Подготовка прибора к измерению

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫМЕТОДОМ ДВОЙНОЙ КРУГОВОЙ РАЗВЁРТКИ

Цель работы. Изучение электронного осциллографа и при­менение его для наблюдения формы сигнала, измерения ам­плитуды и частоты исследуемого сигнала, а также для изуче­ния взаимно перпендикулярных колебаний и измерения сдви­га фаз между током и напряжением в цели переменного тока.

Введение

В современной лабораторной практике широко применя­ется осциллографический метод исследования быстропеременных процессов.

Достоинствами осциллографического метода исследования являются его наглядность и безынерционность.

 

Принцип действия электронного осциллографа.

Основной элемент осциллографа — электроннолучевая
трубка (ЭЛТ). Она предназначена для создания узкого пучка движущихся электронов и отклонения их от прямолинейного распространения в вертикальном и горизонтальном направ­лениях.

Отклонение пучка электронов происходит под действием внешних электрических сигналов и пропорционально их вели­чине. Характер отклонения электронов в трубке позволяет по­лучить информацию о форме сигнала, так как место нахожде­ния электронного пучка в любой момент времени фиксируется.

ЭЛТ (рис. 1) представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и внутри которого расположены электронная пушка и две пары отклоняющих пластин. Для

Рис. 1.

фиксации положения пучка элект­ронов используется тонкий слой люминофора, нанесенный на внутреннюю поверхность передней части трубки.

Электронная пушка состоит из подогреваемого катода К, управляющей сетки С и анодов А₁ и А₂. Катод имеет фор­му цилиндра, сетка и аноды — коаксиальные с ним цилиндры. Геометрические оси трубки и пушки совпадают. Потенциал катода принимается за нуль (это условие соблюдается, как правило, и при рассмотрении любой другой электронной лам­пы), а потенциалы других элементов рассматриваются относи­тельно потенциала катода. Потенциал сетки U_с отрицателен и обычно равен нескольким десяткам вольт. Потенциалы ано­дов положительны, причем потенциал первого анода U₁ мень­ше потенциала второго U₂. Потенциал U₂ достигает несколь­ких сот вольт. Подогревный катод (катод косвенного накала) имеет постоянный накал и служит источником электронов. Управляющая сетка регули­рует величину потока электронов, прошедших через сетку. Это достигается изменением потенциала сетки. Управляющая сет­ка частично фокусирует электронный пучок. Аноды А₁ и А₂ предназначены, для ускорения потока электронов и его оконча­тельной фокусировки.

На рис. 1 показаны линии напряженности и линии равного потенциала электрического поля, создаваемого двумя анода­ми. Как известно, направление вектора напряженности сов падает с направлением силы, действующей на положительный заряд, а направление вектора силы, действующей на электронный пучок, и вектор напряженности противоположны. Как видно из рис. 1, направления вектора силы различны на раз­личных участках движущегося электронного пучка. На элект­ронный пучок на всех участках его движения вдоль оси труб­ки действуют силы F_1Z, F, F_2Z. За счёт этого скорость элект­ронов увеличивается, т. е. v₁ > v₂,. Радиальная составляю­щая силы F_y на участке 0—1 отклоняет электронный пу­чок к оси ЭЛТ, на участке 1— 1', она отсутствует, на участке 1' — 0 составляющая F_y удаляет пучок от оси.

Итак, при правильном выборе формы анодов и их потен­циалов, система будет обладать фокусирующими свойства­ми, т. е. вести себя подобно оптической линзе (электростати­ческая линза).

Сфокусированный электронный пучок управляется откло­няющими пластинами, которые представляют собой два плоских конденсатора расположенных перпендикулярно друг другу.

Если на отклоняющие пластины подать постоянную раз­ность потенциалов U, то электронный пучок будет двигать­ся по параболе и отклонится от прямолинейной траектории на расстояние, которое прямо пропорционально U.

Если же разность потенциалов изменяется со временем, то соответственно изменяется и отклонение луча. При доста­точно большой скорости движения луча по экрану за счёт по­слесвечения люминофора, наблюдается светящийся след лу­ча. Это явление используется для смещения луча по вертика­ли и горизонтали, а также для наблюдения формы сигнала, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины.

Пусть напряжение на вертикально отклоняющих пласти­нах изменяется по закону

U_у = U₀ sinωt,

а на горизонтально отклоняющих пластинах —

U_х = kt,

где U₀, k и ω — некоторые постоянные.

Тогда отклонения электронов в направлениях осей X и Y соответственно равны

X = kt, (1)

Y = Y₀ sinωt. (2)

Исключив из уравнений (1) и (2) время, получим уравне­ние траектории движения электронного луча в плоскости XY в виде

Y = Y₀ sinω(Х/k). (3)

Это означает, что траек­тория электронного луча имеет вид, соответствую­щий временной зависимос­ти разности потенциалов электрического сигнала, по­данного на вертикально от­клоняющие пластины, т. е. сигнал, оказывается развер­нутым во времени.

Таким образом, для на­блюдения формы исследуе­мого сигнала на горизон­тально отклоняющие плас­тины Х подает­ся напряжение, изменяющееся линейно со временем (оно создается генератором раз­вертки, находящимся внутри осциллографа), а на вертикаль­но отклоняющие пластины Y — исследуемый сигнал.

Рис. 2

 

На рисунке 2а показана форма сигнала, подаваемого на го­ризонтально отклоняющие пластины с генератора развёртки. Спустя время, равное периоду развертки Т_р, траектория пуч­ка электронов повторяется. Условием периодического повторения траектории движения электронов является равенство Т_р периоду сигнала, подаваемого на вертикально отклоняю­щие пластины Т_с (рис. 2б). При этом сигнал с генератора развертки синхронизирован с исследуемым сигналом, а изоб­ражение траектории луча на экране осциллографа кажется неподвижным.

 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ОСЦИЛЛОГРАФОМ, НАЗНАЧЕНИЕМ И ДЕЙСТВИЕМ РУЧЕК УПРАВЛЕНИЯ, ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДЫИ ЧАСТОТЫСИГНАЛА

Приборы и принадлежности: осциллограф, зву­ковой генератор (ЗГ), кабели.

Подготовка прибора к измерению

1. Перед началом работы ознакомьтесь с передней па­нелью осциллографа, представленной на рис. 3.

2. Перед включением прибора в сеть предварительно ус­тановите ручки управления в следующие положения (см. рис. 3 и табл. 1):

2, 3, 6, 7, 9, 14, 16 — в среднее положение;

4, 18 — в крайнее правое положение;

20 — в положение «нажата»;

остальные кнопки — в положение «отжата»;

3. Шнур питания прибора соедините с источником на­пряжения, кнопкой «ВКЛ/ВЫКЛ» включите прибор. При этом должна загореться сигнальная лампочка.

4. Через 2—3 мин после включения прибора следует от­регулировать яркость и фокусировку линии развертки с по­мощью ручек 2, 3.

5. Если при максимальной яркости на экране не будет лу­ча, необходимо при помощи ручек 6, 14 переместить его в пределы рабочей зоны экрана;

6. Сигнальный конец кабеля «ВХОД Y»подключить к клемме 5 «1 кГц/0,5 В», при этом на экране должно появиться изображение калибрационного напряжения.

7. Следует проверить калибровку коэффициента развёрт­ки. Для этого переключатель 9 установите в положе­ние «1 МС», и ручкой 7 добейтесь устойчивого изображе­ния 10 перио­дов напряжения калибратора.

 

Рис. 3.

Таблица 1

Ручки управления и входы осциллографа ОСУ-10В

	Наименование назначение
	Кнопка «ВКЛ/ВЫКЛ» для включения и выключения прибора; Ручка регулировки яркости луча; Ручка для регулировки фокусировки; Ручка «ПЛАВНО» для регулировки частоты развёртки; Клемма «1кГц/0,5 В» выход калиброванного сигнала; Ручка для перемещения луча по горизонтали; Ручка «УРОВЕНЬ» для выбора уровня запуска развертки; Кнопка блокировки ручки «УРОВЕНЬ»; Ручка переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ» для выбора необходимой длительности развертки; Кнопка «X-Y» для подключения и отключения усилителя горизонтального отклонения к коаксиальному гнезду «ВХОД Х» Кнопка включения внутренней синхронизации частотой питающей сети; Кнопка выбора синхронизации: исследуемым сигналом (кнопка отжата), внешним сигналом (кнопка нажата); Коаксиальное гнездо «ВХОД Х» для подключения сигнала внеш­ней синхронизации или подачи внешнего сигнала на усилитель горизонтального отклонения; Ручка перемещения луча по вертикали; Коаксиальное гнездо «ВХОД Y» для подключения исследуемых сигналов на усилитель вертикального отклонения (УВО); Ручка переключателя «ВОЛЬТ/ДЕЛ» для установки необходи­мого коэффициента отклонения УВО; Кнопка переключателя УВО: кнопка нажата — открытый вход УВО; кнопка отжата — закрытый вход УВО; Ручка «ПЛАВНО» для регулировки усиления УВО; Кнопка переключателя полярности синхронизации: кнопка отжата — синхронизация положительным перепадом исследуемого сигнала; кнопка нажата — синхронизация отрицательным перепадом ис­следуемого сигнала; Кнопка выбора режима работы ге­нератора развертки: ждущий режим – кнопка отжата, автоколебательный режим – кнопка нажата;

 

8. Только после ознакомления с органами управления прибором и их назначением приступайте к выполнению изме­рений, имея в виду, что положение ручек управления долж­но соответствовать ряду измерений.

 

1. Измерение амплитуды исследуемого сигнала производит­ся следующим образом. На вход усилители вертикального отк­лонения подается исследуемый сигнал. При помощи ручек 6 и 14 сигнал совмещают с нужными делениями шкалы и измеря­ют размах изображения по вертикали в делениях.

Положение переключателя 16 — «ВОЛЬТ/ДЕЛ» необ­ходимо выбрать так, чтобы размер исследуемого сигнала по­лучался наибольшим в пределах рабочей части экрана.

Величина исследуемого сигнала в вольтах будет равна произведению измеренной величины изображения в делениях, умноженной на цифровую отметку показаний переключате­ля «ВОЛЬТ/ДЕЛ».

Измерения проведите для двух положений ручки «ВОЛЬТ/ ДЕЛ» и двух значений напряжения исследуемого сигнала (по указанию преподавателя). Результаты измерений зане­сите в таблицу 2. Сравните результаты измерения напряжений данного сигнала при различных положениях ручки «ВОЛЬТ/ ДЕЛ».

2. Частоту исследуемого сигнала можно определить, изме­рив его период Т _с:

(6)

На вход усилителя вертикального отклонения подается исследуемый сигнал и регулируется его величина (см. пре­дыдущий раздел).

Положение переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ» выбирает­ся так, чтобы в пределах рабочей части экрана уложилось как минимум изображение одного периода сигнала.

Период исследуемого сигнала определяется произведени­ем числа делений сетки экрана, уложившихся в одном периоде, на цифровую отметку показаний переключателя «ВРЕ­МЯ/ДЕЛ»:

Т_с = nТ_р. (7)

Проведите измерения 2—3 частот сигналов по указанию преподавателя. Полученные данные занесите в табл. 3. Сравните измеренные частоты с соответствующими частота­ми подаваемых сигналов.

Таблица 2

 

 

 

№ п/п	Ручка пере­ключателя «ВОЛЬТ/ДЕ­Л»	Цена деления сетки экрана осциллографа Uс, В /дел	Амплитуда исследуемо­го сигнала т, дел	U = mUc , В
0.2
0.2

 

Таблица 3

 

№ п/п	Частота генератора, v 0, Гц	Длитель­ность развертки, Тр «ВРЕМЯ/ ДЕЛ»	Число деле­ний сетки экрана в од­ном периоде сигнала, п	Период сигнала, Тс = п Тр	Частота сигнала , Гц
1. 2. 3.

2. ПРИМЕНЕНИЕ ОСЦИЛЛОГРАФА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ

ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ, ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫИССЛЕДУЕМОГО СИГНАЛА

Подготовьте осциллограф и звуковой генератор к работе. Для этого выполните указания, изложенные в пунктах 1—6 первой части настоящей работы.

 

Определение частоты исследуемого сигна­ла с помощью фигур Л и с с а ж у

 

1. На вход УВО подается сигнал, частоту которого необхо­димо измерить, нажимается кнопка «Х-Y» и на вход уси­лителя горизонтального отклонения через гнездо «ВХОД Х» подается сигнал генератора образцовой частоты ν_х.

2. Получите на экране осциллографа несколько устойчи­вых фигур Лиссажу, изменяя частоту звукового генератора, в пределах от 20 до 250 Гц. Частоту ЗГ, соответствующую каж­дой из выделенных фигур, зафиксируйте. Полученные данные занесите в таблицу 4.

Таблица 4

 

п/п	Частота генератора νх, Гц	Вид фигуры		Частота сигнала	Средняя час­тота сигнала

 

3. Определите частоту неизвестного сигнала следующим методом.