Лабораторная установка и измерение переменного напряжения, его частоты и периода с помощью осциллографа.




Назначение электронного осциллографа.

Универсальные измерительные приборы, предназначенные для исследования электронных процессов с помощью графического их воспроизведения на экране электронно-лучевой трубки, называются электронными осциллографами.

Помимо наблюдения формы и качественной оценки исследуемых процессов, осциллографы позволяют измерять величины напряжений и токов, мощность, длительность импульсов и временных интервалов между ними до 10-8 с и т.д. Малая инерционность осциллографов позволяет применять их для исследований колебаний в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до сотен мегагерц. Высокая чувствительность осциллографа позволяет изучать очень слабые колебания напряжения, а большое входное сопротивление исключает влияние осциллографа на режим цепей, к которым он подключается.

Схемы современных осциллографов очень разнообразны и определяются их назначением. Рассмотрим основные части наиболее простого осциллографа.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛT).

По принципу отклонения и фокусировки электронного луча различают два вида ЭЛТ: электростатические и магнитные. Во-первых, для отклонения и фокусировки луча используется электрическое поле, во-вторых, - магнитное. В работе будет использоваться первый тип ЭЛТ.

Электронно-лучевая трубка (рис. 1) состоит из стеклянного баллона, из которого выкачан воздух до давления порядка 10-6 мм.рт.ст., электронной пушки 1-5, двух пар отклоняющих пластин 6 и 7 и флюоресцирующего экрана 8.

Источником электронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Между катодом 2 и анодами 4, 5 приложено напряжение порядка 1-3 кВ. Электроны, ускоренные таким сильным электрическим полем, приобретают скорость порядка 107 м/с и, попадая на экран 8, вызывают его свечение. Катод находится внутри цилиндра 3, являющегося управляющим электродом (модулятором). В основании цилиндра сделаны отверстия для пропускания узкого электронного пучка. Подводя отрицательный потенциал к цилиндру-модулятору (потенциалы в электровакуумных приборах измеряются относительно катода), можно уменьшить количество электронов, проходящих через его отверстие. Большинство

 
 

 


X Y

6 7

3 5

 

 

Рис. 1

эмитируемых с катода электронов направляется вдоль оси трубки электрическим полем между катодом и модулятором. Стрелками на рис. 1 показаны линии напряженности электрических полей между электродами, пунктиром - траектории некоторых электронов. Там, где траектория электронов искривляется, приближаясь к оси трубки, очевидно, есть составляющая силы, действующей на электрон со стороны электрического поля, направленная к оси трубки.

По направлениям силовых линий можно определить, что потенциал второго анода 5 выше потенциала первого анода 4. Изменяя разность потенциалов между анодами, можно изменить положение точки, в которой фокусируются электроны. Если эта точка находится на поверхности флюоресцирующего экрана, то электронный пучок называется сфокусированным.

Аноды имеют форму цилиндров или дисков с отверстиями в центре. Перегородки внутри анодов служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условиям фокусировки.

Отклоняющие пластины

На пути к экрану электронный пучок проходит между двумя парами отклоняющих пластин (рис. 2). Напряжения, приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля, которые отклоняют электронный луч, что приводит к смещению светящегося пятна на экране. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (вдоль оси Y), а вертикально расположенные - по горизонтали (вдоль оси X).

Установим связь между напряжением на пластинах А и В и смещением пятна на экране (рис. 3).

Электрон влетает в однородное электрическое поле Еу со скоростью V0 = Vx. Вдоль оси X на электрон не действуют силы, поэтому в этом направлении он движется равномерно

х = V0 t. (1)

Y

Vy y2

A a

d V0 y1

Z

B

 

L

 

 

Рис. 2

Вдоль оси Y на электрон действует постоянная сила

, (2)

где Еу - напряженность поля между пластинами. Следовательно, движение электрона вдоль оси Y будет равноускоренным

; Vy = at. (3)

Ускорение a найдем из второго закона Ньютона

 

. (4)

Тогда из (3) и (4) следует

 

. (5)

Согласно (1) t = x/V0, тогда получим

 

. (6)

Из формулы (6) следует, что траектория движения электрона между пластинами представляет собой параболу. При выходе из пространства между пластинами электрон отклоняется от своего первоначального направления на угол a и сместится по оси Y на y1

 

.

 

Смещение светящегося пятна на экране в соответствии с рис. 2, определится

 

,

так как << L•, то

и пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах. Аналогичное движение происходит в горизонтальном направлении, если приложить напряжение на пластины Х.

Отклонение пятна на экране ЭЛТ (в мм или см), вызванное приложением напряжения в 1 В на отклоняющие Х и Y пластины, называется чувствительностью трубки:

 

. (7)

 

Если U0 - приложенная ускоряющая разность потенциалов между вторым анодом и катодом, то электрон приобретет скорость, которую найдем по закону сохранения энергии

(здесь eU0 = A - работа сил поля, а - кинетическая энергия), откуда

 

.

Тогда, в соответствии с (7), чувствительность ЭЛТ окажется равной

и будет зависеть как от расстояния между пластинами и экраном, так и от потенциала на втором аноде.

Генератор развертки

Основным назначением осциллографа является воспроизведение на его экране формы кривых переменных напряжений, т.е. получение графиков U (t) или, как говорят, развертки напряжений по времени.

Если исследуемое переменное напряжение

Uy = U0 Sin wt

подается на вертикальные отклоняющие пластины, то световое пятно на экране будет совершать колебания по закону

y = jy Uy Sin wt.

При малых частотах на экране будет видна вертикально колеблющаяся светящаяся точка. При больших частотах, вследствие световой инерции экрана и способности человеческого глаза сохранять некоторое время (~ 0,1 с) полученное световое восприятие, на экране.будет видна неподвижная вертикальная линия. Для того, чтобы получить развертку Uy по времени, на горизонтально отклоняющие пластины подают пилообразное напряжение, перемещающее луч по горизонтали. Период пилообразного напряжения состоит из двух частей: Dt1 - времени линейного нарастания напряжения и соответственно перемещения луча по экрану слева направо (прямой ход) и Dt2 - времени обратного хода луча, в течение которого напряжение быстро возвращается к исходному значению.

Почему нужно линейное нарастание напряжения? Согласно (7) x = jx Ux и при линейной зависимости U(t) уравнение смещения X в линейной части пилы имеет вид

Х = С1t + С2. (8)

где С1 и С2. - некоторые постоянные, т.е. ось X в этом случае является осью времени с линейным масштабом.

На рис. 4 рассмотрен случай одновременной подачи на отклоняющие пластины Y - исследуемого напряжения, на отклоняющие пластины X - пилообразного напряжения той же частоты, что и у исследуемого. В результате сложения движений луча по горизонтали и по вертикали на экране между точками 0 и 10 воспроизводится большая часть кривой напряжения Uу. Небольшая часть этой кривой, приходящаяся на время обратного хода луча Dt2, вызывает появление между точками 10 и 12 линии обратного хода, мешающей наблюдению осциллограммы. Для более полного воспроизведения исследуемой кривой стремятcя уменьшить Dt2, a мешающий обратный ход луча гасят, подавая на время Dt2 отрицательный импульс на управляющий электрод (модулятор) ЭЛТ. Если период развертывающего пилообразного напряжения кратен периоду исследуемого, например, больше его в nраз, то на экране получится изображение n полных колебаний.

 
 

t

Рис. 3

При неравенстве и некратности периодов кривая на экране может двигаться, либо быть устойчивой, но определить форму исследуемого напряжения в этом случае трудно.

Источником пилообразного напряжения является генератор развертки. Частоту генератора пилообразного напряжения в осциллографах можно изменять в широких пределах. При ручной регулировке поддержать строгое равенство периодов напряжений Ux и Uу трудно, поэтому осциллографы снабжаются автоматическим устройством для синхронизации пилообразного напряжения с исследуемым. Осциллографы с генераторами непрерывной развертки непригодны для исследования кратковременных импульсов, длительность которых значительно меньше периода их повторения. На экране такие импульсы будут наблюдаться в виде узких вертикальных выбросов, форма которых неразличима. Поэтому в состав универсальных осциллографов включают генераторы ждущей развертки, которые могут длительное время находиться в режиме ожидания и вырабатывать одиночные импульсы пилообразного напряжения при каждом воздействии на них сигналов запуска. В качестве сигналов запуска могут использоваться и исследуемые импульсы. Таким образом, ждущая развертка позволяет исследовать кратковременные, а также одиночные и не периодически повторяющиеся импульсы.

Блок-схема осциллографа

На рис. 4 приведена упрощенная схема осциллографа. Основными узлами осциллографа являются электронно-лучевая трубка, блок питания, усилитель напряжения Uх; усилитель напряжения Uy, генератор пилообразного напряжения и синхронизирующее устройство.

 

Рис. 4

На горизонтально отклоняющие пластины Х напряжение подается от генератора развертки. Исследуемое напряжение Uу подается непосредственно на вертикально отклоняющие пластины, либо через “Усилитель Y”, который имеет входные цепи, обеспечивающие защиту усилителя от перегрузок путем регулировки величины подводимых к нему сигналов. Плавная регулировка входных напряжений осуществляется с помощью высокоомного потенциометра, ступенчатая - ступенчатым делителем напряжения.

Необходимость введения усилителей по каналам X и Y обусловлена малой чувствительностью ЭЛТ. Для наиболее распространенных трубок диаметром 8-13 см диапазон напряжений, подаваемых на пластины трубок, составляет всего 20-60В. Наличие в осциллографе усилителей и входных делителей напряжения позволяет изучать напряжения от 10-5 В до 103 В.

Благодаря наличию усилителя чувствительность осциллографа по напряжению по сравнению с чувствительностью ЭЛТ, возрастает пропорционально коэффициенту усилителя К.Величину, обратную чувствительности осциллографа jу, называют ценой деления шкалы осциллографа Su no напряжению

[S] = В/дел.

Величина Su зависит от положения плавного и ступенчатого регуляторов входного напряжения. Su указывается на передней панели для каждого положения ступенчатого делителя напряжения. (В технической литературе Su называют коэффициентом отклонения).

 

Лабораторная установка и измерение переменного напряжения, его частоты и периода с помощью осциллографа.

Лабораторная установка состоит из осциллографа, гене­ратора сигналов низкой частоты и источника питания.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: