Изучение работы электронного осциллографа

ФГБОУ ВО «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 102

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по разделу «Электричество и магнетизм» для студентов всех форм обучения по всем

 специальностям

Калининград

2018

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры физики КГТУ _30_ ___октября___ __2018г.___, протокол № __2__.

И.о. заведующего кафедрой физики КГТУ               Синявский Н.Я.

 

 

Цель работы: Изучить основные принципы работы электронного ос­циллографа, а также провести исследование электричес­ких переменных  процессов с помощью  осциллографа.

Приборы и принадлежности: 1. Осциллограф. 3. Источник питания U =1,5 В с кабелем-щупом для присоединения к осциллографу. 2. Генератор. 3. Миллиметровка формата А4.    

        

     1. ВВЕДЕНИЕ

 

1.1. Осциллографы,  их классификация и применение

 

Электронный осциллограф - это прибор, предназначенный для визуального наблюдения, измерения, фотографирования формы раз­личных электрических процессов. Эти процессы графически изобра­жаются на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), которая явля­ется основным органом  электронного осциллографа.

Наблюдение изображения на экране осциллографа называется осциллографированием. Изображение на экране, или его фотография, называется  осциллограммой.

Осциллографические измерения обладают исключительной нагляд­ностью представления исследуемых явлений. Современные осциллогра­фы позволяют рассмотреть любые электрические процессы, даже если сигнал появляется в случайный момент времени и длится, например, миллиардные доли секунды. Возможности среднего глаза в регистра­ции процессов малой длительности ограничены временем порядка 0,1 с.

При использовании осциллографа для измерения переменных нап­ряжений его преимущество перед вольтметром заключается в том, что осциллограф позволяет измерять параметры переменного напряжения различных частот, в то время как вольтметр даёт возможность проводить измерения только в определённом интервале частот.

 

1.2. Электронно-лучевая трубка

 

Основным рабочим элементом осциллографа является электронно­лучевая трубка (рис.1). Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянный баллон, в котором создан высокий вакуум, в него впаян ряд электродов. Источником электронов служит катод 2, подо­греваемый спиралью 1. Между катодом и первым анодом 4 приложено постоянное напряжение порядка 10³ В. Поэтому вылетевшие из като­да электроны ускоряются электрическим полем и попадают на флюоресцирующий экран 8, вызывая его свечение. Катод находится внутри цилиндра 3, являющегося управляющим электродом. В основании цилиндра сделано отверстие для пропускания узкого электронного пуч­ка. Подводя отрицательный потенциал к цилиндру, можно уменьшить количество электронов, проходящих через его отверстие, а следовательно, уменьшить и яркость пятна на экране трубки.

Второй анод 5, также имеющий форму цилиндра, потенциал кото­рого выше первого, служит для фокусирования электронного пучка на экране, т.е.  выполняет роль своеобразной линзы. Регулируя по­тенциал второго анода, можно изменять размеры светящегося пятна на экране. При правильном подборе напряжений на этих

элементах электронно-лучевой трубки пятно на экране осциллографа имеет форму круга диаметром около 1 мм. Регулировка размеров пятна и его яркости осуществляется ручками  “ ”, “ ”, “ ”, “ ”, находящимися на лицевой панели осциллографа.

Вылетая из отверстия второго анода, узкий пучок электронов проходит между двумя парами отклоняющих пластин 6, 7, которые, по существу, представляют собой два плоских конденсатора.

Отклонение луча при прохождении электронами отклоняющих пластин приводит к соответствующему перемещению светящегося пятна на экране осциллографа. При одновременном изменении напряжения на обеих парах пластин пятно перемещается по некоторой траектории, оставляя светящийся след на экране.

Когда на пластины подаётся переменное (например, синусои­дальное напряжение ,  пятно совершает гармоническое колебание. При достаточно большой частоте   на экране наблюдается светящаяся линия. Её размер L (рис.2а) будет соответ­ствовать двойной амплитуде приложенного напряжения (рис.26).

 

1.3. Генератор развёртки

 

Применение в осциллографе ЭЛТ даёт возможность использо­вать осциллограф для наблюдения во времени. Рассмотрим подробно, как это делается.

Для получения исследуемого напряжения на экране осциллог­рафа необходимо, чтобы перемещение светящейся точки вдоль гори­зонтальной оси было пропорционально времени, т.е. равномерным. Кроме того, светящаяся точка, пройдя от одного края экрана до другого, должна мгновенно возвратиться в исходное положение и начать движение сначала. Такое движение будет, если напряжение развёртки возрастает пропорционально времени до некоторой вели­чины U₂, затем мгновенно уменьшается до некоторого минимального значения U₁, снова возрастает и т.д. Такое напряжение на­зывается пилообразным (рис.3).

Рассмотрим, как изучаемый сигнал развёртывается на экране. Предположим, что на вертикально-отклоняющие пластины (У) подано синусоидальное напряжение U, а на горизонтально-отклоняющие пластины (X) подано пилообразное напряжение развертки U_разв, причём частоты обоих напряжений одинаковы. На рис.4 схематичес­ки показаны отклоняющие пластины и экран. Под действием исследуемого напряжения за время    электронный луч переместится из точки А в В΄. Под действием напряжения развёртки (не принимая во внимание исследуемое напряжение) луч за это время переместится из А в В΄΄. При одновременном действии двух напряжений луч перей­дёт в точку В. Аналогично можно построить любую точку изображе­ния. В результате за время, равное одному периоду, на экране поя­вится кривая, отвечающая форме исследуемого сигнала. Из точки С луч быстро перемещается в точку А, и весь процесс повторяется.

 

Рис. 1.  Схема электронно-лучевой трубки

Рис. 2.  Смещение пятна на экране электронно-лучевой трубки при подаче на вертикально- отклоняющие пластины  постоянного и переменного напряжения.

 

U   U2   U1
Рис. 3.

 

Для получения на экране неподвижной картины светящаяся точка должна перемещаться на нём всё время по одной и той же траектории. Это будет в том случае, если частоты исследуемого напряжения и раз­вёртки относятся, как целые числа . В этом случае после каждых    периодов исследуемого сигнала или после каждых  периодов напряжений развёртки перемещение светящейся точки про­исходит по прежней траектории и на экране получается неподвижная картина  (рис.4).

1.4. Синхронизация

 

В процессе работы осциллографа частота развёртывающего нап­ряжения может меняться в результате изменения параметров схемы и напряжения питания. В результате изображение начнет перемещаться. Чтобы предотвратить это, применяют синхронизацию генератора раз­вёртки. Синхронизацию можно осуществить с помощью исследуемого сигнала напряжением от внешнего источника (генератора) или от сети переменного тока. Синхронизирующее напряжение удерживает час­тоты генератора развёртки от изменения её по отношению к частоте исследуемого напряжения (или по отношению к частоте внешнего ис­точника) и обеспечивает неподвижную картину на экране.

В осциллографе CI-8I применены следующие виды синхронизации: внутренняя, внешняя, автоматическая, ждущая. Для проведения дан­ного лабораторного эксперимента используем автоматическую или ждущую развёртку. При ждущей развёртке луч на экране неподвижен в режиме "ожидание", запускается только с момента прихода запус­кающего импульса и совершает один прямой ход.