Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа



Скачать 146.67 Kb.
Дата04.07.2013
Размер146.67 Kb.
ТипЛабораторная работа


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа

Цель работы: ознакомление с устройством и работой элек­тронного осциллографа, изучение методов измерения параметров электрических сигналов .

Приборы и принадлежности: электронный осцил­лограф — 2 шт., звуковой генератор — 2 шт.

Введение

Осциллограф предназначен для исследования формы электри­ческих сигналов путем наблюдения и измерения их параметров. С его помощью можно наблюдать изменение тока и напряжения во времени. Кроме того, осциллограф позволяет сравнивать форму, амплитуду и частоту различных сигналов, а также исследовать не­электрические процессы, например кратковременные изменения давления при использовании пьезокристалла, микрофона и т.д.

Достоинством осциллографа является его высокая чувствитель­ность и практическая безинерционность действия, что позволяет исследовать процессы с амплитудой напряжения менее I мВ и дли­тельностью 10-8 с.

Блок-схема осциллографа представлена на рис. 1. Осцилло­граф состоит из электронно-лучевой трубки, усилителей каналов



Рис. 1 Блок-схема электронного осциллографа



Рис. 2 Электронно-лучевая трубка

X и Y, генератора развертки, блоков синхронизации сигнала, калибровки прибора и питания. Все блоки прибора находятся внут­ри металлического корпуса, на переднюю панель, которого выве­дены экран электронно-лучевой трубки, переключатели и ручки управления, клеммы и зажимы для подачи на осциллограф ис­следуемых и управляющих его работой напряжений.

Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянную колбу специальной формы. Внутри колбы создан высокий вакуум. В колбе (рис. 2) помещается электронная пушка, вертикально отклоняющие пластины 6, горизонтально отклоняющие пласти­ны 7 и экран 8, покрытый флюоресцирующим веществом.

Электронная пушка состоит из нити накала 1 и катода 2, кото­рый является источником электронов, а также системы электро­дов, находящихся под различными потенциалами относительно катода 2, с помощью которых достигаются регулировка электрон­ного тока в пучке (электрод 3) и фокусировка пучка электронов в точку на внутренней поверхности экрана 8 (электроды 3, 4, 5).

Электрод 3 имеет отрицательный относительно катода 2 по­тенциал, который задается сопротивлением R1.Изменяя потенци­ал электрода 3, можно регулировать число электронов в пучке, пролетающих в сторону экрана, т. е. устанавливать яркость изобра­жения на экране.

Необходимость фокусировки электронного пучка очевидна, поскольку электростатическое отталкивание между электронами в пучке приводит к его размыванию.


В электронно-лучевых трубках, которые применяются в элект­ронных осциллографах, часто используется электростатический метод фокусировки. Он основан на том, что в электрическом поле на электрон действует сила:

(1)

Как видно из этой формулы, сила, действующая на электрон, направлена в сторону максимального возрастания потенциала перпендикулярно к эквипотенциальной поверхности, на которой в данный момент находится электрон.

Таким образом, импульс электрона меняется только в направ­лении нормали к эквипотенциальной поверхности, а тангенци­альная составляющая импульса сохраняется:


(2)
(3)


Рассмотрим в неоднородном электростатическом поле область

такого малого объема, чтобы эквипотенциальные поверхности с

потенциалами и можно было считать параллельными (рис.

3). Тогда отношение синусов углов и равно:

(4)

Учитывая, что кинетическая энергия электрона равна

(5)

получим закон преломления электронов при прохождении экви­потенциальных поверхностей с различными потенциалами:

(6)

где роль показателей преломления играют выражения вида. Соотношение (6) аналогично закону преломления света на гра­нице двух оптических сред. Поэтому для фокусировки электронного пучка можно создать так называемые электростатические линзы, т.е. электрические поля с цилиндрической симметрией, формы эквипотенциальных по­верхностей которых похожи на поверхности оптических линз. Именно такие электростатичес­кие линзы и создаются в зазорах между электродами электронной пушки, благодаря специальной форме электродов и определен­ной разности потенциалов меж­ду ними.



Рис. 3

Ускоряющий электрод 4 (см. рис. 2) находится под высоким положительным потенциалом (300—1000 В) относительно като­да 2. В промежутке между ускоряющим 4 и регулирующим яркость изображения 3 электродами формируется первая короткофокус­ная линза. Вторая (длиннофокусная) линза формируется в проме­жутке между электродами 4 и 5 (потенциал последнего составляет 103—104 В). Эта линза предназначена для формирования тонкого электронного пучка, сходящегося в точку на внутренней поверх­ности экрана.

Фокусировка, т.е. сведение пучка в точку на экране трубки, достигается изменением потенциала анода 4 с помощью резисто­ра R3 (см. рис. 2).

Отклонение электронного пучка в электронно-лучевых труб­ках с электростатическим управлением осуществляется с помо­щью двух пар пластин Пx и Пy, между которыми создаются элек­трические поля, перпендикулярные друг другу и к направлению (ось z) импульса, влетающего в них электрона. Такие поля изме­няют направление импульса электрона на угол, тангенс которого равен:

(7)

где— потенциал точки, где электрон влетает в поле; — то же, где электрон вылетает из поля; W0 — начальная кинетическая энергия электрона, влетающего в поле; U — разность потенциа­лов между пластинами; d — расстояние между пластинами; — смещение электрона в направлении поля.

Поскольку смещение электрона в поле пропорционально силе, действующей на него, то в однородном поле [см. (2) и (3)]

т.е. 1 U. (8)

Таким образом, для пластин Пx. смещение x точки на экране, где сходится электронный пучок, будет зависеть от U:

(9)
где — расстояние от пластин до экрана.

Смещение, вызываемое полем пластин Пy определяют по ана­логичной формуле, поэтому

(10)

, (11)

где x — смещение луча в горизонтальном направлении; у — то же, в вертикальном направлении; Ux — разность потенциалов между горизонтально отклоняющими пластинами (Пx) Uy — то же, между вертикально отклоняющими пластинами (Пy).

Коэффициенты пропорциональности и называют чувствительностями трубки соответственно по осям Х и У. Чувствитель­ность численно равна смещению луча на экране при изменении разности потенциалов на пластинах на 1 В.

При одновременном действии напряжений Ux и Uy луч смес­тится в горизонтальном и вертикальном направлениях и окажется в точке с координатами x и y, определяемыми по формулам (10) и (11).

Обычно исследуемое напряжение подводится к пластинам Пy; на вторую пару пластин подается напряжение, управляющее дви­жением электронного пучка желательным для нас образом. Если на пластинах случайно окажется постоянный заряд, то луч может сместиться за пределы экрана. Чтобы этого не произошло, а также для перемещения изображения по экрану, управляющие пласти­ны соединены с потенциометрами R5 и R6 (см. рис. 2), кото­рые, в свою очередь, присоединены к источнику постоянного напряжения. При перемещении движков потенциометров луч на экране будет смещаться вправо — влево или вверх — вниз.

Генератор развертки вырабатывает импульсы пилообразной формы, график которых представлен на рис. 4. Напряжение в течение промежутка времени Т линейно увеличивается, а затем, почти мгновенно, спадает до первоначального значения.

Подадим такое напряжение на пластины Пx и проследим за движением луча на экране. Так как смещение луча x пропорцио­нально напряжению (10), а напряжение Ux пропорционально вре­мени в течение промежутка Т то, очевидно, что и смещение x пропорционально времени, т.е. луч движется по экрану равно­мерно, слева направо (прямой ход), быстро возвращается в ис­ходную точку (обратный ход) и снова начинает равномерное дви­жение вправо.

С помощью переключателя «развер­тка» и ручки «плавно» мы можем ме­нять частоту (период) пилообразно­го напряжения. При частотах до 10 Гц на экране перемещение луча наблю­дается глазом; при больших частотах след сливается в сплошную линию.

Для получения на экране графика зависимости напряжения от времени подадим на вход Y периодически из­меняющееся напряжение Uy с перио­дом Т, равным периоду развертки.



Рис. 4 Пилообразное напряжение



рис.5 Результирующая синусоида

При этом луч будет участвовать в двух взаимно пер­пендикулярных движениях. Какова при этом траектория следа луча на экране? Пусть Uy меняется синусоидально. Тогда луч будет ко­лебаться в вертикальном направлении и рав­номерно перемещаться в горизонтальном — слева направо. Результирующая траектория луча будет синусоидой (рис 5). Через вре­мя Tразв луч быстро вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать на экране синусоиду. Если периоды развертки и исследуемого напряжения (в нашем случае синусоидального) рав­ны, то следующая синусоида точно «ляжет» на первую, и на эк­ране будет видна неподвижная картина.

Предыдущие рассуждения иллюстрирует (рис. 6, а), на кото­ром представлен график Uy(t). Развертка луча происходит в проме­жутке времени = Tразв. Видно, что кривые I, II, III зависимости Uy(t) одинаковы и при наложении друг на друга на экране совпадают (см. рис. 6, б).

Если уменьшить частоту развертки вдвое, то за время разверт­ки луч успеет совершить два полных колебания в вертикальном направлении (рис.7).

Если период развертки Tx не является целым кратным перио­дом изучаемого напряжения Ту, то электронный луч будет начинать

б

Рис. 6 Осциллограмма для случая Тисслразв



рис.7 Осциллограмма для случая 2Тисслразв

движение, каждый раз в различных фазах, и получаемая на экране картина будет представлять наложение ряда смещенных траекторий.

Устойчивая картина будет наблюдаться при совпадении часто­ты исследуемого напряжения и частоты развертки или, в более общем случае, когда период развертки T равен nTиссл (n — целое число).

Допустим, что нам удалось с помощью ручки «плавно» подо­брать частоту развертки, кратную частоте исследуемого напряже­ния. Однако вследствие нестабильности частоты генератора раз­вертки период развертки изменится и изображения на экране уже не будут накладываться друг на друга. При этом картина будет перемещаться («бежать») по экрану.

Для устранения этого эффекта в осциллографе имеется уст­ройство, обеспечивающее синхронизацию — согласование проте­кающих процессов во времени. Для получения устойчивого изоб­ражения необходимо, чтобы развертка начиналась в тот момент, когда исследуемое напряжение достигает определенного (напри­мер, нулевого) значения. Для этой цели часть исследуемого на­пряжения подается на генератор развертки и обеспечивает начало развертки. Глубина синхронизации (напряжение, подаваемое на генератор развертки) устанавливается минимально необходимой для устойчивого изображения. При очень больших амплитудах за­метны искажения в конце развертки.

Кроме рассмотренного случая, называемого внутренней синх­ронизацией, развертку можно синхронизировать с напряжением сети или с внешним сигналом.
Описание экспериментальной установки

В данной лабораторной работе могут быть использованы ос­циллографы и низкочастотные генераторы любых типов. Для при­мера рассмотрен осциллограф С1-67. Основные органы управле­ния прибором (ручки, разъемы и другие устройства) выведены на лицевую панель (рис. 8), имеют свои обозначения и объеди­нены в группы по функциональному признаку. Группы разделены сплошными линиями.

Включение прибора осуществляется тумблером «Сеть», при этом загорается расположенная рядом с тумблером сигнальная лам­почка. Слева от экрана расположены следующие ручки управле­ния: яркость изображения «яркость»; фокусировка луча «фокус»; освещение сетки экрана «шкала». Ручное перемещение электронного луча на эк­ране осуществляется по вертикали ручкой «вверх-вниз» на панели «Усили­тель Y» и по горизонтали ручками на панели «Развертка» («грубо», «плавно» соответственно).

Исследуемое напряжение обычно подается на пластины Пy че­рез усилитель. Для этого на лицевой панели прибора имеется разъем, который обозначен символом «1МΩ 40рF ». Сигнал на этот и другие разъемы подводится по специальным кабелям, один из проводов которых через разъем соединяется с корпусом прибора.



Рис.8 Электронный осциллограф С1-67

Чувствительность усилителя вертикального отклонения может устанавливаться переключателем V/дел. (под «делением» здесь и далее понимается сторона квадрата размером 1 см на масштабной сетке, установленной перед экраном). Входное напряжение мож­но в 2,5 раз уменьшить потенциометром «плавно», ручка которого выведена соосно с ручкой указанного переключателя. При изме­рениях этот потенциометр не используется и его ручка должна быть выведена в крайнее положение по часовой стрелке.

На входе усилителя Y имеется переключатель «1» (см.8) на три положения, соответствующие «открытому» входу прибора «_» для измерения постоянных и переменных напряжений, «зак­рытому» входу (~) для измерения только переменных напряжений и «закороченному» входу () для установления нулевого положе­ния луча на экране электронно-лучевой трубки по вертикали.

На пластины горизонтального отклонения обычно подается пи­лообразное напряжение развертки от внутреннего генератора. С помощью переключателя «время/дел.», а также ручки «плавно», расположенной на той же оси, можно изменять частоту (период) пилообразного напряжения развертки. При измерениях ручка «плав­но» не используется и должна быть установлена в крайнем поло­жении по часовой стрелке.

Выходной сигнал генератора развертки может быть выведен на внешние устройства через гнездо «2» в нижней части панели «развертка» и гнездо «земля» — «».

Переключателем «3» период развертки может быть уменьшен в 5 раз (положение «x 0,2» или оставлен в соответствии с поло­жением переключателя «время/дел.» («x 1»).

Уровень сигнала, с которого начинается его развертка на экра­не, регулируется соответствующей ручкой на панели «синхрони­зация». Вид синхронизации выбирается переключателем «4» (на рис.8): «внутр.» (по сигналам с усилителя Y), «х» (от сетевого питающего напряжения) либо внешним сигналом.

В этом случае через разъем «синхр» (установлен на панели «синхронизация») исследуемый сиг­нал подается на вход усилителя горизонтального отклонения. При этом переключатель «5» устанавливается в положение «1:1» или «1:10». В первом случае исследуемый сигнал подается непосред­ственно на вход усилителя «X», а во втором — с десятикратным ослаблением.

Чувствительность прибора в канале «X» не известна и опреде­ляется при калибровке прибора.

Для этого, т. е. для проверки правильности показаний прибо­ра, в нем имеется внутренний калибратор, сигнал с которого сни­мается с гнезд «0,6V» и «». Калибратор вырабатывает последова­тельность прямоугольных импульсов (меандр), размах (удвоенная амплитуда) которых регулируется соответствующим переключа­телем. При этом ручка выбора режима работы калибратора, кото­рая расположена соосно с ним, должна быть установлена в поло­жение «п 2kHz». В двух крайних положениях этой ручки калибра­тор либо выключен, либо с него подается постоянное напряже­ние (символ «—»).
Измерения и обработка результатов

Задание 1. Подготовка осциллографа к работе.

Установите ручки управления на лицевой панели осциллог­рафа в исходное состояние, а именно: переключатель входа уси­лителя Y — в положение «~», ручку «плавно» «V/дел.» — в крайнее правое положение, переключатель развертки — в по­ложение «х1 », ручку «плавно» «время/дел.» — в крайнее пра­вое положение, переключатель режима синхронизации — в положе­ние «внутр».

Включите тумблер «сеть». Через 5—10 мин ручками «вверх-вниз» и «грубо» установите светящееся пятно в центре экрана. При необходимости отрегулируйте его яркость и фокус.

При этом на экране должна быть видна горизонтальная линия.

Задание 2. Проверка калибровки чувствительности по оси у и частоты развертки осциллографа.

Установите переключатель калибратора в положение «п 2кГц», напряжение на его выходе, равное 0,6В, переключатели усили­теля Y — в положение 0,1 В/дел., развертки — 0,2 мс/дел.

Соедините кабелем выход калибратора и вход «Y». Получите устойчивое изображение импульсов на экране. Зарисуйте полу­ченную осциллограмму. С помощью сетки на экране осциллографа определите амплитуду импульсов и их период, укажите их на осциллограмме. Рассчитайте частоту импульсов. Запишите полу­ченные данные в отчет.

Задание 3 Измерение амплитуды, периода и частоты

Подайте на вход «У» сигнал с выхода генератора звуковых колебаний, получите устойчивое изображение определите амплитуду исследуемого сигнала для этого измерьте количество деление занимаемых сигналом и умножьте на коэффициент «вольт/дел», занесите в отчет. Определите период сигнала для этого измерьте расстояние между 2-я равными точками и умножьте на коэффициент развертки занесите в отчет и сверьте с показаниями генератора звуковых колебаний. Найдите частоту, она равна обратной величине периода колебаний. занесите в отчет и сверьте с показаниями генератора звуковых колебаний..

Задание 4. Наблюдение сложения взаимно перпендикуляр­ных колебаний.

4.1. Синусоидальный сигнал по вертикальной и пилообразный по горизонтальной осям. Установите на низкочастотном генераторе (в соответствии с его инструкцией по эксплуатации) частоту и напряжение выходного сигнала, равные 1 кГц и 5 В соответ­ственно.

Подайте на «Вход Y» сигнал с генератора и получите непод­вижное изображение, занимающее около экрана по ширине и содержащее 3 — 4 периода. Зарисуйте осциллограмму.
4.2. Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний.

Траектория движения материальной точки, участвующей в двух колебаниях одинаковой частоты x=xmcos(ωt), y=ymcos(ωt+φ) происходящих вдоль взаимно перпендикулярных координатных осей, oписывается уравнением







(12)

рис.9

Материальная точка в этом случае движется по эллипсу, главные оси которого не совпадают с осями координат (рис. 9). Как видно из рисунка, траектория точки заключена внутри прямоугольника, стороны которого параллельны осям координат и равны соответственно 2хm и 2уm, а центр совпадает с началом координат (положение равновесия колеблющейся точки); разность фаз слагаемых колебаний определяется формулой sinφ = х0т, где х0 — значение координаты х при у = 0.

В случае целочисленного отношения частот слагаемых колебаний траектории движения являются замкнутыми линиями, носящими название фигур Лиссажу. Вид этих фигур зависит от отношений ω12, хmm и начальной разности фаз ср.

Параметры движения тела, участвующего одновременно в двух колебательных движениях, изучают на электрической модели, при наблюдении движения электронного луча по экрану осциллографа под действием переменного электрического поля и на механической модели (движение песочного маятника).

Задание 4.2.3. Сложение двух взаимно перпендикулярных колебаний с помощью осциллографа.

Отключите генератор развертки осциллографа. Подайте на горизонтально отклоняющие пластины (вход х) напряжение от выходных клемм звукового генератора 1 на частоте примерно 200 Гц. На вертикально отклоняющие пластины (вход у) подайте напряжение от выходных клемм звукового генератора 2. Плавно изменяя частоту выходного напряжения звукового генератора 2, получите на экране осциллографа фигуры, соответствующие отношениям частот слагаемых колебаний: 1:1, 1:2, 2:1, 1:3 и 2:3. Нарисуйте наблюдаемые фигуры. Произведите вычисления углов (φ) по формуле (12)

Задание 5. Дополнительное

Исследование пилообразного напряжения.

Установите переключатель «Вход Y» в положение «~», «V/дел.» — 1В/дел. Подайте на «Вход Y» сигнал с выхода развертки второго (вспомогательного) осциллографа .

Получите устойчивое изображение. Зарисуйте полученную ос­циллограмму. Определите амплитуду и частоту исследуемого сиг­нала. Запишите в протокол результаты.

Вопросы и упражнения

1. Какова связь между напряженностью и потенциалом для случаев электростатического поля: а) точечного заряда; б) произвольной кон­фигурации?

2. Как будет двигаться заряд, влетевший в однородное электростати­ческое поле: а) параллельно линиям поля; б) перпендикулярно линиям поля; в) под углом к линиям поля?

3. Как будет двигаться пятно на экране осциллографа, если на Y-пластины последнего подать напряжение городской сети?

4. Как изменить размеры светящегося пятна на экране осциллографа?

5. Для чего служит генератор развертки?

6. Как будет двигаться светящееся пятно на экране осциллографа, если на Y-пластины последнего подать напряжение с выхода генератора развертки?

7. Как с помощью осциллографа определить частоту и амплитуду ис­следуемого напряжения?



Похожие:

Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconЛабораторная работа №29 исследование электрических затухающих колебаний
Цель работы: ознакомление с методом получения затухающих электрических колебаний и определение параметров колебательного контура...
Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconЛабораторная работа №23 Исследование электрических свойств сегнетоэлектриков
Получить на экране осциллографа зависимость индукции от напряженности электрического поля в сегнетоэлектрике
Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconЛабораторная работа №3 исследование гистерезиса ферромагнетиков в переменном магнитном поле
Цель работы состоит в практическом изучении магнитных характеристик ферромагнетиков в переменных полях и приобретении экспериментальных...
Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconТема: “Измерение параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа ”
Приобретение навыков измерения параметров гармонического напряжения с помощью осциллографа. Получение сведений о характеристиках...
Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconЛабораторная работа № : «Исследование методов сложения колебаний»
Различают сложение колебаний, направленных вдоль одной прямой и взаимно перпендикулярных колебаний
Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconЛабораторная работа №20 изучение осциллографа и проверка градуировки звукового генератора по частоте
Цель работы: изучение закономерностей сложения взаимно перпендикулярных колебаний. Работа состоит из двух частей. В первой части...
Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconЛабораторная работа №2 «Исследование динамики гармонических колебаний в поле силы тяжести» Какие силы называются консервативными?
Лабораторная работа №2 «Исследование динамики гармонических колебаний в поле силы тяжести»
Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconЛабораторная работа №2: Исследование неразветвленной и разветвленной электрических цепей постоянного тока

Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconЛабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений
Цель работы – экспериментальное исследование электрических и механических свойств монтажных соединений, полученных пайкой в различных...
Лабораторная работа №7 Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа iconЛабораторная работа №1 Исследование линейной электрической цепи постоянного тока
Экспериментально подтвердить справедливость основных законов теории электрических цепей
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org