ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Получить практические навыки использования электронных приборов: генераторов, осциллографа, вольтметра.

2. Освоить способы определения параметров синусоидального напряжения с помощью электронного осциллографа.

 

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

1. Электронно-лучевой осциллограф.

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) является универсальным измерительным прибором. С его помощью можно визуально наблюдать и регистрировать изменяющиеся во времени сигналы. Он используется для измерения амплитуды, периода и частоты напряжения, угла сдвига фаз между напряжениями и других физических величин, преобразованных в электрические сигналы.

Упрощённая структурная схема универсального осциллографа представлена на рис.1. он состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и двух каналов управления лучом: канала Y и канала X. В канал Y входят аттенюатор Y и усилитель Y. В канал X входят: устройство запуска развёртки, генератор развёртки, аттенюатор X и усилитель X.

Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой стеклянную колбу с высоким вакуумом, внутри которой жёстко закреплены электронная пушка и две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин: пластины Y и X.

Электронная пушка служит для создания узкого пучка электронов – электронного луча. В её состав входят: подогреваемый катод К, управляющий электрод (модулятор) М и два анода А1 и А2. Первый анод служит для фокусировки луча, второй – для ускорения электронов луча. Электронный луч образует на экране ЭЛТ светящуюся точку.

Пластины Y служат для отклонения луча по вертикали, на них подаётся исследуемое напряжение U(t) по каналу Y. Пластины X служат для отклонения луча по горизонтали, на них подаётся напряжение развёртки U_X(t).

При работе осциллографа с внутренней развёрткой на пластины X от генератора развёртки подаётся пилообразное напряжение, возвращающее по линейному закону. Под воздействием его электронный луч отклоняется и светящаяся точка перемещается по экрану в горизонтальном направлении с постоянной скоростью.

При работе осциллографа с внешней развёрткой напряжение развёртки подаётся через вход X от внешнего источника.

Аттенюаторы служат для ослабления больших сигналов, а усилители для усиления малых сигналов.

 

2. Генератор синусоидальных колебаний.

 

Генераторы синусоидальных колебаний являются источниками электрических колебаний, форма которых заранее известна, а частота, напряжение (или мощность) и некоторые другие параметры сигналов могут регулироваться в определённых пределах. Такие генераторы бывают низкочастотные и высокочастотные. Низкочастотные генераторы охватывают диапазон частот в пределах от долей герца до 200 кГц. Структурная схема низкочастотного генератора приведена на рис.2.

Задающий генератор вырабатывает синусоидальный сигнал, частоту которого можно регулировать дискретно («множитель частоты») и плавно. Усилитель состоит усилителя напряжения и усилителя мощности. Выходное устройство предназначено для создания на нагрузке заданного напряжения (мощности), а также для согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки. Выходное устройство состоит из делителя напряжения (аттенюатора) и согласующего трансформатора.

В данной работе рассматривается применение осциллографа для определения по осциллограмме амплитуды и периода синусоидального напряжения, получаемого от генератора. Для решения этой задачи на вход Y подаётся исследуемое напряжение U(t), которое после преобразования в канале Y поступает на пластины Y. На пластины X подаётся линейно изменяющееся напряжение U_X(t) от генератора развёртки через усилитель X. Переключатель выбора развёртки при этом должен быть поставлен в положение «Внутренняя развёртка». При решении данной задачи принято использовать внутреннюю синхронизацию генератора развёртки, а поэтому переключатель S1 включается на канал Y, т.е. в положение «Внутренняя синхронизация».

В данном опыте на электронный луч действуют две электростатические силы F_X и F_Y. Сила F_X направлена вдоль оси Х и отклоняет луч с постоянной скоростью V_X. Сила F_Y направлена вдоль оси Y и изменяется по закону синуса: F_Y = F_Ym×sint. Под воздействием такого рода сил электронный луч будет перемещаться по поверхности экрана по синусоидальной кривой (рис.3).

Амплитуда U_m и период Т исследуемого напряжения определяются по формулам U_m = S_YC_Y; T = S_XC_X, где S_Y и S_X – расстояния, равные амплитуде и периоду синусоиды, полученной на экране; C_Y и C_X – цены делений сетки экрана вдоль осей Y и X при данном положении переключателей усиления Y (Вольт/дел) и длительность развёртки (Время/дел) соответственно.

 

 

Для синусоиды, представленной на рис.3, S_Y = 1,7 дел, S_X = 7,3 дел. Допустим, что при этом переключатель «Вольт/дел» установлен в положение 2 В/дел (C_Y = 2 В/дел), а переключатель «Время/дел» установлен в положение 10 мс/дел (C_X = 10 мс/дел), тогда U_m = 1,7×2 = 3,4 В, Т = 7,3×10×10^-3 = 0,073 с.

Действующее значение U, частота f и угловая частота w этого напряжения будут равны:

Уравнение мгновенного значения этого напряжения (при y_u = 0), будет иметь следующий вид: U(t) = 3,4sin87,9t В.

 

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

 

Объектами и средствами исследования в данной работе являются электронные измерительные и задающие приборы: генератор синусоидальных колебаний и электронно-лучевой осциллограф.

В качестве генераторов в лабораториях кафедры используются генераторы типа ГЗ-36, ГЗ-33, ГЗ-109, ГЗ-56/1. Эти генераторы имеют следующие технические характеристики: диапазон изменения частот 20 Гц – 200 кГц, выходное напряжение 0,3 мВ – 30 В, погрешность установки частоты 3%.

В качестве осциллографа используются однолучевые осциллографы типа С1-72, С1-65, С1-67, С1-49. Они имеют следующие технические характеристики: полоса пропускания 0-1 МГц, максимальная чувствительность 2000 мм/В (калибровочный коэффициент 1/2000 В/м = 0,005 В/дел), длительность развёртки 01 мкс/дел – 2 с/дел, погрешность измерения 10%, входное сопротивление 1МОм.

 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

 

1. Включить электронные приборы: осциллограф, генератор и вольтметр с помощью выключателей «Сеть» и дать им прогреться в течении 2-3 мин.

2. Ознакомиться с ручками управления на лицевых панелях электронных приборов и получить на экране осциллографа изображение прямой горизонтальной линии.

3. Осуществить с использованием осциллографа измерение параметров синусоидального напряжения, получаемого с генератора.

3.1. Подключить к выходным клеммам генератора вход Y осциллографа и электронный вольтметр согласно схеме на рис.4 (прил.).

3.2. Для выполнения опыта 1 установить на генераторе одну из комбинаций указанных в табл.1 (прил.) значений частоты f_r и напряжения U_r выходного сигнала, используя ручки управления, лимб частоты и стрелочный индикатор напряжения. Значения U_r и f_r записать в табл.2 (прил.).

3.3. Осуществить настройку осциллографа для получения на экране устойчивого изображения 2-3 периодов синусоиды. При этом центральные ручки плавной регулировки длительности развёртки («Время/дел») и усиления («Вольт/дел») должны быть повёрнуты до отказа вправо.

3.4. Используя сетку экрана, определить расстояния S_Y и S_X, соответствующие амплитуде и периоду синусоиды. По положениям ручек переключателей (ступенчатой регулировки) усиления Y (Вольт/дел) и длительности развёртки (Время/дел) определить цены делений сетки экрана С_Y и С_Х вдоль осей Y и Х. Значения S_Y, S_X, С_Y, С_Х записать в табл.2 (прил.).

3.5. Выбрав необходимый предел измерения, снять показания вольтметра U_В и записать их в табл.2 (прил.).

3.6. Вычислить амплитудное значение U_m, период Т, частоту f = 1/T, угловую частоту w = 2pf и действующее значение U = U_m/ измеряемого сигнала. Результаты записать в табл.2 (прил.)

3.7. Выполнить опыты 2-4 по аналогии с опытом 1 (пп.3.2. – 3.6.) для трёх других возможных комбинаций U_r и f_r из табл.1 (прил.).

4. Для одного из опытов составить уравнение мгновенного значения U(t) при условии, что y_u = 0.

5. Согласовать результаты с преподавателем, после чего отключить все приборы и разобрать электрическую цепь.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

 

1. Из каких основных частей состоит упрощённая структурная схема осциллографа?

2. Как устроена и из каких частей состоит электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) осциллографа?

3. Из каких частей состоит электронная пушка и для чего она служит?

4. Сколько отклоняющихся пластин имеет ЭЛТ и для чего они используются?

5. Из каких основных частей состоит канал Y и каково его основное назначение?

6. Для чего служит аттенюатор?

7. Из каких основных частей состоит канал X и каково его основное назначение?

8. По какому закону изменяется выходное напряжение генератора разведки?

9. При исследовании синусоидального напряжения по какому закону должно изменяться развёртывающее напряжение для получения синусоидальной осциллограммы?

10. На какие электроды подаётся развёртывающее напряжение?