САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
Лабораторная работа №1
«Изучение электронного осцилографа»
Студент: Питько Андрей
Группа: 1363
Преподаватель: Мульганов С.В.
Санкт-Петербург
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
Цель работы: ознакомление с устройством электронного осциллографа; изучение с помощью этого прибора процессов в простых электрических цепях.
Приборы и оборудование:
1. Электронный осциллограф С1-83 или С1-93.
2. Звуковой генератор Г3-112 или Г3-113.
3. Модуль «ФПЭ-09/ПИ».
4. Источник питания «ИП».
5. Комплект соединительных кабелей.
ТЕОРИЯ
Устройство электронного осциллографа
Электронный осциллограф — прибор, предназначенный для исследования быстропротекающих процессов в электрических цепях.
На экране электроннолучевой трубки осциллографа можно получить графическое изображение зависимостей двух видов: временных y=f(t) и функциональных y=f(x). В первом случае функциональное отклонение луча осуществляется с постоянной скоростью, для чего на пластины Xот внутреннего генератора развертки подается напряжение, увеличивающееся строго пропорционально времени t (пилообразное напряжение). Во втором случае развертка по горизонтали осуществляется напряжением сигнала, пропорционального какой-либо величине x. Основные узлы осциллографа приведены на рис.1.2.
Рис.1.2. Блок-схема осциллографа.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)
По принципу отклонения и фокусировки электронного луча различают два вида ЭЛТ: электростатические и магнитные.
Внутри стеклянного баллона, откачанного до давления 10-4 Па, помещается ряд электродов. Источником электронов служит оксидный подогревный катод К, окруженный цилиндром М с маленьким отверстием в центре. Этот электрод называется управляющим, или модулятором. Регулируя отрицательный потенциал этого электрода, можно менять ток пучка и соответственно яркость изображения.
Электроны, прошедшие отверстие в управляющем электроде, ускоряются электрическим полем фокусирующего электрода Ф (первого анода), так как он имеет положительный потенциал относительно катода. Пройдя ограничивающие диафрагмы фокусирующего электрода, пучок ускоряется вторым анодом А, на который подается положительное напряжение порядка 1000 В.
Проходя в зазорах между электродами, где сосредоточено электро-статическое поле, электроны пучка помимо ускорения испытывают радиальное смещение и отклоняются к оси. Действие таких электрических полей похоже на действие оптических линз. Это помогает понять рис.1.4.
Влетая слева в зазор между электродами Ф и А, электрон отклоняется полем сначала вниз, а затем вверх от горизонтальной оси, т. е. Слева поле действует как собирающая поверхность линзы, а справа — как рассеивающая. Одновременно электрон ускоряется электрическим полем и его осевая скорость справа u2 становится больше скорости слева u1. Поле сильнее искривляет траекторию медленного электрона, чем более быстрого. Поэтому собирающее действие электронной линзы преобладает над ее рассеивающим действием, в результате чего линза отклоняет электроны пучка к оси, т.е. всегда является собирающей. Меняя потенциал одного из электродов, например потенциал электрода Ф (ручка «ФОКУС»), можно легко регулировать преломляющую силу электронной линзы и фокусировать пучок на экране трубки.
Рис.1.4. Принцип фокусировки электронного пучка.
Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами пластин, которые отклоняют его в двух взаимно перпендикулярных направлениях X и Y. Величина смещения пятна на флуоресцирующем экране пропорциональна приложенному к пластинам напряжению. Убедиться в том, что это именно так, можно, решив задачу отклонения пучка полем в плоском конденсаторе (см. раздел «Чувствительность прибора»).
Усилители сигналов
Напряжение, требуемое для полного вертикального отклонения электронного пучка вдоль экрана (без усиления) составило бы 200…300 В. Чтобы получить заметное отклонение луча для очень малых сигналов: ~0,01 В, необходимо иметь дополнительное усиление в десятки тысяч раз. Усилитель канала «X» имеет обычно меньший коэффициент усиления — 100…1000.
Усилители каналов «Y» имеют калиброванные ступенчатые и плавные регуляторы коэффициентов усиления.
Генератор развертки
Как уже упоминалось выше, для того, чтобы на экране осциллографа можно было увидеть как в каком-либо физическом процессе некоторая величина y изменяется в зависимости от поведения другой величины x(y=f(x)), необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение Ux, пропорциональное величине x, а на вертикально отклоняющие пластины одновременно подать напряжение Uy, пропорциональное величине y. Тогда электронный луч на экране начертит кривую, соответствующую зависимости y=f(x). Если заставить луч многократно повторять свой путь по экрану, то вследствие инерционности глаза наблюдатель увидит неподвижный график зависимости y=f(x).
На практике часто приходится наблюдать изменение различных физических величин от времени, т.е. функции вида y=f(t). При этом на вертикально отклоняющие пластины необходимо подать напряжение, пропорциональное исследуемой величине y, а на горизонтально отклоняющие пластины — напряжение, изменяющееся линейно со временем t.
Напряжение, величина которого меняется пропорционально времени, называется «пилообразным» напряжением и вырабатывается в осциллографе специальным «генератором развертки» (рис.1.2, 1.5).
Частоту развертки можно регулировать, что позволяет менять скорость горизонтального перемещения луча и исследовать сигналы разной длительности.
Генератор одновременно вырабатывает импульс подсветки луча во время прямого хода. Действие этого модулирующего импульса прекращается в конце периода развертки, поэтому обратный ход луча на экране не виден. Генератор может работать в непрерывном автоколебательном режиме при исследовании непрерывных периодических процессов и в ждущем режиме при исследовании прерывистых процессов. В последнем случае напряжение развертки вырабатывается только с приходом на вход осциллографа исследуемого импульсного сигнала. Следующий цикл развертки может начаться лишь с поступлением следующего запускающего импульса.
Синхронизатор
Для получения на экране трубки четкой картины необходимо, чтобы все периодически возникающие изображения накладывались одно на другое. Это условие обеспечивается блоком синхронизации (Рис.1.2).
В режиме внутренней синхронизации запуск развертки принудительно начинается с приходом сигнала в момент времени, когда напряжение сигнала достигает некоторого порога. Блок синхронизации вырабатывает короткий импульс, заставляющий сработать генератор и выработать пилообразное напряжение. Это позволяет каждый раз с приходом сигнала как бы совмещать нуль оси времени, что и требуется (Рис.1.5).
Рис.1.5. Синхронизация генератора развертки исследуемым сигналом.
При необходимости сравнения длительности различных процессов, измерениях фазы и т.п. за нуль оси времени можно выбрать момент появления другого сигнала, который и будет запускать генератор в режиме внешней синхронизации.
Регулировка порога срабатывания синхронизатора обеспечивается ручкой «Уровень запуска ».
Калибраторы
Для градуировки вертикальной оси «Y» в единицах напряжения осциллограф снабжен специальным встроенным генератором, вырабатывающим напряжение известной амплитуды. Для градуировки горизонтальной оси времени используется эталонный синусоидальный генератор известной частоты, т.е. с известным периодом.
Канал «Z»
В современных осциллографах имеется еще один канал, используемый для модуляции внешним сигналом интенсивности пучка и, соответственно, яркости. Усиленное напряжение сигнала прикладывается между катодом и управляющим электродом трубки. Вход этого канала обозначается на панели «Z — ось».
Блок питания вырабатывает необходимые напряжения для питания трубки, ламп и транзисторов.
Чувствительность прибора
Как уже сказано выше, на пути к экрану электронный пучок проходит между двумя парами отклоняющих пластин. Разность потенциалов U, приложенная к пластинам, создает между ними электронный луч и перемещает светящееся пятно по экрану. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (вдоль оси y), а вертикально расположенные — по горизонтали (вдоль оси x). Установим связь между напряжением на вертикально отклоняющих пластинах U и величиной смещения yL на экране (см.рис.1.6).
Электрон с массой m влетает в однородное электрическое поле со скоростью u0=uz. Вдоль оси z на электрон не действуют никакие силы (движение по инерции), поэтому в направлении z он движется равномерно:
Z=u0*t. (1)
Рис.1.6. Два участка траектории электрона на пути к экрану.
В зазоре вертикально отклоняющих пластин на электрон действует кулоновская сила
(1.2)
Так как 
, движение электрона вдоль оси y на участке длинной l будет равноускоренным (рис.1.6):
, 
. (1.3)
Величину ускорения a найдем из второго закона Ньютона:
или 
, (1.4)
где d — расстояние между пластинами.
Так как E=U/d, то смещение электрона вдоль оси y равно
. (1.5)
Учитывая, что время пролета электроном участка длиной l равно t= l /u0, для смещения y1 в конце пластин получаем
. (1.6)
Из этой формулы видно, что траектория электрона на участке l между пластинами представляет собой параболу. Сразу же при выходе из пространства между отклоняющими пластинами электрон сместится относительно первоначального направления движения на некоторый угол a (см. рис.1.6), который определяется по формуле:
. (1.7)
Зная tga, найдем смещение светящегося пятна на экране:
(1.8)
или, поскольку расстояние l много меньше L
. (1.9)
Итак, смещение луча на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах.
Отклонение пятна на экране (в миллиметрах) dy, вызванное напряжением в один вольт на отклоняющих пластинах, называется чувствительностью трубки:
. (1.10)
Если U0 — потенциал второго анода A относительно катода K (рис.1.3), то кинетическая энергия электрона определяется из уравнения
, (1.11)
откуда имеем
. (1.12)
Тогда чувствительность электронной трубки равна
(1.13)
и зависит от расстояния между пластинами d, от расстояния до экрана L, а также от ускоряющего напряжения U0 между вторым анодом A и катодом K.
РЕЗУЛЬТАТЫИЗМЕРЕНИЙ