Осциллограф предназначен для исследования быстропеременных периодических и импульсных процессов. Например, с помощью осциллографа можно измерять силу тока и напряжение, изучать зависимость силы тока и напряжения от времени, измерять сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, при применении соответствующих преобразователей сигналов, осциллограф позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т. д.
Достоинством электронного осциллографа является высокая чувствительность и быстродействие, что позволяет исследовать процессы, длительность которых не превышает 10-7 с.
Цель работы: ознакомление с устройством и работой электронного осциллографа и некоторыми его применениями.
1. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ
1.1. Устройство и принцип работы осциллографа
Работа схемы электронного осциллографа изложена ниже на примере простейшего осциллографа типа С1-1.
Электронно-лучевая трубка внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы. Внутри колбы создан высокий вакуум. В колбе (рис. 1) помещается подогреватель 1, катод 2, управляющий электрод 3, первый анод (фокусирующий) 4, второй анод (ускоряющий) 5, горизонтально отклоняющие пластины (ПX) 6, вертикально отклоняющие пластины (ПY) 7, экран 8, покрытый флюоресцирующим веществом. Подогреватель, катод, управляющий электрод и оба анода образуют электронную пушку. Назначение электронной пушки – получить сфокусированный поток электронов (электронный луч). Электронная пушка получает питание от высоковольтного выпрямителя, обеспечивающего разность потенциалов между катодом и вторым анодом 1-5 кВ. Это напряжение подается на ряд последовательно соединенных резисторов (потенциометров) R1, R2, R3, R4.
Таким образом, обеспечивается возможность регулирования потенциалов отдельных частей пушки. Например, подавая на управляющий электрод отрицательный по отношению к катоду потенциал, можно регулировать число электронов, выходящих из электронной пушки (сравните с действием сетки в трехэлектродной лампе), и, следовательно, яркость свечения экрана. Поэтому ручка, соответствующая движку потенциометра R1, выведена на переднюю панель, обозначена “Яркость” или “☼”. Кроме того, совместно с первым анодом управляющий электрод образует электростатическую линзу, собирающую электроны в пучок. Пучок, проходя внутри первого анода, сжимается, а затем окончательно фокусируется второй электростатической линзой. Изменением потенциала первого анода осуществляется фокусировка. Ручка потенциометра R3 выведена на переднюю панель и обозначена “Фокус” или “ хО”. Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин и, попадая на флюоресцирующий экран, вызывает его свечение. В отсутствие разности потенциалов между отклоняющими пластинами луч падает в центр экрана. При приложении между пластинами разности потенциалов между ними образуется электрическое поле, которое, действуя на пролетающие в нем электроны, отклоняет их от первоначального направления в сторону пластины с большим потенциалом. Отклонение луча зависит от величины и знака разности потенциалов, приложенной к пластинам. Как показывают расчеты, смещение луча на экране пропорционально разности потенциалов между пластинами, т.е.
X=aX×UX, (1)
Y=aY×UY, (2)
где X, Y – смещения луча в горизонтальном и вертикальном направлении; UX, UY – разности потенциалов между горизонтальными и вертикальными отклоняющими пластинами. Коэффициенты пропорциональности aX и aY называются чувствительностями трубки к напряжению соответственно в направлениях осей X и Y. Чувствительность к напряжению определяет смещение электронного луча на экране при разности потенциалов на пластинах 1 В.
При одновременном действии полей между обеими парами пластин луч сместится и в горизонтальном и в вертикальном направлении и окажется в точке с координатами X и Y, определяемыми формулами (1) и (2).
Обычно исследуемое напряжение подводится к пластинам ПY, тогда как на пластины ПX подается напряжение, управляющее движением электронного пучка (например, пилообразное напряжение). Для перемещения изображения сигнала по экрану управляющие пластины соединены с потенциометрами R5 и R6 (рис. 1), которые, в свою очередь, присоединены к источнику постоянного напряжения. Середина каждого из потенциометров R5 и R6 заземлена. Если ручка потенциометра R5 стоит на середине, то между пластинами 7 разность потенциалов равна нулю, так как противоположная пластина всегда заземлена. При повороте ручки потенциометра R5 от среднего значения потенциал пластины ПX будет изменяться, что приведет к перемещению луча на экране по горизонтали. Ручка потенциометра R5 выведена на переднюю панель и обозначена “↔”. Аналогично работает потенциометр R6. Его ручка обозначена “↕”.
Для того, чтобы подавать исследуемое напряжение на пластины, на задней или передней стенке осциллографа имеются специальные гнезда: вход Y, вход X. На некоторых осциллографах имеется возможность исследовать одновременно два напряжения, поэтому на таких приборах имеется два гнезда Y1, Y2. С входной клеммы Y напряжение UY подается на делитель напряжения, состоящий из резисторов R7, R8, R9 (рис. 2). Эти резисторы подобраны таким образом, что при постановке переключателя S1 в положения 1, 2, 3 на потенциометр R10 подаются соответственно напряжения UY, UY/10, UY/100. Переключатель S1 имеет на передней панели ручку, обозначенную “Ослабление” или “V|DIV” или “ВОЛЬТ/ДЕЛ”.
Перемещая движок потенциометра R10, можно плавно изменять напряжение, подаваемое на усилитель, а следовательно, и на пластину ПY. Ручка потенциометра R10 на передней панели осциллографа обозначена “Усиление” или “Плавно”. Аналогичные потенциометры и усилитель стоят перед пластиной ПX.
Рис. 2 – Делитель напряжения
В то время, когда на канал Y подается исследуемое напряжение, на канал X, внутри осциллографа, подается напряжение с генератора развертки. Генератор непрерывной развертки или генератор пилообразного напряжения вырабатывает импульсы напряжения пилообразной формы. График этого напряжения показан на рис. 3а. Напряжение в течение промежутка T линейно увеличивается, а затем почти мгновенно падает до первоначального значения. Подадим такое напряжение на пластину ПX (на канале Y при этом исследуемого напряжения нет) и проследим за движением луча на экране. Поскольку напряжение UX пропорционально времени в течение промежутка T, смещение X (формула 1) тоже пропорционально времени, то есть луч движется по экрану равномерно слева направо (прямой ход). Когда напряжение быстро падает до начального, луч быстро возвращается в исходную точку (обратный ход) и снова начинает равномерное движение вправо.
Рис. 3 – Напряжение пилообразной формы (а), движение луча (б)
С помощью переключателя “Диапазон частот” (или “ВРЕМЯ/ДЕЛ”, или “TIME|DIV”) и ручки “Частота плавно” можно менять частоту (период) пилообразного напряжения. При частотах до 10 Гц заметно перемещение луча на экране, при больших частотах след сливается в сплошную линию.
Одновременно с напряжением развертки, поданным на пластину ПX, на вход Y подается периодически изменяющееся напряжение с периодом T, равным периоду развертки. При этом луч будет участвовать в двух взаимно перпендикулярных движениях и вычерчивать на экране траекторию этого движения. Пусть для простоты UY меняется синусоидально, т.е.
. (3)
Тогда луч будет колебаться в вертикальном направлении и при этом равномерно перемещаться в горизонтальном направлении слева направо. Очевидно, траектория луча будет представлять собой синусоиду (рис. 3б). Через период T луч быстро вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать на экране синусоиду. Если, как указывалось, периоды развертки и исследуемого напряжения (в нашем случае синусоидального) равны, то следующая синусоида точно ляжет на первую, и мы увидим на экране неподвижную светящуюся линию. На рис. 3б нанесены стрелки, показывающие направление движения луча.
Удобно проводить предыдущие рассуждения, используя рис. 4а. На рисунке изображен график UY(t), на него наложен график пилообразного напряжения, который делит ось времени на промежутки (Dt)1=(Dt)2=(Dt)3=Tразв, в течение которых происходит полная развертка.
Луч на экране при каждой развертке вычерчивает ту часть синусоиды, в течение которой происходит развертка. При равенстве периодов Tиссл=Tразв кривые I, II, III одинаковы и при наложении друг на друга совпадают.
Если уменьшить частоту развертки ровно вдвое (т.е. увеличить период развертки вдвое), то за увеличенное время развертки луч успеет совершить два полных колебания в вертикальном направлении, и на экране мы увидим картину, изображенную на рис. 4б справа.
Если UY изменяется по другому закону, но является периодической функцией от времени, на экране мы увидим график этого напряжения, что и используется при исследовании различных процессов. Если период развертки TX не является целым кратным периода TY изучаемого напряжения, то электронный луч будет начинать движение слева направо каждый раз в различных фазах, и получаемая на экране картина будет представлять наложение нескольких смещенных траекторий. Разобраться в такой картине практически невозможно, и приходится менять период развертки ручкой "Частота плавно" или до тех пор, пока он не станет согласованным с периодом изучаемого напряжения (TX=n×TY). Исследовать можно и одиночные импульсы, но при этом применяется несколько более сложная техника (ждущая развертка фотографирования).
Итак, устойчивая картина на экране осциллографа наблюдается при совпадении частоты исследуемого напряжения и частоты развертки или в более общем случае, когда периоды Tразв и Tиссл кратны друг другу: Tразв=n×Tиссл, n – целое число.
Допустим, что удалось с помощью ручки “Частота плавно” подобрать частоту развертки, кратную частоте исследуемого напряжения. Но вследствие нестабильности частоты генератора развертки через некоторое время период развертки уже не будет в точности равняться целому числу периодов исследуемого напряжения, и изображения на экране не будут накладываться друг на друга. При этом картина будет перемещаться по экрану, что затрудняет наблюдение. Для получения устойчивого изображения важно, чтобы начало развертки всегда совпадало с одной и той же фазой исследуемого сигнала, т.е. чтобы развертка начиналась одновременно с прохождением исследуемого напряжения, например, через нулевое значение. Тогда начальные точки графика будут накладываться друг на друга. В силу периодичности сигнала совпадут и все остальные точки изображения. В этом случае говорят, что развертка синхронизирована с исследуемым сигналом. Синхронизация осуществляется вращением ручки “Уровень” или "LEVEL". Ею следует пользоваться, когда частота развертки в основном подобрана и скорость перемещения изображения на экране невелика.
Глубина синхронизации (напряжение, подаваемое на сетку лампы генератора развертки) регулируется ручкой “Амплитуда синхронизации” и устанавливается минимально необходимой для устойчивого изображения. При слишком больших амплитудах заметны искажения в конце развертки.
Положение светового пятна на экране зависит от пары напряжений, приложенных к горизонтально – (X) и вертикально – (Y) отклоняющим пластинам. Если на Y-пластины подать переменное, например, синусоидальное, напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При достаточно большой частоте колебаний (20-50 Гц) электронный луч оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию (рис. 5а). Аналогично, напряжение, поданное на горизонтально отклоняющие пластины – X, даст горизонтальную линию. При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин можно получить различные осциллограммы (режим X-Y). Например, подавая на пластины Х и Y два синусоидальных сигнала с определенными соотношениями частот, амплитуд и фаз, можно наблюдать кривые, изображенные на рис. 5б, 6– кривые Лиссажу. По этим кривым можно определить соотношение частот и фаз двух сигналов. Таким же образом можно снимать вольтамперные характеристики каких-либо электронных устройств.
Рис. 5 – Принцип образования осциллограммы
Рис. 6 – Фигуры Лиссажу для двух гармонических сигналов с различными соотношениями часто и фаз
1.2. ОСЦИЛЛОГРАФ ОСУ-10А
На современных осциллографах отклонение электронного луча производится не электрическим, а магнитным полем, создаваемым специальными катушками.
Учебная лаборатория кафедры «физики и общетехнических дисциплин» ЮГУ оснащена осциллографами ОСУ-10А.
Электрическая структурная схема прибора ОСУ-10А, поясняющая принцип его работы, представлена на рис. 7. Блок-схема содержит следующие части:
- тракт вертикального отклонения (ТВО), обеспечивающий усиление и масштабирование исследуемых сигналов в соответствии с выбранным коэффициентом отклонения и чувствительностью вертикальной отклоняющей системы электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Кроме того, в ТВО формируются (усиливаются до определенной величины) сигналы внутренней синхронизации.
- тракт горизонтального отклонения (ТГО), обеспечивающий усиление и формирование сигналов горизонтального отклонения луча на экране ЭЛТ, в соответствии с выбранным масштабом (коэффициентом развертки в режиме «Y-T» или коэффициентом отклонения по горизонтали в режиме «X-Y») и чувствительностью горизонтальной системы отклонения ЭЛТ. Кроме того, в ТГО осуществляется формирование сигналов синхронизации развертки из внешнего или внутреннего входных сигналов запуска, предварительное усиление этих сигналов для отклонения луча по горизонтали в режиме «X-Y»;
- источники питания, осуществляющие преобразование переменного напряжения сети в ряд стабилизированных постоянных напряжений, необходимых для работы схемы прибора.
Исследуемый сигнал, поступающий в ТВО по входному каналу Y, сначала масштабируется во входном делителе канала. Делители предназначены для ослабления входного сигнала, обеспечивая чувствительность прибора от 10 мВ/дел до 5 В/дел с шагом 1-2-5 в зависимости от устанавливаемого переключателем «ВОЛЬТ/ДЕЛ» коэффициента отклонения.
С выхода делителя 1 (рис. 7) сигнал поступает на усилитель 2 ТВО, в котором осуществляется предварительное усиление с коэффициентом усиления, подстраиваемом под конкретную чувствительность ЭЛТ.
Исследуемые сигналы через переключатель «ВНУТР/СЕТЬ/ВНЕШН», выбирающий источник синхронизации, поступают на синхронизатор 5. Туда же поступает сигнал внешней синхронизации. Линия задержки 3 задерживает сигнал на некоторое время, необходимое для запуска генератора горизонтальной развертки схемой синхронизации – это позволяет наблюдать передний фронт сигнала. Далее сигнал через усилитель 4 поступает на отклоняющие пластины канала Y.
В синхронизаторе формируется нормированный по амплитуде и временным параметрам импульс синхронизации, регулируется уровень запуска с помощью ручки «УРОВЕНЬ», переключается полярность сигнала запуска.
При внутренней синхронизации исследуемый сигнал поступает на вход Y и уже внутри осциллографа разделяется и идет как на вертикально отклоняющие пластины, так и в блок синхронизации. Таким образом, исследуемый сигнал сам управляет разверткой осциллографа (рис. 7).
При внешней синхронизации сигнал с входа Y идет только на пластины вертикального отклонения, а в блок синхронизации сигнал от внешнего устройства подается с входа X. Использовать внешнюю синхронизацию целесообразно в случае, если исследуемый сигнал недостаточен по амплитуде или непригоден по форме для синхронизации (например, содержит шумы). Например, при работе с сигналами, изменяющимися по форме, сложно получить неподвижное изображение при внутренней синхронизации. Тогда на вход X подается сигнал внешней синхронизации (например, запускающие импульсы исследуемого сигнала) для согласования частоты повторения развертки с частотой исследуемого сигнала. Так как его частота точно равна частоте наблюдаемого сигнала, то картина должна стать неподвижной. Внешняя синхронизация также обычно применяется при изучении импульсных устройств, например, ЭВМ, все цепи которых работают синхронно от одного тактового генератора.
Синхронизация от сети обычно используется для проверки узлов приборов, связанных с преобразованием питающего напряжения от силовой сети (трансформаторов, выпрямителей, стабилизаторов и т.д.). В этом режиме в блок синхронизации подается сигнал с частотой промышленной сети 50 Гц от понижающего трансформатора внутри осциллографа.
В режиме «X-Y» синхронизатор выполняет роль предварительного усилителя сигналов горизонтального отклонения.
Тракт горизонтального отклонения (канал X) обеспечивает формирование напряжения развертки для управления перемещением луча по горизонтали. Генератор развертки 6 – основной узел канала X. Он формирует пилообразное напряжение. Генератор может работать в автоколебательном или ждущем режимах.
В автоколебательном режиме генератор непрерывно вырабатывает пилообразное напряжение (рис. 3). Этот режим используется для наблюдения гармонических, а также периодических импульсных сигналов с небольшой скважностью (т.е. когда импульс занимает значительную часть периода).
В ждущем режиме генератор вырабатывает однократную «пилу» только когда приходит сигнал запуска (сигнал синхронизации). Запуск следующей осуществляется следующим импульсом синхронизации, но только после того, как закончилась предыдущая «пила». Этот режим целесообразно использовать для наблюдения непериодических сигналов или сигналов с очень большим периодом.
Импульсы пилообразного напряжения через соответствующие коммутаторы поступают на выходной усилитель 7 канала Х, откуда, усиленные до величины, определяемой чувствительностью горизонтальной системы отклонения, поступают на горизонтальные пластины ЭЛТ.
Скорость изменения пилообразного напряжения определяют коэффициенты развертки от 0,1 мкс/деление до 0,1 с/деление при отображении сигналов в реальном времени. Она устанавливается с шагом 1- 2- 5 переключателем «ВРЕМЯ/ДЕЛ».
Назначение органов управления, настройки и подключения приведено в таблице 1.
Назначение переключателя «АВТО/ЖДУЩ/ТВ». Выбор автоматического режима работы развертки осуществляется установкой переключателя в положение «АВТО» (автоматический).
Таблица 1
Назначение органов управления осциллографа ОСУ-10А
Органы управления, настройки и подключения
Назначение
Исходное положение
Кнопка «СЕТЬ»
Включение прибора
Не нажата
Ручка «ЯРКОСТЬ»
Регулировка яркости луча
Среднее
Ручка «ФОКУС»
Регулировка фокусировки луча
Среднее
Ручка «↕»
Смещение луча на экране по вертикали
Среднее
Ручка «↔»
Смещение луча на экране по горизонтали
Среднее
Ручка «УРОВЕНЬ»
Регулировка уровня синхронизации развертки
Среднее
Переключатель «ВОЛЬТ/ДЕЛ»
Установка коэффициентов отклонения канала Y
«.1» и «V»
Переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ»
Установка коэффициентов развертки (канал X)
«.5» и «ms»
Гнездо →ВХОД Y
Вход канала Y
-
Продолжение таблицы 1
Назначение органов управления осциллографа ОСУ-10А
Органы управления, настройки и подключения
Назначение
Исходное положение
Гнездо → ВХОД X
Вход канала X
-
Ручки «ПЛАВНО»
Плавное изменение коэффициентов отклонения каналов с перекрытием не менее чем в 2,5 раза в каждом положении переключателей «ВОЛЬТ/ДЕЛ» и «ВРЕМЯ/ДЕЛ»
Крайнее левое
Переключатель « »
Переключатель режима работы входов усилителя: Переменный сигнал / усилитель заземлен /постоянный сигнал
«~»
Переключатель «ВНУТР/СЕТЬ/
ВНЕШН»
Развёртка синхронизируется внутренним сигналом (ВНУТР), от сети питания (СЕТЬ) или внешним сигналом (ВНЕШН)
«ВНУТР»
«АВТО/ЖДУЩ/ТВ»
АВТО - если нет сигнала синхронизации или он меньше 25 Гц, развертка переходит в автоколебательный режим; ЖДУЩ - развертка запускается только при наличии входного сигнала; ТВ - синхронизация телевизионным строчным сигналом
«АВТО»
«+\ – \ X»
Развёртка синхронизируется положительным фронтом сигнала (+), отрицательным фронтом сигнала (–) или осциллограф работает в режиме X-Y (X).
«+»
Генератор развертки работает в автоколебательном режиме без сигнала синхронизации. Как только появится сигнал синхронизации, генератор развертки будет работать синхронно с входным сигналом. Режим «АВТО» удобно использовать при включении прибора для наблюдения луча и входного сигнала и последующего включения других режимов работы прибора. При установке органов управления в необходимые положения можно вернуться в режим «НОРМ». Режим «АВТО» должен использоваться при исследовании постоянных напряжений и сигналов с малыми амплитудами, когда нет синхронизации развертки.
Режим работы «ЖДУЩ» (ждущий). Генератор развертки не будет запускаться до тех пор пока не будет установлен необходимый уровень запуска развертки ручкой «УРОВЕНЬ». генератор развертки формирует только один ход луча и в дальнейшем активируется только при поступлении другого сигнала синхронизации. В режиме NORM на экране не будет отображения луча, до тех пор, пока не будет синхронизации.
Перевод переключателя «АВТО/ЖДУЩ/ТВ» в положение «ТВ» позволяет выделять строчные синхроимпульсы из видеосигнала.
1.3. Указания мер безопасности при работе с осциллографом
К работе с прибором допускаются лица, ознакомившиеся с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации прибора, а также прошедшие инструктаж по технике безопасности.
ВНИМАНИЕ! В приборе имеются напряжения, опасные для жизни.
1. Старайтесь не подвергать себя воздействию высокого напряжения – это опасно для жизни. Не касайтесь высоковольтных конденсаторов сразу, после выключения прибора.
2. Постарайтесь использовать только одну руку (правую), при регулировке цепей, находящихся под напряжением. Избегайте небрежного контакта с любыми частями оборудования, потому что эти касания могут привести к поражению высоким напряжением.
3. При использовании кабелей, пробника касайтесь только их изолированных частей.
4. Необходимо избегать контакта с участками цепей, где высокое напряжение. Электрические цепи могут находиться под напряжением даже после выключения оборудования.
5. Металлические части оборудования с двухпроводными шнурами питания не имеют заземления. Это не только представляет опасность поражения электрическим током, но также может вызвать повреждение оборудования.
6. Никогда не работайте один или без преподавателя (инженера). Необходимо, чтобы в пределах досягаемости находился персонал, который сможет оказать первую помощь.
1.4. Проведение измерений
ВНИМАНИЕ! Никогда не оставлять статичную точку с высокой яркостью неподвижной на экране в течение больше чем нескольких секунд. В этом месте люминофор экрана может быть поврежден.
Красный вывод кабеля осциллографа следует подсоединять к красной клемме генератора ГЗЧМ, а черный вывод к синей клемме «┴».
Проверка работоспособности осциллографа:
1. Установить в исходное положение органы управления осциллографа согласно таблице 1. Подключить двухпроводный кабель к генератору («генератор звуковой частоты / метроном», ГЗЧМ).
2. Включить питание осциллографа и дать прогреться в течение 5 минут.
3. Проверка яркости свечения луча.
Установить переключатель «+\ – \ X» в положение X. На экране появится точка. Вращение ручки «ЯРКОСТЬ» по часовой стрелке должно приводить к увеличению яркости, против – к уменьшению.
4. Проверка фокуса.
Вращением ручки «ФОКУС» установить минимальный размер точки на экране.
5. Проверка возможности перемещения луча.
Вращение ручек «↔» и «↕» приводит к перемещению луча влево-вправо и вверх-вниз.
6. Проверка функционирования возможности регулировки канала вертикального отклонения:
- установить переключатель «+\ – \ X» в положение «+»;
- отсоединить генератор от осциллографа, подать сигнал от встроенного в осциллограф калибратора (генератор электрических колебаний прямоугольной формы с размахом 0,5 В и частотой 1 кГц или периодом 1 мс, вывод калибратора на передней панели осциллографа) на вход Y осциллографа (произвести соприкосновение красного вывода кабеля с выводом калибратора);
- вращение ручек «ВОЛЬТ/ДЕЛ» должно приводить к изменению амплитуды сигнала.
7. Проверка функционирования возможности регулировки канала горизонтального отклонения.
Вращение ручек «ВРЕМЯ/ДЕЛ» должно приводить к изменению скорости развертки.
8. Проверка работы режимов развертки:
- присоединить посредством кабеля генератор электрических колебаний к осциллографу.
- установить переключатель «АВТО/ЖДУЩ/ТВ» в положение «АВТО», появится линия развертки;
- установить переключатель «АВТО/ЖДУЩ/ТВ» в положение «ЖДУЩ» линия развертки исчезнет;
- подать сигнал от генератора звуковой частоты на вход Y осциллографа (кнопка включения генератора на его задней панели), при вращении ручки «УРОВЕНЬ» появится линия развертки;
- вернуть переключатель «АВТО/ЖДУЩ/ТВ» в исходное положение.
9. В режиме отображения сигналов реального времени может реализовываться режим X-Y (режим наблюдения фигур Лиссажу). Для его включения:
- перевести переключатель «+\–\X» в положение «X». Входы распределятся следующим образом:
X-ось (горизонтальная) - вход внешней синхронизации;
Y-ось (вертикальная) - вход Y осциллографа.
- ручками положения луча по горизонтали и вертикали установить изображение в необходимую часть экрана.
- переключателем «ВОЛЬТ/ДЕЛ» установить необходимый размер изображения по оси Y. Размер изображения по оси X в этом режиме регулировать не возможно, коэффициент отклонения при этом составляет kX=0,5 В/дел.
Измерение временных параметров сигнала производится следующим образом:
- переключателями «ВРЕМЯ/ДЕЛ» выбрать коэффициент развертки kX так, чтобы изображение измеряемого временного интервала имело максимальный размер в пределах экрана ЭЛТ.
- определить длину измеряемого участка X по шкале ЭЛТ (в больших делениях, учитывая доли делений).
- рассчитать величину измеряемого временного интервала, умножив длину измеренного участка на значение установленного коэффициента развертки
t=X×kX. (4)
Измерение амплитудных параметров сигнала проводится следующим образом:
- переключателем «ВОЛЬТ/ДЕЛ» установить коэффициент отклонения kY таким, чтобы изображение измеряемого участка сигнала имело максимальный размер в пределах рабочей части экрана ЭЛТ.
- определить длину измеряемого участка Y по шкале ЭЛТ;
- рассчитать амплитуду измеряемого участка сигнала, умножив длину измеренного участка (в больших делениях, учитывая доли делений) на значение установленного коэффициента отклонения
U=Y×kY. (5)
В исходном состоянии осциллограф не откалиброван и с помощью него не возможно точно определять амплитудные и временные характеристики колебаний. У осциллографа имеется встроенный калибратор, генерирующий электрические колебания прямоугольной формы (рис. 8) с размахом 0,5 В и частотой 1 кГц или периодом 1 мс (погрешность 2%). Вывод калибратора на передней панели осциллографа.
Рис. 8 – Прямоугольный сигнал калибратора
Калибровка осциллографа:
- установить органы управления осциллографом в исходное положение (таблица 1);
- подсоединить вывод калибратора к каналу Y осциллографа;
- ручками «ПЛАВНО» «↔» и «↕» совместить изображение сигнала с линиями шкалы, так чтобы считываемые значения амплитуды и периода со шкалы осциллографа соответствовали значениям, генерируемым калибратором (размах 0,5 В, период 1 мс). После калибровки ручки «ПЛАВНО» в дальнейшем трогать не рекомендуется во избежание проведения новой калибровки.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Во время выполнения лабораторной работы требуется ознакомиться с основными настройками осциллографа, проверить работоспособность всех органов управления, откалибровать его и провести измерения амплитудных и временных характеристик гармонического сигнала, подаваемого на вход Y осциллографа с генератора звуковой частоты.
В работе в качестве источника входного сигнала используется «генератор звуковой частоты / метроном» (ГЗЧМ). Основные технические характеристики генератора таковы:
Погрешность частоты на табло генератора составляет ±10%.
Осциллограф типа ОСУ-10А поставляется с кабелем для подключения к электрической сети и с двумя кабелями для подключения исследуемых сигналов к каналам X и Y. Погрешность осциллографического способа измерения для ОСУ-10А составляет 3% согласно паспортным данным.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1. Ознакомиться с устройством, принципом работы осциллографа, мерами безопасности при работе и с осциллографическим способом измерений (п.п. 1-2).
3.2. Получить принадлежности у преподавателя. Приборы и принадлежности: осциллограф, генератор звуковой частоты ГЗЧМ, соединительный кабель.
3.3. Подготовить генератор ГЗЧМ к работе. Для этого необходимо: переключатель диапазона частот установить в положение менее 100 Гц; ручку плавной регулировки частоты установить в среднее положение; ручку выбора формы сигнала установить в положение, обеспечивающее режим гармонического сигнала; ручку «АМПЛИТУДА» в положение 1-2 В.
3.4. Подготовить осциллограф к работе. Для этого следует установить его органы управления, настройки и подключения согласно таблице 1
3.7. Подать сигнал с генератора ГЗЧМ на вход Y осциллографа.
3.8. Переключателями «ВОЛЬТ/ДЕЛ», «ВРЕМЯ/ДЕЛ» получить изображение сигнала (1-2 периода). В случае нестабильного сигнала стабилизировать ручкой «УРОВЕНЬ».
1.3.9. Определить значение коэффициента отклонения kY с переключателя «ВОЛЬТ/ДЕЛ» и значение коэффициента развертки kX с переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ». Записать коэффициенты в таблицу 2.
Таблица 2
Осциллографический метод измерений
kY, В/дел
kX, мс/дел
Y, дел
U, В
X, дел
T, мс
νген= … Гц n=…Гц
3.10. Определить амплитуду изучаемого сигнала Y и период колебаний X с экрана осциллографа в больших делениях. Записать результат в таблицу 2.
3.11. Определить частоту νген изучаемого сигнала с генератора ГЗЧМ. Записать результат в таблицу 2.
3.12. Зарисовать изображение сигнала с осциллографа на миллиметровую бумагу в масштабе.
3.13. Рассчитать амплитуду сигнала и период колебаний, соответственно U в вольтах и T в секундах
U= Y×kY, (6)
T=X×kX..
Записать результат в таблицу 2.
3.14. Рассчитать частоту ν по формуле
n=1/T. (7)
Сравнить результат измерения частот n и nген. Сделать соответствующие выводы.
3.15. Показать результаты измерения преподавателю.
3.16. Переключатель диапазона частот генератора установить в положение более 100 кГц. Ручку «АМПЛИТУДА» генератора в положение более 5 В.
3.17. Повторить п. 3.8-3.15. и заполнить таблицу 3 для установленной частоты.
Таблица 3
Осциллографический метод измерений
kY, В/дел
kX, мкс/дел
Y, дел
U, В
X, дел
T, мкс
νген= … кГц n=…кГц
3.18. Показать результаты измерений преподавателю.
3.19. Выключить приборы.
3.20. Сдать принадлежности преподавателю.
3.21. Сформулировать выводы. Оформить отчет по лабораторной работе.
4. Контрольные вопросы
4.1. Устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки.
4.2. Основные блоки электронного осциллографа и их назначение.
4.3. Принцип работы делителя напряжения.
4.4. Как формируется изображение исследуемого сигнала на экране осциллографа?
4.5. В чем заключается проблема синхронизации? Как осуществляется синхронизация в осциллографе?
4.6. Принцип образования осциллограммы в режиме фигур Лиссажу.
4.7. Как проводится измерение временных параметров исследуемого сигнала.
4.8. Как проводится измерение амплитудных параметров исследуемого сигнала.
4.9. Как проводиться калибровка осциллографа?
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: учеб. пособие для втузов.– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1999.– 718 с.: ил.
5.2. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. Пособие: в 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. –М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. –496 с.: ил.
5.3. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов.– 5-е изд., стер.– М.: Высш. шк., 1998.– 542 с.: ил.
5.4. Лабораторные занятия по физике: учебное пособие/ Гольдин Л.Л. и др.; под ред. Гольдина Л.Л.–М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.–704 с.
5.5. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов/ Н.Н. Евтихеев и др.; под общ. ред. Н.Н. Евтихеева.–М.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.: ил.
5.6. ГОСТ 8.417-2002 Единицы физических величин.
5.7. ГОСТ 8.207-76 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов измерений. Основные положения.
5.8. ГОСТ 2.105-95 Общие требования к текстовым документам.
5.9. Лабораторный практикум по электрическим и магнитным явлениям: учебное пособие для студентов всех специальностей всех форм обучения /Орлов В.Л. и др., под ред. Хаустовой В.И.; Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005.–174 с.
5.10. Зеленский В.И. Руководство к лабораторным работам по физике.–Ханты-Мансийск. –2004.–30 с.
5.11. Вводный практикум / Под ред проф. А.Д. Афанасьева.–Иркутск: Иркутский ун-т, 2004.–63 с.
. (3)
»
