Цель работы: научиться с помощью осциллографа получать изображение сигналов и определять их параметры.
Приборы и принадлежности: электронный осциллограф С1-5, генератор импульсов специальной формы.
Теоретическая часть
Современный электронный осциллограф — это универсальный измерительный прибор, предназначенный для исследования периодически изменяющихся во времени электрических напряжений. Также с его помощью можно изучать и измерять неэлектрические величины, если изменения этих величин преобразовать с помощью соответствующих датчиков в изменения электрического напряжения. Осциллограф позволяет наблюдать на экране график зависимости подаваемого напряжения от времени (форму сигнала) и результат сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний напряжения (фигуры Лиссажу). С его помощью можно измерять амплитуду, период, длительность исследуемого напряжения, разность фаз между двумя подаваемыми сигналами, а также рассчитывать их частоты.
Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) (рис. 1). ЭЛТ - вакуумный прибор, в котором расположены: электронная пушка (К - катод, М - модулятор), создающая узкий пучок электронов - электронный луч; аноды А1 и А2, предназначенные для ускорения и фокусировки электронного пучка; отклоняющая система, состоящая из двух взаимно перпендикулярных пар параллельных пластин, необходимая для отклонения луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях; флуоресцентный экран, на котором возникает свечение люминофора в тех местах, куда попадает электронный луч.
ЭЛТ имеет нагреваемый катод К, служащий источником электронов, который окружен цилиндром М (модулятор), в основании которого сделано отверстие для пропускания пучка электронов. Модулятор имеет небольшой отрицательный потенциал относительно катода. Изменяя это напряжение (резистор R1 на рис. 1), можно регулировать интенсивность электронного потока, т.е. управлять яркостью луча на экране. Далее на пути электронов расположены цилиндрические аноды А1 и А2 (на рис. 1 показаны в разрезе), которые имеют высокий положительный потенциал относительно катода. Они предназначены для ускорения электронов и фокусировки электронного пучка. На рис. 1 дуговыми стрелками показаны силовые линии электрического поля внутри них. Потенциал второго анода выше первого, поэтому 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 (резистор R3 на рис. 1) можно перемещать точку фокуса вдоль оси, добиваясь ее совмещения с поверхностью экрана, достигая которого, электроны вызывают катодолюминесценцию в виде светящейся точки диаметром 0,3 - 1 мм.
В трубку вмонтированы две пары пластин, расположенные в вертикальной и горизонтальной плоскостях (отклоняющая система). Если к какой-либо паре пластин приложить напряжение, то электронный луч отклонится в сторону пластины, имеющей положительный потенциал. Если это напряжение переменное, то электронный луч будет совершать колебательное движение по соответствующей прямой. Горизонтально расположенные пластины (ГП) отклоняют луч в вертикальном направлении (вход Y), а вертикально расположенные (ВП) - в горизонтальном направлении (вход Х).
Все изучаемые и измеряемые напряжения подаются на вертикальный вход Y (ГП). Величина отклонения луча по вертикали пропорциональна напряжению, что позволяет использовать осциллограф как пиковый вольтметр, измеряющий амплитудное значение напряжения.
Если равномерно перемещать электронный луч по экрану в горизонтальном направлении, то можно проследить изменение значений исследуемого переменного напряжения с течением времени. Эта задача выполняется подачей на горизонтальный вход Х осциллографа (ВП) напряжения, которое растет прямо пропорционально времени, а затем почти мгновенно падает до нуля (рис. 2). Под его действием электронный луч в течение времени t равномерно движется по экрану слева направо, а затем почти мгновенно возвращается в исходную точку. Такое пилообразное напряжение называется напряжением развертки и вырабатывается специальным генератором, входящим в состав осциллографа. При одновременной подаче на вход Y исследуемого переменного напряжения U и напряжения развертки на вход Х, электронный луч совершает движение одновременно в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. В результате на экране образуется траектория его движения (осциллограмма), представляющая график функции U = f(t).
Если частота повторения исследуемого сигнала равна или в целое число раз выше частоты развертки, то сигнал на экране будет многократно пробегать по одной и той же траектории, т.е. наблюдатель будет видеть неподвижную картину. В этом случае говорят, что исследуемый сигнал и развертка синхронизированы. Число видимых на экране полных периодов сигнала будет равно отношению частоты сигнала к частоте развертки.
Частоту сигнала можно найти и другим способом. Для этого на ВП подают напряжение известной частоты, а на ГП - напряжение неизвестной частоты, амплитуды и фазы. Генератор развертки при этом отключается. При сложение двух колебаний, совершающихся во взаимно перпендикулярных направлениях, получаются фигуры Лиссажу, форма которых зависит от соотношения частот, фаз и амплитуд суммируемых колебаний.
В осциллографе кроме блока питания, ЭЛТ и генератора развертки имеется блок синхронизации, усилитель Y (исследуемого сигнала) и усилитель Х (напряжения развертки). Все электронные блоки осциллографа помещены в металлический (стальной) корпус, экранирующий их от внешних электрических и магнитных полей.
