Методическое пособие к работе N 241

Методическое пособие к работе N 241

Изучение электронного осциллографа

Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы универсального электронного осциллографа, изучение формы электрических сигналов, а также измерение их амплитудных и временных характеристик.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф С1-117/1, генератор сигналов низкочастотный Г3-112/1, кабели и соединительные провода.

Устройство и принцип работы электронного осциллографа

Электронный осциллограф является современным прибором, предназначенным для исследования быстропеременных электрических процессов. Осциллограф обладает высокой чувствительностью, сравнительно большой точностью измерений и является практически безинерционным прибором.

Основные узлы (блоки) электронного осциллографа:

1) электронно-лучевая трубка

2) усилители вертикального и горизонтального отклонения луча

3) блок развертки

4) блок синхронизации

5) блок питания

Электронно-лучевая трубка.

Электронно-лучевые трубки делятся на два типа - с электростатическим и электромагнитным управлением электронным лучом. В первом случае управление электронным лучом осуществляется электрическим полем, во втором - магнитным. Ниже рассматривается устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением.

Электронно-лучевая трубка (рис.1) представляет собой вакуумированный стеклянный баллон, давление около 10^-6мм.рт.ст., внутри которого находятся электронная пушка, отклоняющие пластины и экран.

Рис. 1. Электронно-лучевая трубка

Электронная пушка предназначена для получения и фокусировки на экране электронного луча. Она состоит из катода (2), нити накала (1), управляющего электрода – сетки (3) и двух анодов (4, 5). Управляющий электрод предназначен для регулировки яркости (интенсивности) электронного луча. С помощью анодов производится фокусировка и ускорение электронного пучка.

Электроны, испускаемые нагретым катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются электрическим полем, создаваемым системой анодов. Первый анод (4) – цилиндрический с двумя или тремя диафрагмами, которые служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условию фокусировки. Второй анод (5) – также цилиндрический, но большего диаметра. Оба анода имеют положительные потенциалы относительно катода, потенциал первого анода U_a₁ » 1 кВ, потенциал второго анода U_a₂ » 4 кВ. Работа электрического поля, создаваемого системой анодов, идет на увеличение кинетической энергии электронов в электронном луче:

(1.1)

Под действием электрического поля анодов электроны развивают скорость порядка 10³-10⁴ м/с и быстро достигают экрана. Экран покрыт специальным люминесцирующим составом, который светится под действием ударов электронов. Таким образом, электронный луч прочерчивает видимый глазом след на экране осциллографа.

Управляющий электрод-сетка (3), выполненный в виде цилиндра с отверстием, имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поле этого электрода сжимает электронный пучок, отклоняя его к оси трубки. При увеличении отрицательного потенциала управляющего электрода часть электронов настолько сильно отклонится от оси пучка, что не пройдет через его отверстие. При этом интенсивность электронного пучка, а, следовательно, и яркость луча на экране осциллографа уменьшается.

Электронный луч можно направить в любую точку экрана (8) с помощью двух пар управляющих пластин (6) и (7), на которые подается соответствующее напряжение. Под действием электрического поля отклоняющих пластин пучок электронов смещается в горизонтальном или в вертикальном направлении. Малая масса электронов обеспечивает малую инерционность электронного луча, поэтому электронный луч практически мгновенно реагирует на изменения напряжения на отклоняющих пластинах.

Более подробно с принципом фокусировки электронного пучка и действием отклоняющих пластин на электронный луч можно ознакомиться в приложениях 1 и 2.

Блок развертки

Исследуемый электрический сигнал (напряжение) после усиления поступает на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Допустим, что на вертикально отклоняющие пластины подается переменное напряжение синусоидальной формы

U = U₀ sin wt (1.2)

Под влиянием этого напряжения пучок электронов будет периодически смещаться по вертикали с частотой этого напряжения. Если не развернуть это напряжение вдоль горизонтальной оси во времени, то на экране (вследствие длительности послесвечения) получится вертикальный отрезок прямой.

На горизонтально отклоняющие пластины подается так называемое напряжение развертки, которое вырабатывается в самом осциллографе специальным генератором развертки. Напряжение развертки имеет пилообразную форму, рис.2.

Так как пилообразное напряжение нарастает со временем линейно, то смещение электронного луча по горизонтали будет происходить пропорционально времени. За время t₁ луч перемещается по экрану слева направо, за время t₂ – быстро возвращается назад ( t₂< < t₁). Поэтому под действием напряжения развертки пучок электронов периодически перемещается в горизонтальном направлении с частотой напряжения развертки. Вследствие длительности послесвечения экрана мы увидим горизонтальную линию.

При подаче исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины, а напряжения развертки – на горизонтально отклоняющие пластины, электронный луч начнет смещаться и по вертикали и по горизонтали одновременно. Совместное действие обеих пар отклоняющих пластин позволит наблюдать на экране изменение исследуемого сигнала во времени. Для удобства наблюдения во время обратного хода луча выполняется его гашение. Пилообразное напряжение делают симметричным относительно нуля, чтобы при выключенном генераторе развертки луч находился в центре экрана.

Блок синхронизации

При исследовании периодических процессов важно получить на экране неподвижное изображение исследуемого сигнала. Для этого нужно, чтобы период пилообразного напряжения развертки Т_разв был равен или кратен периоду Т_сигн исследуемого сигнала (рис.3):

Т_разв = m× Т_сигн, (1.3)

где m = 1, 2, 3...любое целое число.

Рис.4. Изображение исследуемого сигнала на экране осциллографа: а) Т_разв = Т_сигн, (при m = 1); б) Т_разв = 2× Т_сигн, (при m = 2); в) Т_разв = 3× Т_сигн, (при m = 3); г) Т_разв ¹ Т_сигн, (m - нецелое число).

На рис.4 показаны изображения исследуемого сигнала на экране осциллографа при выполнении условия кратности периода развертки и периода сигнала (рис. 4 - а, б, в) и при нарушении этого условия (рис. 4-г).

Поскольку с помощью осциллографа изучаются электрические сигналы с разными периодами, то в генераторе развертки предусмотрена возможность изменения периода Т_разв напряжения развертки. Но достаточно точное соотношение периодов соблюсти непросто из-за нестабильности генератора развертки или самого исследуемого процесса. Принудительное согласование периодов Т_разв и Т_сигн осуществляется блоком синхронизации, с помощью которого в генераторе развертки устанавливаются вынужденные колебания с частотой исследуемого сигнала.

Описание установки

Выполнение работы

Приложения

Список рекомендуемой литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1982, Т.2.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. школа, 1985.

3. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл.ред. А.М.Прохоров. М.: Большая российская энциклопедия, 1998.

Методическое пособие к работе N 241