Электронный осциллограф

Псковский политехнический институт

Лабораторная работа № 2

«Электронный осциллограф»

Выполнил:

Проверил:

2003 г.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Цель работы:

1. Ознакомление с принципом действия осциллографа.

2. Исследование чувствительности электроннолучевой трубки по напряже­нию.

3. Исследование амплитудной и частотной характеристик усилителя осцил­лографа.

4. Измерение мощности и частоты с помощью фигур Лиссажу.

ВВЕДЕНИЕ

Осциллограф применяется для наблюдения и исследования переменных во времени электрических сигналов.

Электронно-лучевая трубка.

Основным элементом осциллографа является электронно-лучевая труб­ка. Трубка состоит (рис.1) из откачанной до высокого вакуума стеклянной колбы, внутри которой помещаются:

1) электронная пушка (рис.2);

2) горизонтально отклоняющие пластины;

3) вертикально отклоняющие пластины;

4) ускоритель (третий анод) - проводящий слой по боковой поверхности кол­бы;

5) флюоресцирующий экран.

Электронная пушка состоит:

1) из катода - источника электронов;

2) модулятора - электрода, управляющего яркостью изображения (ручка «Яр-

кость»);

3) фокусирующего анода (ручка «Фокус»);

4) ускоряющего анода, от напряжения которого зависит чувствительность трубки к напряжению.

Модулятор и система анодов образуют фокусирующую систему. На рис.2 по­казаны штриховыми линиями траектории электронов, а сплошными - эквипо­тенциальные линии электрического поля. Потенциал фокусирующего анода относительно катода обычно в несколько раз меньше потенциала ускоряюще­го анода.

Фокусировка электронного луча.

Электроны, вылетевшие из катода, фокусируются на экране в маленькое пятно. При этом электроны одинаковой энергии вылетающие под разными углами из катода собираются с помощью электростатического поля в точку на экране. Принцип фокусировки электрическим полем в области фокусирую­щий анод - ускоряющий анод представлен на рис.3. Сплошной линией обо­значены силовые линии электрического поля, пунктирной - траектория дви­жения электрона. Попав в т. 1 электрон испытывает действие силы, боковая компонента которой прижимает его к оси. а продольная - ускоряет. В области 2 возникает электрическая сила, отклоняющая электрон от центра. Однако область 2 электрон будет проходить с большей скоростью, чем область I, по­этому время расфокусировки будет меньше, времени фокусировки. Размеры электродов и напряжение на них выбрано с таким расчётом, чтобы фокуси­рующий эффект преобладал и электронный пучок на экране собирался в одну точку.

Управление электронным лучом. Осуществляется с помощью напряже­ния, подаваемою на отклоняющие пластины. Рассмотрим действие отклоняю­щих пластин, (рис.4).

Пусть электрон со скоростью v0 влетает в однородное электрическое поле пары пластин. Движение вдоль оси х равномерное, а вдоль оси у равноускоренное

(1)

По закону Ньютона

(2)

где q - заряд электрона, U - напряжение между пластинами, d - расстояние между пластинами. Тогда на выходе из пластин электроны отклоняются от первоначального направления на расстояние h1 и на угол

(3)

Выйдя из пластин, электрон движется по прямой. Отклонение электрон­ного пятна на экране осциллографа (рис. 4)

(4)

где

(5)

Таким образом, смещение луча пропорционально отклоняющему напряже­нию. Коэффициент пропорциональности s называется чувствительностью трубки к напряжению

(6)

В случае переменного напряжения h будет соответствовать двойной амплитуде приложенного напряжения. Тогда чувствительность определяется по фор­муле

(7)

где эффективное значение переменного напряжения, измеряемое вольт­метром.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА

Рассмотрим принцип получения на экране периодических процессов.

Пусть в момент времени к горизонтально отклоняющим пластинам приложено напряжение линейно изменяющееся во времени. Значит, как сле­дует из формулы (4), пятно на экране будет смещаться горизонтально с посто­янной скоростью. Если в тот же момент вертикально отклоняющим пласти­нам подключить исследуемое переменное напряжение v(t) то на экране полу­чится кривая зависимости v от времени в интервале от до ; ,- время, когда пятно достигает края экрана. Пусть равно периоду напряжения v(t).

Тогда, заставив луч в момент мгновенно вернуться в исходное поло­жение т. А и повторив развёртку с постоянной скоростью до т. В мы увидим второй период изменения v(t). Если где n - целое число, то на экране получим п периодов изменения v(t). Таким образом, для наблюдения иссле­дуемого сигнала осциллограф должен содержать генератор развёртывающе­го напряжения и усилитель вертикального сигнала (ручка "Усиление v"). Уси­ливать исследуемый сигнал нужно из-за невысокой чувствительности труб­ки.

Развёртка. Рассмотрим принцип работы генератора развертки, задача которого создавать линейно изменяющееся со временем напряжение развёрт­ки, период которого кратен периоду исследуемого сигнала.

Принцип работы основан на разрядке и зарядке конденсатора. Напряжение зарядки конденсатора

(8)

если зарядный ток I = const в течение времени от до возрастает линейно. Для практически мгновенной разрядки может использоваться тиратрон - га­зоразрядная электронная лампа А.

Тиратрон обладает тем свойством, что начинает пропускать через себя ток только при напряжении большем некоторого порогового . При тира­трон «зажигается», сопротивление его резко уменьшается и практически на­коротко замыкает конденсатор. Конденсатор быстро разряжается через тира­трон в момент времени . Затем вновь начинается процесс зарядки конденса­тора. Таким образом генератор вырабатывает пилообразное напряжение. Для того чтобы развернуть сигнал на большую часть экрана используют усили­тель горизонтального отклонения (ручка «Усиление X «).

Частота (период) развёртки зависит от наклона «пилы», т. е. от I и С. Изменяя С путём подключения различных ёмкостей (переключатель «Диапа­зон частот») можно грубо изменять частоту, а с помощью делителя напряже­ния , изменять ток и вместе с ним плавно частоту (ручка «Частота плавно»).

Синхронизация. Для получения неподвижного изображения исследуе­мого сигнала на экране необходимо добиться чтобы в периоде развёртываю­щего напряжения укладывалось целое число периодов исследуемого на­пряжения .

Для достижения этого изменяют период развёртки так, чтобы достига­лось

, где n – целое число (9)

Однако, вследствие возможной нестабильности частоты генератора развёртки или исследуемого сигнала это равенство может не соблюдаться. Поэтому используют принудительное соглосование периодов - синхронизацию.

Фигуры Лиссажу. Для измерения частоты неизвестного колебания часто используют метод фигур Лиссажу.

Если отключить генератор развёртки, после чего к пластинам горизон­тального отклонения подвести косинусоидальное напряжение

(11)

а к вертикально отклоняющим пластинам подать напряжение

(12)

то на экране произойдет сложение этих взаимно перпендикулярных колеба­ний. Исключая из (11), (12) время можно получить траекторию движения электронного луча в виде (при )

(13)

Это эллипс, ориентация которого зависит от разности фаз колебаний (рис. 8).

Если же или где п - целое число, то при сложении колеба­ний на экране возникает устойчивая картина, называемая фигурой Лиссажу. (рис. 8)

Если частота одного из колебаний (например ) известна, то по виду

фигуры Лиссажу можно определить частоту другого колебания.

Через данную фигуру Лиссажу проводят две взаимноперпендикулярные оси X и Y. Пусть количество пересечений кривой с осью X равно , а с осью Y равно (например, для рис. 9 = 4, = 2.). Искомая частота .

УСТАНОВКА

Принадлежности: осциллограф, плата № 1 для исследования чувстви­тельности трубки, плата № 2 для измерения мощности, генератор синусои­дального напряжения (Г), вольтметр (V). Схемы установки представлены на рис. 10, 11.

Исходные данные:

Обработка результатов:

Таблица 1: Определение чувствительности.

	Uвых	Lx	Ly	Sx	Sy
В	Мм	мм/В
1	10	9	10	0,32	0,35
2	22	13	20	0,21	0,32
3	34	21,5	30	0,22	0,31
4	46	30,5	40	0,23	0,31
5	57	36,5	50	0,23	0,31
6	70	46	60	0,23	0,30

(Sx)ср = 0,24 мм/В (Sу)ср = 0,32 мм/В

ΔSx=σS*Sx ΔSy=σS*Sy

ΔSx=0.012мм/В ΔSy=0.016 мм/В

Sx=(0мм/В Sy=(0мм/В

Таблица 2: Амплитудная характеристика усилителя.

№п/п	Uвх	L
мВ	Мм
1	5	7
2	10	10,5
3	15	16,5
4	20	21,5
5	25	27
6	30	32

Коэффициент усиления:

По графику 2: при ly = 3 см, 2√2Uвых = 96В

По графику 3: при l= 3 см, 2√2Uвх = 79мВ

k=96 / (79*10-3) = 1215

Таблица 3: Частотная характеристика усилителя.

ν	L	uвых (гр2)	uвх(гр3)	k	ln(ν)
кГц	мм	В	мВ	Uвых/Uвх
0,02	15,0	50	131	382	1,3
0,2	17,5	58	131	443	2,3
2	20,0	65	131	496	3,3
5	22,5	74	131	565	3,7
10	20,0	62	131	473	4,0
20	15,0	50	131	382	4,3
25	10,0	34	131	260	4,4
50	07,0	26	131	198	4,7
100	05,0	16	131	122	5,0
200	02,5	8	131	61	5,3

Таблица 4: Определение частоты неизвестного колебания по фигурам Лиссажу.

№п/п	vx	nx	ny	ny nx
Гц	-	-
1	25	4	2	0,50
2	50	2	2	1,00
3	100	2	4	2,00
4	150	2	6	3,00
5	200	2	8	4,00

По графику:

ν = 50 Гц