Лицевая панель осциллографов С1-93 и С1-83

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы:ознакомление с устройством электронного осциллографа; изучение с помощью этого прибора процессов в простых электрических цепях.

Приборы и оборудование:

1. Электронный осциллограф С1-83 или С1-93.

2. Звуковой генератор ГЗ-112 или ГЗ-113.

3. Модуль «ФПЭ-09/ПИ».

4. Источник питания «ИП».

5. Комплект соединительных кабелей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Устройство электронного осциллографа

Электронный осциллограф - прибор, предназначенный для исследования бысторопротекающих процессов в электрических цепях.

На экране электроннолучевой трубки осциллографа можно получить графическое изображение зависимостей двух видов: временных у = f(t) и функциональных у = f(х). В первом случае функциональное отклонение луча осуществляется с постоянной скоростью, для чего на пластины X от внутреннего генератора развертки подается напряжение, увеличивающееся строго пропорционально времени t (пилообразное напряжение) (рис.1.1). Во втором случае развертка по горизонтали осуществляется напряжением сигнала, пропорционального какой-либо величине х. Основные узлы осциллографа приведены на рис. 1.2.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)

По принципу отклонения и фокусировки электронного луча различают два вида ЭЛТ: электростатические и магнитные.

На рис.1.3 показано устройство электростатической трубки. Внутри стеклянного баллона, откачанного до давления 10^-4 Па, помещается ряд электродов. Источником электронов служит оксидный подогревный катод К, окруженный цилиндром М с маленьким отверстием в центре. Этот электрод называется управляющим, или модулятором. Регулируя отрицательный потенциал этого электрода, можно менять ток пучка и соответственно яркость изображения.

Электроны, прошедшие отверстие в управляющем электроде, ускоряются электрическим полем фокусирующего электрода Ф (первого анода), так как он имеет положительный потенциал относительно катода. Пройдя ограничивающие диафрагмы фокусирующего электрода, пучок ускоряется вторым анодом А, на который подается положительное напряжение порядка 1000 В.

Проходя в зазорах между электродами, где сосредоточено электростатическое поле, электроны пучка помимо ускорения испытывают радиальное смещение и отклоняются к оси. Действие таких электрических полей похоже на действие оптических линз. Это помогает понять рис.1.4.

Влетая слева в зазор между электродами Ф и А, электрон отклоняется полем сначала вниз, а затем вверх от горизонтальной оси, т.е. слева поле действует как собирающая поверхность линзы, а справа - как рассеивающая. Одновременно электрон ускоряется электрическим полем и его осевая скорость справа v₂ становится

больше скорости слева V_г Поле сильнее искривляет траекторию медленного электрона, чем более быстрого. Поэтому собирающее действие электронной линзы преобладает над ее рассеивающим действием, в результате чего линза отклоняет электроны пучка к оси, т.е. всегда является собирающей. Меняя потенциал одного из электродов, например потенциал электрода Ф (ручка «ФОКУС»), можно легко регулировать преломляющую силу электронной линзы и фокусировать пучок на экране трубки.

Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами пластин, которые отклоняют его в двух взаимно перпен­дикулярных направлениях X и Y. Величина смещения пятна на флуоресцирующем экране пропорциональна приложенному к пластинам напряжению. Убедиться в том, что это именно так, можно, решив задачу отклонения пучка полем в плоском конденсаторе (см.раздел «Чувствительность прибора»).

Усилители сигналов

Напряжение, требуемое для полного вертикального отклонения электронного пучка вдоль экрана (без усиления) составило б г 200...300 В. Чтобы получить заметное отклонение луча для очень малых сигналов: - 0,01 В, необходимо иметь дополнительное усиление в десятки тысяч раз. Усилитель канала «X» имеет обычно меньший коэффициент усиления — 100...1000.

Усилители каналов «Y» имеют калиброванные ступенчатые и плавные регуляторы коэффициентов усиления.

Генератор развертки

Как уже упоминалось выше, для того, чтобы на экране осциллографа можно было увидеть как в каком-либо физическом процессе некоторая величина у изменяется в зависимости от поведения другой величины х (у — f(x)), необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение U_х, пропорциональное величине х, а на вертикально отклоняющие пластины одновременно подать напряжение U , пропорциональное величине у. Тогда электронный луч на экране начертит кривую, соответствующую зависимости у — f(x). Если заставить луч многократно повторять свой путь по экрану, то вследствие инерционности глаза наблюдатель увидит неподвижный график зависимости у = f(x).

На практике часто приходится наблюдать изменение различных физических величин от времени, т.е. функции вида у = f(t). При этом на вертикально отклоняющие пластины необходимо подать напряжение, пропорциональное исследуемой величине у, а на горизонтально отклоняющие пластины — напряжение, изменяющееся линейно со временем t.

Напряжение, величина которого меняется пропорционально времени, называется «пилообразным» напряжением и выра­батывается в осциллографе специальным «генератором развертки» (рис.1.2, 1.5).

Частоту развертки можно регулировать, что позволяет менять скорость горизонтального перемещения луча и исследовать сигналы разной длительности.

Генератор одновременно вырабатывает импульс подсветки луча во время прямого хода. Действие этого модулирующего импульса прекращается в конце периода развертки, поэтому обратный ход луча на экране не виден. Генератор может работать в непрерывном автоколебательном режиме при исследовании непрерывных периодических процессов и в ждущем режиме при исследовании прерывистых процессов. В последнем случае напряжение развертки вырабатывается только с приходом на вход осциллографа исследуемого импульсного сигнала. Следующий цикл развертки может начаться лишь с поступлением следующего запускающего импульса.

Синхронизатор

Для получения на экране трубки четкой картины необходимо, чтобы все периодически возникающие изображения накладывались

одно надругое. Это условие обеспечивается блоком синхронизации (Рис.1.2).

В режиме внутренней синхронизации запуск развертки принудительно начинается с приходом сигнала в момент времени, когда напряжение сигнала достигает некоторого порога. Блок синхронизации вырабатывает короткий импульс, заставляющий сработать генератор и выработать пилообразное напряжение. Это позволяет каждый раз с приходом сигнала как бы совмещать нуль оси времени, что и требуется (Рис. 1.5).

При необходимости сравнения длительности различиях процессов, измерениях фазы и т.п. за нуль оси времени можно выбрать момент появления другого сигнала, который и будет запускать генератор в режиме внешней синхронизации.

Регулировка порога срабатывания синхронизатора обеспечивается ручкой «Уровень запуска».

Калибраторы

Для градуировки вертикальной оси «Y» в единицах напряжения осциллограф снабжен специальным встроенным генератором, вырабатывающим напряжение известной амплитуды. для градуировки горизонтальной оси времени используется эталонный синусоидальный генератор известной частоты, т.е. с известным периодом.

Канал «Z»

В современных осциллографах имеется еще один канал, используемый для модуляции внешним сигналом интенсивности пучка и, соответственно, яркости. Усиленное напряжение сигнала прикладывается между катодом и управляющим электродом трубки. Вход этого канала обозначается на панели «Z - ось».

Блок питания вырабатывает необходимые напряжениядля питания трубки, ламп и транзисторов.

Чувствительность прибора

Как уже сказано выше, на пути к экрану электронный пучок проходит между двумя парами отклоняющих пластин. Разность потенциалов U, приложенная к пластинам, создает между ними электрическое поле напряженностью Е, которое отклоняет электронный луч и перемещает светящееся пятно по экрану. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (вдоль оси у), а вертикально расположенные - по горизонтали (вдоль оси х). Установим связь между напряжением на вертикально отклоняющих пластинах U и величиной смещения у_L на экране (см.рис.1.6).

Электрон с массой m влетает в однородное электрическое поле со скоростью V₀=V_z Вдоль оси z на электрон не действуют никакие силы (движение по инерции), поэтому в направлении z он движется равномерно:

В зазоре вертикально отклоняющих пластин на электрон действует кулоновская сила

Так как F=const, движение электрона вдоль оси у на участке длиной I будет равноускоренным (рис.1.6):

Величинуускорения а найдем из второго закона Ньютона:

где d- расстояние между пластинами.

Таккак Е = U/d, то смещение электрона вдоль оси у равно

Учитывая, что время пролета электроном участка длиной I равно t — l/v_a, для смещения y_t в конце пластин получаем

Из этой формулы видно, что траектория электрона на участке I между пластинами представляет собой параболу. Сразу же при выходе из пространства между отклоняющими пластинами электрон сместится относительно первоначального направления движения на некоторый угол а (см.рис.1.6), который определяется по формуле:

Зная tga, найдем смещение светящегося пятна на экране:

или, поскольку расстояние I много меньше L

Итак, смещение луча на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах.

Отклонение пятна на экране (в миллиметрах) 8 , вызванное напряжением в один вольт на отклоняющих пластинах, называется чувствительностью трубки:

Если U_a - потенциал второго анода А относительно катода К (рис.1.3), то кинетическая энергия электрона определяется из уравнения

Тогда чувствительностьэлектронной трубки равна

и зависит от расстояния между пластинами d, от расстояния до экрана L, а также от ускоряющего напряжения U₀ между вторым анодом А и катодом К.

Лицевая панель осциллографов С1-93 и С1-83

Рабочая часть экрана ЭЛТ осциллографа разбита координатной сеткой на десять делений по горизонтали и восемь делений по вертикали.

Кнопкой «ПИТАНИЕ» осциллограф включается в сеть, при этом загорается сигнальная лампочка;

Ф «Яркость» - ручка управления интенсивностью луча;

Q «Фокус» — ручка для регулировки размеров луча.

«<->» «-» — ручки для сдвига луча по осям X и Y;

«—>» — гнезда для подачи исследуемых напряжений в каналы «I-Y», «II-Y» и канал «X»; — переключатели входов каналов «Y» на «открытый» (~) и «закрытый» (~). При закрытом входе сигнал на усилитель подается через конденсатор и не пропускается постоянная составляющая сигнала.

Ступенчатый переключатель «V/ДЕЛ» вместе с ручкой плавной регулировки, расположенной на одной с ним оси, позволяют изменять размер изображения по вертикали. При откалиброванном усилителе «Y» (см.ниже) и зафиксированном положении ручки плавной регулировки в крайнем правом положении (ручка повернута по

часовой стрелке до щелчка), переключатель показывает цену деления вертикальной шкалы в вольтах. Переключатель «V/ДЕЛ» при калибровке усилителей каналов «Y» ставится в положение «V6 ДЕЛ».

Ступенчатый переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ» вместе с ручкой плавной регулировки позволяет изменять частоту генератора развертки, который включается кнопкой «СИНХРОНИЗАЦИЯ ВНУТР.», расположенной в правой части панели осциллографа. В крайнем правом положении ручки «ПЛАВНО» (ручка повернута по часовой стрелке до щелчка) и откалиброванном усилителе канала горизонтального отклонения, цена деления шкалы времени определяется по указателю переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ» (в секундах, миллисекундах или микросекундах).

Синхронизация генератора развертки может осуществляться как исследуемым напряжением, так и внешним сигналом, поданным на гнездо «X» (справа внизу).

Нужный режим синхронизации устанавливается кнопками и тумблерами. Ручка «УРОВЕНЬ» позволяет добиться устойчивого изображения на экране при любом режиме синхронизации (внутренней или внешней).

Тумблер с обозначениями " " и " "устанавливает блок синхронизации соответственно в режимы автоматического и ручного регулирования.

Кнопки с обозначениями «I», «...», «I+II», «—>—>•» и «И» служат для выбора режима работы поканально:

«I» — включен только первый канал; «II» — включается только второй канал;

«1+11» — на экране наблюдается алгебраическая сумма сигналов с каналов «I» и «II».

«...» — на экране наблюдается изображение сигналов обоих каналов одновременно; их переключение осуществляется с частотой 100 кГц внутренним коммутатором; режим используется при высоких частотах сигналов;

«->->» - на экране также наблюдается изображение сигналов обоих каналов, но их переключение осуществляется поочередно при каждом ходе развертки. Этот режим предпочтителен при низких частотах сигналов.

В осциллографе С1-83 имеются еще переключатели усиления

каналов в 10 раз (совмещены с ручкой «Ф»).

Для получения векторного сложения двух сигналов второй сигнал подается на вход «X» (в С1-83 на вход канала «I») и включается канал «X» кнопкой «—? X» в С1-93 или кнопками «X-Y» в С1-83. Внутренний генератор развертки при этом отключается.

Проведение измерений на осциллографе

Исходная установка

Установить ручки органов управления на лицевой панели в следующие положения;

O(«яркость») - крайнее левое;

0 («фокус») - среднее;

«V/ДЕЛ» - «0,02» («5mV» для С1-83), ручку плавной регулировки защелкнуть в правом положении;

« » - _I_ (вход «Y» замкнут на корпус);

переключатель каналов установить в положение «—>—>•»;

СИНХРОНИЗАЦИЯ - «ВНУТР.», канал «I», «ABT»;

«УРОВЕНЬ» - среднее;

кнопка масштаба развертки - в положение «xl»;

«ВРЕМЯ/ДЕЛ» - «1 mS», ручка «ПЛАВНО» - защелкнута.

Включение прибора

Включите кнопку «Питание». Дайте прибору прогреться 2-3 минуты и установите подходящую яркость изображения. Включите канал «I».

Ручкой <-> канала «I» совместите линию развертки с центром экрана.

Ручкой «ФОКУС» установите одинаковую четкость изображения по всей линии луча.

Калибровка усилителей осциллографа

Установите переключатель «V/ДЕЛ» канала «I» в положение «V6 ДЕЛ», а ручку меньшего диаметра защелкните в крайнем правом положении. Если величина появившегося изображения кали­бровочных импульсов не равна 6 делениям, то необходима калибровка. Для этого потенциометром «V», выведенным под шлиц на переднюю лицевую панель слева, установите величину изображения по вертикали, равную 6 делениям. После этого цифры на шкале ступенчатого регулятора адекватны «ЦЕНЕ» БОЛЬШОГО ДЕЛЕНИЯ оси Y на экране в ВОЛЬТАХ.

Калибровка коэффициента усиления канала «II» проводится аналогично.

После калибровки осциллограф готов к измерениям.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: