Лабораторная работа № 1
«Исследование электронного осциллографа»
1. Цель работы: Исследование электронного осциллографа, ознакомление с принципом работы электронного осциллографа, получение навыков работы с осциллографом.
2. Приборы и принадлежности и их характеристики:
электронный осциллограф С1-112А (в амплитудном диапазоне от 5 мВ до 250 Мв.; во временном диапазоне от 0,12 мкс.до 0,5 с.; напряжение постоянного тока от 1 мВ до 1000 В; активные сопротивления от 1 Ом до 2,5 Ом).
генератор синусоидальных сигналов (диапазон частот задающий генератор 0,3 Гц – 1500 кГц., усилитель 0 – 20 кГц., выходные сигналы: гармонический, пилообразный, прямоугольный; выходное напряжение 0 – 20 В ; максимальный ток нагрузки 1,0 А.)
проводники.
3. Теоретическое обоснование выполняемой работы:
Устройство и принцип действия осциллографа.
Электронный осциллограф (ЭО).- прибор, предназначенный для изучения разнообразных переменных электрических процессов. Помимо качественной оценки исследуемых процессов осциллографы дают возможность оценить ряд величин (напряжение сигнала, фазу, частоту и др.) количественно.
Достоинствами электронного осциллографа являются его высокая чувствительность, малая инерционность и большое входное сопротивление. Последнее достоинство исключает влияние прибора на режим работы цепей, к которым он подключается. Работает осциллограф, как правило, от переменного тока (220 В).
ЭО состоит из следующих узлов и блоков (функциональная схема ЭО представлена на рис. 1.1): электронно - лучевой трубки (ЭЛТ); блока питания; усилителей сигналов каналов Х и У и аттенюатора (делителя напряжения)
Рис. 1.1
генератора развертки (пилообразного напряжения); блока синхронизации; калибратора.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) - основная часть прибора ( на экране трубки наблюдается исследуемый сигнал). ЭЛТ представляет собой (рис. 1.2) вакуумную колбу 10, внутри которой впаяны электроды различного назначения.
Рис.1.2.
Одна группа электродов образует так называемую электронную пушку, создающую электронный луч, направленный вдоль оси ЭЛТ. К этим электродам относятся следующие:
· катод 2, нагреваемый с помощью нити накала 1.Эмиссияэлектронов происходит с торцевой поверхности катода, покрытого слоем окисла с малой работой выхода электронов;
· управляющий электрод (модулятор) 3, на который подается отрицательный относительно катода потенциал. Величина этого потенциала с помощью потенциометра R1 может изменяться, что приводит к изменению яркости пятна на экране 8 (чем меньше по абсолютной величине потенциал, тем больше пройдет через модулятор в единицу времени электронов и тем ярче будет пятно);
· первый анод 4. выполненный в виде цилиндра, внутри которого расположено несколько диафрагм с отверстиями в центре;
· второй анод 5 - более короткий цилиндр с отверстием в центре.
На оба анода подаются положительные относительно катода потенциалы (на анод 4 » 500 В. на анод 5 » 3000 В), а потому они являются ускоряющими элементами (сообщают электронам ускорение и большую скорость). Кроме того, они совместно с модулятором 3 формируют здесь электрическое поле. Результирующее электрическое поле электродов 3, 4 и 5 оказывается таким,что электроны, двигаясь вдоль силовых линий, .фокусируются на экране. Регулировка фокусирующего действия осуществляется потенциометром R3.
К другой группе электродов относятся:
- вертикально отклоняющие пластины 6. Именнона них подается, как правило, после усиления исследуемое напряжение;
- горизонтальноотклоняющие пластины 7. Наних обычно подается напряжение с генератораразвертки (см. ниже);
- третий анод 9, соединенный с электродом 5 и играющий вспомогательную роль.
Для понимания принципа действия осциллографа очень важно понять действие вертикально-отклоняющих пластин (ВОП). Как уже сказано, именно на них подается исследуемое напряжение U.
Следовательно,между пластинами имеет место электрическое поле (рис. 1.3), напряженность которого в любой момент времени определяется равенством
,
где d - расстояние между пластинами.
Пусть электрон со скоростью n0 влетает в это поле вдоль оси Z. Очевидно, что координата Z связана с временем соотношением:
Z = n0 t
Вдоль оси У электрон будет двигаться с ускорением:
где e и т - заряд и масса электрона соответственно. Следовательно,
Исключая из предыдущей формулы время, найдем
Это означает, что электрон между пластинами движется по параболе.
При выходе из поля ВОП электрон будет двигаться вдоль прямой MN (касательной к параболе), давая в точке N экрана вспышку. Можно показать, что отклонение h электрона на экране трубки пропорционально подаваемому напряжению U, т.е. 
, где с -постоянная для данной трубки величина, называемая чувствительностью трубки - отклонение луча при подаче на ВОП напряжения, равного 1В( 
).
Так как напряжение, подаваемое на ВОП, чаще всего является переменным, то, естественно, под влиянием поля электронный луч отклоняется вертикально на величину 2h.
Литература : (1)§ .6.1., 6.2, 6.3 ; (2)§ 8.3.
4. Перечень контрольных вопросов:
1. Для чего предназначен электронно-лучевой осциллограф?
2. Какие виды сигналов можно измерить с помощью осциллографа?
3. Из каких основных узлов состоит осциллограф?
4. Поясните принцип создания изображения на экране осциллографа.
5. Поясните метод калиброванных шкал.
6. Поясните компенсационный метод измерения.
7. Поясните метод сравнения.
8. Как определить амплитуды сигналов.
9. Как определить период колебаний и частоты.
5. Порядок выполнения работы:
1. Ознакомиться со схемой лабораторного стенда (рис. 1.4 ), записать данные с осциллографа в табл.1.1
| № | UM,В | U,В | R,Ом | прим. |
| 1. |
Рис.1.4
 |
2. Ознакомиться с методическими указаниями по эксплуатации и применению осциллографа (рекомендуемый тип осциллографа: электронный осциллограф С1-112А), подготовить осциллограф к работе.
3. Присоединить вход канала СН1(Х)к зажимам 1-1' на экране осциллографа получим изображение с выхода генератора (прямоугольного, пилообразного или синусоидального) Измерить амплитуду напряжения и рассчитать его действующее значение по формуле:
U = Uм /√2
4. Присоединить вход канала СН2(Y)к зажимам 2-2' на экране осциллографа получим 2а изображения: 1 с выхода генератора, 2 с выхода трансформатора. Сравнить полученные диаграммы и зарисовать полученные осциллограммы напряжения на кальке, нанести на нее предварительно координатную сетку экрана.
5. Присоединить вход канала СН2(Y)к зажимам 3 -31 на экране осциллографа получим 2а изображения: 1 с выхода генератора, 2 на емкости. Сравнить полученные диаграммы и зарисовать полученные осциллограммы напряжения на кальке, нанести на нее предварительно координатную сетку экрана.
6. Присоединить вход канала СН2(Y)к зажимам 4 -41 на экране осциллографа получим 2а изображения: 1 с выхода генератора, 2 на сопротивлении. Сравнить полученные диаграммы и зарисовать полученные осциллограммы напряжения на кальке, нанести на нее предварительно координатную сетку экрана.
7. По измеренному напряжению UR рассчитать действующее значение тока (R = 3 кОм).
I = UR / R
8. Рассчитать модуль комплексного сопротивления цепи.
Z = z*ejj = R + jwL – j / wC,где
Z – комплексное сопротивление цепи;
z – модуль комплексного сопротивления цепи;
z = ÖR2 + X2 ,где
X – реактивное сопротивление
X = wL – 1 /wC
9. По зарисованным осциллограммам напряжения и тока определить фазовый сдвиг между ними.
10. Данные расчетов занести в табл.№1.2
11. Сделать вывод по проделанной работе.
Таблица№1.2
| № п/п | U | U1 | U2 | U3 | Z | X | z |
| 1. |
6. Список использованных источников:
1. В.И. Винокуров и др. «Электрорадиоизмерения» Москва «Высшая школа» 1986.-351 с.
2. Р.М. Демидова-Парфенова и др. «Электрические измерения» - М Энергоиздат 1983. – 392 с.
3. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учеб. пособие для вузов. - |М.:Логос, 2000. - 408 с.