определить разность фаз двух переменных напряжений одинаковой частоты?