Введение. В современной лабораторной практике широко применяется осциллографический метод

В современной лабораторной практике широко применяется осциллографический метод исследования функциональной связи между двумя или более величинами, как электрическими, так и преобразованными в электрические. Достоинством осциллографического метода является его наглядность и безынерционность. В данной лабораторной работе изучаются зависимости от времени напряжений на различных элементах схем и формы сигналов.

Принцип действия электронного осциллографа. Основным элементом осциллографа является электроннолучевая трубка. Конструктивно электроннолучевая трубка представляет собой стеклянный баллон со специальными электродами, из которого откачен воздух. Она предназначена для создания узкого пучка движущихся электронов, управляемого в вертикальном и горизонтальном направлениях с помощью специальных электронных схем, находящихся внутри корпуса осциллографа, и индикации этого пучка на экране (дисплее). Внутри баллона помещены электронная пушка и две пары отклоняющих пластин. На дно трубки нанесен слой люминофора. Узкий электронный луч, попадая на люминесцирующий экран электроннолучевой трубки, создает на нем светящееся пятно.

Рис.1.

Действуя на электронный луч электрическими полями, через которые он проходит, можно заставить пятно перемещаться по экрану. Траекторию этого пятна называют осциллограммой. Блок-схема осциллографа приведена на рис. 1.

Рассмотрим отдельные узлы данной схемы. (Ручки управления соответствующими узлами, прорисованные на этой схеме, выведены на переднюю панель прибора.)

Назначение электронной пушки — создание узкого электронного пучка, вызывающего свечение люминофора экрана. Она состоит (рис. 2) из подогревного катода K, модулирую­щего электрода G и двух анодов А₁ и А₂.

Рис. 2.

Поток электронов, вылетевших из оксидного катода К, проходит отверстие-диафрагму цилиндра G. Так как на электроде G потенциал отрицательный (относительно катода), то изменяя величину его, можно управлять количеством электронов, проходящих через диафрагму, т. е. изменять яркость луча.

Пройдя диафрагму, слабо расходящийся пучок электронов попадает в поле, создаваемое анодом A_{1 .} Поле между A₁ и G таково, что под его воздействием пучок концентрируется подобно световому лучу, проходящему через оптическую линзу. Анод A₁ носит название фокусирующего анода. Далее электронный пучок проходит через анод A₂. Анод A₂ имеет положительный потенциал больший, чем анод A₁. Анод A₂ называют ускоряющим анодом. Электрическое поле между A₁ и A₂ создаёт вторую пару так называемых электростатических линз, которые окончательно собирают электронный пучок в узкий луч.

На рис. 2 показаны направления силовых линий электростатических полей и сечение эквипотенциальных поверхностей между электродами электронной пушки.

В первой половине пушки электроны испытывают концентрирующее действие, так как на них действуют силы, направленные нормально к эквипотенциальным поверхностям. В поле второго анода имеет место рассеивание электронов, но благодаря тому, что они летят с очень большими скоростями, влияние рассеивающего поля незначительно.

Питание электродов пушки (см. рис. 1) происходит через делитель напряжения от высоковольтного выпрямителя, собранного на полупроводниках. С помощью делителя осуществляется плавная регулировка яркости и фокусировка луча (см. ручки яркость и фокусировка).

Движение электронного луча управляется отклоняющими пластинами, которые состоят из двух пар плоских конденсаторов, расположенных перпендикулярно друг к другу. Пластины, управляющие движением луча по горизонтали, называют горизонтально отклоняющими, или X -пластинами, управляющие движением вверх и вниз - вертикально-отклоняющими, или У -пластинами. На пластины подаётся разность потенциалов, которая создает однородные электрические поля. Луч, проходя в этих полях, отклоняется под их влиянием, и светящийся след на экране смещается относительно центра.

Взяв отношение величины смещения луча на экране Х₀ и У₀ к смещающему напряжению на пластинах U получают величину чувствительности трубки по соответствующей паре пластин:

;

Чувствительность трубки зависит от длины l, соответствующей пары пластин, расстояния d между пластинами, рассто­яния L от пластин до экрана и потенциала второго анода U_{A :}

_.

Величины чувствительности указаны в паспорте осцилло­графа.

Начальное положение луча на экране можно установить с помощью сопротивлений R₁ и R₂, которые включены парал­лельно пластинам Х и У. Когда движки находятся в середине R₁ и R₂ луч попадает на середину экрана. Перемещением движка потенциометра R₁ смещают луч вверх и вниз, движком R₂ - вправо и влево. Управление движками производит­ся ручками «смещение X» и «смещение У» (см. рис. 1).

Разность потенциалов между катодом и корпусом осцилло­графа равна - 1000 B. В целях безопасности работ плюс выпрямителя питания трубки соединен с корпусом.

На внутренней поверхности стекла трубки нанесено гра­фитовое покрытие, соединенное с анодом A₂. Графитовое по­крытие служит экраном, защищающим электронный луч от внешних электростатических полей, и одновременно оно при­тягивает вторичные электроны, выбиваемые из экрана трубки.

Включение исследуемого сигнала. Исследуемое напряже­ние подается на «вход У» и через «усилитель У» — на верти­кально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (см. рис. 1). Во избежание перегрузки первой лампы усилите­ля на входе имеется реостатно-емкостной делитель с коэффи­циентом деления 1: К (1: 1, 1: 10, 1: 100), который показыва­ет, во сколько раз уменьшается входной сигнал, пройдя де­литель. Если источник исследуемого напряжения требует низкоомный вход, то переключатель входного делителя «50 Ом » включает сопротивление 51 Ом параллельно входу. Величину входного сигнала можно плавно регулировать потенциомет­ром «усиление».

Генератор развертки. В большинстве случаев осциллограф служит для наблюдения изменения исследуемого напряжения во времени. Для этого на горизонтально-отклоняющие пластины подается напряжение, изменяющееся линейно во време­ни. Оно создается генератором развертки, который может ра­ботать при исследовании периодических процессов в режиме непрерывной развертки и в режиме ждущей развертки для ис­следования одиночных сигналов. Переключение генератора в соответствующий режим производится переключением ручки «род работы».

Непрерывная развертка создается генератором развертки, напряжение которого имеет пилообразную форму. Рассмотрим, в чем заключается необходимость в такой форме сигнала. Пусть напряжение на вертикально отклоняющих пластинах изменяется по закону:

а на горизонтально отклоняющих пластинах линейно возрастает в течение периода исследуемого сигнала по закону:

где величины и w -могут быть заданы.

Тогда отклонения электронов в направлениях осей Х и Y соответственно равны:

X=x_0×t; (1),

Y=Y₀sinwt (2)

Исключая из уравнений (1) и (2) время, получим уравнение траектории движения электронного луча в плоскости X, Y в виде:

.

Это означает, что траектория электронного луча имеет вид, соответствующий временной зависимости разности потенциалов электрического сигнала, поданного на вертикально отклоняющие пластины, т. е. сигнал оказывается развернутым во времени. На Рис.3.а показана форма сигнала, подаваемого на горизонтально отклоняющие пластины с генератора развертки (Рис. 1). Спустя время, равное периоду развертки T_p траектория пучка электронов повторяется. Условием периодического повторения траектории движения электронов является равенство T_p периоду сигнала, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины T_c

Рис.3.

Регулировка частоты развертки производится двумя ручками. Ступенчатая - переключателем «развертка», который переключает конденса­торы в цепи RС генератора развертки и имеет диапазоны, указанные на внутренней шкале переключа­теля «развертка». Плавная регулировка осуществляется по­тенциометром «частота плавно», регулирующим изменение со­противления в цепи RС внутри каждого диапазона.

Чтобы изображение на экране осциллографа казалось не­подвижным (такой сигнал удобно исследовать), необходимо генератор развертки синхронизировать с подаваемым сигналом. Синхронизация -такой процесс, когда исследуемым сигналом влияют на частоту развертки так, что ее частота становится равной или кратной частоте исследуемого сигнала.

При исследовании импульсных процессов генератор пило­образной развертки переключается в режим ждущей разверт­ки. В режиме ждущей развертки генератор заперт (не даёт напряжения) до тех пор, пока на вход цепи синхронизации усилителя У не поступит внешний сигнал (см. рис. 1), В момент поступления сигнала, независимо от его длительности, генератор развертки включается на один цикл. По окончании цикла генератор опять запирается, ждет следующего сигнала. Длительность (в микросекундах) цикла развертки в этом режиме указана на внешней шкале переключателя «развертка».

Как при непрерывной, так и при ждущей развертках на модулирующий электрод G (см. рис.1) во время прямого хода ²пилы² с генератора развертки подается подсвечивающий импульс положительной полярности. Этим осуществляется усиление яркости луча во время прямого хода и гашение лу­ча во время обратного хода пилы.

Во время развертки середина пространства между отклоняющими пластинами должна иметь постоянный нулевой по­тенциал. Для этого служит фазоинверсный каскад, который понижает потенциал одной из Х-пластин, а потенциал вто­рой - повышает на такую же величину.

Аналогичный каскад имеет на своем выходе усилитель У.

При некоторых работах требуется включать осциллограф на развертку, подаваемую от постороннего источника напря­жения. Чтобы это осуществить, нужно подать на «вход X» на­пряжение от внешнего источника, предварительно отключив генератор внутренней развертки переключением тумблеров «род работы» на «усил.» и «род синхронизации» - на «внеш». Регулировка амплитуды сигнала внешней развертки и уровень его синхронизации исследуемым сигналом производится потенциометром «синхронизация».

В осциллографе предусмотрена возможность выполнения еще двух видов операций: измерение длительности и величи­ны напряжения исследуемого сигнала.

Продолжительность сигнала или его части можно измерить с помощью калибратора длительности (см. рис. 1), настроен­ного на различную частоту. Калибратор длительности вклю­чается переключателем «метки». Калибратор подает на моду­лирующий электрод G импульсы отрицательной полярности П-образной формы, которые запирают прохождение электро­нов через его диафрагму на короткое время через заданные промежутки времени. Периодичность включения меток време­ни указана на шкале переключателя «метки».

Измерение напряжения исследуемого сигнала производят сравнением изображения исследуемого сигнала с изображе­нием калибрационного напряжения. Для получения калибрационного сигнала, не зависящего от колебаний напряжений питающей сети, служит стабилизированный мост нелинейных сопротивлений. Часть синусоидального напряжения снимается с диагонали моста при помощи потенциометра, на ручке которого написано: «калибровка амплитуды». Калибрационный сигнал поступает на У -пластины через У -усилитель. Величи­на сигнала читается против указателя шкалы, расположенной над ручкой «калибровка амплитуды». Нижняя часть шкалы для удобства отградуирована в эффективном значении сину­соидального напряжения, а верхняя—в импульсном, которое больше эффективного в 2Ö2 раза.

В осциллографе предусмотрена возможность подачи ис­следуемых напряжений непосредственно на обе пары откло­няющих пластин. Для этого надо вынуть вилки В₁ и В₂; В₃ и В₄ из задней панели осциллографа (под откидной крышкой) и подать исследуемое напряжение непосредственно на верх­ние гнезда соответствующих пластин (см. рис. 1 ), но в данной работе эта возможность не используется.

Звуковой генератор. Источником исследуемого напряже­ния в данной работе является генератор звуковой частоты ГЗ-33 (или любой другой). Звуковой генератор создает напря­жение синусоидальной формы. Величина генерируемой часто­ты равна показанию большого лимба, умноженному на вели­чину декадного множителя.

В конструкции звукового генератора предусмотрена воз­можность изменения амплитуды выходного сигнала с помощью потенциометра «рег. выход, напряжения».

Генератор ГЗ-33, кроме того, имеет два делителя напряжения «затухание Дб» (ступенчатый) и «затухание» (плавный). Вольтметр на передней панели показывает эффектив­ное напряжение на выходе генератора при условии, что обе ручки «затухание» полностью выведены (поставлены на 0). Согласование выходного сопротивления генератора с входным сопротивлением осциллографа осуществляется потенциомет­ром «вых. сопротивление».

Дата добавления: 2015-08-05