Изучение работы электронного осциллографа
Цель работы: изучить устройство и принципы работы электронного осциллографа, выработать навыки работы с ним.
Приборы и принадлежности: электронный осциллограф типа ЭО-7, аппарат электростимуляции мышц АСМ-3, понижающий трансформатор на 12 В, два реостата на 20-50 Ом, два ключа, вольтметр переменного тока на 12 В, конденсатор переменной емкости, соединительный провода.
Теория работы
Слово «осциллограф» состоит из двух частей: латинского oscillo, что означает – качаюсь и греческогоgrapho– пишу.
Э
лектронный
осциллограф – радиотехнический прибор,
предназначенный для получения информации
о разного рода быстропротекающих
процессах в виде графиков, выражающих
функциональные связи между двумя или
более величинами, характеризующими
данный процесс. Графики на люминесцирующем
экране «рисует» электронный пучок,
движением которого управляют с помощью
электрических или магнитных полей. С
этой целью электрические сигналы
параметра-аргумента и функционально
связанного с ним параметра-функции
падают на отклоняющие системы
электронно-лучевой трубки. При этом, в
случае, если изучаемое явление имеет
неэлектрическую природу, необходимо
преобразовать с помощью датчиков
параметры неэлектрической природы в
адекватный электрический сигнал.
Горизонтальное перемещение луча
соответствует характеру изменений
независимого параметра, соответственно,
вертикальное перемещение выражает
изменения величины, функционально
связанной с независимой переменной.
Осциллограммы – графики возникающих
на экране зависимостей – можно наблюдать,
измерять и фотографировать. Электронный
осциллограф может быть использован для
измерения напряжения, определения
частоты и фазы переменных токов,
исследования формы электрических
сигналов, а также измерения очень малых
промежутков времени. Блок-схема
осциллографа приведена на рис.1. Он
состоит из электронно-лучевой трубки
(ЭЛТ) 1, обеспечивающей получение
светящегося пятна в центре экрана;
генератора развёртки 2, создающего
регулируемое по частоте напряжение,
обеспечивающее равномерное перемещение
электронного луча в горизонтальном
направлении; блока синхронизации 3 для
синхронизации частоты развёртки с
частотой исследуемого сигнала;
по частоте напряжение, обеспечивающее равномерное перемещение электронного луча в горизонтальном направлении; блока синхронизации 3 для синхронизации частоты развёртки с частотой исследуемого сигнала;
усилителей вертикального 4 и горизонтального 5 входов; блока питания 6.
Основным элементом электронного осциллографа (ЭО) является электронно-лучевая трубка (рис.2). Она служит для преобразования электрического сигнала в видимое графическое изображение и представляет собой расширенный с одного конца стеклянный вакуумный баллон (p= 10-7÷ 10-8мм.рт.ст.). В её узкой части расположена нить накала 1, катод 2, управляющий электрод или сетка (модулятор) 3, первый фокусирующий анод 4 и второй ускоряющий анод 5. В средней части трубки расположены две пары пластин вертикального 6 и горизонтального 7 входов. Гнёзда входов помечены буквами Вх.Yи Вх.X. Расширенная торцовая часть трубки заканчивается почти плоским экраном, покрытым люминофором, который люминисцирует при попадании на него электронов.
Нить канала 1 и подогревный катод 2 являются источниками электронов. Они окружены трубчатым управляющим электродом с отверстием в дне (сеткой) 3. На управляющий электрод подается отрицательный относительно катода потенциал. Его величина меняется с помощью потенциометра R1, ручка которого на панели ЭО снабжена надписью “Яркость”. Управляющий электрод не только регулирует количество летящих к первому аноду электронов, но и собирает электроны в узкий пучок действием сил статического поля. Для того, чтобы пучок не расходился, на первый анод 4 подается высокое фокусирующее напряжение, регулируемое с помощью потенциометра R2, ручка которого на панели ЭО снабжена надписью “Фокус”. С ее помощью можно получить тонкий электронный пучок, сходящийся на экране.
Ко второму ускоряющему аноду 5 приложено положительное напряжение, достигающее несколько тысяч вольт. Потенциал второго анода препятствует рассеянию электронов и ускоряет их до высоких энергий. В результате чего на экране получается резкая светящаяся точка.
Электронный пучок проходит между вертикалью 6 и горизонталью 7 отклоняющими пластиками. Регулировка вертикального и горизонтального смещения луча осуществляется соответственно с помощью потенциометров R7 и R8. Управление лучом в данной трубке является электростатическим.
Электроны, попавшие на экран, необходимо отводить, чтобы избежать накопления отрицательного заряда на нём. С этой целью внутренняя часть боковой поверхности расширения трубки покрывается слоем графита 8, которому сообщается небольшой положительный потенциал относительно экрана.
На практике очень часто возникает необходимость исследовать, как изменяются параметры изучаемого процесса с течением времени, т.е. получить графическое изображение на экране осциллографа зависимости одной величины от другой, которое называется осциллограммой.
Рассмотрим cначала принципы получения безвременных осциллограмм.
Если на вертикально отклоняющиеся пластины ЭЛТ подать переменное напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При достаточно большой частоте колебаний (например, 50 Гц) электронный луч оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию.
Если же переменное напряжение подать на горизонтально отклоняющие пластины, то электронный луч оставит на экране трубки светящуюся горизонтальную линию.
При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин в зависимости от соотношения их частот, амплитуд и фаз можно получить различные осциллограммы. Так, при равенстве частот, амплитуд и фаз на экране трубки получится прямая линия, расположенная под углом 45 градусов к оси Ox (рис.3).
Е
сли
эти напряжения имеют равные частота,
но отличаются амплитудами и фазами, то
осциллограмма будет представлять собой
эллипс (рис.4). При других соотношениях
осциллограммы могут иметь вид более
сложных кривых – кривых Лиссажу (рис.5).
По этим кривым определяют, в частности,
частотные, фазовые или амплитудные
соотношения напряжений,
подаваемых на
отклоняющие пластины.
Д
ля
получения временной осциллограммы на
вертикальный вход осциллографа подается
исследуемое напряжение (рис.6а), а на
горизонтальный вход вспомогательное
развертывающее пилообразное напряжение
(рис.6б). Такое напряжение обеспечивает
равномерное движение луча от одного
края экрана к другому и быстрый возврат
этого луча к исходному состоянию.
Равномерное движение луча по экрану в горизонтальной плоскости обеспечивает специальное электронное устройство, которое называется генератором развёртки. Напряжение развёртки вначале нарастает пропорционально времени, достигая максимального значения (рис.6б), а затем резко падает.
Если электронный луч движется в вертикальном направлении в соответствии с законом изменений исследуемой величины (например, y=sin wt), то в горизонтальном направлении он движется равномерно, смещаясь вдоль экрана слева направо пропорционально времени x=kt.
Для получения на экране осциллографа устойчивой, неподвижной картины нужно, чтобы электронный луч, пройдя по горизонтали путь от одного края экрана до другого, начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период развертывающего напряжения равен или кратен периоду изменений исследуемого параметра. Как правило, точное соотношение периодов не выдерживается из-за нестабильности работы генератора развертки или самого изучаемого процесса. По этой причине используют принудительное согласование периодов – синхронизацию. Эта операция осуществляется с помощью блока синхронизации. Синхронизация осуществляется с помощью находящихся на лицевой панели осциллографа рукояток: “Диапазон частот”, “Частота плавно”, “Амплитуда синхронизации”.
Усилители горизонтального и вертикального входных каналов позволяют изменять напряжение, подаваемые на горизонтально и вертикально отклоняющие системы электронно-лучевой трубки, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлению.
Блок питания обеспечивает подачу нужных напряжений на ЭЛТ, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа.
Порядок выполнения работы
1. Знакомство с органами управления осциллографа ЭО-7.
Все контрольные органы и органы управления сгруппированы на лицевой панели осциллографа, а их функции указаны надписями (рис.7).
«сеть» — тумблер включения сетевого напряжения (2), при его включении загорается контрольная лампочка (14).
«электронный луч» — тумблер включения электронного луча (1).
«яркость» — ручка регулировки яркости светящейся пятна на экране (3).
«фокус» — ручка фокусировки луча — регулируется форма и размеры светящегося пятна на экране (4).
«ось Y» — ручка смещающая луч по вертикали вверх и вниз (6).
«ось Y» — ручка смещающая луч по вертикали вверх и вниз (6).
«ослабление» — переключатель уменьшающий напряжение, подаваемое на «вход Y» (9).
«усиление» — ручка плавного увеличения напряжения, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины (12).
«
вход»
и «земля» — клеммы, на которые обычно
подается исследуемый сигнал (16, 17).«ось X» — ручка смещающая луч по горизонту вправо и влево (7).
«синхронизация» – переключатель установки способа синхронизации сигналов, подаваемых на «вход Y» и «входX» (10).
«усиление» — ручка плавного увеличения напряжения, подаваемого на горизонтально отклоняющие пластины (13).
«вход» и «земля» — клеммы, на которые подается сигнал, управляющий перемещением луча в горизонтальной плоскости (19, 20).
«контр. сигнал» — клемма, с которой можно снять сигнал с эффективным напряжением 2,5 В (15).
«внешн. синхр.» — клемма подключения внешнего блока синхронизации (18).
«диапазоны частот» — переключатель включения генератора развертки и подбора частоты пилообразного напряжения близкого по значению частоте исследуемого сигнала (11).
«амплитуда синхронизации», «частота плавно» — ручки настройки блока синхронизации, обеспечивающего устойчивость и неподвижность изображения на экране (5, 8).
вход»
и «земля» — клеммы, на которые обычно
подается исследуемый сигнал (16, 17).2. Включение осциллографа ЭО-7.
Включить тумблер «сеть», а через 20 – 30 секунд — тумблер «луч». На экране должна появиться светящаяся точка.
Ручками «яркость» и «фокус» отрегулировать необходимую яркость и форму светящейся точки.
Ручками «ось Y» и «осьX» установить эту точку в центре экрана. Это исходное состояние осциллографа перед началом любой операции.
3. Получение безвременных осциллограмм.
Для получения безвременной осциллограммы необходимо:
В соответствии с рис.8 подать на вход Yсигнал с ползунка одного из спаренных реостатовR1.
Ручками «ось Y», «усиление» и перемещением ползунка реостата получить вертикальную развертку длиной примерно 2/3 диаметра экрана.
Отключить сигнал от входа Yи подать на вход Х сигнал с ползуна второго реостатаR2.
Используя регуляторы для оси «Х», получить горизонтальную развертку той же длины, что и по оси «Y».
Подать сигналы на оба входа одновременно. На экране появиться картина в виде прямой, расположенной под углом 450к осям координат (рис.5а).
4. Получение временных осциллограмм.
а) синусоидальный сигнал.
Регулятор «диапазоны частот» установить в положение 30 – 130, переключатель источника синхронизации – в положение «Внутр.» или «Синхронизация от сети».
Переключатель ослабления установить в положение 1:1, ручки «яркость», «фокус», «ось Y – вниз – вверх», «ось X– влево – вправо» — в среднее положение.
Ручку «Частота плавно» установить в нулевое положение, ручку «Амплитуда синхронизации» – в положение 3–4, ручку вертикального усиления – на деления 1–2 и ручку горизонтального усиления на деления 3–4.
Соединить проводником клемму «Контр. сигнал» с гнездом вертикального входа.
Перевести тумблер «Сеть», а затем «Луч» в рабочее положение. На экране появится синусоида.
Ручкой вертикального усиления подобрать необходимую амплитуду, а ручками «Частота плавно» и «Амплитуда синхронизации» остановить изображение, если оно перемещается по экрану.
С помощью переключателя «Диапазоны частот» и ручек «Амплитуда синхронизации» и «Частота плавно» получить на экране один, два, три и т.д. полных периода переменного синусоидального напряжения.
б) форма импульсов аппарата стимуляции мышц.
Подать с выхода аппарата стимуляции мышц АСМ-3 (клеммы „+” и „-”) на вход «Y» осциллографа сигнал, установив переключатель «частота импульсов» в положение 30, тумблеры тока на „10”мА, модуляцию на „ритмическая”. Остальные регуляторы могут быть в произвольном положении.
Используя регуляторы «усиление» по Y, «ослабление» и ручку «ток пациента», добиться, чтобы вертикальная развертка находилась в пределах экрана.
Манипулируя ручками «амплитуда синхронизации», «частота плавно», получить устойчивое изображение на экране одного, двух и т.д. импульсов.
Переключить тумблер формы импульсов во второе положение, пронаблюдать эти импульсы.
5. Определение чувствительности вертикального входа осциллографа.
Чувствительностью
вертикального входа осциллографа
называют отклонение луча на экране при
изменении напряжения на входе на 1B.
т.е.
(мм/B). Для параллельных
пластин и однородного поля чувствительность
определяется по формуле:
,
(1)
где 
— длина световой вертикальной полоски
на экране.
Для измерения чувствительности необходимо:
Установить регулятор «Ослабление» в положение 1:1.
Соединить проводником зажимы «Вход Y» и «Контр. сигнал». В этом случае на вход осциллографа будет подано эффективное напряжение 2,5B.
Включить осциллограф, регулятор «Усиление» установить на первое деление, замерить вертикальную линию.
Устанавливая ручку «Усиление» поочерёдно на последующие деления, замерить длины вертикальных линий.
Построить график зависимости
от положения ручкиn:.
от положения ручкиn:
.6. Определение угла сдвига фаз между двумя электрическими сигналами.
На вход «Y» подать сигнал через конденсатор (рис.8 на рисунке он не показан). Возникнет сдвиг фаз между сигналами на входах «Х» и «Y» и на экране осциллографа будет наблюдаться эллипс (рис.9).
Д
ля
определения сдвига фаз следует измерить
на экране осциллографа отрезки Х и Y,
отсекаемые эллипсом на осях координат,
и максимальные отклонения а иbлуча в направлении осей «Х» и «Y».Из соотношений
илиопределить угол сдвига фаз между
напряжениями, подаваемыми на входы «Х»
и «Y».
ля
определения сдвига фаз следует измерить
на экране осциллографа отрезки Х и Y,
отсекаемые эллипсом на осях координат,
и максимальные отклонения а иbлуча в направлении осей «Х» и «Y».
или
определить угол сдвига фаз между
напряжениями, подаваемыми на входы «Х»
и «Y».Сдвиг фаз можно вызвать, включив вместо конденсатора небольшой участок ткани живого организма.
7. Измерение напряжения с помощью осциллографа.
Подать на вход «Y» измеряемое напряжение и с помощью ручек «ослабление» и «усиление» по «Y» добиться, чтобы вертикальная развертка не выходила за пределы экрана.
Записать значение коэффициента ослабления кизм и измерить длину ℓизмвертикальной линии на экране осциллографа с точностью до 1 мм.
На вход «Y» с клеммы «контр. сигнал» подать контрольное напряжение (Uк = 2,5 В).
Не меняя положение ручки «Усиление», переключателем «ослабление» добиться, чтобы вертикальная линия контрольного сигнала находилась в пределах экрана.
Записать значения коэффициента ослабления кки длину вертикальной линии — ℓк.
Из пропорций Uк∙ кк ─ ℓк иUизм∙ кизм─ ℓизм, получим:
.
Контрольные вопросы
Из каких основных блоков состоит электронный осциллограф?
Нарисуйте схему устройства и поясните принцип действия электронно-
лучевой трубки.
Как влияет величина напряжения на сетке (модуляторе) на наблюдаемую на экране картинку?
Какой электрод ЭЛТ отвечает за форму точки, светящейся на экране?
Какое назначение имеет первый анод?
Для чего служит второй анод?
Для чего служит генератор развертки?
Как графически изображается зависимость развертывающего напряжения от времени?
Что такое синхронизация сигнала и как она осуществляется в осциллографе?
Что называется чувствительностью входа осциллографа?
Какие измерения можно производить с помощью электронного осциллографа?
Что такое фигуры Лиссажу?
Как получают вневременные осциллограммы?
Как получают осциллограммы, выражающие зависимость параметров от времени?
Как найти угол сдвига фаз между параметрами в цепях переменного тока?
Как с помощью осциллографа измерить напряжение?
Изучение работы электронного осциллографа — Учись Как На Парах!
Цель работы: Изучение работы электронного осциллографа, получение навыков работы с осциллографом.
Приборы и принадлежности: Осциллограф ОСУ-20, генератор низкой частоты GAG-810.
Теоретическая часть
Электронный осциллограф представляет собой универсальный прибор, предназначенный для визуального наблюдения процессов, протекающих в электрических или электронных цепях. Осциллограф – один из основных приборов, с которыми приходится работать инженеру, поэтому необходимо ясно представлять его устройство и принцип действия.
Электронный осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки, усилителей входных сигналов, генератора развертки с устройством синхронизации, блока питания.
Электронно-лучевая трубка является основным элементом осциллографа. Она предназначена для образования и фокусировки электронного луча и преобразования электронного сигнала в видимый на экране след.
Устройство электронно-лучевой трубки показано на рис. 1.
На рис. 1 обозначено: А – электронный прожектор [1 – катод, 2 – управляющий электрод (модулятор), 3 – ускоряющий электрод, 4 – фокусирующий электрод, 5 – анод]; Б – Отклоняющая система [6 – отклоняющие пластины вертикального направления, 7 – отклоняющие пластины горизонтального направления]; 8 – экранирующее покрытие трубки, 9 – экран с люминофором.
Электронный прожектор формирует пучок электронов, преобразуя его в луч. Катод, модулятор и край ускоряющего электрода образуют первую электронную линзу. Вторая линза образована фокусирующим электродом, анодом и вторым краем ускоряющего электрода. Электроны, эмитированные с поверхности подогреваемого катода, попадают в электрическое поле первой линзы, после чего слегка расходящийся пучок электронов фокусируется на экране трубки с помощью второй линзы.
Для отклонения сформированного электронным прожектором луча используется отклоняющая система из двух пар пластин. Одна пара пластин при подаче на нее разности потенциалов отклоняет электронный луч в вертикальном направлении, вторая – в горизонтальном. Падающий на экран луч вызывает свечение люминофора, нанесенного на экран. Смещение светящегося луча под действием электрического поля отклоняющих пластин оказывается пропорционально напряжению между ними. На этом основана работа осциллографа.
Усилители и аттенюаторы входных сигналов предназначены для повышения чувствительности осциллографа и для расширения диапазона исследуемых напряжений.
Генератор развертки вырабатывает импульсы напряжения пилообразной формы. Если на горизонтально отклоняющие пластины подать пилообразное напряжение, показанное на рис. 2, то светящаяся точка на экране осциллографа будет двигаться с постоянной скоростью пропорциональной скорости нарастания напряжения, т. е. смещение будет пропорционально времени. Таким образом, если подать на вертикально отклоняющие пластины некоторое исследуемое напряжение, то на экране получим график зависимости этого напряжения от времени (временную диаграмму). Так как с помощью осциллографа изучают быстропеременные периодические процессы, напряжение развертки также должно быть периодическим и кратным периоду исследуемого сигнала. При этом необходимо чтобы луч, пройдя равномерно до конца развертки, быстро вернулся в ее начало (на обратном ходе луч должен гаситься).
Для обеспечения стабильности изображения, колебания блока развертки синхронизируются с колебаниями другого источника напряжения. В качестве такого источника используется либо напряжение сети, либо напряжение внешнего генератора, либо само исследуемое напряжение.
Назначение органов управления
Осциллограф сервисный универсальный (ОСУ) ОСУ-20 – двухканальный осциллограф. Он позволяет исследовать два сигнала одновременно. На передней панели расположены следующие органы управления.
Кнопка POWER (выключатель сетевого питания). Когда этот выключатель включен, загорается светодиодный индикатор.
Регуляторы INTEN (яркость) и FOCUS (фокус).
TRACE ROTATION (поворот) – регулятор изображения параллельно линиям шкалы.
CH 1/X (канал 1/Х) – вход канала 1, в режиме X-Y – входной канал оси Х.
CH 2/Y (канал 2/Y) – вход канала 2, в режиме X-Y – входной канал оси Y.
AC—GND—DC – переключатели (2 шт.) режима входов усилителей каждого канала:
AC – закрытый вход (отсекается постоянная составляющая исследуемого сигнала),
GND – вход усилителя отключается от источника сигнала и заземляется,
DC — открытый вход.
Канальные переключатели (2 шт.) VOLTS/DIV (вольт/деление) устанавливают коэффициенты отклонения каждого канала от 5 мВ/дел до 20 В/дел. Расположенные соосно с указанными переключателями регуляторы (2 шт.) VARIABLE (переменный) плавно изменяют коэффициенты отклонения каждого канала. Когда ручки находятся в крайнем правом положении, обеспечивается калиброванное значение положений переключателей VOLTS/DIV.
POSITION (положение) – регуляторы (3 шт.) положения лучей по вертикали и горизонтали.
Кнопка Х1/х5 позволяет увеличить чувствительность первого канала в 5 раз.
Кнопка NORM/INV (норма/инверсия) позволяет инвертировать сигнал второго канала.
Переключатель MODE (режим) режимов работы усилителей:
CH 1 – на экране наблюдается сигнал канала 1,
CH 2 – на экране наблюдается сигнал канала 2,
DUAL (двойной) – двухканальный режим, на экране наблюдаются сигналы обоих каналов,
ADD (сумма) – на экране наблюдается сумма (или разность при нажатии кнопки NORM/INV) сигналов двух каналов.
Переключатель TRIGGER SOURSE (источник синхронизации) выбирает источник синхронизации при запуске линии развертки:
VERT (DUAL ALT) (поочередно) – в одноканальном режиме развертка синхронизируется сигналом канала 2, в двухканальном – поочередно,
CH 1 – развертка синхронизируется сигналом канала 1,
EXT (внешний) – развертка синхронизируется внешним сигналом,
LINE (сеть) – развертка синхронизируется от питающей сети.
Чтобы использовать EXT TRIG IN (вход внешней синхронизации) переключатель TRIGGER SOURSE нужно перевести в положение EXT.
Кнопка SLOPE (полярность) переключает полярность синхросигнала:
«+» – развертка синхронизируется положительным фронтом,
«–» – отрицательным.
Регулятор TRIG LEVEL (уровень синхр.) выбирает уровень исследуемого сигнала, при котором происходит запуск развертки.
Переключатель MODE режимов работы генератора развертки:
AUTO – автоколебательный режим,
NORM (ждущий) – развертка запускается при наличии входного сигнала,
TV—V – синхронизация по кадрам телевизионного сигнала,
TV—H – синхронизация по строкам телевизионного сигнала.
Переключатель TIME/DIV устанавливает коэффициент развертки от 0,2 мкс/дел до 0,2 с/дел. При переводе в положение X—Y канал 1 становится входным каналом Х-оси (обеспечивается наблюдение фигур Лиссажу).
Регулятор VARIABLE обеспечивает плавную регулировку коэффициента развертки при нажатой кнопке CAL/VAR (измерение/изменение). В отжатом состоянии кнопки CAL/VAR Регулятор VARIABLE отключен и обеспечивается калиброванное значение положений переключателя TIME/DIV.
Кнопка Х1/х10 позволяет увеличить скорость развертки (растянуть) в 10 раз.
Клемма PROBE – выход калибровочного генератора: на этой клемме импульсы положительной полярности амплитудой 0,5 В длительностью 0,5 мс частотой 1 кГц.
Порядок выполнения работы
1. Включите питание осциллографа и дайте прогреться в течение нескольких минут.
2. Установите одноканальный режим работы – CH 1, VOLTS/DIV – в положение 0,5 В/дел, TRIGGER SOURSE в положение – CH 1, режим генератора развертки в положение – AUTO, TRIGGER SOURSE – в положение CH 1. Все кнопки в отжатом положении.
3. Подайте на вход CH 1 сигнал с калибратора через пробник 1:1. Установите желательные яркость, фокус и размеры изображения исследуемого сигнала. Зарисуйте осциллограмму с указанием шкалы по оси напряжения в вольтах, по оси времени в миллисекундах.
4. Измерьте период (Т), частоту (F), длительность импульса (TИмп), амплитуду (Umax) и постоянную составляющую (UСредн) исследуемого сигнала (меняя положение переключателя AC-GND-DC).
5. Установите ручкой TIME/DIV самый большой коэффициент развертки, который еще позволяет увидеть задний фронт импульса. Вращением ручки POSITION◄► установите сигнал так, чтобы этот участок сигнала был в середине экрана. Нажать кнопку х1/х10 и измерить длительность заднего фронта (TФр–) на уровне 0,1Umax ÷ 0,9Umax.
Примечание: рабочая часть экрана составляет 8X10 делений, 1 деление составляет 10 мм, каждое деление по осям шкалы осциллографа разбито на 5 отрезков по 2 мм каждый. Масштабы по осям соответствуют положениям переключателей VOLTS/DIV, TIME/DIV и кнопкам х1/х5 и х1/х10.
6. С помощью кнопки SLOPE получите на экране участок переднего фронта и измерьте его длительность (TФр+).
7. Результаты измерений занесите в табл. 1.
Таблица 1
T, мкс | F, Гц | TИмп, мкс | Umax, В | UСредн, В | TФр–, мкс | TФр+, мкс |
8. Установите двухканальный режим работы осциллографа, переключателем TRIGGER SOURSE выберите поочередную синхронизацию каналов, установите коэффициент отклонения второго канала 5 В/дел.
9. Подайте на вход CH 2 через пробник 1:1 сигнал с генератора GAG-810 синусоидальной формы (кнопка WAVE FORM в положении «~»). Установите частоту генератора 2…3 кГц, используя шкалу частот и множитель FREQ RANGE. Регулятором AMPLITUDE и переключателем ATTENUATOR установите желательный размер изображения напряжения генератора. Добейтесь устойчивой синхронизации сигналов.
10. Измерьте амплитуду (Um~), период (Т~) и частоту (F~) синусоидального напряжения генератора, частоту сравните с установленной.
11. Результаты измерений занесите в табл. 2.
Таблица 2
Um~, В | Т~, мкс | F~, Гц (измерен.) | F~, Гц (установл.) |
Контрольные вопросы
1. Объясните назначение и устройство электронно-лучевой трубки.
2. В чем заключается принцип отклонения электронного луча отклоняющей системой трубки?
3. В чем принцип фокусировки и изменения яркости электронного луча?
4. Каково назначение генератора развертки и устройства синхронизации?
5. Каким образом можно измерять величины и длительности сигналов по осциллограммам исследуемых напряжений?
Записи по теме
Лабы по ФОИ — Изучение работы электронного осциллографа (21)
Изучение работы электронного осциллографа
Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, генератор звуковых частот, регулятор напряжения, вольтметр
цель работы; измеренир параметров электрических сигналов с помощью электронного осциллографа
Электронный осциллограф предназначен для наблюдения функциональной зависимости величин, преобразованных в электрический сигнал. Наиболее часто осциллографы используются для изучения временной зависимости переменных величин.
Структурная схема осциллографа изображена на рис. 21.1. Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) 1, генератор развертки 2, блок синхронизации 3, усилитель вертикального 4 и горизонтального 5 каналов отклонения, блок питания 6.
Электронно-лучевая трубка является основной частью осциллографа. Она представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух, с находящимися внутри электродами. С одного конца стеклянный баллон имеет расширение, на торцовую часть которого (экран) нанесен слой вещества, светящегося под ударами электронов. На рис. 21.2 показано схематическое изображение ЭЛТ с электростатическим отклонением луча.
Катод (К) ЭЛТ аналогичен катоду радиолампы и имеет такое же назначение — испускать электроны. Подогревный катод имеет форму цилиндра, внутри которого находится нить накала (НН). Около катода расположен управляющий электрод (УЭ) тоже цилиндрической формы (по назначению он аналогичен сетке триода). Этот электрод называется модулятором или сеткой. На него подастся отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Изменяя напряжение, поданное на модулятор, можно регулировать количество электронов, выходящих из модулятора и, таким образом, управлять яркостью изображения. Далее расположены два анода A1 и А2, выполненные в виде полых металлических цилиндров. Диаметр первого анода меньше диаметра второго Они имеют высокий положительный потенциал относительно катода: первый анод — порядка нескольких сотен, а второй—нескольких тысяч вольт. Так как потенциал второго анода выше потенциала первого, то напряженность электрического поля между ними направлена от второго анода к первому. Под действием этого поля электроны ускоряются, а также фокусируются в точке, лежащей на оси трубки. Меняя напряжение на первом аноде, можно изменять напряженность электрического поля между анодами и тем самым перемещать точку фокуса вдоль оси, добиваясь ее совмещения с поверхностью экрана
Вся система, состоящая из катода, управляющего электрода и двух анодов, создает узкий направленный поток электронов — электронный луч. На пути электронного луча стоят две пары взаимно перпендикулярных пластин Пх и Пу, называемых отклоняющими. Если между этими пластинами нет электрического поля, то они не влияют на электронный луч. Если же на какую-либо пару пластин подано напряжение» то между пластинами образуется электрическое поле, которое отклоняет электронный луч. Чем выше разность потенциалов между пластинами, тем сильнее отклоняется в их поле электронный луч, а следовательно, и светящееся пятно на экране осциллографа. Пластины Пу отклоняют луч в вертикальной плоскости и называются вертикально отклоняющими пластинами. Пластины Пх отклоняют луч в горизонтальной плоскости и называются горизонтально отклоняющими пластинами. Электроны, попавшие на экран, необходимо отвести, чтобы экран не получил отрицательный потенциал, тормозящий полет последующих электронов. Для этого на внутреннюю часть боковой поверхности трубки наносится проводящий графитовый слой (ГС), имеющий небольшой положительный потенциал относительно экрана.
Если при отсутствии
напряжения на горизонтально отклоняющих
пластинах на вертикально отклоняющие
пластины подать переменное напряжение,
например синусоидальное, то на экране
возникнет вертикальный прямая, так как
электронный луч будет отклоняться все
время в сторону положительно заряженной
пластины, а заряд на пластинах будет
изменяться с частотой поданных колебаний.
На экране получится изображение синусоиды
или другого периодического сигнала,
если луч кроме колебательного движения
вдоль вертикальной оси совершает еще
равномерное движение вдоль горизонтальной
оси. Это происходит в том случае, когда
на горизонтально отклоняющие пластины
подается разность потенциалов, линейно
за висящая от времени. Для получения
устойчивой картины на экране осциллографа
необходимо, чтобы электронный луч,
пройдя по горизонтали путь от одного
края экрана до другого и быстро возвращаясь
в первоначальное положение, повторял
свою траекторию на экране. Такому условию
удовлетворяет пилообразное напряжение 
(рис.
21.3), которое подается на горизонтально
отклоняющие пластины от генератора
развертки
. 
Для получения на экране ЭЛТ устойчивого изображения необходимо, чтобы электронный луч начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период пилообразных колебаний равен или кратен периоду исследуемых колебаний- Процесс согласования фаз называется синхронизацией развертки и осуществляется с помощью блока синхронизации.
Усилители горизонтального и вертикального каналов отклонения позволяют изменять напряжение, подаваемое на горизонтальные и вертикальные пластины ЭЛТ, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлений.
Блок питания обеспечивает подачу необходимых напряжений на ЭЛТ, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа.
С помощью электронного
осциллографа можно измерить амплитуду
исследуемого напряжения. Для этого
необходимо знать чувствительность
осциллографа (отклонение светового
пятна при изменении напряжения па
отклоняющих пластинах на 1 В) Так как
имеются две независимые отклоняющие
системы: по горизонтальной оси 
. и по вертикальной оси 
,— то соответственно можно указать и две
чувствительности 
и 
:
(21.1)
Для измерения амплитуды напряжения в некоторых типах осциллографов канал вертикального отклонения нужно калибровать, используя эталонный сигнал. В этом случае около ручек регулировки усиления вертикального канала на лицевой панели осциллографа указываются (В/см) значения величины, обратной чувствительности, соответствующие каждому положений ручки.
Используя
осциллограф, можно также определить
частоту исследуемого сигнала. Для этого
усиление по горизонтали калибруется в
масштабе времени. Ручка регулировки
длительности развертки градуирована
в мкс/см. Установив фиксированную
длительность развертки 
и измерив на экране расстояние 
по
горизонтали между соседними точками,
находящимися в одинаковых фазах, можно
определить период 
и
частоту 
исследуемого
сигнала:
(21.2)
Частоту сигнала
можно найти и другим способом. Для этого
на пластины 
подают напряжение известной частоты
(обычно 50 Гц) от сети, а на пластины 
— напряжение неизвестной частоты.
Генератор развертки при этом не
используется. В данном случае электронный
луч участвует в двух взаимно перпендикулярных
колебательных движениях.
При сложении двух
синусоидальных колебаний, совершающихся
во взаимно перпендикулярных направлениях
по осям 
и 
, получаются фигуры, форма которых зависит
от соотношения частот, фаз и амплитуд
суммируемых колебаний На рис. 21.4, 21.5
изображены фигуры Лиссажу, получающиеся
при различных соотношениях частот и
фаз. По форме фигуры можно судить о
частоте исследуемого сигнала.
| |
Описание установки
Экспериментальная установка состоит из электронного осциллографа, регулятора напряжения и генератора звуковой частоты. Регулятор напряжения позволяет плавно изменить напряжение подаваемого на осциллограф сигнала частотой 50 Гц. Напряжение измеряется вольтметром. Сигнал переменной частоты подается на осциллограф от звукового генератора.
Порядок выполнения работы
Определение чувствительности осциллографа:
включите осциллограф в сеть и дайте ему прогреться в течение 2—3 мин;
подайте на вход
осциллографа напряжение с регулятора напряжения, развертку по
оси отключите;установите длину вертикального отрезка па экране осциллографа, равную
;вычислите амплитудное значение напряжения:
рассчитайте чувствительность
осциллографа; определите чувствительность осциллографа при двух других значениях подаваемого напряжения и вычислите
результаты измерений и вычислений занесите в табл. 21.1.
Определение амплитудного значения напряжения:
не меняя положении ручек регулировки усиления канала вертикального отклонения, подайте на вход
осциллографа сигнал с выхода регулятора
напряжения (развертка по оси отключена),измерьте длину
получившегося на экране вертикального
отрезка;вычислите амплитудное значение напряжения:
Определение частоты сигнала:
подайте на вход
осциллографа сигнал частотой 50 Гц с
регулятора напряжения;на вход
осциллографа
подайте исследуемый сигнал с генератора
звуковой частоты,получите на экране устойчивое изображение фигуры Лиссажу и зарисуйте его;
по форме фигуры определите частоту
исследуемого сигнала;отключите регулятор напряжения и включите генератор развертки;
с помощью ручки регулировки длительности развертки получите на экране устойчивое изображение синусоиды и определите частоту
исследуемого сигнала[см (21.2)];проделайте измерения, аналогичные п. а) — f) для сигналов других частот;
результаты измерений и вычислений занесите в табл. 21.2.
осциллографа напряжение 
с регулятора напряжения, развертку по
оси 
отключите;
;
осциллографа; 
осциллографа сигнал с выхода регулятора
напряжения (развертка по оси 
отключена),
получившегося на экране вертикального
отрезка;
осциллографа сигнал частотой 50 Гц с
регулятора напряжения;
осциллографа
подайте исследуемый сигнал с генератора
звуковой частоты,
исследуемого сигнала;
исследуемого сигнала[см (21.2)];Таблица 21.1
|
|
|
|
|
В
В
мм
мм/В
мм/ВТаблица 21.2
Фигура Лиссажу |
|
|
|
|
Гц
см
мкс/см
ГцВопросы и упражнения
Из каких блоков состоит электронный осциллограф?
Опишите устройство электронно-лучевой трубки.
Что называется чувствительностью осциллографа?
Объясните принцип работы генератора пилообразного напряжения.
Что такое синхронизация сигналов, как она осуществляется в осциллографе,
Как осуществляется развертка сигнала во времени на экране электронного осциллографа?
Что такое фигуры Лиссажу и как их получают в данной работе?
Как с помощью осциллографа можно измерить амплитуду и частоту исследуемого сигнала?
Изучение работы электронного осциллографа
ознакомиться с принципом действия электронного осциллографа (ЭО), изучить функционирование его структурных блоков с их взаимодействием, экспериментально определить чувствительность электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа по осям XиY.
Экспериментальная установка
Краткая теория
ЭО – электроизмерительный прибор, предназначенный для наблюдения и исследования электрических процессов. С помощью ЭО можно исследовать форму кривых, описывающих процесс, сравнивать амплитуду и частоту различных переменных напряжений и т.д. Применяя, специальные преобразователи, с помощью ЭО можно также исследовать быстрые неэлектрические процессы, например, механические колебания.
Достоинством ЭО является его высокая чувствительность, что позволяет исследовать процессы, длительность которых порядка 10-6-10-8с.
Целью настоящей работы является ознакомление с принципом действия ЭО, с функционированием его структурных блоков и с их взаимодействием, ознакомление с некоторыми областями применения ЭО. Блок-схема ЭО представлена на рисунке 17.1.
Э
О
имеет два входа. Сигнал, поданный на
вход 1, поступает на усилитель, Ү1а затем подается на вертикально
отклоняющую систему электронно-лучевой
трубки. Сигнал, поданный на вход 2,
поступает на усилитель Ỵ2, а затем
подается на горизонтально отклоняющую
систему электронно-лучевой трубки. В
дальнейшем вход 1будем называть
Ỵ-входом,вход 2– X-входом.
Электронно-лучевая трубка
Основной
блок ЭО – электронно-лучевая трубка
(ЭЛТ), в которой возникает и форсируется
электронный луч. Там же расположены
системы, с помощью которых можно управлять
движением луча, отклоняя его в вертикальном
и горизонтальном направлениях. Движущийся
луч оставляет на экране трубки, покрытом
специальным составом, светящийся след.
Промышленность выпускает два вида
трубок: трубки с электростатич
еским
и трубки с электромагнитным управлением.
В первом случае для отклонения электронного
луча используют электрическое поле, во
втором – магнитное. Фокусировка луча
также бывает электростатической и
электромагнитной. В ЭО используются
трубки с электростатическим отклонением
и фокусировкой. Их описанием мы и
ограничимся. Схематически трубка
изображена на рисунке 17.2.
ЭЛТ состоит из стеклянной колбы и впаянных в нее электродов. Источником электронов служит катод (2), подогреваемый спиралью (1). Электрод (3), выполненный в виде цилиндра, имеет отрицательный потенциал относительно катода и является управляющим яркостью изображения электродом (модулятор). Изменением потенциала модулятора можно регулировать плотность электронов в пучке и тем самым менять яркость светящегося пятна на экране трубки (9).
Первый (фокусирующий) анод (4), потенциал которого ниже катода (2), служит для фокусирования электронного луча. Регулируя потенциал первого анода, можно получить на экране трубки четкое изображение ярко светящейся точки. Выйдя из 2-го анода (ускоряющего), электронный луч проходит между двумя парами горизонтально-отклоняющих (6) и вертикально-отклоняющих (7) пластин. Если на любую пару пластин подать напряжение, то электронный луч отклонится от своего первоначального направления, так как электроны будут притягиваться к пластине, заряженной положительно и отталкиваться от пластины, заряженной отрицательно.
В некоторых трубках имеется третий анод (8) – ускоритель, представляющий собой проводящий слой на боковой поверхности колбы вблизи экрана.
Подогреватель, катод, управляющий электрод и первые два анода образуют так называемую пушку (рис. 17.3).
Управляющий электрод и система анодов образуют фокусирующую систему. На рисунке 17.3 штрихованными линиями показаны траектории электронов, а сплошными – эквипотенциальные линии электрического поля, образующегося при подаче напряжения на аноды трубки. Потенциал первого анода относительно катода обычно в несколько раз меньше потенциала второго анода (относительно катода).
Ф
окусирующее
действие однородных электрических
полей поясняет рисунок 17.4.
Д
вижущийся
в однородном электрическом поле электрон
подлетает со скоростью
к эквипотенциальной линии с потенциалом 
.
Его скорость составляет угол
,
с направлением электрического поля (с
нормалью к эквипотенциальной линии).
Разложим скорость на компоненты
и 
,
где 
, 
.
При переходе к следующей эквипотенциальной
линии с потенциалом 
составляющая скорости 
не претерпевает изменений, так как в
этом направлении электрическое поле
не действует, а 
изменяется.
Пусть 
,
тогда
и траектория электрона приближается к
силовой линии электрического поля. Из
соотношения
следует, что
или
. (17.1)
Пусть
скорость электрона при нулевом потенциале
близка к нулю, тогда кинетическая энергия
электрона
на первой эквипотенциальной линии
пропорциональна ее потенциалу
,
а кинетическая энергия на второй
эквипотенциальной линии пропорциональна
.
Замечая, что скорость пропорциональна
корню из энергии, получим
. (17.2)
Формула (17.2) определяет «преломление» траектории электрона в электрическом поле и аналогична закону преломления света. Рассмотрим этот аналог.
В
ускоряющем электрическом поле действие
эквипотенциальных поверхностей,
направленных выпуклостью к катоду,
равносильно действию собирающей линзы:
траектории электронов изгибаются в
направлении к оси системы. Действие
эквипотенциальных поверхностей,
выпуклость которых направлена от катода,
равносильно действию эквивалента двум
выпуклым линзам, как это изображено на
рисунке 17.5.
Размеры электродов и напряжения на них выбраны таким образом, что собирающий эффект преобладает, и электроны фокусируются на экран. Меняя напряжение на первом аноде, можно изменить конфигурацию эквипотенциальных поверхностей, а значит и фокусное расстояние системы.
Развертка
Р
азличают
два основных режима работы осциллографа.
В первом режиме на
— и
—
входы подаются два внешних сигнала.
ПереключательS(рис.1)
установлен в положение 1. В результате
сложения двух этих сигналов, действующим
по двум взаимно перпендикулярным
направлениям, на экране ЭЛТ появляется
линия. Во втором режиме на
—
вход подается один внешний сигнал.
ПереключательSпоставлен
в положение 2. На усилитель
подается выходное напряжение генератора
развертки, обеспечивающего перемещение
луча в горизонтальном направлении по
линейному закону. На экране ЭЛТ возникает
линия, характеризующая изменение
внешнего сигнала во времени. График
изменения во времени напряжения развертки
изображен на рисунке 17.6.
Напряжение 
изменяется пропорционально времени
лишь на участке прямого хода луча. За
это время электронный луч смещается по
экрану трубки слева направо. За время
обратного хода луч возвращается в
крайнее левое положение. В это время на
управляющий электрод подается
отрицательное напряжение, гасящее луч.
Для улучшения линейности пилообразное
напряжение делают симметричным
относительно нуля, так что при выключенной
развертке луч находится в центре экрана.
Синхронизация
При наблюдении периодических и, особенно, быстропротекающих процессов важно получать на экране осциллографа неподвижное изображение сигнала. Для этого нужно, чтобы период развертки был кратен периоду изучаемого сигнала. Однако, как правило, точное соотношение периодов соблюсти трудно из-за нестабильности генератора развертки или самого изучаемого процесса. Поэтому используют принудительное согласование периодов – синхронизацию, при которой изучаемое напряжение «навязывает» свой период генератору развертки.
Методика измерения чувствительности трубки к напряжению
Р
ассмотрим
действие отклоняющихся пластин на
движущиеся заряды (рис. 17.7).Пусть электрон
со скоростью —
влетает в однородное электрическое
поле пары пластин и движение вдоль оси
,
т.е. перпендикулярно к линиям напряженности
электрического поля. Электрическое
поле второй пары пластин будем пока
считать равным нулю. Движение электрона
вдоль оси
– равномерное, а вдоль оси
– равноускоренное:
,
. (17.3)
Ускорение, а можно найти с помощью второго закона Ньютона:
. (17.4)
Из
(17.1) и (17.2) найдем смещение электрона
вдоль оси 
:
. (17.5)
Как следует из
(17.5), траектория электрона между
отклоняющими пластинами представляет
собой параболу. На выходе из пластин
траектория отклоняется от первоначального
направления на расстояние h1 и на угол 
:
,
, (17.6)
где 
– длина пластин.
Выйдя из пластин, электрон движется по прямой. Отклонение hэлектронного пятна на экране осциллографа получим на рисунках:
(17.7)
Обозначим расстояние от середины пластин до экрана через L. Тогда
(17.8)
Скорость 
,
которую имеют электроны, проходящие
через пластины, определяется напряжением
между катодом и вторым анодом:
(17.9)
Напряженность поля между отклоняющими пластинами
, (17.10)
где 
– разность потенциалов между пластинами,
– расстояние между ними.
Окончательно из (17.10) получим:
. (17.11)
Таким
образом, смещение луча, пропорционально
отклоняющему напряжению. Коэффициент
пропорциональности в (17.11) называется
чувствительностью 
трубки к напряжению:
(17.12)
Аналогично вычисляется чувствительность трубки к напряжению на второй паре пластин.
Изучение работы электронного осциллографа
ознакомиться с принципом действия электронного осциллографа (ЭО), изучить функционирование его структурных блоков с их взаимодействием, экспериментально определить чувствительность электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа по осям XиY.
Экспериментальная установка
Краткая теория
ЭО – электроизмерительный прибор, предназначенный для наблюдения и исследования электрических процессов. С помощью ЭО можно исследовать форму кривых, описывающих процесс, сравнивать амплитуду и частоту различных переменных напряжений и т.д. Применяя, специальные преобразователи, с помощью ЭО можно также исследовать быстрые неэлектрические процессы, например, механические колебания.
Достоинством ЭО является его высокая чувствительность, что позволяет исследовать процессы, длительность которых порядка 10-6-10-8с.
Целью настоящей работы является ознакомление с принципом действия ЭО, с функционированием его структурных блоков и с их взаимодействием, ознакомление с некоторыми областями применения ЭО. Блок-схема ЭО представлена на рисунке 17.1.
Э
О
имеет два входа. Сигнал, поданный на
вход 1, поступает на усилитель, Ү1а затем подается на вертикально
отклоняющую систему электронно-лучевой
трубки. Сигнал, поданный на вход 2,
поступает на усилитель Ỵ2, а затем
подается на горизонтально отклоняющую
систему электронно-лучевой трубки. В
дальнейшем вход 1будем называть
Ỵ-входом,вход 2– X-входом.
Электронно-лучевая трубка
Основной
блок ЭО – электронно-лучевая трубка
(ЭЛТ), в которой возникает и форсируется
электронный луч. Там же расположены
системы, с помощью которых можно управлять
движением луча, отклоняя его в вертикальном
и горизонтальном направлениях. Движущийся
луч оставляет на экране трубки, покрытом
специальным составом, светящийся след.
Промышленность выпускает два вида
трубок: трубки с электростатич
еским
и трубки с электромагнитным управлением.
В первом случае для отклонения электронного
луча используют электрическое поле, во
втором – магнитное. Фокусировка луча
также бывает электростатической и
электромагнитной. В ЭО используются
трубки с электростатическим отклонением
и фокусировкой. Их описанием мы и
ограничимся. Схематически трубка
изображена на рисунке 17.2.
ЭЛТ состоит из стеклянной колбы и впаянных в нее электродов. Источником электронов служит катод (2), подогреваемый спиралью (1). Электрод (3), выполненный в виде цилиндра, имеет отрицательный потенциал относительно катода и является управляющим яркостью изображения электродом (модулятор). Изменением потенциала модулятора можно регулировать плотность электронов в пучке и тем самым менять яркость светящегося пятна на экране трубки (9).
Первый (фокусирующий) анод (4), потенциал которого ниже катода (2), служит для фокусирования электронного луча. Регулируя потенциал первого анода, можно получить на экране трубки четкое изображение ярко светящейся точки. Выйдя из 2-го анода (ускоряющего), электронный луч проходит между двумя парами горизонтально-отклоняющих (6) и вертикально-отклоняющих (7) пластин. Если на любую пару пластин подать напряжение, то электронный луч отклонится от своего первоначального направления, так как электроны будут притягиваться к пластине, заряженной положительно и отталкиваться от пластины, заряженной отрицательно.
В некоторых трубках имеется третий анод (8) – ускоритель, представляющий собой проводящий слой на боковой поверхности колбы вблизи экрана.
Подогреватель, катод, управляющий электрод и первые два анода образуют так называемую пушку (рис. 17.3).
Управляющий электрод и система анодов образуют фокусирующую систему. На рисунке 17.3 штрихованными линиями показаны траектории электронов, а сплошными – эквипотенциальные линии электрического поля, образующегося при подаче напряжения на аноды трубки. Потенциал первого анода относительно катода обычно в несколько раз меньше потенциала второго анода (относительно катода).
Ф
окусирующее
действие однородных электрических
полей поясняет рисунок 17.4.
Д
вижущийся
в однородном электрическом поле электрон
подлетает со скоростью
к эквипотенциальной линии с потенциалом 
.
Его скорость составляет угол
,
с направлением электрического поля (с
нормалью к эквипотенциальной линии).
Разложим скорость на компоненты
и 
,
где 
, 
.
При переходе к следующей эквипотенциальной
линии с потенциалом 
составляющая скорости 
не претерпевает изменений, так как в
этом направлении электрическое поле
не действует, а 
изменяется.
Пусть 
,
тогда
и траектория электрона приближается к
силовой линии электрического поля. Из
соотношения
следует, что
или
. (17.1)
Пусть
скорость электрона при нулевом потенциале
близка к нулю, тогда кинетическая энергия
электрона 
на первой эквипотенциальной линии
пропорциональна ее потенциалу
,
а кинетическая энергия на второй
эквипотенциальной линии пропорциональна
.
Замечая, что скорость пропорциональна
корню из энергии, получим
. (17.2)
Формула (17.2) определяет «преломление» траектории электрона в электрическом поле и аналогична закону преломления света. Рассмотрим этот аналог.
В
ускоряющем электрическом поле действие
эквипотенциальных поверхностей,
направленных выпуклостью к катоду,
равносильно действию собирающей линзы:
траектории электронов изгибаются в
направлении к оси системы. Действие
эквипотенциальных поверхностей,
выпуклость которых направлена от катода,
равносильно действию эквивалента двум
выпуклым линзам, как это изображено на
рисунке 17.5.
Размеры электродов и напряжения на них выбраны таким образом, что собирающий эффект преобладает, и электроны фокусируются на экран. Меняя напряжение на первом аноде, можно изменить конфигурацию эквипотенциальных поверхностей, а значит и фокусное расстояние системы.
Развертка
Р
азличают
два основных режима работы осциллографа.
В первом режиме на
— и
—
входы подаются два внешних сигнала.
ПереключательS(рис.1)
установлен в положение 1. В результате
сложения двух этих сигналов, действующим
по двум взаимно перпендикулярным
направлениям, на экране ЭЛТ появляется
линия. Во втором режиме на
—
вход подается один внешний сигнал.
ПереключательSпоставлен
в положение 2. На усилитель
подается выходное напряжение генератора
развертки, обеспечивающего перемещение
луча в горизонтальном направлении по
линейному закону. На экране ЭЛТ возникает
линия, характеризующая изменение
внешнего сигнала во времени. График
изменения во времени напряжения развертки
изображен на рисунке 17.6.
Напряжение 
изменяется пропорционально времени
лишь на участке прямого хода луча. За
это время электронный луч смещается по
экрану трубки слева направо. За время
обратного хода луч возвращается в
крайнее левое положение. В это время на
управляющий электрод подается
отрицательное напряжение, гасящее луч.
Для улучшения линейности пилообразное
напряжение делают симметричным
относительно нуля, так что при выключенной
развертке луч находится в центре экрана.
Синхронизация
При наблюдении периодических и, особенно, быстропротекающих процессов важно получать на экране осциллографа неподвижное изображение сигнала. Для этого нужно, чтобы период развертки был кратен периоду изучаемого сигнала. Однако, как правило, точное соотношение периодов соблюсти трудно из-за нестабильности генератора развертки или самого изучаемого процесса. Поэтому используют принудительное согласование периодов – синхронизацию, при которой изучаемое напряжение «навязывает» свой период генератору развертки.
Методика измерения чувствительности трубки к напряжению
Р
ассмотрим
действие отклоняющихся пластин на
движущиеся заряды (рис. 17.7).Пусть электрон
со скоростью —
влетает в однородное электрическое
поле пары пластин и движение вдоль оси
,
т.е. перпендикулярно к линиям напряженности
электрического поля. Электрическое
поле второй пары пластин будем пока
считать равным нулю. Движение электрона
вдоль оси
– равномерное, а вдоль оси
– равноускоренное:
,
. (17.3)
Ускорение, а можно найти с помощью второго закона Ньютона:
. (17.4)
Из
(17.1) и (17.2) найдем смещение электрона
вдоль оси 
:
. (17.5)
Как следует из
(17.5), траектория электрона между
отклоняющими пластинами представляет
собой параболу. На выходе из пластин
траектория отклоняется от первоначального
направления на расстояние h1 и на угол 
:
,
, (17.6)
где 
– длина пластин.
Выйдя из пластин, электрон движется по прямой. Отклонение hэлектронного пятна на экране осциллографа получим на рисунках:
(17.7)
Обозначим расстояние от середины пластин до экрана через L. Тогда
(17.8)
Скорость 
,
которую имеют электроны, проходящие
через пластины, определяется напряжением
между катодом и вторым анодом:
(17.9)
Напряженность поля между отклоняющими пластинами
, (17.10)
где 
– разность потенциалов между пластинами,
– расстояние между ними.
Окончательно из (17.10) получим:
. (17.11)
Таким
образом, смещение луча, пропорционально
отклоняющему напряжению. Коэффициент
пропорциональности в (17.11) называется
чувствительностью 
трубки к напряжению:
(17.12)
Аналогично вычисляется чувствительность трубки к напряжению на второй паре пластин.
132 Лабораторная работа № 20 изучение работы электронного осциллографа
Цель работы: изучить устройство и принципы работы электронного осциллографа, выработать навыки работы с ним.
Приборы и принадлежности: электронный осциллограф типа ЭО-7, аппарат электростимуляции мышц АСМ-3, понижающий трансформатор на 12 В, два реостата на 20-50 Ом, два ключа, вольтметр переменного тока на 12 В, конденсатор переменной емкости, соединительный провода.
Теория работы
Слово «осциллограф» состоит из двух частей: латинского oscillo, что означает – качаюсь и греческогоgrapho– пишу.
Электронный осциллограф – радиотехнический прибор, предназначенный для получения информации о разного рода быстропротекающих процессах в виде графиков, выражающих функциональные связи между двумя или более величинами, характеризующими данный процесс. Графики на люминесцирующем экране «рисует» электронный пучок, движением которого управляют с помощью электрических или магнитных полей. С этой целью электрические сигналы параметра-аргумента и функционально связанного с ним параметра-функции падают на отклоняющие системы электронно-лучевой трубки. При этом, в случае, если изучаемое явление имеет неэлектрическую природу, необходимо преобразовать с помощью датчиков параметры неэлектрической природы в адекватный электрический сигнал. Горизонтальное перемещение луча соответствует характеру изменений независимого параметра, соответственно, вертикальное перемещение выражает изменения величины, функционально связанной с независимой переменной. Осциллограммы – графики возникающих на экране зависимостей – можно наблюдать, измерять и фотографировать.
Электронный осциллограф может быть использован для измерения напряжения, определения частоты и фазы переменных токов, исследования формы электрических сигналов, а также измерения очень малых промежутков времени.
Блок-схема
осциллографа приведена на рис.1. Он
состоит из электронно-лучевой трубки
(ЭЛТ) 1, обеспечивающей получение
светящегося пятна в центре экрана;
генератора развёртки 2, создающего
регулируемое по частоте напряжение,
обеспечивающее равномерное перемещение
электронного луча в горизонтальном
направлении; блока синхронизации 3 для
синхронизации частоты развёртки с
частотой и
сследуемого
сигнала; усилителей вертикального 4 и
горизонтального 5 входов; блока питания
6.
Основным элементом электронного осциллографа (ЭО) является электронно-лучевая трубка (рис.2). Она служит для преобразования электрического сигнала в видимое графическое изображение и представляет собой расширенный с одного конца стеклянный вакуумный баллон (p= 10-7÷ 10-8мм.рт.ст.). В её узкой части расположена нить накала 1, катод 2, управляющий электрод или сетка (модулятор) 3, первый фокусирующий анод 4 и второй ускоряющий анод 5. В средней части трубки расположены две пары пластин вертикального 6 и горизонтального 7 входов. Гнёзда входов помечены буквами Вх.Yи Вх.X. Расширенная торцовая часть трубки заканчивается почти плоским экраном, покрытым люминофором, который люминисцирует при попадании на него электронов.
Нить канала 1 и подогревный катод 2 являются источниками электронов. Они окружены трубчатым управляющим электродом с отверстием в дне (сеткой) 3. На управляющий электрод подается отрицательный относительно катода потенциал. Его величина меняется с помощью потенциометра R1, ручка которого на панели ЭО снабжена надписью “Яркость”. Управляющий электрод не только регулирует количество летящих к первому аноду электронов, но и собирает электроны в узкий пучок действием сил статического поля. Для того, чтобы пучок не расходился, на первый анод 4 подается высокое фокусирующее напряжение, регулируемое с помощью потенциометра R2, ручка которого на панели ЭО снабжена надписью “Фокус”. С ее помощью можно получить тонкий электронный пучок, сходящийся на экране.
Ко второму ускоряющему аноду 5 приложено положительное напряжение, достигающее несколько тысяч вольт. Потенциал второго анода препятствует рассеянию электронов и ускоряет их до высоких энергий. В результате чего на экране получается резкая светящаяся точка.
Электронный пучок проходит между вертикалью 6 и горизонталью 7 отклоняющими пластиками. Регулировка вертикального и горизонтального смещения луча осуществляется соответственно с помощью потенциометров R7 иR8. Управление лучом в данной трубке является электростатическим.
Электроны, попавшие на экран, необходимо отводить, чтобы избежать накопления отрицательного заряда на нём. С этой целью внутренняя часть боковой поверхности расширения трубки покрывается слоем графита 8, которому сообщается небольшой положительный потенциал относительно экрана.
На практике очень часто возникает необходимость исследовать, как изменяются параметры изучаемого процесса с течением времени, т.е. получить графическое изображение на экране осциллографа зависимости одной величины от другой, которое называется осциллограммой.
Р
ассмотримcначала
принципы получения безвременных
осциллограмм.
Если на вертикально отклоняющиеся пластины ЭЛТ подать переменное напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При достаточно большой частоте колебаний (например, 50 Гц) электронный луч оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию.
Если же переменное напряжение подать на горизонтально отклоняющие пластины, то электронный луч оставит на экране трубки светящуюся горизонтальную линию.
При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин в зависимости от соотношения их частот, амплитуд и фаз можно получить различные осциллограммы. Так, при равенстве частот, амплитуд и фаз на экране трубки получится прямая линия, расположенная под углом 45 градусов к оси Ox (рис.3).
Е
сли
эти напряжения имеют равные частота,
но отличаются амплитудами и фазами, то
осциллограмма будет представлять собой
эллипс (рис.4). При других соотношениях
осциллограммы могут иметь вид более
сложных кривых – кривых Лиссажу (рис.5).
По этим кривым определяют, в частности,
частотные, фазовые или амплитудные
соотношения напряжений, подаваемых
на отклоняющие пластины.
Д
ля
получения временной осциллограммы на
вертикальный вход осциллографа подается
исследуемое напряжение (рис.6а), а на
горизонтальный вход вспомогательное
развертывающее пилообразное напряжение
(рис.6б). Такое напряжение обеспечивает
равномерноедвижение
луча от одного края экрана к другому и
быстрыйвозврат
этого луча к исходному состоянию.
Равномерное движение луча по экрану в горизонтальной плоскости обеспечивает специальное электронное устройство, которое называется генератором развёртки. Напряжение развёртки вначале нарастает пропорционально времени, достигая максимального значения (рис.6б), а затем резко падает.
Если электронный луч движется в вертикальном направлении в соответствии с законом изменений исследуемой величины (например, y=sin wt), то в горизонтальном направлении он движется равномерно, смещаясь вдоль экрана слева направо пропорционально времени x=kt.
Для получения на экране осциллографа устойчивой, неподвижной картины нужно, чтобы электронный луч, пройдя по горизонтали путь от одного края экрана до другого, начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период развертывающего напряжения равен или кратен периоду изменений исследуемого параметра. Как правило, точное соотношение периодов не выдерживается из-за нестабильности работы генератора развертки или самого изучаемого процесса. По этой причине используют принудительное согласование периодов – синхронизацию. Эта операция осуществляется с помощью блока синхронизации. Синхронизация осуществляется с помощью находящихся на лицевой панели осциллографа рукояток: “Диапазон частот”, “Частота плавно”, “Амплитуда синхронизации”.
Усилители горизонтального и вертикального входных каналов позволяют изменять напряжение, подаваемые на горизонтально и вертикально отклоняющие системы электронно-лучевой трубки, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлению.
Блок питания обеспечивает подачу нужных напряжений на ЭЛТ, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа.
Изучение работы электронного осциллографа. Измерение параметров электрических импульсов
Лабораторная работа № 4.5
Мотивационная характеристика темы. В современной медицинской аппаратуре широко используется осциллографическое представление меняющихся во времени параметров различных процессов. Приборы, позволяющие реализовать такое представление и измерять значения параметров меняющихся во времени называют осциллографами.
Цель работы: Изучить принцип работы электронного осциллографа, научиться измерять амплитуду, период и частоту гармонического и прямоугольного импульсного напряжений.
К работе необходимо:
Знать | Уметь |
1.Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. 2.Устройство электроннолучевой трубки и принципы ее работы. 3.Назначение основных блоков осциллографа. 4.Чувствительность осциллографа, от чего она зависит. 5.Единицы измерения напряжения, силы тока, частоты. | 1.Подготовить электронный осциллограф к работе. 2.Определять основные параметры осциллографа: чувствительность усилителей вертикального и горизонтального отклонения. 3.Измерять амплитудные значения напряжения и тока, временные характеристики импульса и частоту. |
Литература
1.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М., «Высшая школа», 1999, 1987, Гл. 23.
2.Эссаулова И.А., Блохина М.Е., Гонцова Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М., «Высшая школа»,1987, лаб. 21.
Контрольные вопросы для определения исходного уровня знаний
1.Как ведут себя положительный и отрицательный электрические заряды в постоянном электрическом и магнитном полях?
2.Как управляют движением электронного пучка в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ)?
3.Почему по горизонтальной оси ЭЛТ измеряется время?
4.Как определяется чувствительность усилителей вертикального и горизонтального отклонения луча?
5.Что представляют собой фигуры Лиссажу на экране ЭЛТ?
6.Чем отличается чувствительность усилителей осциллографа от цены деления масштабной линейки ЭЛТ?
Информационный блок
У
Рис.1
ниверсальным прибором для исследования быстропротекающих электрических процессов служит электронный осциллограф, общий вид которого приведен на рис.1. Наиболее часто осциллографы используются для изучения временной зависимости переменных электрических величин.Осциллограф, рис.2. состоит из следующих основных блоков: электроннолучевой трубки ЭЛТ (1), генератора развертки (2), усилителей вертикального (4) и горизонтального (5) отклонения электронного луча, блока синхронизация развертки луча (3), блока питания (6).
Э
Рис.2
лектроннолучевая трубка, рис.3. представляет собой стеклянную расширенную с одного конца вакуумную колбу (давление в ней порядка 10-7 10-8 мм.рт.ст.) Торец расширенной части колбы покрыт изнутри веществом, флюоресцирующим при ударе электронов. В суженной части трубки расположены электроды, предназначенные для формирования электронного луча: катод К, управляющий электрод УЭ, фокусирующий анод А1, ускоряющий анод А2. Ближе к расширенной части трубки расположены горизонтально (ПУ) и вертикально (ПХ) отклоняющие пластины, с помощью которых происходит управление электронным лучом.Катод К является источником электронов. Перед катодом расположен управляющий электрод УЭ ( сетка или модулятор) с отверстием посередине, на который подается небольшой отрицательный по отношению к катоду потенциал. Путем изменения этого потенциала (вращением ручки «Яркость») регулируется количество электронов, составляющих луч и, соответственно, яркость пятна на экране. Н
Рис.3
а анод А1 подается положительный потенциал (несколько сотен вольт), значение которого изменяют вращением ручки «Фокус». На анод А2 подается положительный постоянный потенциал (несколько тысяч вольт). Поле, создаваемое между анодом, формирует поток электронов так, чтобы он сходился на экране в точку и давал резкое точечное пятно. Этот процесс называется фокусировкой электронного луча. Управление фокусировкой проводится ручкой «Фокус» с помощью потенциометра.Управление лучом в трубке осуществляется с помощью электрического поля.
При исследовании переменного электрического напряжения, которое подается на вертикально отклоняющие пластины (ПУ), между ними создается переменное электрическое поле, под действием которого электронныйлуч, а вместе с ним и светлое пятно на экране, будут совершать колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости пластин. На экране образуется вертикальный штрих, амплитуду которого изменяют с помощью ручек «Усиление У» и «Ослабление».
Д
На пластины подается напряжение от генератора развертки, которое равномерно увеличивается во времени, затем быстро убывает. График этого напряжения имеет пилообразную форму (Рис.4.). С увеличением этого напряжения луч равномерно перемещается на экране слева направо. Время этого процесса называется периодом развертки Тр . При быстром убывании напряжения развертки луч быстро возвращается в начальное положение. Частоту напряжения развертки изменяют с помощью переключателя «Диапазон частот», ступенчато и плавно с помощью ручки потенциометра «Частота плавно». Напряжение развертки подается на вход усилителя горизонтального отклонения луча, а с него на горизонтально отклоняющие пластины. Амплитуду напряжения развертки изменяют с помощью ручки потенциометра «Усиление Х».
Если на луч действует только напряжение развертки, то на экране виден горизонтальный штрих. Если одновременно подать на вертикально отклоняющие пластины исследуемое переменное напряжение, а на горизонтально отклоняющие пластины — напряжение развертки, то на экране получим кривую — график зависимости исследуемого напряжения от времени.
Для получения на экране ЭЛТ устойчивого изображения необходимо. чтобы электронный луч начинал свое повторное движение в одной и той же фазе с исследуемым сигналом. Это может быть только в том случае, если период пилообразных колебаний равен или кратен периоду исследуемых колебаний. Процесс согласования фаз называется синхронизацией развертки и осуществляется с помощью блока синхронизации. Если синхронность не установлена, то картина на зкране ЭЛТ перемещается и может появиться даже несколько кривых. Синхронность устанавливают с помощью генератора развертки (подбирая частоту развертки) и блока синхронизации (вращением ручки «Амплитуда синхронизации».
Усилители горизонтального и вертикального каналов отклонения позволяют изменять напряжение, подаваемое на горизонтальные и вертикальные пластины ЭЛТ, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлению. Блок питания обеспечивает подачу необходимых напряжений на ЭЛТ, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа
Основной характеристикой осциллографа является его чувствительность (отклонение светового пятна при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1В). Так как имеются две независимые отклоняющие системы: по горизонтальной оси х и по вертикальной оси у, — то соответственно можно указать и две чувствительности Sx и Sy:
Sx=x/Ux , Sy=y/Uy.
С помощью осциллографа можно не только наблюдать форму исследуемого сигнала, но и измерять его различные характеристики. Наиболее часто измеряют амплитуду сигнала, его частоту или длительность (время одного периода).
Для измерения амплитуды напряжения в некоторых типах осциллографов канал вертикального отклонения нужно калибровать, используя эталонный сигнал.
В этом случае около ручек регулировки усиления канала вертикального отклонения на лицевой панели осциллографа указывают значения величины, обратной чувствительности, соответствующей каждому положению ручки (В/см).
Для определения частоты исследуемого сигнала усиление усилителя горизонтального отклонения калибруется в масштабе времени. Ручка регулировки длительности развертки градуирована в мс/см., мкс/см. или в Гц. Установив фиксированную длительность развертки k и измерив на экране расстояние х по горизонтали между соседними точками, находящимися в одинаковых фазах, можно определить период Т и частоту f исследуемого сигнала:
T=kx, f =1/(kx)
Ч
Рис.5
астоту гармонического сигнала часто находят более простым и точным способом. Для этого на пластины х подают напряжение известной частоты (например 50 Гц. от сети), а на пластины у — напряжение неизвестной частоты. Генератор разверстки при этом не используется. В данном случае электронный луч участвует в двух взаимно перпендикулярных колебательных движениях. Известно, что при сложении двух синусоидальных колебаний, совершающихся во взаимно перпендикулярных направлениях по осям х и у, получаются фигуры, форма которых зависит от соотношения фаз и амплитуд суммируемых колебаний. На рис.5. изображены эти фигуры при различных соотношениях фаз и частот суммируемых колебаний, получивших название фигур Лиссажу.