Лабораторная работа №14

Исследование формы входного напряжения электронных               генераторов при помощи осциллографа

 

Цель работы. Ознакомление с устройством и работой электронного осциллографа, измерение с помощью осциллографа амплитуды и частоты синусоидального сигнала, определение скважности прямоугольного импульса и наблюдение фигур Лиссажу.

 

Приборы и оборудование. Электронный осциллограф (С1-117 или С1-65), звуковой генератор, истоечник переменного напряжения 6 В.

 

 

1. Электронный осциллограф

Электронный осциллограф – прибор, используемый для исследования быстропротекающих процессов, измерения электрических и не электрических величин. Осциллограф в первую очередь приспособлен для измерения напряжений, но в отличие от цифровых приборов позволяет наблюдать процесс изменения напряжения на участке цепи в зависимости от времени. Поэтому для измерения других физических величин требуется их преобразование в изменение напряжения.

Благодаря возможности измерять процессы, происходящие во времени осциллограф является незаменимым прибором для исследования формы электрических сигналов и часто удобен для измерения частоты, периода и фазовых сдвигов в цепях. Однако в отличие от специализированных приборов, таких как цифровой вольтметр, частотомер, фазометр измерения самих физических величин с помощью осциллографа нельзя выполнить с высокой точностью. Типичная погрешность при измерении напряжения, или периода составляет величину порядка 1 – 4 %. Поэтому обычно осциллограф используют для визуального наблюдения и оценочного измерения, точное измерение физической величины выполняют с помощью других приборов. По этой же причине осциллографы часто объединяют с цифровыми мультиметрами, например как в осциллографе С1-117/1.

 

1.1. Блок схема осциллографа

Основными узлами типичного электронного осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, блок синхронизации, усилители отклоняющих пластин, блок питания лок схема типичного осциллографа приведена на рис. 2.1.

На вход канала Y подается исследуемый сигнал, который усиливается и подается на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Для получения на экране развернутого во времени изображения на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки подается пилообразное напряжение, которое формируется в блоке развертки.

для синхронизации исследуемого сигнала с началом запуска пилообразного напряжения служит блок синхронизации. Блок синхронизации может работать в режиме синхронизации от исследуемого сигнала или в режиме внешней синхронизации. Соответствующие режимы переключаются переключателем К₂. В ряде случаем требуется отключить блок развертки, а на горизонтально отклоняющие пластины подать другой исследуемый сигнал. Такой режим работы осциллографа обеспечивается переключателем К₁ и необходим для наблюдения фигур Лиссажу. В этом случае второй исследуемый сигнал подается на вход X.

Осциллографы делятся на однолучевые и двухлучевые. Двухлучевые осциллографы благодаря наличию двух одинаковых каналов вертикального отклонения и электронного коммутатора позволяют одновременно наблюдать на экране два электрических сигнала. Блок схема двухлучевого электронного осциллографа приведена на рис. 2.2.

Как видно из рис. 2.2 двухлучевой осциллограф имеет два независимых входа «Y» - «Канал А» и «Канал В». Электронный коммутатор, управляемый блоком развертки, попеременно подключает к усилителю вертикального отклонения либо вход канала А, либо канала В. В результате на экране одновременно отображают

ся два входных сигнала.

Рассмотрим устройство и принцип работы основных узлов осциллографа.

 

1.2. Электронно-лучевая трубка

По принципу отклонения и фокусировки электронного луча различают два вида трубок: электростатические и магнитные. В первых для отклонения и фокусировки луча используется электрическое поле (осциллографы), во вторых — магнитное поле (телевизоры). Электронно-лучевая трубка ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу, откачанную до высокого вакуума (рис. 2.3). Внутри неё расположена электронная пушка 1, две пары отклоняющих пластин 2 и флюоресцирующий экран 3.

Электронная пушка предназначена для создания сфокусированного электронного пучка и состоит из следующих элементов: катода косвенного накала К, испускающего при нагревании электроны; фокусирующего цилиндра ФЦ, имеющего отрицательный потенциал относительно катода и сжимающего выходящий из катода электронный пучок (изменяя потенциал фокусирующего цилиндра, можно регулировать количество вылетающих электронов, т. е. яркость пятна на экране трубки); первого фокусирующего A ₁и второго ускоряющего А ₂анодов. Потенциал первого анода в несколько раз меньше потенциала второго анода. Аноды имеют форму цилиндров с перегородками, в центре которых сделаны отверстия. Перегородки служат для удаления электронов, не удовлетворяющих условиям фокусировки.

Рассмотрим фокусирующее действие электрического поля на поток электронов на примере действия на электроны электрического поля между первым и вторым анодами. Распределение потенциала в пространстве характеризуется эквипотенциальными поверхностями (рис. 2.4). Электрическое поле сосредоточено в основном у щели между цилиндрами. Предположим, что электрон влетел в зазор между цилиндрами слева направо под углом к их оси. За время, в течение которого он пролетает зазор между цилиндрами, электрическое поле сообщает ему ускорение вдоль оси (тангенциальные составляющие силы F имеют все время одно направление). В то же время он отклоняется сначала вниз,а потом вверх за счет действия F _n. Следовательно, в электрических полях, эквипотенциальные поверхности которых обращены выпуклостями к катоду, электроны при своем движении будут собираться к горизонтальной оси (действие таких полей похоже на действие собирающих линз). Если эквипотенциальные поверхности полей имеют противоположное направление, то электроны будут расходиться от горизонтальной оси (действие таких полей похоже на действие рассеивающих линз).

 

1.3. Отклоняющие пластины

На пути к экрану электронный пучок проходит между двумя парами отклоняющих пластин. Напряжения, приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля, которые отклоняют электронный луч, что приводит к смещению светящегося пятна на экране. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (вдоль оси Y), авертикально расположенные — по горизонтали (вдоль оси X).

Установим связь между напряжением на пластинах А и В и смещением пятна на экране (рис. 2.5).

Электрон влетает в однородное электрическое поле Е_у со скоростью v₀ = v_z. Вдоль оси Z на электрон не действуют никакие, силы, поэтому в этом направлении он движется равномерно:

 

2. Органы управления осциллографом

Все осциллографы имеют стандартный набор органов управления, которые на передней панели сгруппированы по функциональному признаку. Как правило, слева от ЭЛТ находятся органы управления лучом, под ЭЛТ входной разъем, ручки усиления по вертикали и ручки отклонения луча по вертикали. Слева от ЭЛТ находятся ручки управления разверткой и смещения луча по горизонтали. В правой части осциллографа обычно расположены ручки режима синхронизации. В зависимости от модификации осциллографы могут обладать рядом дополнительных функций в частности иметь встроенный цифровой мультиметр или двухлучевой режим работы. В лаборатории используются осциллограф С1-117/1 имеющий двухлучевой режим работы и встроенный мультиметр. Полоса рабочих частот 0 – 15 МГц, входное сопротивление 1 МОм, входное напряжение на открытом входе не должно превышать 100 В. Кроме того, в лаборатории имеется и более простой осциллограф С1-65 с полосой рабочих частот до 35 МГц и максимальным входным напряжение не выше 60 В

.

 

2.1. Внешний вид осциллографа С1-65 приведен на рис. 2.7.

2.2. Назначение органов управления осциллографом С1-117/1.

Слева от ЭЛТ расположены ручки управления яркостью и качеством луча.

        Регулировка астигматизма.       Фокусировка.

        Яркость.                                       Подсвет шкалы.

Здесь же расположена ручка СЕТЬ. Для включения осциллографа необходимо потянуть ручку желтого цвета на себя.

Под экраном расположены органы управления и подключения тракта вертикального отклонения.

1) Гнезда 1 МW 35 pF каналов А и Б для подачи сигналов на вход осциллографа.

2) Ручки переключателей V/ДЕЛ каналов А и Б для установки коэффициента отклонения

3) Ручки ПЛАВНО (на одной оси с переключателями) для плавной регулировки усиления.

4) Ручки `~ ^ ~ для переключения открытый – заземление - закрытый вход осциллографа.

5) Ручка НОРМ ИЗМЕР для переключения осциллографа в режим работы с мультиметром.

6) Ручка СИНХ РЕЖ для переключения режимов работы синхронизации.

7) Ручки для перемещения луча по вертикали.

8) Ручки МЕТКИ I и II и ручки  относятся к цифровому мультиметру. Сюда же относится цифровое табло и индикатор на светодиодах.

9) Гнездо 0,6 V 1 kHz выход калибратора.

В правой части осциллографа расположены органы управления разверткой и синхронизацией.

1) Ручка переключателя ВРЕМЯ/ДЕЛ для установки необходимого коэффициента развертки по горизонтали. В положении переключателя X/Y развертка осциллографа отключается. Этот режим необходим для включения осциллографа в режим наблюдения фигур Лиссажу.

2) Ручка Х10, находящаяся на одной оси с переключателем для «растяжки» развертки.

3) Ручка УРОВ для настройки уровня запуска осциллографа.

4) Ручка «для перемещения луча по горизонтали.

5) Переключатель ОДНОКР ЖДУЩ АВТ для включения необходимого режима запуска развертки.

6) Переключатель ВНУТР ВНЕШ сеть для выбора синхронизации от необходимого источника сигнала.

7) Гнездо Х для подачи внешнего синхронизирующего импульса.

Помимо перечисленных ручек на передней панели находятся ещё несколько ручек и переключателей, имеющих специальное назначение.

 

3. Общие правила при настройке режима работы осциллографа

После включения осциллографа в сеть и ~ 1 мин. прогрева на экране должен появиться луч. Если на экране нет луча ни в виде прямой горизонтальной линии ни в виде светящейся точки, необходимо ручками «попытаться вывести луч в центр экрана. Если луча по-прежнему нет, надо увеличить яркость ручкой и проверить правильность установки режимов синхронизации и развертки и повторить поиск луча.  Переключатель ВРЕМЯ/ДЕЛ должен быть в среднем положении, переключатель ОДНОКР ЖДУЩ АВТ в положении АВТ, переключатель ВНУТР ВНЕШ сеть в положении ВНУТР, ручка УРОВ в среднем положении. Кроме того, в осциллографе С1-117/1 ручка НОРМ ИЗМЕР должна быть нажата, а переключатель НОРМ/ТВ в положении НОРМ.

После появления луча при необходимости надо настроить яркость, фокус, астигматизм и установить луч в центр экрана.

 

4. Подготовка к проведению измерений

Подайте на вход осциллографа исследуемый сигнал. Поскольку осциллограф С1-117/1 двухлучевой то можно подавать сигнал как в канал А так и в канал Б, необходимо только выбрать рабочий канал переключателем СИНХР РЕЖ (А или Б). Этим же переключателем устанавливается режим работы коммутатора А+Б, А и Б и X–Y. Здесь А+Б режим суммирования сигналов, а режим А и Б наблюдения двух лучей одновременно. Последний режим предназначен для включения осциллографа в режим наблюдения фигур Лиссажу. Наличие дублирования режимов на переключателе СИНХР РЕЖ связано с тем, что надо иметь возможность выбирать от какого из двух сигналов (А или Б) будет синхронизироваться развертка осциллографа.

Переключатель V/ДЕЛ и ручку установите в положения, обеспечивающие получение удобного для наблюдения изображения. Ручкой УРОВ засинхронизируйте изображение, а переключателем ВРЕМЯ/ДЕЛ выберите необходимый масштаб развертки по горизонтали.

 

5. Включение осциллографа в режим наблюдения фигур Лиссажу

5.1. Осциллограф С1-117/1.

1. Выключить развертку (ручку ВРЕМЯ/ДЕЛ в положение Х/Y).

2. Ручку СИНХР РЕЖ в положение Х-Y.

3. Ручками смещения луча вывести луч в центр экрана

4. Сигнал Х подать на вход канала А, а сигнал Y на вход канала Б. Размер фигуры по осям регулируется ручками V/ДЕЛ каналов А и Б.

5.2. Осциллограф С1-65.

1. Для отключения развертки переключатель х1 х10  Х перевести в крайне правое положение.

2. Установите точку в цент экрана.

3. Переключатель ВНУТР. ВНЕШ. в положение 1:1 или 1:10.

4. Сигнал Y подать на вход   осциллографа. Сигнал Х на вход синхронизации   Х. Размеры фигуры регулируются плавно ручкой ВОЛЬТ/ДЕЛ по оси Y и грубо переключателем 1:1 или 1:10 по оси Х.

 

6. Измерения

Лабораторная установка состоит из осциллографа, звукового генератора, преобразователя импульсов и источника питания. Перед началом выполнения работы необходимо ознакомиться с органами управления звукового генератора, а также с порядком проведения измерений с помощью осциллографа.

В лабораторной работе производятся измерения амплитуды и частоты синусоидального сигнала, «скважности» прямоугольного импульса, а также наблюдаются фигуры Лиссажу. Скважностью прямоугольного импульса называют величину

Q = T/τ                                    (2.16)

где Т — период импульса, а τ — его длительность (рис.2.8).

Фигурами Лиссажу называются траектории результирующего движения при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний: Эти фигуры можно получить на экране осциллографа, подавая синусоидальные напряжения различной частоты одновременно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины трубки. При этом луч будет находиться под действием двух взаимно перпендикулярных отклоняющих сил. В зависимости от амплитуды, частоты и фазы подаваемых напряжений фигуры Лиссажу будут иметь различный вид.