Экспериментальная часть

Сведения из теории

Электронный осциллограф – прибор, предназначенный для визуального наблюдения, фотографирования и измерения различного рода электрических процессов. Он состоит из нескольких функциональных блоков:

· электронно-лучевой трубки,

· усилителя вертикального отклонения,

· усилителя горизонтального отклонения,

· генератора развертки,

· блока синхронизации,

· источника питания.

 

1. Электронно-лучевая трубка

 

А

Рис. 2.1

 

Все детали электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) помещены в стеклянной колбе (7), где создан вакуум порядка 10⁷ – 10⁸ мм. рт.ст. Источником электронов служит катод 1. Через катод проходит ток, который его нагревает (ток накала). При этом электроны покидают катод и образуют вокруг него электронное облако. Часть электронов под действием электрического поля движутся к аноду, проходя через модулятор 2 и отклоняются так, что их траектории пересекаются в точке А. Таким образом, система катод-модулятор служит для электронов, как бы фокусирующей линзой. Если разность потенциалов между модулятором и катодом можно увеличить (движок потенциометра «яркость» сдвинуть влево), то часть электронов будет отталкиваться модулятором обратно на катод, а число прошедших электронов уменьшится. Еще сдвинув движок влево, можно совсем не пропустить электроны к первому аноду 3.

Пройдя через точку А, электроны подходят ко второй электронной линзе, состоящей из первого анода 3 и второго анода 4. Между этими анодами имеется разность потенциалов, меняя вторую с помощью движка потенциометра «фокус», можно совмещать точку пересечения траекторий электронов с поверхностью экрана. На внутренней поверхности экрана нанесен люминофор, который позволяет наблюдать положение точки в которую попадает электронный луч.

Электроды 1-4 объединяются в одной конструкции, называемой электронной пушкой (обведена пунктиром). Вращая ручку «яркость», можно менять поток электронов на экран, а значит, и яркость светового пятна.

экран

В электронно-лучевой трубке вмонтированы еще система электродов горизонтально отклоняющие 5 и вертикально отклоняющие 6 пластины. Принцип отклонения электронов пояснен на рис. 2.2.

Рис. 2.2

l

Электронный луч, формируемый пушкой, проходит между двумя пластинами. Если пластины заряжены: верхняя – положительно, нижняя – отрицательно, то электроны будут отклоняться в сторону положительной пластины. При обратной полярности пластин – отклонение будет наблюдаться в противоположенную сторону. Если же между пластин электрическое поле отсутствует, то луч попадает в центр экрана.

Пластины 5 и 6 расположены перпендикулярно друг другу и, следовательно, подавая напряжение на эти пластины, можно отклонять луч во взаимно перпендикулярных направлениях (ручки «смещ.Y» и «смещ. Х» на осциллографе).

Конфигурацию пластин и экрана выбирают такой, чтобы величина отклонения луча (рис.2.2) была пропорциональна напряжению на пластинах U _о.  

x = hU _о l = 2 x h = l / 2 U _о               (2.1)

Коэффициент пропорциональности h называется чувствительностью электронно-лучевой трубки. Различают чувствительность для горизонтально отклоняющих пластин h _x и для вертикально отклоняющих h _y.

 

2. Усилители горизонтального и вертикального отклонения

 

Чувствительности разных ЭЛТ имеют величины порядка 0.2…0.5 мм/В, поэтому, чтобы отклонить луч на 20 мм, нужно подать пластинам 40…100 В. А если необходимо исследовать сигнал на несколько порядков меньше его нужно усилить до необходимого (40…100В) напряжения, и только потом подать на отклоняющие пластины. Обычно в осциллографе имеются два усилителя: для горизонтально и вертикально отклоняющих пластин. Входные клеммы усилителей расположены на передней панели осциллографа: вход Х – усилитель горизонтально, вход Y – усилитель вертикально отклоняющих. Входные клеммы усилителей подключены к соответствующим выводам ЭЛТ внутри осциллографа. Коэффициенты усиления могут изменяться с помощью ручек «усиление Y» 1:10:100 для входа Y и «усиление Х» – для входа Х.

 

3. Генератор развертки

 

Если на вход Y подать синусоидальное напряжение U _y= U _оysinw t, то на экране появится вертикальная линия, длина которой пропорциональна U _о, т.е. информация о временном ходе напряжения не воспроизводится.

Для развертки луча во времени на вход Х необходимо подавать напряжение, линейно зависящее от времени: U _x = f (t). Однако напряжение не может увеличиваться бесконечно, поэтому на вход Х подают пилообразное напряжение (рис.2.3), из-за которого луч равномерно перемещается, по мере нарастания напряжения, по полю экрана слева направо, затем мгновенно перескакивает опять на левую часть экрана и опять равномерно идет вправо.

Напряжение такой формы вырабатывает генератор пилообразного напряжения, который и служит генератором развертки. Термин «развертка» означает «разворачивание сигнала по времени».

Рис 2.4

 

Теперь, если к входу Х подключить генератор развертки, а на вход Y синусоидальное напряжение, при этом период синусоиды будет равен периоду пилообразного напряжения (рис. 2.4), то на экране мы увидим синусоиду. Очевидно, генератор развертки должен быть сконструирован так, чтобы можно было менять частоту пилообразного напряжения – для того, чтобы исследовать процессы происходящие с разной скоростью. Для этого у осциллографа имеются ручки «диапазоны частот» и «частота плавно».

 

4. Блок-схема осциллографа

 

Предположим, мы хотим получить на экране 3 или 4 периода синусоиды. Манипулируя ручками «диапазоны частот» и «частота плавно» добиваемся этого. Но тут же синусоида начинает бежать по экрану. Это происходит, когда период развертки не равен точно трем или четырем периодам синусоиды. Но ведь раньше синусоида не бежала? Дело в том, что в силу многих причин частота или период генератора развертки случайным образом изменяется и соотношение Т / Т _о = n нарушается (Т – период развертки, Т _о – период исследуемого сигнала, n – целое число). Поэтому в осциллографе имеется устройство, которое делает три развертки точно соответствующие выше приведенному соотношению, т.е. осуществляет синхронизацию генератора развертки исследуемым сигналом. Этот сигнал попадает не только на вход Y, но и на вход Х, который в режиме синхронизации подключен к блоку синхронизации. Для удобства работы с осциллографом имеется переключатель «Синхронизация». В положении «внутр.» генератор развертки синхронизируют с исследуемым сигналом. В положении «Сеть» генератор синхронизируется сетевым напряжением в 50 Гц, а в положении внешняя синхронизация сигнал подается на специальный вход от внешнего источника.

Теперь можно составить из рассмотренных блоков общую блок-схему осциллографа (см. рис. 2.5).

 

Рис. 2.5

 

На этой блок-схеме можно понять взаимодействие основных блоков осциллографа. Источник питания всех блоков здесь не показан.

 

5. Фигуры Лиссажу

 

Метод фигур Лиссажу – один из основных методов измерений частоты синусоидальных сигналов. Он основан на геометрическом сложении на плоскости двух взаимно перпендикулярных колебаний. Предположим, что нужно сложить два колебания

                      (2.2)

Задавая значения ω₁ = ω₂ и меняя Δφ = φ₁ – φ₂, получим ряд значений для Х и Y. В зависимости от сдвига фаз Δφ, получим круг, эллипс или наклонную прямую (рис.2.6, ряд 1).

Если ω₁ = 2ω₂ в зависимости от сдвига фаз Δφ, получим кривые представленные на рис.2.6, ряд 2. Таким образом, по виду фигур на экране осциллографа можно судить о соотношении частот двух колебаний.

Есть простое правило определения отношения частот. Зафиксируем какую-либо точку на кривой и начнем двигаться по кривой так, чтобы вернуться в ту же точку. При этом мы два раза пересекаем ось Х и два раза – Y. Тогда отношение частот колебания

.                           (2.3)

Частота колебаний по оси Х в два раза выше, чем по оси Y.

Если на входы Y и Х подать напряжение различных частот, то на экране получится фигура Лиссажу (рис.2.6, ряд 3 и 4). Полученную фигуру можно зарисовать, провести через центр фигуры оси и вычислить одну из частот, если другая известна по формуле

.                                        (2.4)

 

Рис. 2.6

Вопросы допуска

1. Каково назначение электронного осциллографа?

2. В чем суть изложенного в данной работе метода измерения частоты гармонических колебаний?

3. Что называют чувствительностью электронно-лучевой трубки? Как ее измерить?

4. Как осциллографом измерить напряжение?

5. Каково назначение блока синхронизации? При каком условии на экране будет неподвижная осциллограмма?

6. Чем определяется число периодов исследуемого колебания на экране осциллографа?

7. Каково назначение генератора развертки?

8. Почему при сложении одних и тех же частот на экране осциллографа могут появиться разные фигуры?

 

Экспериментальная часть