Работа № 15 ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ 1. Цель работы 1.1. Ознакомиться с принципом работы, конструкцией, техническими характеристиками и правилами эксплуатации электронного осциллографа. 1.2. Усвоить методику электрических измерений электронным осциллографом. 2. Задание 2.1. Изучить принцип действия, конструкцию и инструкцию по эксплуатации электронного осциллографа. 2.2. Определить зависимость отклонения луча осциллографа по осям Y и X от амплитуды напряжения, приложенного: а) к вертикальным и горизонтальным пластинам электронно-лучевой трубкиhy (U yп л ) , hx (U xп л ), б) к входам осциллографа "Y " и " X " при всех положениях аттенюатора. 2.3. Измерить: а) величину тока в цепи, б) активное, реактивное и комплексное сопротивления, в) частоту методом круговой развертки с модуляцией луча по яркости, г) угол сдвига фаз в RC и RL цепях методом эллипса. 2.4. Определить поправки шкалы генератора методом фигур Лиссажу. 2.5. Вычислить амплитудную чувствительность по осям Y и X : а) электронно-лучевой трубки - S б) осциллографа - S y ос и S xо с y пл и S xпл ; . 2.6. Начертить: а) зависимость отклонения луча осциллографа по осям Y и X от амплитуды напряжения, приложенного к вертикальным и горизонтальным пластинам электроннолучевой трубки- hy (U h y (U y ос ) , hx (U xо с yп л ) , hx (U xп л ) , и к входам Y , X осциллографа- ) при всех положениях аттенюатора; б) ломаную кривую поправок шкалы звукового генератора. 3. Теоретическая часть Электронный осциллограф является прибором, позволяющим наблюдать формы кривых переменных напряжений в широком частотном диапазоне. Кротме того, электронным осциллографом можно производить измерение напряжения, тока, частоты, фазы, длительности импульсов, сопротивления и других электрических величин. Осциллограф может быть использован также для измерения ряда неэлектрических величин. Важными достоинствами электронно-лучевого осциллографа являются: высокая чувствительность, малое потребление мощности от испытуемого источника напряжения, возможность исследования процессов, частота которых достигает сотен мегагерц и выше, линейная зависимость между отклонением луча и входным напряжением при изменении последнего в определенных пределах. Учитывая, что отклонение луча на экране соответствует удвоенной амплитуде измеряемого напряжения, амплитудная чувствительность электронно-лучевой трубки S yп л и S xп л по осям Y и X определится выражениями: S yпл S x пл hy 2 2 U yпл mm V , hx mm , 2 2 U x пл V (1) где U yп л , U xп л - действующие значения напряжений, подаваемых на пластины электроннолучевой трубки; h y , hx - отклонения луча на экране трубки. Чувствительность трубок сравнительно невелика (порядка долей миллиметра на вольт), поэтому для получения достаточного отклонения луча при исследовании малых напряжений требуется их предварительное усиление. При наличии усилителей вводится понятие о чувствительности осциллографа. Величина амплитудной чувствительности осциллографа S yо с и S xо с по осям Y и X может быть рассчитана по формулам: mm S yос k y S yпл , mV mm S xос k x S xпл , V (2) где k y , k x - коэффициенты усиления усилителей вертикального и горизонтального отклонения. Обычно в осциллографах k y k x . Это объясняется тем, что на вход осциллографа Y подаются малае по величине напряжения. В то же время напряжение генератора развёртки достаточно велико по амплитуде, следовательно, не требуется его значительного усиления. Для выбора наилучших условий при наблюдении форм кривых напряжений на экране осциллографа, амплитуды которых меняются в широких пределах, на входе усилителя Y включён аттенюатор или ослабитель (реостатно-емкостной делитель напряжения), обеспечивающий ступенчатое ослабление входного напряжения в отношении 1:1, 1:10, 1:100. Кроме этого в усилителях вертикального и горизонтального отклонения предусмотрена возможность плавной регулировки коэффициентов усиления k y и k x , что позволяет установить изображение в пределах экрана. В связи с этим на практике амплитудная чувствительность осциллографа по осям Y и X определяется при максимальных k y и k x по формулам: S yос S xо с hy 2 2 U yос mm V (при 1:1, 1:10, 1:100), hx mm 2 2 U xо с V (3) Измерение тока с помощью осциллографа производится косвенным методом, поскольку последний позволяет измерять только напряжения. При определении тока используется схема, приведенная на рис.1. Осциллографом измеряется падение напряжения U 0 на известном образцовом резисторе R0 , включенном в цепь тока I x . Величина I x находится из выражения: I x U0 R0 (4) Для того, чтобы сопротивление R0 не меняло величину тока в цепи необходимо соблюдать условие: R0 R . В противном случае возможны дополнительные погрешности при измерении тока. Активные, реактивные и комплексные сопоставления измеряются методом сравнения падений напряжений на измеряемом и образцовом резисторах по схемам, показанным на рис.2.а, б. R ЭО Ix ~U R0 y U0 Рис.1. Схема для измерения тока. а) б) R П ЭО П 1 R 1 2 ~U ~U y Rx ЭО 2 Rм К Zx Rм y Rд Рис.2. Схемы для измерения активного (а) и комплексного (б) сопротивлений. В схеме рис.2.а на вход осциллографа Y с помощью переключателя П поочередно подаются падения напряжений на сопротивлениях Rx и R м . Меняя величину R м , добиваются равенства отклонений луча на экране в обоих случаях при неизменных положениях всех регулирующих органов осциллографа. Тогда Rx Rм , где R м - показание магазина сопротивлений, а R служит для ограничения тока в цепи. Измерение комплексных сопротивлений методом сравнения осуществляется с помощью схемы, изображенной на рис.2.б. При замкнутом ключе К переключатель П устанавливается в положение 1. При этом измеряется на экране осциллографа отклонение луча. Затем переключатель П переводится в положение 2 и, изменяя величину R м , добиваются прежнего отклонения луча. Полученное значение сопротивления магазина Rм1 равно модулю Z x измеряемого комплексного сопротивления, т.е. Rм1 Z x Rx2 X x2 (5) Для определения активной- R x и реактивной- X x составляющих комплексного сопротивления Z x производится еще одно измерение при разомкнутом ключе К. В этом случае последовательно с Z x включается добавочное сопротивление Rд , величина которого выбирается после измерения Z x в пределах Rд (0,5 2) Z x . Регулируя сопротивление магазина R м , добиваются равенства отклонения луча на экране для обоих положений переключателя П. Полученное новое значение R м 2 сопротивления магазина равно Z x1 : Rм 2 Z x1 Rx Rд 2 X x2 (6) Решая совместно (5) и (6), определяют Rx R м2 2 R м21 Rд2 X ; X x Rм21 Rx2 ; arctg x , 2 Rд Rx (7) где - аргумент сопротивления Z x , представляющий угол сдвига фаз между напряжением и током в комплексном сопротивлении Z x . Измерение частоты синусоидальных напряжений при помощи осциллографа можно производить методом фигур Лиссажу или методом круговой развертки с модуляцией луча по яркости. Если к пластинам горизонтального и вертикального отклонения подвести два переменных напряжения, то электронный луч вычертит на экране трубки сложную замкнутую кривую, конфигурация которой зависит от соотношения амплитуд, частот и фаз этих напряжений. Фигуры, полученные на экране трубки, называются фигурами кратности или Лиссажу. Вид некоторых фигур Лиссажу при разных соотношениях частот показан на рис.3. Метод определения частоты по фигурам Лиссажу заключается в сравнении измеряемой частоты f с известной частотой f 0 эталонного генератора синусоидальных колебаний. Отношение частот Сдвиг фаз 1:1 0 4 2 3 4 2:2 Рис.3. Фигуры Лиссажу, полученные для разных фазовых сдвигов и отношений частот при одинаковых амплитудах двух синусоидальных напряжений. При этом пользуются схемой, изображенной на рис.4. ЭО y ~f x ~ f0 Рис.4. Схема для измерения частоты методом Лиссажу. Любая фигура Лиссажу вписывается в прямоугольник со сторонами, равными удвоенным амплитудам сравниваемых напряжений. Если частоты сравниваемых колебаний относятся как целые числа, то на экране трубки получается неподвижное изображение. Значение измеряемой частоты f определяется по формуле: f f0 nx , ny (8) где n x - число точек касания с горизонтальной касательной к фигуре, n y - число точек касания с вертикальной касательной к фигуре. Точность измерения частоты методом фигур Лиссажу может быть очень высокой и определяется стабильностью эталонной частоты. Данный метод используется при измерении частоты, если отношение nx не превышает 10. ny В связи с высокой точностью измерения частоты методом фигур Лиссажу, последний используется для градуировки и поверки градуировки генераторов синусоидальных колебаний. При большем отношении частот удобнее пользоваться методом круговой развертки с модуляцией луча по яркости. Схема для измерения частоты по этому методу приведена на рис.5. Напряжение образцовой частоты f 0 через фазовращающую RC - цепочку подводится к пластинам Y и X . На экране осциллографа появляется эллипс. На модулирующий электрод трубки подается напряжение измеряемой частоты f . В результате модуляции светового луча по яркости фигура на экране трубки становится прерывистой. Число светящихся полос n равно отношению: f n . Измеряемая частота f0 определяется по формуле: f f 0 n . (9) x ~ f0 R y C M ~f Рис.5. Схема для измерения частоты методом круговой развёртки. Сдвиг фаз между двумя напряжениями одинаковой частоты может быть измерен при помощи осциллографа несколькими способами. В частности, при измерении фазы методом эллипса одно из исследуемых напряжений U 1 подаётся на вход y , а другое U 2 на вход x . В результате на экране получается фигура Лиссажу в виде эллипса, форма которого зависит от сдвига фаз между этими напряжениями. Определив размеры эллипса, показанные на рис.7., угол сдвига фаз подсчитывается по формуле: arcsin 2U 1 2U 2 или arcsin 2U 1 2U 2 (10) Погрешность определения угла данным способом может достигать 2 3 и более. y ЭО ~ U1 y x x 2U 2U 1 1 ~ U2 2U2 2U 2 6. Схема для измерения сдвига фаз. Рис.7. Форма эллипса, обусловленная сдвигом фаз. 4. Описание лабораторной установки 4.1. Лабораторная установка состоит из схем, показанных на рис.8-12. ЭО ЭО Y 3Г 1 2 1 2 3Г y x X Рис.8б. Схема для определения чувствительности осциллографа. Рис.8а. Схема для определения чувствительности электронно-лучевой трубки. ЭО Тр Р ~220В 50Гц 3Г 1 2 y x Блок 1 Рис.9. Схема для определения поправок шкалы генератора. R 1 2 Тр ~220В П Rм ЭО 3 Rx Zx y RД K Блок 2 Рис.10. Схема для измерения тока, активного и комплексного сопротивлений. Тр ЭО P x y R ~220В C M Блок 3 3Г Рис.11. Схема для измерения частоты методом круговой развёртки. R 3Г 1 П ЭО 2 C L y x Блок 4 Рис.12. Схема для измерения сдвига фаз в RC и RL цепях. В схемах рис.8а и б показаны соединения, при которых определяются зависимости hy (U yп л ) , h y (U y ос ) , а также чувствительности трубки и осциллографа по вертикальным пластинам. Для нахождения функций hx (U xп л ) , hx (U xо с ) , чувстви- тельностей трубки и осциллографа по горизонтальным пластинам выход генератора 1 присоединяется к клемме X . Схема 9 позволяет находить поправки шкалы генератора ЗГ методом фигур Лиссажу с использованием эталонной частоты, в качестве которой применяется частота 50 Гц сети переменного тока. Схема рис.10 при включении переключателя П в положение 1 используется для измерения тока, в положении 1 и 2- для измерения активного сопротивления, в положении 1 и 3- для измерения комплексного сопротивления. Схема рис.12 при включении переключателя П в положение 1 позволяет измерять сдвиг фаз в RC цепи, в положении 2- сдвиг фаз в RL цепи. 4.2. Электронный осциллограф типа С1-1 4.2.1. Назначение прибора Осциллограф типа С1-1 позволяет исследовать периодические процессы в электрических цепях и измерять напряжение, ток, сдвиг фаз, частоту и глубину модуляции. 4.2.2. Техническая характеристика 1. Чувствительность усилителя вертикального отклонения – 0,25 см мВ эфф . 2. Коэффициент усиления вертикального усилителя не менее 1800. 3. Входное сопротивление вертикального усилителя 2 МОм 20 %. 4. Коэффициент ослабления входного аттенюатора 1:1, 1:10, 1:100 15 %. 5. Чувствительность усилителя горизонтального отклонения- 4,5 см В . эфф 6. Коэффициент усиления горизонтального усилителя- 56. 7. Входное сопротивление горизонтального усилителя- 0,6 Мом 20 %. 8. Непрерывная развертка обеспечивается в диапазоне 2 Гц -50 кГц . 9. Виды синхронизации: а) внутренняя (исследуемым сигналом), б) внешняя (внешним сигналом), в) от сети. 10. Предусмотрена возможность подачи сигнала непосредственно на пластины трубки. 11. Условия эксплуатации- температура 10 C 40 C , время непрерывной работы- 8 часов. 4.2.З. Принцип работы прибора Упрощенная блок-схема прибора изображена на рис.13. П1 Вх. Y A пл. Y УВО М Вх. X П3 Сеть П4 Внешн. синхр. ГР пл. X УГО П2 Рис.13. Упрощенная блок-схема осциллографа С1-1. Исследуемый сигнал подается на вход Y . С гнезда вход Y сигнал последовательно поступает на декадный аттенюатор А, усилитель вертикального отклонения УВО и через переключатель П1 на вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. С помощью переключателя П1 исследуемый сигнал может подаваться непосредственно на пластины, минуя аттенюатор и усилитель. В усилителе имеются регулировки чувствительности и смещения луча по вертикали. Генератор развертки ГР вырабатывает пилообразное напряжение, осуществляющее равномерное перемещение луча по горизонтали. Собственная частота ГР может регулироваться скачкообразно и плавно. Для синхронизации частоты генератора может быть использовано напряжение, полученное: а) с усилителя вертикального отклонения, б) с гнезда "ВНЕШН. СИНХР." при синхронизации внешним напряжением, в) от сети. Напряжение развертки или внешний сигнал с гнезда вход X в зависимости от положения переключателя П3 подается на усилитель горизонтального отклонения УГО. В усилителе имеются регулировки чувствительности и смещения луча по горизонтали. Выходное напряжение УГО поступает на горизонтально-отклоняющие пластины трубки. С помощью переключателя П2, на горизонтально-отклоняющие пластины можно подавать напряжение, минуя усилитель. В приборе предусмотрена модуляция луча по яркости. Модуляцию луча можно осуществлять от внешнего сигнала, который в этом случае подается на электрод М. 4.2.4. Подготовка к работе 1. Включить прибор в сеть тумблером "СЕТЬ" и дать ему прогреться в течение 1-2 минуты. На экране должна появиться горизонтальная световая полоса. Если она отсутствует, то это значит, что луч находится за пределами экрана. Для перемещения луча в пределы экрана служат регуляторы "ОСЬ Y " и "ОСЬ X ". 2. Установить необходимую яркость и четкость луча ручками "ЯРКОСТЬ" и "ФОКУС". Примечание: Во избежание прогорания экрана не желательно оставлять луч на экране неподвижным. 4.2.5. Работа с прибором 1. Исследуемый сигнал додается на вход " Y ". Ручками аттенюатора "ОСЛАБЛЕНИЕ" и регулятором "УСИЛЕНИЕ" на экране трубки устанавливается величина изображения, удобная для исследования. 2. Переключателем "ДИАПАЗОНЫ ЧАСТОТ" и ручкой "ЧАСТОТА ПЛАВНО" устанавливается такая частота развертки, при которой изображение на экране имеет необходимое число периодов наблюдаемых колебаний. 3. Переключателем "СИНХРОНИЗАЦИЯ" выбирается род синхронизации. 4. Ручка "АМПЛИТУДА СИНХРОНИЗАЦИИ" вращается до установления неподвижного изображения на экране, при этом может также потребоваться плавная подстройка частоты развертки ручкой "ЧАСТОТА ПЛАВНО". 5. Включение на вход X горизонтального усилителя осуществляется установкой переключателя "ДИАПАЗОНЫ ЧАСТОТ" в положение “0” или “ВЫКЛ.”. 6. Величина сигнала, подаваемого на вход X , не должна превышать 25 Вэфф во избежание перегрузки усилителя. 7. Для подачи напряжения непосредственно на пластины необходимо: выключить прибор, открыть крышку сзади кожуха, тумблер соответствующей пары пластин переключить в верхнее положение, подключить к пластинам исследуемое напряжение, включить прибор. Предупреждение! Пластины трубки находятся под высоким потенциалом относительно шасси прибора. На пластины можно подавать напряжение, амплитуда которого лежит в диапазоне 10 100 В. Напряжение выше 100 В непосредственно подавать на пластины не рекомендуется, т.к. изображение будет выходить за пределы экрана. 8. Для модуляции луча по яркости необходимо: открыть крышку сзади кожуха, тумблер рода модуляции переключить в нижнее положение, между гнездом "М" и земляной клеммой включать модулирующий сигнал. На время операций по включению внешней модуляции прибор выключить. 5. Порядок выполнения работы 5.1. Собрать схему для определения чувствительности электронно-лучевой трубки (рис.8а.): а) для определения чувствительности трубки по оси Y выход генератора 1 подключить к клемме Y ; б) включить напряжение питания осциллографа и звукового генератора. Прогреть приборы в течение 1-2 минут; в) установить регулятором выхода звукового генератора напряжение, подаваемое на пластины Y , определить его величину по стрелочному прибору генератора и измерить отклонение луча на экране трубки. Опыт повторить 5 раз при разных напряжениях генератора. Результаты измерений записать в таблицу 1. Таблица 1. Определение чувствительности трубки № п.п. U yп л hy S yп л U xп л hx V mm mm/V V mm S xп л Примечания mm/V г) для определения чувствительности трубки по оси X выход генератора 1 подключить к клемме X и повторить пункт 5.1.в. 5.2. Собрать схему для определения чувствительности осциллографа (рис.8.6): а) для определения чувствительности осциллографа по входу Y выход генератора 1 подключить к входу Y ; б) установить на осциллографе: ручку "УСИЛЕНИЕ ПО ВЕРТИКАЛИ"- в крайнее правое положение, ручку " УСИЛЕНИЕ ПО ГОРИЗОНТАЛИ"- в крайнее левое положение, переключатель аттенюатора "ОСЛАБЛЕНИЕ"- в положение 1:1, переключатель "ДИАПАЗОНЫ ЧАСТОТ"- в положение 0 или ”ВЫКЛ”; в) переместить вертикальную полосу в центр экрана осциллографа с помощью регуляторов "ОСЬ Y ", "ОСЬ X "; г) снять зависимости h y U yо с , согласно пункту 5.1.в при коэффициентах ослабления входного аттенюатора 1:1, 1:10, 1:100. Результаты записать в таблицу 2. Таблица 2. Определение чувствительности осциллографа № Положение U yос hy S yос U xо с hx S xо с п.п аттенюатора V mm mm/V V mm mm/V 1:1 1:10 1:100 д) для определения чувствительности осциллографа по входу X выход генератора 1 подключить к входу X ; е) установить на осциллографе: ручку "УСИЛЕНИЕ ПО ВЕРТИКАЛИ"- в крайнее левое положение, ручку "УСИЛЕНИЕ ПО ГОРИЗОНТАЛИ"- в крайнее правое положение, переключатель "ДИАПАЗОНЫ ЧАСТОТ"- в положение 0 или "ВЫКЛ."; ж) снять зависимость hx U xос повторяя пункты 5.2.в,г. Переключатель аттенюатора "ОСЛАБЛЕНИЕ" находится в любом положении. 5.3. Собрать схему для определения поправок генератора рис.9.: а) выход генератора 1 подключить ко входу осциллографа Y и поставить на осциллографе: ручки "УСИЛЕНИЕ ПО ВЕРТИКАЛИ", "УСИЛЕНИЕ ПО ГОРИЗОНТАЛИ"- в среднее положение, аттенюатор- в положение 1:1. Проверять выполнение пункта 5.2.в; б) меняя регулятором выхода звукового генератора величину напряжения, подаваемого на вход осциллографа Y , а потенциометром P величину напряжения, подаваемого на вход X , установить изображение в пределах экрана; в) установить на шкале генератора ЗГ оцифрованное значение частоты равное 50 Гц. Меняя расстройку генератора, добиться неподвижного изображения на экране осциллографа. Результаты измерений записать в таблицу 3. Измерения повторить для других оцифрованных значений частоты генератора, кратных 50 Гц; г) рассчитать поправки f шкалы генератора. Таблица 3. Определение поправок шкалы генератора № f ген Расстройка f п.п. Hz % Hz 5.4. Собрать схему для измерения тока и сопротивлений рис.10. а) установить на осциллографе: аттенюатор- в положение 1:1, ручки "УСИЛЕНИЕ ПО ВЕРТИКАЛИ"- в крайнее правое положение, "УСИЛЕНИЕ ПО ГОРИЗОНТАЛИ"- в крайнее левое положение, переключатель "ДИАПАЗОНЫ ЧАСТОТ"- в положение 0 или "БЫКЛ." Проверить выполнение пункта 5.2в.; 6) для измерения тока поставить переключатель П в положение 1. Меняя R м , установить отклонение луча в пределах экрана. Измерить отклонение луча на экране осциллографа. Данные измерений и значение сопротивления R м записать в таблицу 4. Таблица 4. Измерение тока и сопротивлений № п.п hy S yо с Rм I Rx R м1 Rм2 Rx Xx mm mm/mV A C в) для измерения активного сопротивления переключатель П поставить в положение 2 и заметить отклонение луча на экране осциллографа. Поставить переключатель П в положение 1 и, менял сопротивление магазина R м , добиться прежнего отклонения луча на экране осциллографа. Значение магазина R м записать в таблицу 4 в графу R x ; г) для измерения комплексного сопротивления и его составляющих переключатель П поставить в положение 3, ключ К замкнуть. Заметить отклонение луча на экране осциллографа. Установить П в положение 1 и меняя сопротивление магазина добиться прежнего отклонения луча. Значение магазина R м записать в таблицу 4 в графу R м1 . Опыт повторить при разомкнутом ключе К и результат записать в графу R м 2 . 5.5. Собрать схему для измерения частоты методом круговой развертки рис.11: а) изменяя частоту генератора ЗГ, добиться неподвижного изображения на экране осциллографа. Подсчитать число светящихся полосок n на экране осциллографа. Данные измерений и значение частоты генератора ЗГ записать в таблицу 5. Таблица 5. Определение частоты и сдвига фаз № п.п. f0 f Hz Hz n 2U1 2U1 2U 2 2U 2 5.5. Собрать схему для измерения сдвига фаз в RC и RL цепях рис.12: а) повторить пункт 5.З.а; б) поставить переключатель П в положение 1, зарисовать осциллограмму на кальку; измерить параметры эллипса и записать их в таблицу 5; в) опыт повторить при установке переключателя П в положение 2. 6. Контрольные вопросы 1.Что такое электронный осциллограф и для каких целей он применяется? 2. Каковы основные достоинства электронных осциллографов? 3. Объясните устройство электронно-лучевой трубки осциллографа. 4. Что называют чувствительностью электронно-лучевой трубки? 5. Что называется чувствительностью электронного осциллографа? 6. Какие два основных режима осциллографа вы знаете? 7. Объясните назначение генератора развертки. 8. Какие виды развертки вы знаете? 9. Какова должна быть частота генератора развертки и для чего она синхронизируется с частотой исследуемого процесса? 10. Как при помощи осциллографа измерить напряжение и ток? 11. Как при помощи осциллографа измеряется комплексное сопротивление? 12. Изложите сущность определения частоты методом фигур Лиссажу. 13. При каком соотношении частот удобнее пользоваться методом круговой развертки для определения частоты? Изложите сущность этого метода. 14. Как измеряется угол сдвига фаз методом эллипса?