Изучение работы электронного осциллографа

Министерство образования Российской Федерации
Томский политехнический университет
Кафедра теоретической и экспериментальной физики
УТВЕРЖДАЮ
Декан ЕНМФ
__________Ю.И.Тюрин
_______________2001 г.
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО
ОСЦИЛЛОГРАФА
Методические указания к выполнению лабораторной работы Э-18
по курсу «Общей физики» для студентов всех специальностей
Томск 2002
УДК 53.072.681.3
Изучение работы электронного осциллографа. Методические указания к
выполнению лабораторной работы Э-18 по курсу «Общей физики», для
студентов всех специальностей.
Томск, изд. ТПУ 2002. – 12 с.
Составитель: доцент, к. ф. – м. н. Ю.А. Сивов
Рецензент: доцент к.т. н. О.В. Соколов
Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим
семинаром кафедры теоретической и экспериментальной физики.
Зав. кафедрой
Ю.Л. Пивоваров
«___»___________2002г.
2
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
Цель работы: ознакомление с принципом действия осциллографа, с
функционированием его структурных блоков и с их взаимодействием.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ
Осциллограф - прибор, предназначенный для исследования
быстропеременных периодических процессов в электрических цепях.
Структурная блок – схема осциллографа представлена на рис. 1,
согласно которой основные элементы осциллографа; электроннолучевая трубка (ЭЛТ), блок развертки (БР) блок синхронизации (БС)
блока развертки, усилитель вертикального отклонения сигнала (УВО) и
источник питания (ИП).
«X»
УВО
«Y»
ЭЛТ
ГР
БС
ИП
ЭЛЕКТРОННО - ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА
Основной частью осциллографа является электронно - лучевая
трубка (ЭЛТ).
Электронно - лучевая трубка (рис.2) состоит из откачанной до
высокого вакуума  10 4 мм рт. ст. стеклянной колбы специальной
формы, в узком конце которой расположен источник быстрых
электронов электронная пушка. Электронная пушка включает в себя
подогреватель 1, катод 2, управляющий электрод 3, первый 4 и второй
(5) аноды. За ними расположены горизонтально отклоняющие 6 и
вертикально отклоняющие пластины 7.
3
6
1 2 3
4
7
5
6
7
Рис. 2.
Источником электронов служит нагретый катод трубки.
Электроны, испущенные катодом посредством термоэлектронной
эмиссии, ускоряются электрическим полем, создаваемым системой
анодов, и попадают на флуоресцирующий экран электронно-лучевой
трубки вызывая его свечение. Яркость свечения пятна на экране зависит
от плотности электронов в пучке в кинетической энергии электронов.
Для управления яркостью светящегося пятна на экране обычно
регулируют плотность электронного пучка путем изменения
отрицательного по отношению к катоду напряжения на управляющем
электроде (модуляторе), представляющем собой цилиндр с отверстием
впереди. При этом ток электронного луча изменяется от нуля до
максимального значения. Кроме того, поскольку на этот цилиндр
подается отрицательный по отношению к катоду потенциал, то так как
электроны внутри цилиндра, испытывают отталкивание от боковой
поверхности, то они концентрируются по оси и электронный луч
фокусируется. Однако для получения наибольшей резкости
изображения на экране трубки необходимо сфокусировать электронный
пучок в точку. Для получения такой фокусировки в электронно-лучевой
трубке используются первый и второй аноды, представляющие собой
диски
с
небольшими
отверстиями, вставленные в
металлические
цилиндры.
Электрические поля анодов
действуют
на
электронный
пучок
как
электроннооптическая система линз.
Степень
фокусировки
регулируется путем изменения
напряжения между анодами.
Сфокусированный электронный
4
пучок направляется вдоль трубки по оси z в направлении экрана.
Оптическим аналогом такой системы является оптическая система,
состоящая из двух выпукло-вогнутых линз (рис.3). Скорость электронов
по направлению к экрану (вдоль оси z- рис.4), после прохождения
второго анода, преимущественно определяется его потенциалом U2, так
как потенциал первого анода в несколько раз меньше, и может быть
найдена из соотношения
mv02
 eU2
2
(1)
где m - масса электрона, е - заряд электрона, V0 - скорость электрона
после прохождения второго анода, U2 - потенциал второго анода по
отношению к катоду. Обычно U2 =1 - 5 кВ, поэтому V0~М/С.
Вследствие малой массы электронов электронный луч практически
безинерционен, что и позволяет изучать быстропеременные процессы.
Для ускорения движения электронов В трубку иногда вводится третий
анод, выполненный в виде кольцеобразного слоя металла, нанесенного
на внутреннюю поверхность расширенной части колбы, на который
подается положительное напряжение с потенциалом более высоким,
чем на втором аноде. После выхода из второго анода электронный луч
проходит между двумя парами плоских пластин (плоских
конденсаторов): одна из которых расположена горизонтально, а вторая
вертикально. Если к пластинам не приложено электрическое поле, то
световое пятно образуется в центре экрана. При прохождении пучка
между разноименно заряженными пластинами он будет отклоняться в
сторону положительно заряженной пластины. Если изменить
полярность напряжения на пластинах, то пучок отклонится в
противоположную сторону. Регулируя величину приложенного к
пластинам напряжения, можно изменять величину отклонения луча.
Пластины 6, расположенные горизонтально, отклоняют электронный
луч влево или вправо, то есть по горизонтали (ось z), и называются
горизонтально
отклоняющими.
Пластины
7,
расположенные
горизонтально, отклоняют электронный луч вверх или вниз (по оси у) и
называются вертикально отклоняющими. Можно показать, что
отклонение луча на экране по вертикали пропорционально
отклоняющему напряжению Uy на вертикально отклоняющих
пластинах.
(2)
y  sy Uy
5
Величина Sy - чувствительность трубки, показывающая, на сколько мм
сместится пятно на экране по оси y от первоначального положения,
если напряжение на пластинах изменится на I В. У стандартных
осциллографов чувствительность трубки невысока и обычно составляет
всего 1,5 - 2 мм/В. Поэтому входной сигнал, подводимый к клеммам.
«Вход у» поступает на вертикально отклоняющие пластины через
усилитель вертикального отклонения луча, коэффициент усиления
которого Кусв=Uвых/Uвх, где Uвых и Uвх соответственно напряжение,
поданное, на вход усилителя, и напряжение на выходе усилителя.
Поэтому, поскольку на вертикально отклоняющие пластины подается
выходное напряжение усилителя, (2) представим в виде:
y  sy Uвых  sy K усв Uвх
(3)
Из (3) получим для коэффициента усиления усилителя вертикального
отклонения
K усв 
y
s y Uвх
(4)
Качество усилителя – его линейность и диапазон частот, пропускаемых
усилителем, во многом определяют качество работы осциллографа.
Аналогично отклонение луча по горизонтали пропорционально
напряжению на горизонтально отклоняющих пластинах
x  8x K усг Ux
(5)
где Sx – чувствительность лучевой трубки по оси x, Kусг, коэффициент
усиления усилителя горизонтального отклонения.
РАЗВЕРТКА ИССЛЕДУЕМОГО СИГНАЛА ВО ВРЕМЕНИ
Пусть на «Вход y» осциллографа подано перменное напряжение,
например, синусоидальное:
Uвх .  U0 sint
6
(6)
В соответствии с (3) электронный луч и, естественно, светящееся пятно
будет совершать вертикальные колебания на экране по закону
y  K усв . 8 y U вх .  K усв . 8 y U 0 sin t
(7)
Обозначим K усв . 8 y U 0 как амплитуда колебаний напряжения, на
выходе усилителя.
Тогда
(8)
y  Um sint
Ux
0
t
Рис.4
Вследствие световой инерции люминофора и способности глаза
сохранять некоторое время световое восприятие на экране будет видна
светящаяся неподвижная вертикальная линия. По величине этой
полоски можно измерить амплитудное значение переменного
напряжения, поданного на «Вход y» осциллографа. Таким образом,
осциллограф может быть использован по существу как вольтметр для
измерения переменных напряжений.
Но обычно для изучения периодически изменяющегося входного
сигнала простого измерения недостаточно, так как требуется установить
закон, по которому изменяется исследуемое напряжение во времени, то
есть получить его временную развертку. Поскольку исследуемый
сигнал подается на «Вход y», то ось x в определенном масштабе должна
быть пропорциональна времени, нужно, чтобы напряжение по оси x
изменялось в зависимости от времени по линейному закону (в
определенном масштабе выражало время). Это можно осуществить,
если подать на горизонтально отклоняющие пластины напряжение.
7
Ux  kt
(9)
Тогда луч перемещается по горизонтали пропорционально времени и
время «развертывается» в отрезок прямой оси x, то есть отклонениями
электронного луча в горизонтальном направлении изображаются
промежутки времени. Такой процесс называется «разверткой во
времени». Напряжение, выражающее в определенном масштабе время,
называется развертывающим напряжением, а источник такого
напряжения – генератором развертки. Обычно в качестве
развертывающего используется пилообразное напряжение (рис.4),
подаваемое на горизонтально отклоняющие пластины. Из рис.4 видно,
что напряжение Ux изменяется пропорционально времени лишь на
участке прямого хода луча. За это время луч перемещается по экрану
трубки слева направо. За время обратного хода луч возвращается в
крайнее левое положение. В это время для гашения обратного хода луча
на управляющий электрод подается отрицательное напряжение. Для
улучшения
линейности
пилообразное
напряжение
делают
симметричным относительно нуля, так что при выключенной развертке
луч находится в центре экрана. При подаче на вертикально
отклоняющие пластины исследуемого напряжения, на экране будет
наблюдаться развертка входного сигнала во времени: луч вычерчивает
на экране осциллографа график изменения во времени исследуемое
напряжения – его «временную развертку». Например, если на «Вход y»
подано напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону (6), то
выразив t из (9) и (5) и подставив в (8), получим уравнение траектории
электронного пятна на экране осциллографа.
y  Uм sin
8
x
8x K усг k
(10)
а)
б)
в)
Рис.5
9
то есть результирующая траектория луча, поскольку смещение по x
линейно зависит от времени, представляет зависимость исследуемого
напряжения от времени. Легко понять, что точно также на экране может
быть получен график любой зависимости Uy(t). Итак, если на «Вход y» подано напряжение uвх, изменяющееся во времени по любому закону, а
напряжение на x – пластинах равно 0, то световое пятно на экране
высвечивает вертикальную прямую. Если напряжение uy равно нулю, то
на экране осциллографа высвечивается горизонтальная прямая.
При одновременном действии напряжений ux и uy на экране
осциллографа высвечивается кривая, которая показывает как
изменяется во времени напряжение uy. Если по истечении времени,
равного периоду исследуемого колебания,
напряжения на
горизонтально отклоняющих пластинах U x скачком падает до нуля, что
осуществляется в осциллографе, то световое пятно скачком
возвращается в исходное (крайнее левое положение). Если Ux снова
возрастает по линейному закону, то на экране трубки вновь
изобразиться график зависимости исследуемого напряжения от
времени.
СИНХРОНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА РАЗВЕРТКИ
Для наблюдения периодических и, особенно, быстро
протекающих процессов важно получить на экране неподвижное
изображение. Для этого нужно, чтобы период развертки был равен или
кратен периоду изучаемого напряжения. Если исследуемый процесс
имеет период в два раза меньший, чем период развертки, то очевидно,
на экране будет два неподвижных периода синусоидального сигнала.
Если период колебаний в n раз меньше периода пилообразных
колебаний, на экране будет n неподвижных периодов синусоиды; если в
n раз больше, то на экране получится n частей синусоиды (рис.5 а, б, в).
При равенстве или кратности периодов генератора развертки и
исследуемого напряжения каждый цикл движения луча по экрану будет
начинаться при одной и той же фазе исследуемого напряжения, картина
за период развертки будет повторяться и на экране получается
неподвижная осциллограмма изучаемого сигнала.
Но точное соотношение периодов соблюсти трудно из-за
нестабильности генератора развертки или самого изучаемого
напряжения. Поэтому напряжение генератора развертки приходится с
помощью
специальной
схемы
запуска
(синхронизировать)
согласовывать во времени с частотой исследуемого напряжения.
Принудительное согласование периодов, то есть процесс, посредством
10
которого генератор развертки вынуждают генерировать колебания с
частотой изучаемого напряжения или кратной ей, называется
синхронизацией. Очевидно, что для синхронизации проще всего
использовать либо весьма стабильное по частоте напряжение, либо само
исследуемое напряжение. В этом случае часть напряжения
исследуемого сигнала подается на устройство управления генератором
развертки - блок синхронизации. Блок синхронизации вырабатывает
сигнал для управления схемой запуска генератора развертки, чтобы
«заставить» его работать синхронно с исследуемым сигналом. При этом
частота развертки как бы под страивается к частоте сигнала и близкие
частоты становятся в точности одинаковыми.
Если сигнал не синхронизируется, то есть период исследуемого
напряжения не равен и не кратен периоду развертки, каждый
последующий цикл движения луча по экрану будет начинаться при
другой фазе исследуемого напряжения, а значит из другой точки экрана.
Поэтому осциллограммы каждого последующего цикла будут во
времени сдвинуты, в
результате чего наблюдаемая зависимость
движется по экрану (изображение «плывет»).
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Экспериментальная установка включает осциллограф ОДШ - 2
(демонстрационный школьный ) и звуковой генератор: могут быть
использованы ГЗ -35, ГЗ - 109, ГЗ - 1.
1. Проверить с помощью напряжения, снимаемого с клемм
«Контрольный сигнал» работоспособность осциллографа и привести в
рабочее состояние осциллограф ОДШ - 2 .
Для этого нужно проверить работу ручек управления
электронным лучом и генератором развертки осциллографа. Ручки
регуляторов лицевой панели следует установить в следующие
положения:
Регулятор «Яркость» - в крайнее правое положение.
Регулятор «Фокус» - в среднее положение.
Усиление «Y» - в крайнее левое положение.
Ручки смещения электронного луча:
«Вверх – вниз», «Влево – вправо»» - в среднее положение
Переключатель «Развертка» - в положение 1.
Клавишу «Синхронизация» - в положение «Внутр.»
Переключатель «Ослабленные усиления» - в положение 1:30
Включить вилку шнура питания в сеть. Тумблером «Сеть» включите
осциллограф, при этом должна загореться сигнальная лампочка. Через
1-2 минуты после включения прибора на экране должен появиться
11
яркий горизонтальный штрих. Если штрих не появляется на экране, то
обычно это является следствием большого отклонения луча за пределы
экрана трубки. Вращая регулятор «Вверх – вниз» установите штрих на
середине экрана. Затем ручкой «Фокус» установите его четкое
изображение, уменьшая при необходимости яркость штриха ручкой»
«Яркость».
Таблица 1.
f, Гц
50
1000
10000
U, В
Y, мм
Y, мм
Y, мм
Соедините
проводником
клемму
«Контрольный
сигнал»,
расположенную на боковой (коммутаторной) панели осциллографа, с
клеммой «Вход Y». Ручками «Усиление Y» и «Усиление X» установите
на экране величину изображения, удобную для рассмотрения, ручкой
«Ампл. синхр.» установите неподвижное изображение, а ручками
«Диапазон частот» и «Частота плавно» установите один или несколько
периодов синусоиды. Если на экране получается устойчивое
изображение правильной синусоиды, то осциллограф готов к работе.
Работоспособность звукового генератора, используемого в работе,
проверяется с помощью преподавателя.
2. Определите чувствительность осциллографа к напряжению на
пластинах «Y». Поставьте тумблер «Y» на задней панели в верхнее
положение («y»). Выключите развертку осциллографа, поставив
переключатель диапазонов частот генератора развертки в положение
«Выкл». Подайте сигнал с выхода звукового генератора, не менее 10 В,
на клеммы «Y». Выключите развертку осциллографа, поставив
переключатель диапазонов частот генератора развертки в положение
«Выкл.». Подайте сигнал с выхода звукового генератора, не менее 10 В,
на клеммы «Y» и «Земля», расположенные на задней панели
осциллографа, при частоте, указанной преподавателем. Измерьте
отклонение луча L в миллиметрах. Поскольку длина видимой на экране
световой полоски пропорциональна удвоенному значению амплитуды, а
вольтметр показывает эффективное значение напряжения, то
чувствительность трубки вычисляется по формуле
Sy 
L
2 2U y
12
(11)
где L –длина световой полоски на экране осциллографа, измеренная в
миллиметрах; Uy – напряжение, подаваемое на горизонтальные
пластины трубки. По полученным данным вычислите чувствительность
Sy трубки, Этот пункт выполняется по усмотрению преподавателя:
чувствительность осциллографа Sy, необходимая для дальнейших
расчетов, либо измеряется по рассмотренной методике, либо задается
преподавателем.
3. Измерение
амплитудной
характеристики
осциллографа
(усилителя вертикального отклонения луча). При регистрации
амплитудной характеристики величина выходного напряжения
звукового
генератора
и
интервал
изменения
напряжения
устанавливаются преподавателем. Соедините клеммы «Вход Y» и
«Земля», расположенные на лицевой панели осциллографа, с выходом
звукового генератора. Включите звуковой генератор в сеть. С помощью
ручек управления и развертки осциллографа отрегулируйте
наблюдаемую на экране при изменении выходного напряжения
звукового генератора синусоиду на максимальную (вписывающуюся в
экран) амплитуду.
Таблица 2.
f, Гц
50
500
5000
20000
W, мм
U, В
Kус.
В дальнейшем усиление, то есть положение ручки «Усиление»
осциллографа должно оставаться неизменным. Снять зависимость
отклонения Y луча (в миллиметрах) по вертикали на экране
осциллографа от величины входного напряжения. Измерения провести
для частот 50 Гц, 1000 Гц, 10 кГц. Результаты занести в табл. 1.
Построить амплитудную характеристику осциллографа, то есть
зависимость y=y(Uвх.), где y-отклонение луча в миллиметрах для всех
трех частот. Определить диапазон напряжений, в котором амплитудная
характеристика осциллографа является линейной.
4.
Измерение частотной характеристики осциллографа
(усилителя
вертикального
отклонения
луча).
Частотной
характеристикой осциллографа называют зависимость Kусв.=Uвых.Uвх. от
частоты f. Соединив выход ЗГ с клеммами «Вход y» осциллографа,
постепенно увеличивая выходное напряжение генератора, добейтесь
того, чтобы изображение на экране осциллографа имело удобный для
13
измерения размер, например 2/3 экрана. В дальнейшем положение
переключателя «Ослабление и регулятора «Усиление» не меняется.
Поддерживая напряжение на входе осциллографа постоянным
(величина Uвх. Задается преподавателем), снять зависимость отклонения
луча y на экране осциллографа для частот50, 500, 5000, и 200000 Гц.
Результаты занести в таблицу 2. Используя (3) и (4), вычислите Uвых.и
Кусв. Для всех частот и занесите в таблицу 2. По полученным данным
постройте частотную характеристику осциллографа с логарифмическим
масштабом по шкале частот, то есть Кусв. Не должен зависеть от частоты
в пределах от 20 Гц до 500 кГц, тем более ув указанном значительно
более узком частном диапазоне.
5. Исследуйте работу генератора развертки. Подайте на вход
осциллографа сигнал с частотой 50 Гц. Посмотрите как меняется число
периодов при изменении частоты развертки (ручка «Частота».
Определите частоту генератора развертки, когда меняется положение
ручки «Частота2 при устойчивом изображении на экране для случаев,
когда на экране изобразятся два периода синусоиды, занести
наблюдаемые кривые в отчет и для случаев определить частоту
генератора развертки. Повторите опыт и расчеты для частот 500 и 5000
Гц.
Изучение работы электронного осциллографа.
Составитель: Юрий Александрович Сивов
Подписано к печати 24.11.2002г.
Формат 60x84/16. Бумага офсетная
Плоская печать. Усл. Печ. л. 1,63. Уч.-изд.л. 1,47
Тираж 250 экз. Заказ
Цена свободная.
Ротопринт ТПУ 634004. Томск пр. Ленина, 30.
14
15
16
17