Щеглова И.Ю., Печенов В.В. Виртуальный физический практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Изучение электронного осциллографа.

Лабораторная работа № 2.2.

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.

1. Общие сведения об осциллографе.

Осциллографом называется прибор, предназначенный для изучения элек-

трических процессов путем их графического воспроизведения на экране элек-

тронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Простейший осциллограф должен иметь не ме-

нее двух блоков: электронно-лучевую трубку и источник питания. Для получе-

ния осциллограмм необходим генератор пилообразного напряжения (генератор

горизонтальной развертки). Такой генератор для удобства конструктивно объе-

диняют с другими блоками в осциллографе, имея возможность отключать его.

Так как амплитуда исследуемого сигнала часто бывает мала, целесообразно

предусмотреть усилитель вертикального отклонения. Для обеспечения необхо-

димой ширины развертки нужен еще и усилитель горизонтальной развертки.

2. Электронно-лучевая трубка.

ЭЛТ состоит из вакуумной колбы цилиндрической формы с расширением

к одному концу в виде конуса. Конусообразное расширение трубки заканчива-

ется почти плоской передней стенкой, покрытой внутри слоем люминофора –

это экран трубки Э. Внутри трубки находятся нить накала Н, катод К, модуля-

тор М, первый и второй аноды А

и А

, две пары взаимно перпендикулярных от-

клоняющих пластин Y и X. Если электроды описанной здесь простейшей трубки

соединить с источником напряжения в соответствие со схемой (рис. 1), то внут-

ри трубки можно получить узкий пучок электронов.

R1 R2

Рис. 1. Устройство простейшей электронно-лучевой трубки.

Нагретый катод испускает электроны (явление термоэлектронной эмис-

сии) под различными углами к его активной поверхности. Эти электроны попа-

дают в электрическое поле

модулятора (или управляющего электрода), имею-

щего отрицательный потенциал относительно катода. Этим полем пучок

сжимается и направляется в отверстие модулятора. Так формируется электрон-

ный пучок. Интенсивность пучка, а, следовательно, и яркость светящегося пят-

Изучение электронного осциллографа.

на на экране можно регулировать изменением потенциала модулятора с помо-

щью потенциометра R1, так как поле управляющего электрода помимо сжи-

мающего действия на поток оказывает еще и тормозящее действие на электро-

ны. При достаточно низких значениях потенциала управляющего электрода

можно добиться того, что ни один из электронов не сможет пройти через отвер-

стие модулятора.

После модулятора поток попадает в электрическое поле

первого (или фо-

кусирующего

) анода, который выполняется в виде диска или цилиндра, ось ко-

торого совпадает с осью трубки. Поперек его оси расположено несколько пере-

городок – диафрагм - с отверстиями в центре. На первый анод подается поло-

жительный относительно катода потенциал порядка нескольких сот вольт. Это

поле ускоряет электроны в пучке и благодаря своей конфигурации сжимает

электронный пучок. Так осуществляется фокусировка электронного пучка.

Главная фокусировка пучка осуществляется изменением потенциала первого

анода с помощью потенциометра R2.

Второй анод (или ускоряющий) пред-

ставляет собой короткий цилиндр, закрытый на конце, обращенном к экрану,

диафрагмой с отверстием в центре. Его располагают непосредственно за пер-

вым анодом и подают на него более высокое (1-5 кВ), чем на первый, положи-

тельное напряжение.

Внутреннюю поверхность стеклянного баллона трубки почти вплоть до

экрана покрывают проводящим слоем (

аквадаг) и называют третьим анодом

(А

), который соединяют со вторым. При помощи электрических полей анодов

электронам пучка сообщается необходимая скорость, кроме того, они фокуси-

руются на экране трубки. В соответствии с назначением и действием система

электродов

катод – модулятор - первый анод - второй анод образуют так на-

зываемую электронную пушку.

Если к пластинам Y или X приложить разность потенциалов, то электрон-

ный луч будет отклоняться в вертикальном или горизонтальном направлении.

Таким образом, претерпев на своем пути последовательно два взаимно перпен-

дикулярных отклонения, электронный луч может быть направлен в любую точ-

ку экрана трубки. При отсутствии отклоняющих напряжений на пластинах

электронный луч попадает в центр экрана.

Чувствительность трубки.

Рассмотрим отклоняющее действие одной

пары пластин, например, пластин Y, находящихся под напряжением

(рис. 2). Электрон влетает в пространство между пластинами вдоль оси трубки.

Попав в поле пластин, электрон отклоняется от оси. Смещение светового пятна

на экране S

. Очевидно, смещение тем больше, чем большее напряжение подано

на пластины.

Чувствительностью трубки к напряжению называется отклонение (в мил-

лиметрах) пятна на экране, вызванное разностью потенциалов в 1 В на откло-

няющих пластинах:

()

мм

= ,

Изучение электронного осциллографа.

где j – чувствительность трубки; S – смещение пятна на экране, отсчитываемое

от его центра; U – разность потенциалов между отклоняющим пластинами.

Рис. 2. Смещение электронного пучка на экране осциллографа.

Если на одну пару отклоняющих пластин (например, Y) подать постоян-

ное напряжение, то светящееся пятно на экране сместится вверх или вниз в за-

висимости от полярности поданного напряжения (при подаче постоянного на-

пряжения на пластины X пятно соответственно сместится вправо или влево).

Если же подать переменное напряжение, то электронный луч будет колебаться

в вертикальном или горизонтальном направлении (в зависимости от того, на

какую пару пластин подано напряжение), в результате пятно на экране также

будет колебаться относительно центра экрана. В том случае, когда частота ко-

лебаний достаточно велика, люминесценция участка экрана, по которому пере-

мещается луч, не успевает прекратиться, в результате чего мы видим светя-

щуюся линию (вертикальную или горизонтальную). Длина ее тем больше, чем

больше поданное напряжение.

3. Принцип действия осциллографа и фиксирование временных процессов

на экране осциллографа.

Чувствительность пластин, как правило, чрезвычайно мала (до 1 мм/В),

поэтому с помощью одной только ЭЛТ можно изучать сигналы большой вели-

чины. В современных осциллографах исследуемый сигнал подается на вход ка-

нала вертикального отклонения (канал

Y, клеммы "Вход – Земля") и после

усиления (в случае малой амплитуды) или ослабления (в случае, когда величи-

на исследуемого сигнала велика) поступает на вертикально отклоняющие пла-

стины (пластины Y).

В этом случае на экране осциллографа мы увидим либо смещение пятна,

либо вертикальный отрезок. Для получения действительной формы исследуе-

мого сигнала (так называемой

временной диаграммы, т.е. зависимости изучае-

мого напряжения от времени U(t)) необходимо заставить луч равномерно пере-

мещаться вдоль оси х от левого края экрана до правого, а затем быстро возвра-

щаться в исходное положение.

В соответствии с этим развертывающее напряжение, подаваемое на пла-

стины Х, должно

равномерно (и достаточно медленно) нарастать в течение не-

которого времени, а затем очень резко падать до первоначального значения.

График такого напряжения по форме напоминает зубцы пилы, поэтому это на-

Изучение электронного осциллографа.

пряжение (рис. 3) называется пилообразным и вырабатывается генератором

развертки.

Рис. 3. Пилообразное напряжение,

вырабатываемое генератором раз-

вертки.

Подадим на вертикально откло-

няющие пластины переменное напряже-

ние U

с периодом T

sin

max

а на горизонтально отклоняющие пла-

стины – напряжение развертки с перио-

дом Т

. В этом случае луч будет одно-

временно участвовать в двух движениях,

причем в зависимости от соотношения

частот (или, что то же самое, периодов)

исследуемого сигнала и развертки на эк-

ране осциллографа можно получать раз-

личное число периодов изучаемого на-

пряжения.

Очевидно, что при равенстве периодов на экране получится один период иссле-

дуемого напряжения (т.к. за время равномерного движения от левого края эк-

рана до правого луч успевает совершить одно полное колебание в вертикаль-

ном направлении). Через время T

луч вернется в крайнее левое положение и

снова начнет вычерчивать синусоиду, которая точно ляжет на первую, и на эк-

ране возникнет неподвижная осциллограмма. При

nTT

(где n – целое чис-

ло) осциллограмма будет представлять собой кривую из n периодов исследуе-

мого напряжения (рис. 4).

При незначительном нарушении указанного выше условия осциллограм-

ма начнет двигаться либо вправо, либо влево. Для устранения "подвижности"

осциллограммы пилообразное напряжение синхронизируется с исследуемым.

Синхронизация в простейшем случае состоит в том, что начало каждого перио-

да пилообразного напряжения принудительно (воздействием какого-либо сиг-

нала) совмещается с одной и той же фазой исследуемого сигнала. Тогда при

случайных изменениях частоты любого из этих напряжений они оказываются

синхронными. В качестве напряжения синхронизации в осциллографе часто

используют сам исследуемый сигнал ("внутренняя" синхронизация). Иногда

необходимо синхронизировать генератор каким-либо напряжением, не связан-

ным с исследуемым сигналом ("внешняя" синхронизация). Поэтому в генерато-

рах горизонтальной развертки обычно предусматривают возможность пере-

ключения вида синхронизации: "Внутренняя", "Внешняя", "От сети" (50 Гц). В

современных осциллографах генератор может работать в двух режимах –

не-

прерывной

(или автоматической) и ждущей развертки. В первом случае ге-

нератор работает даже тогда, когда на вход вертикального отклонения сигнал

не подается, и на экране наблюдается только линия развертки. Во втором - ге-

нератор приводится в действие только при подаче исследуемого напряжения.

Изучение электронного осциллографа.

Рис. 4. Получение на экране ЭЛТ осциллограммы переменного напряжения.

Изучение электронного осциллографа.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.

Осциллограф, представленный в программе Electronics Workbench

(рис. 5), может использоваться как для наблюдения временных диаграмм, так и

для изучения зависимости двух взаимосвязанных величин (реализуемой в виде

зависимости напряжения от напряжения). На рис. 5 слева – внешний вид ос-

циллографа в схеме (условное обозначение – служит только для подключения

осциллографа к схеме), справа – развернутое двойным щелчком окно осцилло-

графа для установки его параметров.

Осциллограф имеет два канала (каналы

А и В – "Channel A" и ""Channel В"),

каждый из которых в отдельности или оба вместе могут быть использованы как

каналы вертикального отклонения

Y (для наблюдения осциллограммы иссле-

дуемого напряжения U

(t) или U

(t) в случае подачи напряжения только на

один из входов, или сравнения двух исследуемых сигналов при подаче напря-

жения на оба канала сразу). Кроме того один из них может работать как канал

горизонтального отклонения

Х при отключенном генераторе развертки.

Рис. 5. Внешний вид осциллографа в схеме и окно осциллографа.

Рассмотрим основные блоки осциллографа и его органы управления.

1. Электронно-лучевая трубка

. Размеры рабочей части экрана трубки 14

делений по горизонтали и 6 – по вертикали.

2. Канал вертикального усиления

(Channel A и Channel В). Исследуемый сиг-

нал подается на вход одного или обоих каналов (входные клеммы каналов рас-

положены внизу) относительно общей точки (клемма

Земля (Ground) – см.

рис. 5). Подключение к ней проводить необязательно, если эта точка в схеме за-

землена. Выбор коэффициента вертикального отклонения для установки необ-

ходимого размаха осциллограммы по вертикали производится переключателем

Вольт на деление (V/div) в пределах от 10 мкВ/дел до 5 кВ/дел. Подобная запись оз-

начает, что одно деление масштабной сетки осциллографа по вертикали соот-

ветствует указанному напряжению, что позволяет измерять величину напряже-

ния исследуемого сигнала. Так, например, если размер изображения составляет

3 деления по вертикали, а переключатель коэффициентов отклонения установ-

лен в положение 0,5 мВ/дел, то величина напряжения составляет

Вдел

Вдел 5,1

5,03

⋅

В этом же канале находятся кнопки выбора вида связи входа усилителя

с источником исследуемого сигнала. Кнопка

DC (открытый вход) осуществля-

ет связь с источником по постоянному току, которую применяют для исследо-

Изучение электронного осциллографа.

вания низкочастотных сигналов. При этом входной сигнал поступает непосред-

ственно на вход усилителя

Y. Если постоянная составляющая сигнала гораздо

больше переменной составляющей, то целесообразно выбрать связь с источни-

ком по переменному току: кнопка

АС (закрытый вход). В этом случае входной

сигнал проходит через разделительный конденсатор, препятствующий прохож-

дению постоянной составляющей на вход усилителя. Кнопка

0 заземляет вход-

ную цепь осциллографа (сигнал не проходит на пластины Y).

Смещение осциллограммы по вертикали производится переключателем

Y position.

Генератор развертки. Выбор вида синхронизации и полярности запус-

кающего сигнала производится в блоке

Trigger:

• внутренняя синхронизация устанавливается кнопками А или В в зависи-

мости от используемого канала (так называемая ждущая развертка) или кноп-

кой

Auto (непрерывная развертка);

• внешняя – кнопкой Ext при подаче синхронизирующего сигнала на вход

внешней синхронизации, расположенный в том же блоке непосредственно под

клеммой

Земля (Ground) (рис. 5);

• полярность запускающего сигнала – кнопками Edge);

• переключатель Level служит для изменения уровня синхронизации (т.е.

позволяет установить, при каком значении входного напряжения начинается

движение луча – только не в режиме непрерывной развертки

!). Диапазон воз-

можных значений уровня от –5 до +5 делений масштабной сетки осциллографа

(по умолчанию установлено нулевое значение).

Длительность развертки устанавливаются в блоке "

Time base" переключа-

телем

Время на деление (Time/div) в пределах от 0,10 нс/дел до 1 с/дел. Смещение

осциллограммы по оси x осуществляется переключателем

X position.

Характер изучаемой зависимости устанавливается кнопками

Y/T (времен-

ные диаграммы сигналов, подаваемых на один или оба канала, т.е. по вертикали

– напряжение сигнала, по горизонтали - время),

В/А и А/В (зависимость взаимо-

связанных величин: в режиме

В/А по вертикали откладывается сигнал канала В,

по горизонтали – сигнал канала

А; в режиме А/В по вертикали – сигнал канала А,

по горизонтали – сигнал канала

В). Последние две кнопки соответствуют от-

ключению генератора развертки.

4. Дополнительные возможности осциллографа устанавливаются при

полностью развернутом окне (кнопка

Expend) (рис. 6).

• Кнопка Reduce позволяет вернуться к нормальным размерам окна осцил-

лографа; кнопка

Reverse инвертирует цвет экрана и осциллограмм; кнопка Save

служит для сохранения данных (т.е. совокупности точек, полученных за время

моделирования, см. подробнее

Приложение), отображаемых на экране осцил-

лографа, в виде файла типа *.scp. Эти данные можно затем преобразовать в

формат электронных таблиц MS Excel для их дальнейшего изучения и анализа.

• Полоса прокрутки под экраном позволяет просмотреть осциллограмму

от момента начала симуляции до ее окончания или до момента прерывания.

Изучение электронного осциллографа.

• Для определения величины напряжения в произвольный момент време-

ни служат

визиры (визирные линейки или курсоры), находящиеся слева (первый

визир) и справа (второй визир) от экрана. Для измерения необходимо

перета-

щить

визир с помощью мыши в нужную точку. Первое табло под экраном по-

кажет момент времени t

, соответствующий установке первого (красного) визи-

ра, и величину напряжения U

и U

сигналов в каналах А и В в данный мо-

мент времени. Второе табло соответствует установке второго (

синего) визира.

Наконец, третье табло показывает разность соответствующих величин первого

и второго табло (т.е. разность моментов времени (t

-t

) (что позволяет, в частно-

сти, проводить измерение периода,

а, значит, и частоты сигнала) и разность

напряжений (U

-U

и U

-U

)).

Рис. 6. Увеличенное (полностью развернутое) окно осциллографа.

Ряд опций, управляющих работой осциллографа устанавливается из меню

Analysis/Analysis Options… на вкладке Instruments (поле "Oscilloscope") (рис. 7).

Рассмотрим основные из них.

1. "Pause after each screen" ("Пауза после каждого экрана") – при вы-

бранной опции происходит приостановка симуляции (т.е. пауза – без отключе-

ния питания) всякий раз, когда осциллограмма достигает правого края экрана.

В этом случае кнопка

Pause (в правом верхнем углу окна программы Electronics

Workbench, расположенная непосредственно под кнопкой включения питания)

заменяется на кнопку

Resume, нажатие на которую позволяет продолжить си-

Изучение электронного осциллографа.

муляцию.

2. "Generate time steps automatically" – при установке флажка этой опции

происходит автоматический выбор числа точек измерения (рекомендуется для

начинающих пользователей). Выбор данной установки делает недоступными

следующие две опции.

3. "Minimum number of time

points" – задание числа точек

измерения самим пользователем

(опция доступна только при от-

ключении предыдущей установ-

ки!). Увеличение числа точек

приводит к повышению точно-

сти расчетов, но может значи-

тельно снизить скорость симу-

ляции. Минимальное число то-

чек по умолчанию – 100.

4. "Maximum time step" –

выбор пользователем интервала

времени (шага) между двумя по-

следовательными измерениями.

Данные опции (3 и 4) являются

взаимоисключающими и взаимо-

связанными: это означает, что

можно выбрать только одну из

них, при этом расчет другой

происходит автоматически.

Изучение электронного осциллографа.

Порядок выполнения работы.

Задание № 1. Наблюдение кривой напряжения.

1. Подготовить к работе осциллограф (генератор развертки включен (кноп-

ка

Y/T нажата); вид связи входа Y с источником сигнала – открытый вход (кноп-

ка

DC); генератор развертки – в непрерывном режиме (кнопка Auto)) и функцио-

нальный генератор. Начальные параметры установки генератора:

Частота – 1 кГц;

Амплитуда – 20 В;

Смещение – 0;

Коэффициент заполнения – 50%.

2. Подать на вход

А осциллографа переменное (синусоидальное) напряже-

ние с выхода функционального генератора (клеммы

Common (Общая) и + или - и

+).

3. С помощью переключателя

V/div (коэффициент отклонения) установить

размах сигнала, наиболее удобный для наблюдения (изображение сигнала не

должно выходить за пределы рабочей части экрана).

4. Переключателем

s/div (длительность развертки) получить не более 2-3

периодов исследуемого сигнала. Если полученная кривая не является гладкой,

необходимо увеличить минимальное число отображаемых точек. Проследить за

смещением осциллограммы при изменении значения переключателей

X position и

Y position.

Примечание: п.п. 2-4 определяют последовательность получения осциллограммы.

5. Развернуть окно осциллографа полностью. С помощью одного из визи-

ров определить амплитуду исследуемого сигнала (см. Дополнительные воз-

можности осциллографа) и сравнить ее с установленной.

6. Установить визиры таким образом, чтобы их разделял промежуток вре-

мени, равный периоду сигнала (удобнее всего это делать для амплитудных зна-

чений напряжения). Выписать период (третье табло под экраном) и рассчитать

частоту сигнала. Сравнить ее с частотой выходного напряжения генератора.

Все результаты занести в таблицу (составляется самостоятельно). Сохранить

данные в виде графика в файле типа *.gra (подробнее см.

Приложение).

7. Получить осциллограммы для 3-4 различных значений частоты и вели-

чины напряжения генератора. Определить амплитуду, период и частоту сигнала

(см. п. 6 и Дополнительные возможности осциллографа

), и сравнить с выход-

ными данными генератора. Все результаты занести в таблицу.

8. Для двух других форм сигнала повторить п.п. 3-6 задания.

9. Проследить за влиянием на вид осциллограммы 1) длительности раз-

вертки и 2) скважности каждой из трех форм сигнала. Меняется ли при этом

частота сигнала? Вывод подтвердить расчетами.

10. Подать на вход одного из каналов осциллографа постоянное напряже-