Подготовка осциллографа к работе.

Ручки управления установить в следующие положения: “яркость” - в крайнее правое положение; “фокус” - в среднее положение; “усиление У”, “усиление Х” - в крайнее правое положение; ручки смещения луча “смещ. У”, “смещ. Х” - в среднее положение; переключатель “диапазоны” - в положение “30”; ручку “синхронизация” - в положение “внутр.”; ручку “ослабление” - в положение “1:1”.

Тумблер выключателя сети установить в положение “Вкл.”, при этом должна загореться сигнальная лампочка. Через 1-3 мин. после включения осциллографа на экране должен появиться яркий горизонтальный штрих. Ручками “смещ. У”, “смещ. Х” установить изображение в центре экрана, ручкой “фокус” установить четкое изображение, уменьшая при необходимости яркость штриха.

Соединить проводником гнездо “контр. сигнал” с зажимом “вход У” (на передней панели). Ручками “усиление У” и “усиление Х” установить на экране величину изображения, удобную для рассмотрения (от 2 до 8 делений масштабной сетки).

Ручкой “частота плавно” установить такую частоту развертки, чтобы на экране установился один или несколько периодов колебаний. Вращая ручку “синхронизация усиления”, установить неподвижное изображение правильной синусоиды. Осциллограф готов к работе.

В работе исследуется схема, изображенная на рис. 9. В схеме имеется генератор опорных сигналов, частота которых f₀ известна и может быть установлена с помощью соответствующего потенциометра на генераторе. Напряжение известной частоты f₀ подается на вертикальные пластины “вход У”.

Генератор неизвестной частоты связан с “входом Х”; на шкале генератора неизвестной частоты f_x имеются отметки частот f₁, f₂, f₃, f₄ и т. д., которые необходимо определить в процессе исследования с помощью метода фигур Лиссажу.

Поскольку в данной работе не предусмотрено применение специальных схем синхронизации работы двух генераторов, то фазы опорного сигнала и сигнала неизвестной частоты постоянно меняются. В связи с этим разность фаз между сигналами постоянно изменяется. Изменения разности фаз приводит к изменению вида фигуры Лиссажу при одних и тех же отношениях частот. Изменения фазы сигнала проявляется в том, что на экране осциллографа фигура Лиссажу непрерывно меняет форму, в связи с чем создается впечатление, что фигура Лиссажу перемещается по экрану. По форме фигуры Лиссажу может быть определена разность фаз между сигналами.

Измерения и обработка результатов.

Для определения частоты неизвестного синусоидального сигнала существует три метода. Вам нужно проделать все три. Они описаны ниже. Подготовьте осциллограф к работе как показано выше.

1.Самый простой и точный способ измерения частоты с помощью частотомера. Подсоедините его к осциллографу и измерьте частоту.

2.Менее точный способ - это проведя калибровку на осциллографе. С помощью встроенного генератора частоты 2кГц подать сигнал на осциллограф и измерить период синусоиды (в клеточках). Затем подать ваш неизвестный сигнал и так же измерить период. Зная период, вычислить частоту, используя формулу:  = 1 / Т

3.Наимение точный и наиболее трудоемкий способ - это вычисление частоты с помощью фигур Лиссажу.

Включите генератор неизвестного сигнала. При работе двух генераторов получаться фигуры Лиссажу. Установите частоту f₁x или f₂x на генераторе неизвестной частоты. Наблюдайте форму фигуры Лиссажу. Если фигура Лиссажу быстро меняется, то допускается небольшое изменение частоты опорного сигнала или частоты f_x. “Зафиксировать” на экране и зарисовать наиболее простую форму фигуры Лиссажу.

Согласно теории форма фигуры Лиссажу зависит от соотношения частот неизвестного и опорного сигналов. Фигура Лиссажу пересекается линиями ХХ и УУ, параллельными условным осям Х и У (см. рис.10).

Необходимо подсчитать число пересечений каждой из линий ХХ и УУ с фигурой Лиссажу, видимой на экране. Неизвестная частота может быть определена по формуле:

f_x = f_y*n_y / n_x, (6)

где f_x, f_y -частоты сигналов, подаваемых на пластины Х и У соответственно; n_x, n_y - число пересечений линий ХХ и УУ с фигурой Лиссажу. Поскольку в данном случае f_y = f₀, то неизвестная частота f_x = f₀*n_y/n_x. Например, на рис. 10 изображены различные формы фигур Лиссажу и отношения n_y/n_x для них. Определить неизвестную частоту f_x, подаваемую от генератора.

Зарисовать форму фигуры Лиссажу для различных частот и разности фаз сигналов. Проанализировать полученные данные.

ПРИЛОЖЕНИЯ

• Осциллограф.

Электронный осциллограф предназначен для исследования быстропеременных периодических процессов. С помощью осциллографа можно измерять силу тока, напряжение, изменение их во времени, сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений.

Достоинствами электронно-лучевого осциллографа являются его высокая чувствительность, безынерционность, что позволяет исследовать процессы, длительность которых составляет 10^-6- 10^-9 с.

Электронный осциллограф обладает большим входным сопротивлением.

Рис.1а

Рис.1б

Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис. 1), представляющая собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух, с находящимися внутри электродами. С одного конца баллон имеет расширение, на торцевую часть которого нанесен слой вещества, светящегося под ударами электронов.

На рис. 1 показано схематическое изображение электронно-лучевой трубки с электростатическим отклонением луча. Источником электронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Между катодом и первым анодом 4 приложено напряжение порядка 10³ В, поэтому электроны ускоряются электрическим полем и попадают на флюоресцирующий экран 8, вызывая его свечение.

Катод находится внутри цилиндра 3, являющегося управляющим электродом. В основании цилиндра сделано отверстие для пропускание узкого электронного пучка. Подводя отрицательный потенциал к цилиндру, можно уменьшить количество электронов, проходящих через его отверстие, а следовательно, и яркость пятна на экране трубки.

Анод 5, потенциал которого выше первого, служит для фокусирования электронного пучка. Регулируя потенциал второго анода, можно получить на экране трубки ярко светящуюся точку. Выйдя из анода 5, электронный луч за счет электростатического поля отклонится от первоначального положения, так как электроны будут притягиваться к пластине, заряженной положительно, и отталкиваться от пластины, заряженной отрицательно.

Изменяя напряжение на пластинах, можно переместить электронный луч в любую точку экрана. Воздействие периодического напряжения только на пластины вертикального отклонения вызовет периодическое перемещение луча в вертикальной плоскости. Если частота действующего напряжение не очень низка, то благодаря инерционным свойствам глаза и экрана в этом случае отметка на экране будет восприниматься наблюдателем как прямолинейный отрезок. Величена смещения электронного луча по оси Х (вправо или влево) под действием постоянного напряжения V_x, приложенного к пластинам, оценивается величиной Н_х: смещение по оси У (вверх или вниз) под действием напряжения V_y оценивается величиной Н_у (рис.1,б). При этом выполняются соотношения:

; (1)

где h_x, h_y -коэффициенты пропорциональности, выражающие чувствительность электронно-лучевой трубки и представляющие собой линейное смещение луча на экране при отклоняющем напряжении 1В.

Чувствительность трубок по вертикали и горизонтали неодинакова, так как пластины вертикального и горизонтального отклонения находятся на разных расстояниях от экрана.

Непосредственным преобразователем электрической энергии в световую являются катодолюминофоры (или просто люминофоры) - вещества, способные к свечению при бомбардировки их электронами. Люминофор наносится на сферическую поверхность с внутренней стороны трубки и образует экран 8. На практике применяют люминофоры с зеленым свечением (виллемит), белым свечением (сульфид цинка), синим свечением (вольфрамат кальция).

ЛИТЕРАТУРА

1. И.В. Савельев. Курс общей физики, т.2. М., «Наука», 1978

2. С.Г. Калашников. Электричество. М., «Наука», 1977