Электронный осциллограф

Электронный осциллограф представляет собой универсальный электроизмерительный с электростатическим отклонением прибор для исследования переменных быстропротекающих во времени процессов. С помощью осциллографа можно наблюдать и измерять переменное во времени напряжение, силу тока, сравнивать частоты и амплитуды переменного напряжения, определять период изменения электрических величин, измерять малые промежутки времени и т.д. Главными достоинствами осциллографа является его высокая чувствительность и практическая безынерционность, что позволяет исследовать процессы длительностью до 10^-6 - 10^-8 с. Основной частью всех электронных осциллографов является электронно-лучевая трубка, на экране которой возникает изображение изучаемого процесса.

Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка состоит из откаченной до высокого вакуума стеклянной колбы (рис. 1). Экран электронно-лучевой трубки покрыт флюоресцирующим веществом, светящимся под ударами электронов.

Рис. 1. Электронно-лучевая трубка:

1 - подогреватель катода; 2 - катод; 3 – управляющий электрод; 4 - первый (фокусирующий) анод; 5 - второй анод; 6 - вертикально отклоняющие пластины; 7 - горизонтально отклоняющие пластины; 8 – экран

Система электродов 1-5, позволяющая получать узкий пучок электронов, называется электронной пушкой. Источником электронов служит нагретый подогревателем катод.

Интенсивность электронного пучка, а следовательно, яркость светящегося пятна на экране регулируются изменением отрицательного относительно катода потенциала на управляющем электроде. Ускорение электронов и их фокусировка осуществляются системой двух анодов, выполненных в виде полых металлических цилиндров и образующих так называемую электростатическую линзу. Разность потенциалов между катодом и первым анодом - порядка нескольких сотен вольт, между катодом и вторым анодом - порядка нескольких тысяч вольт.

Отклоняющая система электронно-лучевой трубки

Отклонение электронного луча в электронно-лучевой трубке осуществляется системой вертикально и горизонтально отклоняющих пластин (рис. 2).

Рис. 2

На вертикально отклоняющие пластины (рис.2) подается напряжение U_y, создающее между пластинами однородное электрическое поле с напряженностью:

E = ,

(7)

где d - расстояние между пластинами.

Движение электрона в однородном электрическом поле описывается уравнениями

y = a×t²/2, x = v₀t.

где v₀ – скорость электрона на входе в электрическое поле; a = = - ускорение электрона; e – заряд и m – масса электрона.

Траекторией движения электрона является парабола

y = ×x².

На выходе из пластин, длина которых L1,электрон отклоняется от первоначального направления на величину y₁ = .

После выхода из пластин электрон летит по прямой. Полное отклонение электрона (рис. 3)

y = y₁ + y₂ = + L₂×tga .

Из треугольника скоростей

tga = .

Тогда окончательно имеем

y = = Sy×Uy,

((8)

где S_y = - чувствительность электронно-лучевой трубки.

Из формулы (8) следует, что отклонение электронного луча на экране пропорционально приложенному к отклоняющим пластинам напряжению. Чувствительность электронно-лучевой трубки зависит от ее конструктивных особенностей и не зависит от приложенного напряжения.

Развертка исследуемого сигнала во времени

Если подать на вертикально отклоняющие пластины переменное напряжение из сети, то электронный луч будет перемещаться сверху вниз и обратно с частотой 50 Гц и образует на экране вертикальную линию. Чтобы наблюдать изменение напряжения во времени, электронный луч надо одновременно перемещать по экрану слева направо пропорционально времени. Такое перемещение достигается подачей на горизонтально отклоняющие пластины напряжения пилообразной формы (рис. 3): в течение некоторого отрезка времени Tpнапряжение на горизонтально отклоняющих пластинах растет пропорционально времени:

Ux= kt , (9)

а, в момент t = T_p практически мгновенно падает до нуля. При этом электронный луч возвращается в исходное положение. Источником пилообразного напряжения является специальный генератор развертки. Для того, чтобы картина на экране осциллографа была устойчивой, необходимо, чтобы пе-

Рис. 3

риоды исследуемого напряжения Т и пилообразного напряжения развертки Tpбыли кратны друг другу: Tp= nTp, (10) При таком условии на экране осциллографа будет n периодов исследуемого напряжения. Период пилообразного

напряжения можно менять ручками "Развертка", "Диапазоны", "Частота плавно" на осциллографе, добиваясь устойчивой картины на экране. Генератор развертки можно отключить, а на горизонтально отклоняющие пластины подавать напряжение от внешнего источника. Таким образом, можно, например, сравнивать частоты двух переменных напряжений.

Определение чувствительности осциллографа по напряжению

Порядок выполнения упражнения

1. Собрать схему согласно рис. 4, не включая питание.

Рис. 4

2. Включить осциллограф и прогреть его 2-3 мин. Вывести с помощью ручек смещения луча " " и " "светящуюся точку в центр экрана. Ручками "Фокус" и "Яркость" установить минимальный размер пятна и оптимальную яркость. Чрезмерная яркость приводит к прогоранию люминесцентного покрытия на экране.

3. Включить генератор развертки. На экране должна появиться горизонтальная линия - след от перемещающегося слева направо электронного луча.

4. Установить переключатель на лицевой панели осциллографа в положение ''до 220 В" и подать на вход "У" осциллографа переменное напряжение. На экране появится изображение синусоиды U_y = U_o×sinwt. Ручками "усиление У" и "усиление X" установить на экране изображение исследуемого сигнала так, чтобы амплитуда его занимала большую часть экрана, а на длине экрана укладывалось бы 2-3 периода. Убедиться в синусоидальной форме напряжения сети. Отключить генератор развертки. На экране должна наблюдаться вертикальная прямая, высота которой равна удвоенной амплитуде исследуемого напряжения.

5. С помощью потенциометра подать на вход "У" напряжение U_y = 20 В, измеряемое с помощью вольтметра, а ручкой "усиление У" установить размер линии на экране L_y = 100 мм. Значения U_y и L_y занести в табл. 1.

6. Последовательно уменьшая с помощью потенциометра напряжение U_y, подаваемое на вход "У" с шагом 4 В (20, 16, 12 ... В), измерить размер линии L_y на экране осциллографа при каждом напряжении. Данные занести в табл. 1.

7. Отсоединить провод от входа "У" и подсоединить его к входу "X".

8. С помощью потенциометра подать на вход "X" напряжение U_х = 20 В, измеряемое с помощью вольтметра, а ручкой "усиление X" установить размер линии на экране L_x =100 мм. Значения U_х и L_х занести в табл. 1.

9. Последовательно уменьшая с помощью потенциометра напряжение, подаваемое на вход "X" с шагом 4 В (20, 16, 12 ... В), измерить размер линии L_x на экране осциллографа при каждом напряжении. Данные занести в табл. 1.

Таблица 1

<S_y> = S DS_yi ² = <S_x> = S DS_xi² =

Определение частоты источника неизвестного напряжения

Для определения частоты неизвестных колебаний используют метод фигур Лиссажу: исследуемые колебания складываются с перпендикулярными колебаниями известной частоты. При сложении наблюдаются кривые сложной формы, называемые фигурами Лиссажу, вид этих фигур для некоторых соотношений частот складываемых колебаний показан в табл. 2.

В данной работе метод фигур Лиссажу применяется для определения частоты напряжения сети с помощью звукового генератора и осциллографа.

Порядок выполнения упражнения

1. Собрать схему согласно рис 5.

2. Включить осциллограф и звуковой генератор и дать им прогреться. Выключить генератор развертки на осциллографе. Установить на шкале звукового генератора частоту, равную нулю. Ручкой "установка нуля" звукового генератора добиться на экране осциллографа неподвижной горизонтальной прямой.

3. Изменяя частоту nY генератора вращением ручки настройки, получить на экране устойчивые фигуры Лиссажу согласно табл. 2 и записать со шкалы звукового генератора частоты nY, подаваемые на вход "У".

Рис. 5

Таблица 2

Вид фигуры	Условие	nY	n = nX	Dni	Dni2
	nY = nX
	nY = 2nX
	nY = 3nX
	nY = 4nX
	nY = 5nX

<n> = S Dni² =