ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

1. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, генератор час­тот.

Цель работы: измерение параметров электрических сигналов с помощью электронного осциллографа.

Электронный осциллограф предназначен для определения функциональ­ной зависимости величин, преобразованных в электрический сигнал. Наиболее часто осциллографы используются для изучения временной зависимости элек­трических величин.

Структурная схема осциллографа изображена на рисунке. Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) 1, генератор развертки 2, блок синхронизации 3, усилитель вертикального 4 и горизонталь­ного 5 каналов отклонения, блок питания 6.

Вход Y

Вход X

 

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) является основной частью осциллографа. Она представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух, с на­ходящимися внутри электродами. С одного конца стеклянный баллон имеет расширение, на торцевую часть которого (экран) нанесен слой вещества, све­тящегося под ударами электронов. На рис.2 показано схематическое изображение ЭЛТ с электростатическим отклонением луча.

 

УЭ А, А₂ П_у П_х

Катод (К) ЭЛТ аналогичен катоду радиолампы и имеет такое же назначение - испускать электроны. Подогревный катод имеет форму цилиндра, внутри которого находится нить накала (НН). Около катода расположен управляющий электрод (УЭ) тоже цилиндрической формы (по назначению он аналогичен сет­ке триода). Этот электрод называется модулятором или сеткой. На него подается отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Изменяя напряжение, поданное на модулятор, можно регулировать количество электронов, выходящих из модулятора и, таким образом, управлять яркостью изображения. Далее расположены два анода А1 и А2, выполненные в виде по­лых металлических цилиндров. Диаметр первого анода меньше диаметра второго. Они имеют высокий положительный потенциал относительно катода: первый анод — порядка нескольких сотен, а второй - нескольких тысяч вольт. Так как потенциал второго анода выше потенциала первого, то напряженность электрического поля между ними направлена от второго анода к первому. Под действием этого поля электроны ускоряются, а также фокусируются в точке, лежащей на оси трубки. Меняя напряжение на первом аноде, можно изменять напряженность электрического поля между анодами и тем самым перемещать точку фокуса вдоль оси, добиваясь ее совмещения с поверхностью экрана.

Вся система, состоящая из катода, управляющего электрода и двух ано­дов, создает узкий направленный поток электронов - электронный луч. На пути электронного луча стоят две пары взаимно перпендикулярных пластин П_х и П_у, называемых отклоняющими. Если между этими пластинами нет электрического поля, то они не влияют на электронный луч. Если же на какую-либо пару пла­стин подано напряжение, то между пластинами образуется электрическое поле, которое отклоняет электронный луч. Чем выше разность потенциалов между пластинами, тем сильнее отклоняется в их поле электронный луч, а следовательно, и светящееся пятно на экране осциллографа. Пластины П_у отклоняют луч в вертикальной плоскости и называются вертикально отклоняющими пла­стинами. Пластины П_х отклоняют луч в горизонтальной плоскости и называются горизонтально отклоняющими пластинами. Электроны, попавшие на экран, необходимо отвести, чтобы экран не получил отрицательный потенциал, тормозящий полет следующих электронов. Для этого на внутреннюю часть боковой поверхности трубки наносится проводящий графитовый слой (ГС), имею­щий небольшой положительный потенциал относительно экрана.

Если при отсутствии напряжения на горизонтально отклоняющих пласти­нах на вертикально отклоняющие пластаны подать переменное напряжение, например синусоидальное, то на экране возникнет вертикальная прямая, т.к. электронный луч будет отклоняться все время в сторону положительно заряженной пластины, а заряд на пластинах будет изменяться с частотой поданных колебаний. На экране получится изображение синусоиды или другого периодического сигнала, если луч кроме колебательного движения вдоль вертикальной оси совершает еще равномерное движение вдоль горизонтальной оси. Это про­исходит в том случае, когда на горизонтально отклоняющие пластины подается разность потенциалов, линейно зависящая от времени. Для получения устойчивой картины на экране осциллографа необходимо, чтобы электронный луч, пройдя по горизонтали путь от одного края экрана до другого и быстро возвращаясь в первоначальное положение, повторял свою траекторию на экране. Такому условию удовлетворяет пилообразное напряжение U_p, которое подается на горизонтально отклоняющие пластины от генератора развертки.

Для получения на экране ЭЛТ устойчивого изображения необходимо, чтобы электронный луч начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период пилообразных колебаний равен или кратен периоду исследуемых колебаний. Процесс согласования фаз называется синхронизацией развертки и осуществляется с помощью блока син­хронизации.

Усилители горизонтального и вертикального каналов отклонения позво­ляют изменять напряжение, подаваемое на горизонтальные и вертикальные пластины ЭЛТ, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлению.

Блок питания обеспечивает подачу необходимых напряжений на ЭЛТ, усилитель, генератор развертки и другие узлы осциллографа.

 

Описание органов управления осциллографом

Расположение органов управления на передней панели прибора показаны на чертеже.

Органы управления ЭЛТ (электронно-лучевой трубкой)

Ручка, под номером (1)— регулирует яркость изображения;

Ручка, под номером (2) - регулирует четкость изображения;

Ручка, под номером (3)— регулирует освещение шкалы;

Шлиц, под номером (4) - регулирует четкость изображения (используется совместно с регулировкой (2)),

кнопка «ПОИСК ЛУЧА» - устанавливает изображение в пределах рабочего эк­рана ЭЛТ.

Органы управления усилителем Y:

переключатель «V/ДЕЛ.» устанавливает калиброванный коэффициент отклоне­ния усилителя при установке ручки «ПЛАВНО» в положение «КАЛИБР.»;

ручка «ПЛАВНО» обеспечивает плавную регулировку коэффициента отклоне­ния с перекрытием не менее чем в 2,5 раза в каждом положении переключателя «V/ДЕЛ.»;

ручка «↕ ГРУБО» - грубо регулирует положение луча по вертикали; ручка «↕ ПЛАВНО» — плавно регулирует положение луча по вертикали;

шлиц «БАЛАНСИР» - балансирует вертикальный усилитель в положениях «0,01», «0,02» переключателя «V/ДЕЛ.»;

шлиц «БАЛАНСИР» 0,05 - балансирует вертикальный усилитель в положении «0,05» переключателя «V/ДЕЛ.»;

шлиц «▼» - регулирует усиление вертикального усилителя; переключатель ре­жима работы входа усилителя в положениях:

«≃» - на вход усилителя исследуемый сигнал поступает через разделительный конденсатор (закрытый вход);

«» вход усилителя отклю чается от источника исследуемого сигнала и соеди­няется с корпусом;

«~» — на вход усилителя поступает исследуемый сигнал с постоянной состав­ляющей (открытый вход);

Гнездо, обозначенное под номером (5) - высокочастотное гнездо для подачи исследуемых сигналов; гнездо «ПРОБНИК» - питание пробника.

Органы управления синхронизацией:

тумблер полярности запускающего сигнала, синхронизирующего развертку в положениях:

«+» - развертка синхронизируется положительным перепадом запускающего сигнала;

«-» - развертка синхронизируется отрицательным перепадом запускающего сигнала;

тумблер «≃;~» — устанавливает режим запуска схемы синхронизации в поло­жениях:

«≃;» - проходит запускающий сигнал от 0 до 100 МГц;

«~» - не проходит постоянная составляющая и сигналы с частотой ниже 30 Гц ослабляются;

ручка «УРОВЕНЬ» - выбирает уровень на исследуемом сигнале, от которого происходит запуск развертки;

ручка «ВЧ» обеспечивает устойчивое изображение исследуемых сигналов вы­сокой частоты.

Переключатель выбора источника синхронизирующего сигнала в положениях:

«ВНУТР.» - выбирается внутренний источник синхронизирующего сигнала. Развертка синхронизируется исследуемым сигналом, поступающим с усилителя вертикального отклонения;

«ОТ СЕТИ» — развертка синхронизируется сигналом с частотой питающей сети; «1:1 ВНЕШ.» - развертка синхронизируется внешним сигналом, поданным на гнездо «ВХОД X»;

«1:10 ВНЕШ» - внешний синхронизирующий сигнал ослабляется в 10 раз; гнездо «ВХОД X» высокочастотное гнездо для подачи внешнего синхронизи­рующего сигнала, а также вход усилителя горизонтального отклонения, когда переключатель режима развертки установлен в положение «ВХОД X».

Орган управления разверткой:

Переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» устанавливает калиброванную скорость раз­вертки, когда ручка «ПЛАВНО» установлена в положение «КАЛИБР.»;

ручка «ПЛАВНО» — обеспечивает плавную регулировку скорости развертки с перекрытием в 2,5 раза в каждом положении переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ.»;

ручка «↔ГРУБО» - грубо регулирует положение изображения по горизонтали;

Ручка «↔ПЛАВНО» плавно регулирует положение изображения по горизон­тали.

Тумблер включения растяжки в положениях:

«XI» коэффициент развертки определяется положением переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ.»;

«X 0,1» - коэффициент развертки умножается на 0,1;

шлиц «▼» — регулирует скорость развертки во всех положениях переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ.».

Переключатель выбора режима работы генератора развертки в положени­ях:

«ОДНОКР.» запуск развертки осуществляется одиночным сигналом. Для сле­дующего запуска необходимо подготовить схему - нажать кнопку «ГОТОВ»;

«Авт.» — обеспечивается запуск развертки независимо от наличия запускающе- А го сигнала. Синхронизация осуществляется любым сигналом с частотой не ниже 30 Гц;

«ЖДУЩ.» — запуск развертки осуществляется только при наличии синхронизирующего сигнала;

«ВХОД X» - горизонтальное отклонение луча осуществляется внешним сигна­лом, поданным на гнездо «ВХОД X», когда переключатель выбора синхрониза­ции установлен в положение «ВНЕШ.»;

кнопка «ГОТОВ» - готовит схему для запуска одиночным сигналом в положе­нии переключателя режима работы развертки «ОДНОКР.».

Загорание сигнальной лампочки указывает на возможность запуска развертки приходящим сигналом;

Гнездо, обозначенное номером (6) - гнездо выхода генератора запуска развертки.

Гнездо, обозначенное номером (7)- гнездо выхода генератора напряжения;

Органы управления калибратора амплитуды и длительности:

Гнездо, обозначенное номером (8) - гнездо выхода калибратора амплитуды и длительности;

«-; 2 kHz, ОТКЛ.» — переключатель включения калибратора амплитуды либо длительности в положениях;

«, 2 kHz» - вырабатывается выходной прямоугольный сигнал калибратора амплитуды и длительности с частотой ускорения 2 кГц;

«-» - устанавливается постоянное выходное напряжение калибратора амплиту­ды;

«ОТКЛ.» - калибратор выключен.

Определение величины напряжения и частоты измеряемых сигналов

Для измерения амплитуды напряжения в некоторых типах осциллографов канал вертикального отклонения нужно калибровать, используя эталонный сиг­нал. В этом случае около ручек регулировки усиления вертикального канала на лицевой панели осциллографа указываются значения величины напряжения со­ответствующие каждому положению ручки в В/дел (за деление принимается одна большая клетка). Величина амплитуды измеряемого сигнала определяется по формуле

(1)

где N - число делений от минимума U(t) до его максимума, q — цена деления, в.

Используя осциллограф, можно также определить частоту исследуемого сигнала. Для этого усиление по горизонтали калибруется в масштабе времени. Ручка регулировки длительности развертки градуирована в мс/дел или мкс/дел. Установив фиксированную длительность развертки к и измерив на экране рас­стояние х по горизонтали между соседними точками, находящимися в одинако­вой фазе можно определить период Т и частоту f исследуемого сигнала: Т = kх, (2)