Измерение параметров электрических импульсов

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.

Мотивационная характеристика темы. В современной медицинской аппаратуре широко используется осциллографическое представление меняющихся во времени параметров различных процессов. Приборы, позволяющие реализовать такое представление и измерять значения параметров меняющихся во времени называют осциллографами.

Цель работы: Изучить принцип работы электронного осциллографа, научиться измерять амплитуду, период и частоту гармонического и прямоугольного импульсного напряжений.

К работе необходимо:

Знать	Уметь
1.Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. 2.Устройство электроннолучевой трубки и принципы ее работы. 3.Назначение основных блоков осциллографа. 4.Чувствительность осциллографа, от чего она зависит. 5.Единицы измерения напряжения, силы тока, частоты.	1.Подготов ить электронный осциллограф к работе. 2.Определять основные параметры осциллографа: чувствительность усилителей вертикального и горизонтального отклонения. 3.Измерять амплитудные значения напряжения и тока, временные характеристики импульса и частоту.

Литература

1.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М., "Высшая школа", 1999, 1987, Гл. 23.

2.Эссаулова И.А., Блохина М.Е., Гонцова Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М., "Высшая школа",1987, лаб. 21.

Контрольные вопросы для определения

исходного уровня знаний

1.Как ведут себя положительный и отрицательный электрические заряды в постоянном электрическом и магнитном полях?

2.Как управляют движением электронного пучка в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ)?

3.Почему по горизонтальной оси ЭЛТ измеряется время?

4.Как определяется чувствительность усилителей вертикального и горизонтального отклонения луча?

5.Что представляют собой фигуры Лиссажу на экране ЭЛТ?

6.Чем отличается чувствительность усилителей осциллографа от цены деления масштабной линейки ЭЛТ?

Информационный блок

Универсальным прибором для исследования быстропротекающих электрических процессов служит электронный осциллограф, общий вид которого приведен на рис.1. Наиболее часто осциллографы используются для изучения временной зависимости переменных электрических величин.

Осциллограф, рис.2. состоит из следующих основных блоков: электроннолучевой трубки ЭЛТ (1), генератора развертки (2), усилителей вертикального (4) и горизонтального (5) отклонения электронного луча, блока синхронизация развертки луча (3), блока питания (6).

Электроннолучевая трубка, рис.3. представляет собой стеклянную расширенную с одного конца вакуумную колбу (давление в ней порядка 10^-7 - 10^-8 мм.рт.ст.) Торец расширенной части колбы покрыт изнутри веществом, флюоресцирующим при ударе электронов. В суженной части трубки расположены электроды, предназначенные для формирования электронного луча: катод К, управляющий электрод УЭ, фокусирующий анод А₁, ускоряющий анод А₂. Ближе к расширенной части трубки расположены горизонтально (П_У) и вертикально (П_Х) отклоняющие пластины, с помощью которых происходит управление электронным лучом.

Катод К является источником электронов. Перед катодом расположен управляющий электрод УЭ (сетка или модулятор) с отверстием посередине, на который подается небольшой отрицательный по отношению к катоду потенциал. Путем изменения этого потенциала (вращением ручки «Яркость») регулируется количество электронов, составляющих луч и, соответственно, яркость пятна на экране. На анод А₁ подается положительный потенциал (несколько сотен вольт), значение которого изменяют вращением ручки «Фокус». На анод А₂ подается положительный постоянный потенциал (несколько тысяч вольт). Поле, создаваемое между анодом, формирует поток электронов так, чтобы он сходился на экране в точку и давал резкое точечное пятно. Этот процесс называется фокусировкой электронного луча. Управление фокусировкой проводится ручкой «Фокус» с помощью потенциометра.

Управление лучом в трубке осуществляется с помощью электрического поля.

При исследовании переменного электрического напряжения, которое подается на вертикально отклоняющие пластины (П_У), между ними создается переменное электрическое поле, под действием которого электронныйлуч, а вместе с ним и светлое пятно на экране, будут совершать колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости пластин. На экране образуется вертикальный штрих, амплитуду которого изменяют с помощью ручек «Усиление У» и «Ослабление».

Для получения графика изменения исследуемого напряжения во времени его необходимо развернуть во времени. Для этого надо заставить луч перемещаться равномерно в горизонтальной плоскости. Для этого в трубке имеется еще пара пластин, которые называются горизонтально отклоняющими пластинами (П_х).

На пластины подается напряжение от генератора развертки, которое равномерно увеличивается во времени, затем быстро убывает. График этого напряжения имеет пилообразную форму (Рис.4.). С увеличением этого напряжения луч равномерно перемещается на экране слева направо. Время этого процесса называется периодом развертки Т_р. При быстром убывании напряжения развертки луч быстро возвращается в начальное положение. Частоту напряжения развертки изменяют с помощью переключателя «Диапазон частот», ступенчато и плавно с помощью ручки потенциометра «Частота плавно». Напряжение развертки подается на вход усилителя горизонтального отклонения луча, а с него на горизонтально отклоняющие пластины. Амплитуду напряжения развертки изменяют с помощью ручки потенциометра «Усиление Х».

Если на луч действует только напряжение развертки, то на экране виден горизонтальный штрих. Если одновременно подать на вертикально отклоняющие пластины исследуемое переменное напряжение, а на горизонтально отклоняющие пластины - напряжение развертки, то на экране получим кривую - график зависимости исследуемого напряжения от времени.

Для получения на экране ЭЛТ устойчивого изображения необходимо. чтобы электронный луч начинал свое повторное движение в одной и той же фазе с исследуемым сигналом. 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. Если синхронность не установлена, то картина на зкране ЭЛТ перемещается и может появиться даже несколько кривых. Синхронность устанавливают с помощью генератора развертки (подбирая частоту развертки) и блока синхронизации (вращением ручки «Амплитуда 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, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа

Основной характеристикой осциллографа является его чувствительность (отклонение светового пятна при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1В). Так как имеются две независимые отклоняющие системы: по горизонтальной оси х и по вертикальной оси у, - то соответственно можно указать и две чувствительности S x и S y:

S x =x/U x, S y =y/U y.

С помощью осциллографа можно не только наблюдать форму исследуемого сигнала, но и измерять его различные характеристики. Наиболее часто измеряют амплитуду сигнала, его частоту или длительность (время одного периода).

Для измерения амплитуды напряжения в некоторых типах осциллографов канал вертикального отклонения нужно калибровать, используя эталонный сигнал.

В этом случае около ручек регулировки усиления канала вертикального отклонения на лицевой панели осциллографа указывают значения величины, обратной чувствительности, соответствующей каждому положению ручки (В/см).

Для определения частоты исследуемого сигнала усиление усилителя горизонтального отклонения калибруется в масштабе времени. Ручка регулировки длительности развертки градуирована в мс/см., мкс/см. или в Гц. Установив фиксированную длительность развертки k и измерив на экране расстояние х по горизонтали между соседними точками, находящимися в одинаковых фазах, можно определить период Т и частоту f исследуемого сигнала:

T= kx, f =1/(kx)

Частоту гармонического сигнала часто находят более простым и точным способом. Для этого на пластины х подают напряжение известной частоты (например 50 Гц. от сети), а на пластины у - напряжение неизвестной частоты. Генератор разверстки при этом не используется. В данном случае электронный луч участвует в двух взаимно перпендикулярных колебательных движениях. Известно, что при сложении двух синусоидальных колебаний, совершающихся во взаимно перпендикулярных направлениях по осям х и у, получаются фигуры, форма которых зависит от соотношения фаз и амплитуд суммируемых колебаний. На рис.5. изображены эти фигуры при различных соотношениях фаз и частот суммируемых колебаний, получивших название фигур Лиссажу.

Учебные задачи

Приборы и принадлежности: осциллограф, генератор прямоугольных импульсов (мультивибратор), генератор гармонических сигналов, проводники.

Задание 1. Ознакомиться с принципом работы электронного осциллографа. Подготовить электронный осциллограф к проведению измерений.

1.Зарисуйте блок-схему электронного осциллографа. Ознакомьтесь с назначением различных блоков прибора.

2.Составте схему включения и настройки осциллографа для проведения измерений напряжения, времени и частоты.

3.Усвоить назначение ручек управления, тумблеров, смысл надписей.

4.Проверить заземление.

5.Ручки управления и тумблеры установить в следующих положениях:

·«Яркость» на максимум,

· «Фокус» в среднее положение,

· «Ось У» -«»-«-

· «Ось Х» -«»-«

· «Ослабление» 1:100

· «Усиление У» в нулевое положение,

· «Усиление Х» 1:2

· «Луч» вверх,

· «Синхронизация» внутр.

· «Диапазон частот» 7

· «Сеть» вниз (выкл).

6.Включить аппарат. Подождать 2-3 минуты, после чего должен появиться на экране горизонтальный штрих.

7.Если штрих не появился, то вращая ручку «Ось У» и «Ось Х» установить его на середине экрана.

8.Уменьшить яркость и ручкой «Фокус» добиться четкого изображения штриха.

9.Подать на вход усилителя вертикального отклонения луча контрольный сигнал, для этого соединить клемму «Контр. сигнал» с клеммой «Вход У». Регулятором «Усиление У» установить амплитуду изображения 1:2, регулятором «Усиление Х» сделать размер изображения по горизонтали немного меньше диаметра экрана.

10.Медленно вращая ручку «Частота плавно» получить устойчивое изображение одного периода синусоиды, затем двух и трех периодов. Если изображение перемещается вдоль оси Х, то медленным вращением от нулевого положения ручки «Амплитуда синхронизации» остановить его.

11.Получить точку, вертикальный штрих, горизонтальный штрих, затем опять изображение сигнала.

12.Задания 1, 2, 3 - отобразите в отчете.

Задание 2. Определить чувствительность осциллографа по оси Y.

Чувствительность - это величина, равная смещению светящейся точки на экране при изменении напряжения на входе усилителя на 1 В.

1.Подать на вход Y усилителя вертикального отклонения контрольный сигнал (величину контрольного сигнала U_ЭФФ уточнить у преподавателя). Усилитель горизонтального отклонения Х должен быть выключен.

Меняя аттенюатор ослабления по У - 1, 10, 100, при установке ручки «Усиление У» в крайнее правое положение, таким образом, чтобы длина вертикального штриха на экране была приблизительно L = 20 - 30 мм. (д лина штриха пропорциональна двойной амплитуде напряжения):

L =2S_YU_max,,

где: S_у - чувствительность осциллографа,

U_max - амплитуда контрольного напряжения:

U_max = U_эфф

Вычислить чувствительность:

S_у = L/2U_max

Результаты измерений и вычислений записать в табл.1.

2. Изменяя усиление по оси У и ослабление аттенюатором, пронаблюдать изменение длины штриха. Как зависит чувствительность от указанных манипуляций?

3.Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1.

Таблица.1 Определение чувствительности осциллографа S_Y.

Положение регулировки «Усиление У»	Uэфф,В	L. мм	Sy,мм/В

Задание 3. Измерить амплитуду исследуемого импульса.

1.Подключите ко входу Х осциллографа генератор прямоугольных импульсов. Добейтесь устойчивого изображения нескольких импульсов на экране ЭЛТ.

2.По масштабной линейке экрана определите амплитуду импульса L_и в мм.

3.Не меняя положения ручек «Усиление У», по аналогии с заданием 1, с помощью контрольного сигнала, определить чувствительность S_y.

4.Расчитайте амплитуду импульса:

U_и=L_и/S_Y

5.Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 2.

Таблица.2 Определение амплитуды импульса Uи.

№ п.п	Sy,мм/B	Lи,мм	Uи,В

Задание 4. Измерить период и частоту исследуемого импульса.

1.Используя контрольный сигнал определите цену деления горизонтальной шкалы экрана ЭЛТ в с/мм или мс/мм. Для этого получите на экране ЭЛТ устойчивое изображение одного или нескольких периодов контрольного сигнала.

2.Определите их протяженность по отсчетной шкале L в мм.

3.Учитывая, что частота контрольного сигнала f_К 50 Гц определите цену деления горизонтальной шкалы ЭЛТ:

C=n/f_кL

где: n - количество периодов контрольного сигнала на экрана экране ЭЛТ.

4.Определите период и частоту исследуемого импульса. Для этого, не меняя положения ручек настройки осциллографа, вместо контрольного сигнала подключите к входу осциллографа генератор импульсов. Измерьте по отсчетной линейке экрана ЭЛТ один или несколько периодов исследуемого импульса L_и. Рассчитайте необходимые параметры импульса:

T_и=CL_и/N,

f_И=1/T_и

где: f_И - T_И - частота и период импульсного сигнала,

N - количество периодов импульсного сигнала, используемых при рассчете.

5. Результаты расчетов и измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3. Определение периода и частоты следования импульсного сигнала.

№. п.п	С,с/мм	L,мм	N	Ти,с	fи,Гц

Задание 5. Измерить частоту сигнала, меняющегося по гармоническому закону, методом Лиссажу.

1.Подключите на вход Х осциллографа контрольный сигнал, а на вход У напряжение с генератора гармонических сигналов. Генератор развертки осциллографа должен быть выключен.

2.Ручками "Усиление Х и У" добейтесь на экране ЭЛТ устойчивого изображения фигуры Лиссажу.

3.По рис.5 определите частоту исследуемого гармонического сигнала.

4.Проведите аналогичные измерения для двух - трех частот при различном отношении частот и фаз слагаемых сигналов.

5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 4.

Таблица 4. Определение частоты гармоническогосигнала.

fy,Гц	Вид фигуры Лиссажу	Фазовый сдвиг	Fx,Гц

Сделать выводы в которых указать:

1.Какие параметры имеет изученный Вами осциллограф.

2.Какие параметры Вы находили для импульсного и гармонического сигналов, какие значения получили?

Вопросы для контроля результатов усвоения

1.Из каких блоков состоит электоронный осциллограф?

2.Опишите устройство электронно-лучевой трубки.

3.Что называется чувствительностью осциллографа?

4.Объясните принцип работы и назначение генератора пилообразного напряжения.

5.Что такое синхронизация сигналов и как она осуществляется в осциллографе?

6.Как осуществляется развертка сигнала во времени на экране электронного осциллографа?

7.Что такое фигуры Лиссажу и как их получают в данной работе

8.Для каких целей может быть использован осциллограф в медикобиологических исследованиях?

9.Как с помощью осциллографа можно измерить амплитуду и частоту исследуемого сигнала?

Лабораторная работа № 4.6

Дата добавления: 2015-07-12