Контрольні запитання
Які існують методи вимірювання?
Як визначається клас точності приладу?
Від чого залежить позначення класу точності на засобі вимірювання?
Які метрологічні характеристики Ви знаєте?
Як визначається приведена похибка і нормуюче значення?
Як визначається абсолютна і відносна похибки?
Що таке варіація?
В чому полягає суть методу порівняння?
Яка різниця між прямими і непрямими вимірюваннями?
Як ціна поділки шкали приладу залежить від чутливості приладу?
Лабораторна робота № 4
Тема Осцилографування фізичних процесів
Мета роботи Вивчити принцип роботи електронного осцилографа, використання осцилографа для спостереження форми сигналу, виміру напруги, частоти, різниці фаз коливань, вивчення явищ, що виникають при додаванні коливань, які відбуваються вздовж одного напрямку і взаємно перпендикулярних напрямків.
Теоретичні відомості
Опис і принцип роботи електронного осцилографа
Електронно-променевий осцилограф є універсальним електровимірювальним приладом із широкою областю застосування: візуальне спостереження, вимірювання і запис різноманітних електромагнітних процесів. З його допомогою можна вивчати протікання електромагнітних процесів у часі, а також функціональну залежність між такими процесами. Сучасні методи дозволяють перетворити змінні фізичні величини в пропорційні їм електричні напруги, тому осцилограф може застосовуватися для вивчення функціональних залежностей між будь-якими фізичними величинами: механічними, світловими, тепловими і т.і. Для повноцінного використання всіх можливостей осцилографа необхідно добре знати основні принципи дії і взаємозв'язок його головних вузлів, вміти управляти і користуватися цим складним приладом.
Устрій і робота електронного осцилографа
Основними вузлами електронного осцилографа є електронно - променева трубка, підсилювачі й послаблювачі вхідних сигналів, генератор розгортки і блок живлення.
Електронно-променева (осцилографічна) трубка
Електронно-променева трубка (ЕПТ) дозволяє сформувати вузький пучок електронів. У залежності від застосовуваного принципу фокусування трубки бувають двох типів: електростатичні і магнітні.
У трубках першого типу для фокусування і відхилення електронного променя застосовується електричне поле, а в трубках другого типу – магнітне поле. В осцилографах застосовуються трубки з електростатичним відхиленням, у той час як трубки з магнітним відхиленням застосовуються в телевізійних пристроях.
Схематичне зображення електростатичної ЕПТ надане на рисунку 1а. Трубка являє собою скляну колбу, яку відкачано до високого вакууму, усередині колби змонтована електронна гармата і дві пари взаємно перпендикулярних пластин, що відхиляють електронний пучок. Внутрішня поверхня передньої стінки колби покрита флуоресцентною речовиною і є екраном.
Рисунок 1
Електронна гармата призначена для одержання і формування тонкого електронного променя потрібної інтенсивності. Вона складається з підігрівника 1, оксидного катода 2, що є джерелом електронів, керуючого електрода 3 (модулятора), що регулює інтенсивність електронного пучка, фокусуючого анода 4 (перший анод) і анода, що прискорює, 5 (другий анод).
Катод виготовлений у вигляді циліндра, на дно якого нанесено оксидну плівку металу, наприклад, барію. Підігрів поверхні катода здійснюється за допомогою нитки розжарення 1. Електрони емісії, що вириваються з поверхні катода, проходять через отвір в керуючому електроді 3, що утворює з катодом коаксіальний циліндр. На керуючий електрод подається негативний (стосовно катода) потенціал. Змінюючи цей потенціал, можна управляти інтенсивністю електронного пучка і, отже, яскравістю світлової плями на екрані 6. Таким чином, керуючий електрод відіграє роль, яка аналогічна з роллю керуючої сітки в електронних лампах. Призначення першого і другого анода полягає в тому, щоб прискорювати і концентрувати електрони у вузький пучок.
Фокусування електронного пучка здійснюється електричним полем різноманітної конфігурації, що створюється електродами в різних місцях трубки. На рис. 1а штриховими лініями показані траєкторії електронів, а суцільними – проекції на площину рисунку еквіпотенціальних поверхонь електричного поля, що виникає при подачі напруги на аноди трубки.
Дія електричних полів на електронний промінь аналогічна з дією оптичних лінз на світловий промінь, тому електронно – оптичній системі гармати можна зіставити еквівалентну оптичну схему (рис. 1 б ).
Для відхилення сформованого електронною гарматою променя використовуються дві пари відхиляючих пластин, на які безпосередньо або після посилення (ослаблення) подаються досліджувані напруги. Одна пара пластин (ПУ) викликає відхилення пучка у вертикальному напрямку (Y – пластини), інша (ПХ) у горизонтальному напрямку (Х – пластини). Величина цього відхилення пропорційна прикладеній до пластин напрузі. Ця залежність і лежить в основі різноманітних застосувань осцилографа. Дійсно, якщо на одну пару пластин подати напругу, пропорційну вимірюваній величині х , а на іншу – напругу, пропорційну величині
, то на екрані трубки слід променя опише криву у прямокутних координатах.
Чутливість електронно-променевої трубки
Чутливістю трубки до напруги називається відношення зсуву плями на екрані до різниці потенціалів, що викликала цей зсув. Чутливість вимірюється в міліметрах на вольт (мм/В) і залежить від параметрів трубки: довжини l пластин, що відхиляють, відстані d між ними, відстані L від пластин до екрана, різниці потенціалів U між другим анодом і катодом.
Формула для чутливості ЕПТ за напругою
Позначення в цій формулі зазначені вище.
Чутливості для пластин ПХ і ПУ будуть неоднакові внаслідок різних відстаней L. Наведений вираз для чутливості ЕПТ є наближеним, тому що на практиці пластини не плоскі, а вигнуті для зменшення крайового ефекту.
Підсилювачі й послаблювані вхідних сигналів
Електронно-променева трубка сама по собі має малу чутливість. Для збільшення чутливості осцилограф постачають підсилювачами напруги. Кожна пара пластин має свій підсилювач. Підсилювач для Х – пластин звично має невеличкий коефіцієнт підсилення, тому що він призначається головним чином для підсилення достатньо великого сигналу, подаваного від генератора розгортки. Підсилювач для У – пластин, навпаки, має достатньо високий коефіцієнт підсилення (декілька тисяч). Підсилювачі мають широку смугу пропускання і дуже рівномірну частотну характеристику, тобто коефіцієнт підсилення майже не залежить від частоти.
Якщо подаваний на вхід осцилографа сигнал достатньо великий, його можна подавати безпосередньо на відхиляючі пластини, або скористатися послаблювачем сигналу, що є дільником напруги ( потенціометром).
Електронно-променева трубка, яка забезпечена підсилювачами й послаблювачами, може бути використана як чутливий безінерційний вольтметр, що дозволяє виміряти напругу, силу струму, активний опір і т.ін.
Генератор розгортки
Для спостереження тимчасового ходу процесів за часом можна подавати на горизонтальні пластини осцилографа напругу, що линійно зростає з часом, –напругу розгортки. Тому вісь Х на екрані трубки називають іноді віссю часу. Якщо при цьому одночасно подати на вертикально відхиляючі пластини nY досліджувану напругу, то на екрані осцилографа промінь побудує графік зміни досліджуваної напруги за часом. За допомогою осцилографа вивчають швидкозмінні періодичні процеси, тому й напруга розгортки теж повинна бути періодичною. Період розгортки повинний бути кратний періоду досліджуваного сигналу, щоб промінь на екрані з кожним повторенням циклу розгортки прокреслював ту ж саму траєкторію. Після проходження вздовж горизонтального діаметра до визначеної точки промінь повинен швидко повернутися у вихідне положення (зворотний хід). Викладена вище вимога виконується, якщо напруга розгортки змінюється за законом, що графічно зображено на рис. 2, де t1 – час прямого ходу і t2 – час зворотного ходу променя. Таку напругу називають пилкоподібною:
Рисунок 2
Щоб спостерігати на екрані графік досліджуваного процесу у вигляді безперервної лінії, частота розгортки повинна бути достатньо великою. Якщо досліджуваний процес однократний або повторюється не періодично, то генератор розгортки повинний давати одиничні імпульси пилкоподібної форми тільки в момент виникнення досліджуваного процесу (режим очікування). У цьому випадку запуск генератора розгортки здійснюється сигналом із підсилювача вертикального відхилення (досліджуваним сигналом) або зовнішнім сигналом.
Генератор міток часу
При дослідженні швидкозмінних процесів за допомогою осцилографа часто виникає необхідність у вимірюванні їхньої тривалості. Для цієї мети використовується генератор міток часу, що завдає через рівні проміжки часу мітки на осцилограмі. Найчастіше такі мітки завдаються засобом підсвічувань чи гасіння променя. Для цього на модулюючий електрод трубки, чи на катод подають електричні сигнали від генератора міток, періодично змінюючи яскравість плями на екрані. Якщо знати тривалість маркерної мітки і число міток, що укладаються на досліджуваному сигналі (при заданому числі сигналів), можна визначити тривалість сигналу. Тривалість міток часу можна змінювати для зручності вимірювання. Генератор міток часу або монтується усередині осцилографа, або підключається ззовні через канал керування яскравістю променя, який називають віссю електронного осцилографа.
Синхронізація
Для того щоб зображення на екрані осцилографа було нерухомим (не «пливло»), генератор розгортки повинний працювати з частотою, яка дорівнює чи кратна частоті досліджуваного сигналу. Це співвідношення періодів повинно залишатися строго постійним протягом усього часу спостереження. Проте, унаслідок нестабільності частот як генератора розгортки, так і досліджуваного сигналу, ця умова порушується, що веде до нестабільності зображення на екрані. Щоб забезпечити якісне зображення на екрані, коливання генератора розгортки синхронізуються з коливаннями іншої, більш стабільної напруги, наприклад, напруги мережі, що є джерелом живлення осцилографа, напруги зовнішнього генератора зі стабільною частотою чи досліджуваної напруги.
Блок живлення
Блок живлення осцилографа забезпечує постійною напругою електричні кола напівпровідникової (або лампової) схеми і електронно – променевої трубки. Він містить у собі силовий трансформатор, випрямні елементи і фільтри.
Керування осцилографом повинно бути вивчено за прикладеною до нього інструкцією.