Изучение осциллографа

Цель работы: измерение частот по методу фигур Лиссажу.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Осциллограф предназначен для наблюдения и контроля формы электрических колебаний, настройки усилителей и генераторов низкой частоты, выявление неисправностей в телевизорах и радиоприемниках. На передней панели осциллографа расположены: 1. Регулятор яркости свечения.

2. Регулятор перемещения луча по вертикали.

3. Регулятор усиления по вертикали.

4. Гнездо для подключения исследуемого сигнала.

5. Регулятор частоты развертки плавно.

6. Переключатель диапазонов частоты. 7. Гнездо для подключения сигнала, синхронизирующего развертку.

8. Ручка регулирования синхронизации.

9. Регулятор перемещения луча по горизонтали.

10. Регулятор фокусировки луча.

УСТРОЙСТВО ОСЦИЛЛОГРАФА:

Осциллограф содержит следующие узлы:

а) электронно-лучевую трубку;

б) усилитель вертикального отклонения;

в) фазоинвертор вертикального отклонения;

г) генератор развертки;

д) фазоинвертор горизонтального отклонения;

е) блок питания.

Отклонений пучка электронов электрическим и магнитным полем используется в электронно-лучевых трубках, которые приме­няются в осциллографах, приборах, позволяющих наблюдать и фотографировать быстро протекающие процессы длительностью 10^-6-10^-7 с.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА.

Важнейшим элементом катодного осциллографа является электронно-лучевая трубка, которая внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы с высоким вакуумом. Электронно-лучевые трубки могут быть двух типов: электро­статические и магнитные. В трубках первого типа фокусировка и отклонение луча осуществляется электрическим полем, в трубках второго типа - магнитным. Электронно-лучевая трубка состоит из электронной пушки - электронного прожектора, дающего пучок электронов, двух пар отклоняющих пластин, расположенных во взаимно- перпендикулярных плоскостях, флуоресцирующего экрана.

ГЕНЕРАТОР РАЗВЕРТКИ.

Вторым важным элементам электронно-лучевого осциллографа является генератор развертки. Генератор развертки представляет собой радиотехническое устройство, позволяющее получить напряжение развертки. Генератор развертки позволяет перемещать элек­тронный луч вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью.

БЛОК ПИТАНИЯ.

Блок питания включает в себя ряд устройств, которые обеспечи­вают питание энергией электронно-лучевую трубку, генератор развертки, вертикальный и горизонтальный усилители и другие части прибора.

ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ.

Перед включением прибора регуляторы управления должны находить­ся в первоначальном положении:

а) регулятор "яркость" - в левом крайнем положении.

б) регулятор "фокус" - в среднем положении.

в) регуляторы "усиление" и "синхронизация" в левом крайнем положении.

г) регуляторы "диапазон частот" в первом положении.

До начала измерения прибору необходимо дать прогреться в течение 5 минут. Через 5 минут после включения при­бора, повернуть регулятор "яркость" вправо до появления луча на экране. Регуляторами " яркость" и " фокус" необходимо отрегулировать прибор так, чтобы изображение было четким и хорошо видимым, но не слишком ярким. Регуляторами "X" и "У" необходимо сместить луч в центр трубки.

Выбор режима работы определяется характером и величиной исследуемого сигнала. При правильном выборе режима работы на экране трубки должно появиться изображение исследуемого процесса. Если изображение мало, то регулятором "усиление" надо увеличить его до нормального. Далее регулятором «частота плавно» отрегулировать частоту генератора так, чтобы она была кратна или равна исследуемой частоте, в противном случае изображе­ние будет нечетким и неустойчивым, изображение будет "бежать" по экрану. Если развертка неустойчива, регулятором "синхрони­зация" необходимо добиться устойчивой развертки. На задней панели осциллографа имеются гнезда для непосредственной пода­чи исследуемого сигнала на отклоняющие пластинки. Сигнал на отклоняющие пластинки следует, подавать через емкость.

СЛОЖЕНИЕ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ. ФИГУРЫ ЛИССАЖУ.

Для определения частоты неизвестного гармонического колебания используется метод фигур Лиссажу. Исследуемое колебание складывается с взаимно перпендикулярным ему колебанием известной частоты. В общем слу­чае в результате сложения получаются кривые сложной формы, называемые фигурами Лиссажу, по общему виду которых можно определить частоту исследуемого напряжения. В настоящей работе сравнение частот производится с помощью электронного осциллографа, на вертикально отклоняющие пластины которого подается исследуемое напряжение от источника колебаний звуковой частоты, а на горизонтально – отклоняющие пластины- напряжение от сети переменного тока с частотой n=50Гц. Рассмотрим результат сложения двух гармонических колебаний одинаковой частоты w, происходящих во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль осей х и у. Для простоты начало отсчета выберем так, чтобы начальная фаза первого колебания была равна нулю, и запишем

(1)

где a- разность фаз обоих колебаний, А и В- амплитуды складываемых колебаний. Уравнение траектории результирующего колебания находится исключением из выражений (1) параметра t. Записывая складываемые колебания в виде

и заменяя во втором уравнении coswt на х/А и sinwt на , получим после несложных преобразований уравнение эллипса, оси которого ориентированы относительно координатных осей произвольно:

.

(2)

Так как траектория результирующего колебания имеет форму эллипса, то такие колебания называются эллиптически поляризованными. Ориентация эллипса и размеры его осей зависят от амплитуд складываемых колебаний и разности фаз a. Рассмотрим некоторые частные случаи, представляющие физический интерес:

1) a=mp (m=0, ±1, ±2, …). В данном случае эллипс вырождается в отрезок прямой

,

(3)

где знак плюс соответствует нулю и четным значениям т, а знак минус - нечетным значениям т. Результирующее колебание является гармоническим колебанием с частотой w и амплитудой‚ , совершающимся вдоль прямой (2), составляющей с осью х угол . В данном случае имеем дело с линейно поляризованными колебаниями;

2) (m=0, ±1, ±2, …). В данном случае уравнение примет вид

.

(4)

Это уравнение эллипса, оси которого совпадают с осями координат, а его полуоси равны соответствующим амплитудам. Кроме того, если А = В, то эллипс вырождается в окружность. Такие колебания называются циркулярно поляризованными колебаниями или колебаниями, поляризованными по кругу.

Если частоты складываемых взаимно перпендикулярных колебаний различны, то замкнутая траектория результирующего колебания довольно сложна. Замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два взаимно перпендикулярных колебания, называются фигурами Лиссажу. Вид этих кривых зависит от соотношения амплитуд, частот и разности фаз складываемых колебаний. Отношение частот складываемых колебаний равно отношению числа пересечений с прямыми, параллельными осям координат. По виду фигур можно определить неизвестную частоту по известной или определить отношение частот складываемых колебаний. Поэтому анализ фигур Лиссажу - широко используемый метод исследования соотношений частот и разности фаз складываемых колебаний, а также формы колебаний.

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТ ПО МЕТОДУ ФИГУР ЛИССАЖУ.

Необходимая аппаратура: 1. Источник измеряемой частоты.

2. Генератор Н.Ч.

3. Осциллограф для радиолюбителей.

На горизонтально отклоняющие пластины подается переменное напряжение развертки, в данном случае используется генератор ЗГ. На вход вертикального усилителя подается напряжение, частоту которого следует измерить. Когда частота генератора точно соответствует частоте измеряемого напряжения, то это изображение является, кругом, эллипсом или отрезком прямой линии. При ином характере (форме) напряжения прямоуголь­ном, пилообразном и т.д., изображение на экране получается искаженным. Если одна из сравниваемых частот является целым, кратным второй частоты, то получаются простые фигуры - формы которых изменяются под влиянием взаимного фазового сдвига. Существует следующее правило нахождения частот. Проводят че­рез данную фигуру две произвольно взаимно перпендикулярные прямые АВ и СД параллельные осям х и у, подсчитывают число точек пересечения кривой с прямой АВ (n_x) и с прямой СД (n_y). В данном случае n_x=4, n_y=2, т.е. . В случае, когда прямая проходит через точку пересечения вет­вей кривой, при подсчете ее считают дважды (такая точка соответствует кратным корням).

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

Задача заключается в градуировке звукового генератора по фигурам Лиссажу.

1 . Собирают схему рис.1.

2. Выключают генератор развертки осциллографа ("диапазон частот" в положение "выкл"), устанавливают рукоятки "усиления" по осям х и у на нуль.

3. Включают в сеть звуковой генератор, осциллограф и трансформатор фокусируют и вводят световое пятно в центр координатной сетки.

4. Вращая рукоятку "по оси х", добиваются горизонтальной полоски на экране, длиной 1/2 шкалы.

5. Вращая регулятор частоты звукового генератора, добиваются появления устойчивой фигуры Лиссажу.

7. Определяют число точек пересечения кривой с осями х (n_x) и у (n_y) и по формуле вычисляют частоту.

8. Изменяя частоту звукового генератора, добиваются новой устойчивой фигуры и находят n_у. Фиксируют деление шкалы. Измерения проделывают для восьми фигур Лиссажу.

9. Находят погрешности Dn, s, e.

10. По полученным данным строят график, зависимости n_y=f(N)

Вид фигуры в зависимости от сдвига фаз.

фигуры	nx	ny	nх	nу	<ny>

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Из каких основных блоков состоит осциллограф? Каково их назначение?

2. Как устроена электронно-лучевая трубка? Каким образом формируется в ней электронный луч?

3. Какая физическая величина определяет смещение электронного луча на экране осциллографа?

4. Что получается в результате сложения двух колебаний одинакового направления и при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний? Как исследовать эти явления с помощью осциллографа?

5. Какие вы знаете способы определения частоты колебаний?

26