изучение электронного осциллографа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО
ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физики
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
Учебно - методическое пособие
к лабораторной работе № 2-1
Уфа 2008
Методическое руководство содержит краткое описание устройства электронного осциллографа и описание техники измерений параметров электрических сигналов.
Предназначено для студентов всех специальностей.
Составитель: Кондрашев О.Ф., доцент, докт. техн. наук
Рецензент: Маненкова Л.К., доцент, канд. физ.- мат. наук
©Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2008.
Лабораторная работа № 2 - 1
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
Цель работы: Изучение устройства электронного осциллографа и техники
измерений параметров электрических сигналов.
Приборы и оборудование: Электронный осциллограф, звуковой генератор и
источник питания.
Краткая теория
Электронный осциллограф применяется для визуального исследования электрических сигналов.
Основными элементами осциллографа являются электронно-лучевая трубка
(ЭЛТ), усилители отклоняющих пластин, генератор развертки, блоки синхронизации
и питания.
Электронно-лучевая трубка
По принципу отклонения и фокусировки электронного луча ЭЛТ делятся на
электростатические и магнитные. В первых, для этой цели используется электрическое, а во вторых - магнитное поле.
ЭЛТ представляет собой вакуумированную стеклянную колбу с электронной
пушкой 1 (устройство для получения и фокусировки пучка электронов), парой отклоняющих пластин 2 и флуоресцирующим экраном 3 (рис. 1).
ФЦ
А1
А2
4
K
1
2
3
Рис. 1
Электронная пушка состоит из катода (К), фокусирующего цилиндра (ФЦ) и
анодов (А1, А2 ). Катод, представляющий собой цилиндр с оксидированным покрытием и нагревательным элементом, обеспечивает термоэлектронную эмиссию. Первичная фокусировка электронов осуществляется ФЦ, имеющим небольшой отрицательный потенциал. Дальнейшее формирование пучка электронов 4 проводится в
пространстве между анодами, распределение потенциала в котором приведено на
следующем рисунке. При влете электрона под углом к горизонтальной оси в пространстве между А1 и А2 на него действуют тангенциальная (Fτ ) и нормальная (Fn)
Fτ
E
Fn
Fn F
A1
Рис. 2
E
F
Fτ
A2
составляющие силы со стороны электрического поля. Видно, что в электрическом
поле, эквипотенциальные поверхности которого обращены выпуклостью к катоду,
электроны группируются около горизонтальной оси (влияние таких полей похоже
на действие собирающих линз). Если эквипотенциальные поверхности полей имеют
противоположное направление, то электроны будут расходиться от горизонтальной
оси (влияние таких полей похоже на действие рассеивающих линз).
Y
Отклоняющие пластины с помощью электрического поля изменяют
y2
r
траекторию электронного пучка и соα
ν0
ответственно положение светящегося
y1 Х
d
пятна на экране. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч
L
l
по вертикали (вдоль оси Y), а вертикально расположенные - по горизонРис. 3
тали (вдоль оси Х).
Установим связь между напряжением на пластинах и смещением пятна на экране (рис. 3).
Пусть
электрон
влетает в однородное электрическое поле между пластинами со скоростью υ0 = υх.
Вдоль оси Х на электрон не действуют электрические силы, поэтому в этом направлении он движется равномерно по закону:
(1 )
х = υ 0·t.
Вдоль оси Y на электрон действует постоянная сила
(2)
Fу = e·Ey, где Ey = U/d.
Здесь Еу - напряженность поля между пластинами, а U и d соответственно напряжение (разность потенциалов) и расстояние между ними.
Следовательно, движение электрона вдоль оси Y будет равноускоренным,
поэтому скорость и проходимый им путь соответственно равны υy = a·t и y1 = a·t2/2.
Ускорение а найдем из второго закона Ньютона:
Fy eE y eU
a=
=
=
.
(3)
m
m
md
Тогда
у1 =
Учитывая, что t =
l /υ 0,
eU 2
t .
2md
(4)
получим
eUl 2
,
у1 =
2mdν 02
(5)
где l - длина отклоняющих пластин.
Из формулы (5) следует, что траектория движения электрона между пластинами представляет собой параболу. При выходе из пространства между пластинами
электрон отклоняется от своего первоначального направления на угол α и смещается по вертикали на y1 . Отсюда
ν y at
eU
tgα =
=
=
l,
(6)
ν 0 ν 0 mdν 02
Смещение светящегося пятна на экране осциллографа при этом будет равно
у = y1 + y 2 = y1 + Ltgα =
eUl
2mdν 02
⎛l
⎞
⎜ + L ⎟.
⎝2
⎠
(7)
Учитывая, что l /2 << L, то смещение по вертикали экрана будет пропорционально
напряжению на отклоняющих пластинах:
eUl
у=
L.
(8)
2mdν 02
Усилители отклоняющих пластин
Чувствительность собственно ЭЛТ, характеризуемая величиной отклонения
луча на экране при подаче напряжения 1 В на данную пару пластин, обычно невелика, поэтому при исследовании слабых электрических сигналов уровень отклоняющих напряжений увеличивают с помощью соответствующих усилителей. . В силу показанной выше пропорциональности смещения пятна на экране и величины
отклоняющего напряжения усилители позволяют изменять размеры изображения
сигнала на экране по оси Х или У в соответствие с задачами исследования.
Регулировка чувствительности осциллографа и масштаба изображения исследуемого сигнала по вертикали или горизонтали осуществляется с помощью соответствующих ручек усиления каналов А или В осциллографа.
Генератор развертки.
При изучении одного сигнала исследуемое напряжение обычно подается на Х - пластины (канал А),
при этом другие пластины (вход У, канал В), смещающие луч по горизонтали, подключаются к генератору развертки, пилообразное напряжение которого
(рис. 4) обеспечивает возвратно-поступательное движение электронного луча между отклоняющими пластинами и по горизонтали экрана.
U
t
А
В
С
Рис. 4
Д
За время прямого хода луча (интервалы времени АВ, ВС и СД) пилообразное
напряжение развертывает, растягивает изображение сигнала по оси Х экрана, обеспечивая возможность визуального исследования его формы. Обратный ход луча
(точки А, В, С и Д) обычно не виден, так как специальное устройство в осциллографе гасит луч в это время.
При исследовании 2-х сигналов каждый из них подается непосредственно на
отклоняющие пластины Х и У. Этот случай рассматривается в третьем упражнении
данной лабораторной работы на примере сложения двух взаимноперпендикулярных колебаний (фигуры Лиссажу), который подробно рассматривается ниже.
Блок синхронизации
Это устройство обеспечивает стабильность осциллограмм, синхронизируя
напряжения генератора и изучаемого сигнала, заставляя генератор развертки вырабатывать пилообразное напряжение, изменяющееся в такт с исследуемым сигналом.
Если период исследуемого напряжения равен или кратен времени прямого хода луча, то на экране возникает соответственно одно или несколько устойчивых изображений сигнала. Для получения требуемой частоты развертывающего напряжения в
осциллографе предусмотрена ее ступенчатая и плавная регулировка.
Синхронизация может осуществляться с помощью исследуемого сигнала
(внутренняя синхронизация) или напряжения внешнего источника (внешняя синхронизация).
Измерение параметров сигналов на осциллографе
В лабораторной работе проводится измерение характеристик синусоидального и прямоугольного напряжения (амплитуда, частота, период, скважность), а
также определение частот взаимноU
перпендикулярных колебаний с помо8
щью фигур Лиссажу.
На примере гармонически изме4
няющегося напряжения ( U = U mCosωt ) Н
t
0
покажем технику измерений по осциллограмме текущего (U) и амплитудного
значение (Um) исследуемого напряжения, а также частоту (w) его колебаний.
Для измерения амплитуды сигнала
4
8
12
16
20
удобнее вначале найти величину удвоl
енной амплитуды - размаха сигнала (Н) в
Рис. 5
клетках - делениях вертикальной шкалы
экрана (рис.5). Значение этого параметра в вольтах определяется далее умножением
измеренной величины на цену деления вертикальной шкалы экрана, задаваемую регулятором усиления данного канала прибора (ручка V/ДЕЛ).
Измерение временных показателей сигнала проводится по похожей схеме:
измеряется расстояние ( l ) в делениях – клетках горизонтальной шкалы экрана
между ближайшими точками, находящимися в одинаковых фазах. Величина перио-
да в секундах находится далее при умножении данных измерения на цену деления
шкалы, определяемой по шкале регулятора частоты развертки (ручка ВРЕМЯ/ДЕЛ).
Пример расчета. На рисунке размах сигнала Н = 16 клеток. Если переключатель усиления данного канала V/ДЕЛ находится, например, в положении 2, тогда
размах напряжения будет равен 16 . 2 = 32 В, а его амплитуда составляет вдвое
меньшую величину Н/2 = 16 В.
По горизонтальной оси времени величина периода сигнала в делениях( l ) составляет 24 клетки. Если цена деления по шкале регулятора генератора развертки
равна, например, 5 mc, то период изучаемого сигнала равен Т= 24·5 =120 mc.
В случае негармонических электрических сигналов осциллограф позволяет
определить длительность импульса – скачка напряжения ( τ ) и его соотношение с
периодом (Т) по параметру скважность (рис.
U
6):
Q = T/ τ .
(9)
t
При анализе 2-х электрических сигналов
τ
изучаемое напряжение подается на непосредственно на отклоняющие пластины осциллографа,
T
при этом блок развертки отключается. ИзмереРис. 6
ние параметров результирующего сигнала, возникающего при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний проводится
по фигурам Лиссажу.
В случае наложения гармонически изменяющихся напряжений, подаваемых на
отклоняющие пластины Х (Uх = Umx cos ω t) и У (Uу = Umy cos ( ω t + ϕ ) амплитудой
и начальной фазой ( ϕ ), возникающая на экране фигура представляет собой эллипс:
Ux
2
U mx
2
+
Uy
2
U my
2
+
2U x U y
cos ϕ = sin 2 ϕ
U mx U my
(10)
Ориентация осей эллипса, его размеры зависят от амплитуд складываемых колебаний и разности фаз ϕ .
В интересующем нас случае ( ϕ = [2K + 1]
π
2
, где К = 0, ± 1, ± 2, ...) послед-
нее уравнение представляет собой эллипс, оси которого совпадают с осями координат (рис.8, а):
Ux
2
U mx
2
+
Uy
2
U my
2
=1
(11)
Если частоты складываемых колебаний различны, то траектория результирующего колебания (фигура Лиссажу) более сложна и зависит от соотношения амплитуд, частот и разности фаз складываемых колебаний (рис.7, б и в).
Здесь приведены траектории, которые можно наблюдать на экране ос-
циллографа при разности фаз складываемых напряжений π 2 и соотношении час-
Y
Umx
Y
Umy
0
X
a
Umx
Y
Umx
Umy
0
Umy
0
X
б
X
в
Рис. 7
тот соответственно 1 : 1, 2 : 1 и 3 : 1.
Отношение частот складываемых колебаний равно отношению числа пересечений фигур Лиссажу с прямыми, параллельными осям координат:
ν
nx
=
ny
ν
y
,
(12)
y
где n x и n y - число касаний фигуры с прямыми, параллельными соответственно осям X и Y; νx и ν y - частоты изучаемых колебаний.
В соответствие с этим из рис. 7 б, например, следует, что nx = 2, n y = 1,
a соотношение частот ν x /ν y = 2/1.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1. Подготовка лабораторной установки
Лабораторная установка (рис.8) состоит из звукового генератора (ЗГ), электронного осциллографа (ЭО) и источника питания (ИП). Перед началом выполнения
работы необходимо ознакомиться с порядком подготовки этих приборов к работе.
ЗГ
ЭО
ИП
А
Рис. 8
положение;
V
Звуковой генератор:
• тумблер СЕТЬ - нижнее положение (выкл);
• переключатель dB - положение 0;
• переключатель формы выходного сигнала
- нижнее
• переключатель МНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ - позиция 10…102;
• ручка регулировки напряжения выходного сигнала (
) - крайнее левое положение.
Электронный осциллограф:
• кнопка СЕТЬ (5) - в отжатом положении (рис.9);
• ручки управления лучом (1, 2 , 3 , 4) - среднее положение;
• переключатель ОДНОКР/ЖДУЩ/АВТ (10) - положение АВТ;
• переключатель ВНУТР/ВНЕШН/СЕТЬ (11)- положение ВНУТР;
• ручки ПЛАВНО регуляторов V/ДЕЛ (7, 8) и ВРЕМЯ/ДЕЛ (14) - в крайнем
правом положении.
14
1
1, 2, 3, 4 – ручки регулировки яркости, фо2
13
кусировки луча и освещения шкалы;
3
12 5 – выключатель; 6, 9 – ручки смещения
4
луча по вертикали для каналов А и В;
7, 8 – регуляторы усиления сигнала в кана5
11 лах; 10, 11 – переключатели режима и ис6
точника синхронизации; 12 – регулятор
8
9 10
7
уровня напряжения синхронизации;
Рис. 9
13 – ручка смещения луча по горизонтали;
14 – регулятор частоты синхронизации.
Источник питания
• тумблер СЕТЬ - нижнее положение (выкл).
2. Исследование синусоидального сигнала
1. Включить тумблеры СЕТЬ на приборной стойке и 2-х приборах установки
– звуковом генераторе и осциллографе.
2. Установить на шкале генератора произвольное значение частоты в данном
диапазоне, ручка регулировки выходного напряжения генератора (
) при этом
должна находиться в среднем положении.
3. Установить ручками 1, 2, 3 и 4 осциллографа четкое изображение сигнала
на экране (см. рис.9).
4. Установить переключателями V/ДЕЛ (7, 8) и ВРЕМЯ/ДЕЛ (14) приемлемое для измерений изображение сигнала: на экране должно размещаться несколько
периодов с размахом сигнала не менее 4 ... 5 клеток - делений сетки экрана.
5. Установить ручкой УРОВЕНЬ (12) - регулятором напряжения развертки
осциллографа устойчивое изображение сигнала на экране.
6. Найдите период (ТO) сигнала с помощью осциллографа. Для этого следует
измерить расстояние
l
между ближайшими точками, находящимися в одинако-
вых фазах, в делениях – клетках горизонтальной шкалы экрана (см. рис. 5). Найденную величину, а также позицию (kT) регулятора частоты развертки ВРЕМЯ/ДЕЛ
(14) занести в таблицу 1.
7. Измерить амплитуду сигнала. Для этого необходимо найти величину размаха сигнала (Н) в делениях вертикальной шкалы экрана (см. рис.5). Значение амплитуды сигнала (Um = H/2), позицию (kU) регулятора усиления V/ДЕЛ занести в
таблицу 1.
8. Провести аналогичные измерения амплитуды и периода сигнала на 2-х различных частотах. Данные занести в табл. 1.
9. По найденным значениям периодов сигналов, вычислить их частоты, сопоставить с показаниями шкалы частот звукового генератора.
Таблица 1
Амплитуда
(UO ),
В
Цена дел.
(kU,) ,
В/дел
Амплитуда
(UO), дел
Частота,
(v0, Гц
Период
(ТO ),
с
Цена дел.
(kT), c /дел
Измерения на осциллографе
Период
(ТO), дел
Частота
(νзг),
Гц
Измерения
на
генераторе
где ν ЗГ , ν O - значения частоты, снимаемые со шкалы звукового генератора и экрана осциллографа соответственно.
3. Исследование прямоугольного сигнала
1. Звуковой генератор с помощью переключателя формы сигнала перевести в
режим генерирования прямоугольных импульсов.
2. Установить переключателями осциллографа (см. рис.9) V/ДЕЛ (7, 8) и
ВРЕМЯ/ДЕЛ (14) приемлемое для измерений изображение сигнала: на экране
должно размещаться несколько периодов с амплитудой сигнала не менее 4 ... 5 клеток - делений сетки экрана.
3. Провести измерения периода, длительности ( τ ) и амплитуды импульсных
сигналов (см. рис. 6). Данные занести в таблицу 2 .
4. По формуле (9) вычислить скважность импульсов и занести в последнюю
таблицу.
5. Повторить аналогичные измерения на 2-х произвольных частотах. Полученные данные занести в таблицу 2.
Таблица 2
Цена дел.
(kU,)
В/дел
Амплитуда
(UO ),
В
Скважность
(Q)
Амплитуда
(UO), дел
Длитель
ность
имп.(τ), с
Длитель
ность имп. (τ),
дел
Цена дел.
(kT),
c /дел c/дел
Период
(ТO ) ,с
Измерения на осциллографе
Период
(ТO), дел
Частота
(νзг),
Гц
Измерения
на
генераторе
4. Исследование фигур Лиссажу
1. Включить тумблер СЕТЬ на панели источника питания, подающего на отклоняющие пластины осциллографа переменное напряжение 6,3 В частотой 50 Гц.
2. Установить регулятор выходного напряжения звукового генератора в среднее положение.
3. Переключатель формы сигнала генератора перевести в режим генерирования синусоидального напряжения.
4. Установить на осциллографе переключатель генератора развертки
ВРЕМЯ/ДЕЛ в положение X-Y.
5. Перевести переключатель режима работы
СИНХР/РЕЖИМ в положение X-Y или А + Б.
каналов
осциллографа
6. Ручки регулировки усиления V/ДЕЛ каналов А и Б осциллографа установить в положение 2 V.
7. Изменяя частоту сигнала звукового генератора, получить на экране осциллографа и зарисовать фигуры Лиссажу при соотношении частот 1 : 1, 1 : 2 и 1 : 3.
Данные измерений и рисунки занести в таблицу 3.
Таблица 3
Частота сигнала звукового генератора,
Гц
Рисунок фигуры
Лиссажу
Соотношение частот,
определенное по
осциллографу
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Выполнять правила техники безопасности при работе с электроприборами.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Каково назначение осциллографа?
Опишите принцип действия электронно-лучевой трубки.
Каково назначение блока синхронизации осциллографа?
Каковы назначение и принцип действия генератора развертки?
Как с помощью осциллографа измеряются амплитуда и временные характеристики сигналов?
Какие параметры сравниваемых сигналов можно определить с помощью
фигур Лиссажу?