05032013_3225 / РАБ.№10-2

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория электричества и магнетизма №2(114)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Отредактировано: доцент Русских И.Т.

Ижевск 2013

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Приборы и принадлежности: 1) электроннолучевой осциллограф типа С1-1,

2) вольтметр, 3) автотрансформатор.

Электроннолучевой осциллограф является одним из основных приборов для изучения быстропеременных электрических процессов, а также неэлектрических процессов, которые можно преобразовать в соответствующие изменения напряжения электрического тока.

Электроннолучевой осциллограф (рис.1) состоит из нескольких узлов: электроннолучевой трубки ЭЛТ, усилителя вертикальных и горизонтальных отклонений, генератора пилообразного напряжения, блока питания.

Рис. 1

2

3

4

Электроннолучевая трубка представляет собой стеклянную колбу конусообразной формы. В трубке создан высокий вакуум, и в её узкой горловине размещены электроды и электронная пушка. Катод 3, выполненный в виде металлического цилиндра со слегка вогнутой торцевой поверхностью, снабжен подогревателем со спиралью 1, помещённой внутри фарфоровой трубочки 2. Когда спираль 1 включена под напряжение накала, по ней протекает ток, преобразующийся в тепло, и свободные электроны излучаются с нагретого катода 3. Для усиления излучения на торцевую поверхность нанесли оксидный слой. Против торцевой части катода 3 расположен управляющий электрод 4 в виде металлического цилиндра с небольшим от­верстием, роль которого аналогична роли управляющей сетки в электронных лампах. На определённом удалении от него расположен фокусирующий анод 5, а на некотором расстоянии от последнего — ускоряющий анод 6. Оба анода имеют цилиндрическую форму. Через отверстие в электроде 4 пролетают электроны, излучённые нагретым катодом. Управляющему элект­роду 4 придан отрицательный потенциал относительно потенциала катода 3, а аноды 5 и 6 имеют положительный потенциал по отношению к нему, поэтому электроны, обладающие отрицательным зарядом, отталкиваются от поверхности управляющего электрода 4 к его оси и через отверстие устремляются к анодам, имеющим положительные потенциалы.

Широкое основание колбы покрыто изнутри люминофором, который светится при попадании на него свободных электронов. Изменяя потенциалы управляющего электрода 4 и анода 6, можно изменять количество и скорость электронов, покидающих катод, и, следовательно, яркость светящегося пятна на экране 8. А регулируя потенциал фокусирующего анода 5 и тем самым изменяя конфигурацию электрического поля, можно фокусировать пучок электронов, добиваясь образования маленькой (0,2 – 0,5 мм) светящейся точки на экране. Потенциал анода 6 обычно поддерживается постоянным, а потенциалы управляющего электрода и фокусирующего анода 5 регулируются в процессе подготовки осциллографа к работе.

Электроды, размещённые в горловине трубки, формируют направленный сфокусированный электронный луч 7, который проходит через две пары взаимно перпендикулярных металлических пластин В-В и Г-Г, называемых отклоняющими.

Электроны, обладая отрицательным зарядом, притягиваются пластиной, имеющей положительный потенциал, и отталкиваются пластиной, имеющей отрицательный потенциал. Подавая на отклоняющие пластины соответс­твующее напряжение, можно получить большее или меньшее отклонение электронного луча вверх или вниз, вправо или влево и изменять таким образом его направление.

Пусть под действием приложенного напряжения U_x к пластинам Г-Г след электронного луча смещается на величину X в горизонтальном направлении, а под действием U_у, приложенного к пластинам В-В на величину Y в вертикальном направлении.

Величины , (1)

называются чувствительностями трубки к напряжению соответственно в направлениях осей X и Y. Чувствительность к напряжению показывает величину отклонения электронного луча на экране при разности потенциалов на пластинах в 1 В и измеряется в мм/н.

ГЕНЕРАТОР РАЗВЁРТКИ

Если исследуемое переменное напряжение

(2)

подать на вертикально отклоняющиеся пластины В-В, то световое пятно на экране будет совершать колебания. Вследствие световой инерции, способности нашего глаза сохранять некоторое время полученное световое восприятие, на экране будет видна неподвижная вертикальная линия (рис. 2а).

а)

б)

Рис. 2

Пусть одновременно напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах возрастёт по линейному закону

(3)

Под действием этого напряжения пятно на экране осциллографа будет равномерно перемещаться слева направо. Результирующая траектория луча представляет зависимость исследуемого напряжения от времени (рис. 2б).

Действительно, из формулы (1), (2) и (3) следует, что

При постоянных и величины и постоянны, поэтому y = y(x) является синусоидой, вычерченной электронным лучом на экране трубки в определённом масштабе. Если по истечении времени равного периоду исследуемого колебания, напряжение на горизонтально-отклоняющих пластинах U_x скачком падает до 0, то световое пятно скачком возвращается в исходное положение. Если U_x снова возрастает по тому же закону, то на экране трубки вновь воспроизводится синусоида. Таким образом, для получения развёртки исследуемого напряжения по времени на горизонтально отклоняющие пластины необходимо подать пилообразное напряжение (рис. 3б), причем периоды пилообразного и исследуемого напряжения должны с

Т

U

овпадать.

U

а)

б)

Рис. 3

Если период развёртывающего пилообразного напряжения кратен периоду исследуемого, например, больше его, то на экране получится изображение нескольких полных колебаний. При неравенстве и некратности периодов кривая на экране будет двигаться. Источником пилообразного напряжения является релаксационный генератор, называемый генеретором развёртки. Одна из простейших принципиальных схем такого генератора с тиратроном (ионной трёхэлектродной лампой) показана на рис.За.

Конденсатор С заряжается от источника постоянного тока с напряжением U через большое сопротивление r до тех пор, пока напряжение U_c на его обкладках не станет равным напряжению зажигания тиратрона U_з.

Когда напряжение U_c на обкладках конденсатора будет равно напряжению U_з, тиратрон зажжётся и конденсатор начнёт разряжаться, так как горящий (открытый) тиратрон представляет значительно меньшее сопротивление, чем сопротивление r. С разрядкой конденсатора напряжение на его обкладках падает и достигает значения, равного напряжению U_п погасания тиратрона. В этот момент тиратрон гаснет, его сопротивление становится большим, и конденсатор снова начинает заряжаться.

Напряжение U_з зажигания тиратрона зависит от напряжения U_ст на его сетке. Поэтому меняя делителем напряжение R₁ напряжение U_ст, можно регулировать величину напряжения зажигания.

Таким образом, напряжение на обкладках конденсатора за время заряда t₃ равномерно возрастает, а потом за время разряда t_р быстро падает t₃ >> t_p. Этот процесс повторяется с периодом Т = t₃ + t_p. Вид кривой напряжения на обкладках конденсатора показан на рис.3б. Регулируя напряжение U_cт на сетке тиратрона и произведение rС, можно изменять амплитуду и частоту снимаемого с генератора развёртывающего пилообразного напряжения U_p. Для получения неподвижного изображения служит специальная цепь синхронизации, показанная на рис. За в виде трансформатора в цепи сетки тиратрона. На первичную обмотку этого трансформатора подаётся исследуемое напряжение, это приводит к синхронизации развёртывающего напряжения с исследуемым.

УСИЛИТЕЛИ ВЕРТИКАЛЬНОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЙ служат для того, чтобы можно было получить на экране достаточно большой масштаб кривой исследуемой величины при малых значениях напряжений, подаваемых на вход усилителя. Характеристика электронных усилителей вертикального и горизонтального отклонений в значительной мере определяют качество работы электронного осциллографа, его чувствительность и область его использования.

БЛОК ПИТАНИЯ предназначен для питания всех цепей: ЭЛТ, генератора развёртки, усилителей. Этот блок представляет собой совокупность силового трансформатора, нескольких выпрямителей и предохранителей.

Для питания цепей ЭЛТ нужно постоянное напряжение порядка 600 - 5000 В (в зависимости от типа трубки), а для питания цепей развёртки и усилителей – напряжение 200 - 500 В. Помимо этого, надо обеспечить питание цепей ЭЛТ и остальных электронных ламп напряжением 6 - 12 В. Современные электронные осциллографы рассчитаны на питание от сети переменного тока напряжением 127 и 220 В.

Управление всеми блоками производится рукоятками, выведенными на лицевую панель корпуса. Около каждой рукоятки сделана на панели соответствующая поясняющая надпись. Внешний вид передней панели электроннолучевого осциллографа типа С1-1 показана на рис.4.

Яркость и фокусировка электронного луча осуществляются при помощи делителя напряжения, состоящего из регулируемых сопротивлений (см. рис.1), подключаемых к блоку питания. Исследуемое напряжение U_y подаётся непосредственно или через усилитель на отклоняющие пластины В-В. На пластины Г-Г через переключатель П поступает напряжение U_x от какого-либо постороннего источника или пилообразное напряжение от Рис.4. генератора развёртки. Напряжение развёртки через специальные устройства, влияющие на напряжение управляющего электрода (рис. За) синхронизируется с исследуемым напряжением.

Степень усиления исследуемого и развёртывающего напряжений регулируется в определённых пределах. Если исследуемое напряжение больше допустимого, то оно подаётся на отклоняющие пластины через делитель напряжения.

УПРАЖНЕНИЕ 1

ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ СИНУСОИДЫ НА ЭКРАНЕ ОСЦИЛЛОГРАФА

Перед включением осциллографа ручки регуляторов лицевой панели

установить в следующем положении: ручки "яркость", "фокус", "ось Y",

"амплитуда синхронизации", "ось X", "частота плавно", "усиление Y" и

"усиление X" — в среднем положении; ручку "ослабление" — 1:100, ручку

"диапазон частот" — в положение 7, ручку "синхронизации" в положение "внутрь".

Вилку шнура осциллографа включить в сеть, включить тумблер "сеть" (при этом должна загореться сигнальная лампочка). Через 1-2 минуты после прогрева лампы на экране должен появиться ясный зеленый штрих. Если штрих не появляется на экране, то это обычно является следствием слишком большого отклонения луча за пределы экрана трубки. Для приведения луча в пределы экрана необходимо устанавливать регулятор "ось X" постепенно в разные положения и в каждом из этих положений медленно поворачивать регулятор "ось Y" до тех пор, пока штрих луча не появится точно на середине экрана.

Уменьшить яркость луча регулятором "яркость". Регулировкой фокуса установить чёткое изображение.

Подключить источник тока к осциллографу к "клеммам вход Y" и "Земля"; получить неподвижное изображение синусоиды с помощью регулировки ручками "частота плавно" и "амплитуда синхронизации". Размер изображения отрегулировать ручками "усиление". Кривую, полученную на экране зарисовать в тетрадь.

УПРАЖНЕНИЕ 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ОТКЛОНЯЮЩИХ ПЛАСТИН ТРУБКИ ОСЦИЛЛОГРАФА

В данном упражнении изучается работа электроннолучевой трубки 13Л037 осциллографа С1-1. На задней панели осциллографа тумблерами отключают усилители напряжения U_x и U_у, устанавливая тумблер X и Y в верхнее положение. Выключают генератор развёртки, устанавливая переключатель "диапазоны частот" в положение "выкл". Включают осциллограф и выводят световое пятно в центр координаторной сетки с помощью рукояток "ось Y вниз вверх", "ось X влево вправо". Подключают к клеммам X на задней панели автотрансформатор и вольтметр в соответствии с

X

Y

рис. 5.

Подают последовательно напряжение 10, 20, З0 В и для каждого значения измеряют по координатной сетке длину световой линии в миллиметрax. Вычисляют чувствительность по формуле

Аналогично определяют чувствительность вертикально отклоняющих пластин.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Начертите схему электроннолучевой трубки, объясните её устройство и принцип действия.

2. Для каких целей служит электронный осциллограф?

3. Что такое чувствительность трубки?

4. Каково назначение генератора развёртки?

5. Как получить на экране форму любого периодического напряжения?

6. Каким образом с помощью осциллографа можно измерить напряжение?

ЛИТЕРАТУРА

1. Зисман Г. А., Тодес О.М. "Курс общей физики" т.2, §38.

2. Савельев И.В. "Курс общей физики" т.2, §65.

2