Знакомство с осциллографом

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Теоретические положения

1. Электронно-лучевая трубка

Электронный осциллограф предназначен для изучения быстрых электрических процессов. Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис. 1). Она состоит из стеклянного баллона, из которого выкачан воздух до давления порядка Внутрь трубки впаян ряд электродов. Источником электронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Между катодом и первым анодом 4 приложено напряжение порядка . Электроны ускоряются в электрическом поле и попадают на флюоресцирующий экран 8, вызывая его свечение. Катод находится внутри цилиндра 3, являющегося управляющим электродом. В основании цилиндра 3 сделано отверстие для пропускания узкого электронного пучка. Подводя отрицательный потенциал к цилиндру, можно уменьшить количество электронов, проходящее через его отверстие, а, следовательно, и яркость пятна на экране трубки.

Второй анод 5, потенциал которого выше первого, служит для фокусирования электронного пучка. Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами металлических пластин 6 и 7. Если на любую пару пластин подать напряжение, то электронный луч отклонится от своего первоначального направления под действием электрических полей.

Пусть разность потенциалов между катодом и вторым анодом равна . Работа, совершаемая силами электрического поля по перемещению электрона между катодом с потенциалом и анодом с потенциалом , равна . Если начальная скорость электрона равна нулю, то кинетическая энергия его равна

. (1)

Из формулы (1) следует, что электронно-лучевая трубка является практически безынерционным прибором. Действительно, так как величина , а масса электрона мала , то скорость электрона очень велика. Поэтому электроны практически мгновенно достигают экрана.

Пусть под действием приложенного на пластины 7 напряжения след электронного луча смещается на величину в горизонтальном направлении а под действием , поданного на пластины 6, – на величину в вертикальном направлении.

Величины (2)

(3)

называются чувствительностями трубки к напряжению соответственно в направлениях осей и . Итак, чувствительность к напряжению показывает величину отклонения электронного луча на экране при разности потенциалов на отклоняющихся пластинах в . При заданном анодном напряжении величины и для данной электронно-лучевой трубки постоянны.

2. Генератор развертки

Пусть исследуемое переменное напряжение (рис. 2,а) выражается уравнением

(4)

где – амплитуда напряжения; – циклическая частота.

Если это напряжение подать на вертикально отклоняющие пластины, то световое пятно на экране будет совершать колебания. Вследствие световой инерции экрана и способности нашего глаза сохранять некоторое время, полученное световое восприятие, на экране будет видна неподвижная вертикальная линия (рис. 2, ).

Пусть одновременно напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах 7 возрастет во времени по линейному закону (рис. 2, б):

. (5)

Тогда под действием этого напряжения пятно на экране осциллографа будет равномерно перемещаться по горизонтали (рис. 2, ).

Результирующая траектория луча (синусоида) представляет собой зависимость исследуемого напряжения от времени (рис. 2, ). Если по истечении времени, равного периоду исследуемого колебания, напряжение на горизонтально отклоняющихся пластинах скачком падает до нуля, то световое пятно скачком возвращается в исходное положение. Если снова возрастает по тому же закону, то на экране трубки вновь воспроизводится синусоида. Таким образом, для получения развертки исследуемого напряжения во времени на горизонтально отклоняющие пластины необходимо подать «пилообразное» напряжение (рис. 2, г), причем периоды пилообразного и исследуемого напряжения должны совпадать. Если период развертывающего пилообразного напряжения кратен периоду исследуемого сигнала, то на экране получится изображение нескольких полных колебаний. При неравенстве и не кратности периодов кривая на экране будет двигаться. Источником пилообразного напряжения является релаксационный генератор, называемый генератором развертки. Частоту генератора пилообразного напряжения в осциллографах можно изменять в широких пределах.

Вместо пилообразного напряжения на вход можно подать напряжение от внешнего источника (через усилитель или непосредственно), тогда на экране могут наблюдаться фигуры Лиссажу или другие линии, получающиеся при сложении взаимно перпендикулярных колебаний.

Современные осциллографы позволяют исследовать кратковременные процессы длительностью порядка секунд.

3. Блок-схема осциллографа

На рис. 3 приведена блок-схема осциллографа. Основными узлами осциллографа являются электронно-лучевая трубка ЭЛТ, блок питания, усилитель напряжения , усилитель напряжения , генератор пилообразного напряжения и синхронизирующее устройство. Регулировка яркости электронного луча и его фокусировка осуществляются при помощи делителя напряжения, состоящего из сопротивлений , и , к которым подводится высокое постоянное напряжение от блока питания. Исследуемое напряжение подается непосредственно либо через усилитель на вертикально отклоняющие пластины . На вторую пару пластин подается напряжение от генератора развертки.

В данной работе используется двухканальный осциллограф с максимальной чувствительностью – и минимальной длительностью развертки – . При включении растяжки длительность – . В осциллографе используется электроннолучевая трубка большой яркости с излучающим катодом, 6 – дюймовым прямоугольным экраном и внутренней сеткой.

Электроннолучевая трубка имеет качественную систему фокусировки, обеспечивает четкое легко читаемое изображение даже при высоких скоростях развертки. Каналы и обеспечивают работу осциллографа в режиме : канал обеспечивает горизонтальное отклонение луча ; канал обеспечивает вертикальное отклонение .

В качестве генератора развертки используется генератор сигналов функциональный ГЗЧМ (рис.4) с диапазоном частот ; выходными сигналами: гармоническим – синусоидальным, пилообразным, прямоугольным; выходным напряжением ; выходным током .

На лицевой панели осциллографа (рис.5) расположены органы управления с соответствующими надписями, которые приведены в таблице 1.

Лицевая панель осциллографа

Таблица 1

п/п	Обозначение	№	Назначение
	Кнопка POWER   Светодиодный индикатор   Регулятор INTEN   Регулятор FOCUS   Вход CH1(Х)     Вход CH2(Y)     Переключатели VOLTS/DIV     Переключатель SOURCE   Вход EXT TRIG IN     Кнопка SLOPE   Регулятор LEVEL   Положение LOSK регулятора LEVEL     Регулятор ◄►POSITION   Регулятор ▲▼ POSITION   Кнопка x10 MAC     Переключатель TIME/DIV	7;22                   11, 19	Включение/выключение питания осциллографа. Сигнализирует свечение о включенном питании осциллографа. Регулировка яркости точки или линии. Регулировка фокусировки изображения. Входной разъем канала вертикального отклонения CH1. Для режима X-Y, входной разъем для оси Х Входной разъем канала вертикального отклонения CH2. Для режима X-Y, входной разъем для оси Y Для выбора коэффициента вертикального отклонения, от до Для выбора одного из внутренних источников сигнала синхронизации или внешнего сигнала поданного на разъем EXT TRIG IN. Входной разъем для подключения сигнала внешнего запуска. Для использования этого сигнала установить переключатель SOURCE (23) в положение EXT. Для выбора полярности запускающего сигнала. Предназначен для получения стабильности изображения формы сигнала. Устанавливает точку начала запуска развертки относительно осциллограммы сигнала. В направлении уровень запуска перемещается вверх по осциллограмме. В направлении "–" уровень запуска перемещается вниз по осциллограмме. При повороте ручки (28) в крайнее положение по часовой стрелке до щелчка прибор автоматически будет поддерживать уровень синхронизации, не требуя ручной регулировки уровня синхронизации. Для горизонтального перемещения осциллограммы и точки. Для вертикального перемещения осциллограммы и точки. При нажатии этой кнопки происходит растяжка изображения сигнала в 10 раз. Для выбора коэффициента горизонтальной развертки от до ; в положении переключателя X-Y прибор работает в режиме X-Y.

Назначение остальных переключателей на панелях осциллографа и генератора приведены в руководстве по эксплуатации осциллографа (раздел 4, с. 15-19).

Лабораторная работа состоит из двух заданий. Первое задание - задание по компьютерному моделированию в MULTISIM. Второе – знакомство с осциллографом, изучение его работы.

Рекомендации:

Для выполнения первого задания взять с собой электронный носитель.

ЗАДАНИЕ 1 Применение осциллографа для анализа цепей переменного напряжения в программе MULTISIM