11 Лабораторная работа № 11. Измерение электрических величин с помощью электронно-лучевого осциллографа

Цель работы: практическое освоение электронно-лучевого осциллографа как измерителя электрических величин

Основные теоретические положения

Электронный осциллограф представляет собой универсальный радиоизмерительный прибор, получивший в практике измерений весьма широкое распространение. Он предназначен для просмотра формы кривой переменных и импульсных напряжений и может быть использован для измерения напряжения, силы тока, частоты, сдвига фаз и т.д.

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка. Обычно в осциллографах применяются трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим отклонением луча.

Как известно, под воздействием разности потенциалов, приложенной к одной паре отклоняющих пластин, происходит горизонтальное или вертикальное перемещение луча по экрану. Если к отклоняющим пластинам приложено переменное напряжение, то световое пятно будет колебаться на экране с частотой приложенного напряжения.

Уже при частоте 20-30 Гц, в силу инерции зрительного восприятия и послесвечения трубки, на экране наблюдается сплошная линия, длина которой пропорциональна амплитуде приложенного напряжения. Но для того, чтобы иметь возможность визуально наблюдать на экране форму исследуемого напряжения, необходимо на вторую пару отклоняющих пластин подать напряжение пилообразной формы, которое обеспечивает развертку исследуемого напряжения во времени.

Напряжение развертки создается специальным генератором развертки, находящимся в осциллографе. Как правило, напряжение развертки подается на вертикальные пластины, а исследуемое напряжение – на горизонтальные пластины. Кроме того, на вертикальные пластины подается постоянное напряжение, которое обеспечивает начальное положение луча в точке А, как показано на рисунке 11.1.

Рисунок 11.1 – Схема отклонения луча осциллографа

Если напряжение исследуемого сигнала U_C, приведенного на рисунке 11.2, а, подать на вертикально отклоняющие пластины, то луч, при отсутствии напряжения на другой паре пластин, будет пробегать на экране по вертикальной линии А'В', положение луча на котором определяется мгновенным значением напряжения U_С. Например, через время t он должен оказаться в точке В', как показано на рисунке 11.2, в. Чтобы развернуть данный сигнал во времени, надо создать одновременное перемещение луча вдоль оси времени.

Рисунок 11.2 – Временные диаграммы

С этой целью достаточно подать на свободные горизонтально отклоняющие пластины напряжение U_P, линейно изменяющееся со временем, как показано на рисунке 11.2, б. Если напряжение сигнала равно нулю, луч будет пробегать на экране по горизонтальной линии, положение луча на которой определяется мгновенным значением напряжения U_P. Через время t он должен оказаться в точке В", как показано на рисунке 11.1. При одновременной подаче двух напряжений луч за время t₁ отклонится под влиянием напряжение U_P на расстояние ОВ" в горизонтальном направлении и под влиянием U_C на расстояние ОВ' в вертикальном направлении так, что результирующее положение луча окажется в точке В, соответствующей истинному положению ее на кривой напряжения сигнала. Аналогичным образом может быть построена следующая точка А и т.д.

В результате за время одного периода на экране будет прочерчена кривая, соответствующая форме кривой исследуемого напряжения. Из точки Е рисунка 11.1 луч быстро переместится в точку А, причем время этого перемещения, которое называется обратным ходом луча, соответствует времени уменьшения напряжения развертки от максимального значения до нуля (участок MN на рисунке 11.2, б). Затем весь процесс движения луча будет повторяться. Обратный ход луча определяется временем t«T, которое должно быть минимальным, чтобы к началу следующего периода исследуемого напряжения напряжение развертки было равно нулю. В противном случае будет происходить искажение формы исследуемого напряжения. Кроме генератора напряжения развертки и электронно-лучевой трубки, в современных осциллографах имеется усилитель, предназначенный для предварительного усиления исследуемого напряжении. Это позволяет повысить чувствительность осциллографа и применить его для исследования малых напряжений.

Под чувствительностью осциллографа понимают перемещение луча (величину) по экрану трубки в миллиметрах при подаче напряжения в 1 В.

Типовая блок-схема современного осциллографа показана на рисунке 11.3. О назначении каждого блока осциллографа можно узнать из типовой инструкции к данному прибору. Мы же отметим следующее:

- блок калибровки предназначен для калибровки амплитуды и длительности входного сигнала и фактически выполняет роль измерительного эталонного устройства;

- канал управления яркостью регулирует плотность электронного пучка, изменяя тем самым яркость свечения люминесцентного экрана трубки.

Рисунок 11.3 – Блок-схема осциллографа

Осциллограф – универсальный измерительный прибор, позволяющий измерять напряжение, силу тока, величину емкости, частоту, фазу сигнала, сдвиг по фазе, искажения формы сигнала и многое другое. Причем осциллограф, как безинерционный прибор позволяет измерять не только амплитудное или среднее значения напряжения, но и по форме сигнала определять значение напряжения в отдельных точках кривой, т.е. мгновенные его значения.

Порядок выполнения работы

Все указанные выше упражнения выполняются с использованием осциллографа и стендовых приборов.

1. Измерение напряжения и силы тока. Измерение напряжения может быть осуществлено либо непосредственным отсчетом по предварительно проградуированной шкале чувствительности усилителя вертикального отклонения, либо путем сравнения с внутренним эталонным калибратором напряжения.

В первом случае градуировка осуществляется синусоидальным напряжением, подаваемым на вход усилителя «У», с помощью масштабной сетки, установленной на экране. При выключенной развертке подаваемое напряжение, величина которого фиксируется вольтметром, образует вертикальную линию на экране длиной l мм. Для данного положения ручек усилителя входа «У» чувствительность осциллографа определяется выражением:

, [мм/В] , (11.1)

где U – эффективное значение подаваемого напряжения, В.

Таким образом, может быть определена чувствительность при всех положениях ручек настройки, после чего величина амплитуды исследуемого напряжения, создающая отклонение в N делений масштабной сетки, вычисляется как отношение:

, (11.2)

где n должно соответствовать положению ручек настройки усиления вертикального отклонения.

П ри использовании внутреннего калибратора необходимо его выход (« 1000 Гц») соединить с входом вертикального отклонения. Используя различные напряжения калибратора и соответствующий множитель, можно также откалибровать вход «У» по напряжению.

Для измерения напряжения используется схема, показанная на рисунок 11.4.

Рисунок 11.4 – Схема для измерения напряжения осциллографом

Измеряемое напряжение снимается с регулируемого сопротивления и контролируется вольтметром.

Измерение величины тока осциллографом основано на измерении падения напряжения на малом сопротивлении известной величины (обычно выбирается R=l÷10 Ом). Для этого собирается схема, приведенная на рисунке 11.5.

Рисунок 11.5 – Схема для измерения тока осциллографом

Искомое значение тока контролируется амперметром и вычисляется по формуле:

I = U_C / R . (11.3)

2. Измерение сдвига фаз. С помощью осциллографа можно измерить сдвиг фаз между двумя синусоидальными напряжениями одинаковой частоты, если подать их на входы X и У при выключенном генераторе развертки. На рисунке 11.6 приведены изображения, которые появляются на экране осциллографа при различных фазовых сдвигах между двумя исследуемыми синусоидальными напряжениями одинаковой частоты.

С помощью регуляторов усилителей выровнять эти напряжения, чтобы они порознь давали на экране осциллографа вертикальную и горизонтальную линии одинаковой длины (по масштабной сетке). Если между исследуемыми напряжениями сдвиг фаз равен нулю, то на экране будет получаться изображение прямой линии под углом α = 45° (если амплитуды не уравнены, то угол α ≠ 45⁰, a tg α = U_x / U_у).

При сдвиге фаз в 90° и 270° на экране получится окружность, а для всех промежуточных значений сдвига фаз на экране будет иметь место эллипс.

Рисунок 11.6 – Изображения на экране осциллографа при измерении сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями одинаковой частоты

Чтобы определить сдвиг фаз необходимо измерить отрезок АВ, отсекаемый эллипсом по горизонтальной оси, и проекцию эллипса СД на ту же ось. По масштабной сетке в миллиметрах искомый сдвиг фаз может быть определен как:

, откуда . (11.4)

3. Определение частоты с помощью осциллографа. Определение частоты с помощью осциллографа основано на сравнении исследуемого напряжения с напряжением, частота которого известна. Если исследуемое синусоидальное напряжение подать на вход «У», а синусоидальное напряжение от внешнего генератора – на вход «X», то при кратном отношении частот этих напряжений получаются замкнутые фигуры, называемые фигурами Лиссажу. Вид подобных фигур для различных соотношений частот и фаз представлен на рисунке 11.7.

Точность определения частоты подобным методом очень велика и определяется точностью, с которой градуирован генератор известной частоты.

С

оотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено как отношение числа точек пересечения по вертикали к числу точек пересечения по горизонтали.

Рисунок 11.7 – Фигуры Лиссажу

Порядок выполнения работы

1. . Ознакомиться с назначением и расположением ручек управления на панели осциллографа.

2. . По контрольному сигналу, например, прямоугольному импульсу калибровочного генератора используемого осциллографа, промасштабировать сетку экрана осциллографа, т.е. откалибровать вход У.

3. . Произвести необходимые вычисления по формулам пункта 1.

4. . Собрать схему, приведенную на рисунке 11.3, и произвести измерения напряжения.

5. . Измерить осциллографом величину тока, протекающего через сопротивление R, при различных значениях напряжения на входе цепи. Для этого собрать цепь, приведенную на рисунке 11.4.

6. . Подать на вход усилителя «У» сигнал от генератора звуковой частоты. Выбрав режим работы блока синхронизации, измерить по фигурам Лиссажу частоту первых пяти гармоник синусоидального напряжения.

7. . Зарисовать полученные фигуры с указанием частоты колебаний генератора для каждой из них.

8. . Собрать схему для измерения сдвига фаз, согласно рисунка 11.5.

9. . Измерить по фигурам Лиссажу вносимые изменениями амплитуды и частоты, фазовые сдвиги для 4-х значений фазовых сдвигов.

10. . Зарисовать фигуры Лиссажу с указанием полученных фазовых величин.

11. . Оценить погрешности каждого измерения и сделать заключения о работе осциллографа.

Контрольные вопросы

1. . Перечислите основные узлы электронного осциллографа и объясните их назначение.

2. . Что такое чувствительность осциллографа и от чего она зависит?

3. . Почему в качестве развертывающего напряжения применяется только пилообразное напряжение?

4. . Почему все электроды электронной пушки электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа исполняются цилиндрической формы?

5. . Начертите схему питания электродов электронной пушки ЭЛТ с электростатическим управлением (от 0 до –100 В; от +300 В до 1500 В; 2 кВ). На какие из электродов ЭЛТ следует подать указанные в скобках напряжения?

6. Какой будет траектория светящейся точки на экране ЭЛТ, если напряжения, приложенные к отклоняющим пластинам, изменяются по закону:

U_Х = U₀ ∙ сos ωt ?

7. Какие из указанных ниже равенств удовлетворяют условию синхронизации напряжения развертки с напряжением исследуемого сигнала:

f_Р = 5∙f_С ; f_Р = 0,2∙f_С ; f_Р = 3,5∙f_С ; f_С = 3, 5∙f_Р ; f_Р = 0,1∙f_С ?