3802 ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. МАГНЕТИЗМ

Лабораторная работа № 1

Изучение работы электронного осциллографа

Цель работы: изучение работы электронного осциллографа, получение навыков работы с осциллографом.
Приборы и принадлежности: осциллограф ОСУ-20, генератор низкой частоты GAG-810.

Теоретическая часть
Электронный осциллограф представляет собой универсальный при-бор, предназначенный для визуального наблюдения процессов, протекающих в электрических или электронных цепях. Осциллограф - один из основных приборов, с которым приходится работать инженеру, поэтому необходимо ясно представлять его устройство и принцип действия.
Электронный осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки, усилителей входных сигналов, генератора развертки с устройством синхронизации, блока питания.
Электронно-лучевая трубка является основным элементом осцилло-графа. Она предназначена для образования и фокусировки электронного луча и преобразования электронного сигнала в видимый на экране след.
Устройство электронно-лучевой трубки показано на рис. 1.
На рис. 1 обозначено: А - электронный прожектор [1 - катод, 2 - управляющий электрод (модулятор), 3 - ускоряющий электрод, 4 - фокусирующий электрод, 5 - анод]; Б - отклоняющая система [6 - от-клоняющие пластины вертикального направления, 7 - отклоняющие пластины горизонтального направления]; 8 - экранирующее покрытие трубки, 9 - экран с люминофором.
Электронный прожектор формирует пучок электронов, преобразуя его в луч. Катод, модулятор и край ускоряющего электрода образуют первую электронную линзу. Вторая линза образована фокусирующим электродом, анодом и вторым краем ускоряющего электрода. Электроны, эмитированные с поверхности подогреваемого катода, попадают в электрическое поле первой линзы, после чего слегка расходящийся пучок электронов фокусируется на экране трубки с помощью второй линзы.
Для отклонения сформированного электронным прожектором луча используется отклоняющая система из двух пар пластин. Одна пара пла-стин при подаче на нее разности потенциалов отклоняет электронный луч в вертикальном направлении, вторая - в горизонтальном. Падающий на экран луч вызывает свечение люминофора, нанесенного на экран. Смещение светящегося луча под действием электрического поля отклоняющих пластин оказывается пропорционально напряжению между ними. На этом основана работа осциллографа.
Усилители и аттенюаторы входных сигналов предназначены для по-вышения чувствительности осциллографа и для расширения диапазона исследуемых напряжений.
Генератор развертки вырабатывает импульсы напряжения пилообразной формы. Если на горизонтально отклоняющие пластины подать пилообразное напряжение, показанное на рис. 2, то светящаяся точка на экране осциллографа будет двигаться с постоянной скоростью, пропорциональной скорости нарастания напряжения, т.е. смещение будет пропорционально времени. Таким образом, если подать на вертикально отклоняющие пластины некоторое исследуемое напряжение, то на экране получим график зависимости этого напряжения от времени (временную диаграмму). Так как с помощью осциллографа изучают быстропеременные периодические процессы, напряжение развертки также должно быть периодическим и кратным периоду исследуемого сиг-нала. При этом необходимо, чтобы луч, пройдя равномерно до конца развертки, быстро вернулся в ее начало (на обратном ходе луч должен гаситься).
Для обеспечения стабильности изображения колебания блока развертки синхронизируются с колебаниями другого источника напряжения. В качестве такого источника используется либо напряжение сети, либо напряжение внешнего генератора, либо само исследуемое напряжение.
Назначение органов управления
Осциллограф сервисный универсальный (ОСУ) ОСУ-20 - двухканальный осциллограф. Он позволяет исследовать два сигнала одновременно. На передней панели расположены следующие органы управления.
Кнопка POWER (выключатель сетевого питания). Когда этот выключатель включен, загорается светодиодный индикатор.
Регуляторы INTEN (яркость) и FOCUS (фокус).
TRACE ROTATION (поворот) - регулятор изображения параллельно линиям шкалы.
CH 1/X (канал 1/Х) - вход канала 1, в режиме X-Y - входной канал оси Х.
CH 2/Y (канал 2/Y) - вход канала 2, в режиме X-Y - входной канал оси Y.
AC-GND-DC - переключатели (2 шт.) режима входов усилителей каждого канала:
AC - закрытый вход (отсекается постоянная составляющая иссле-дуемого сигнала);
GND - вход усилителя отключается от источника сигнала и заземляется;
DC - открытый вход.
Канальные переключатели (2 шт.) VOLTS/DIV (вольт/деление) уста-навливают коэффициенты отклонения каждого канала от 5 мВ/дел до 20 В/дел. Расположенные соосно с указанными переключателями регуляторы (2 шт.) VARIABLE (переменный) плавно изменяют коэффициенты отклонения каждого канала. Когда ручки находятся в крайнем правом положении, обеспечивается калиброванное значение положений переключателей VOLTS/DIV.
POSITION (положение) - регуляторы (3 шт.) положения лучей по вертикали и горизонтали.
Кнопка х1/х5 позволяет увеличить чувствительность первого канала в 5 раз.
Кнопка NORM/INV (норма/инверсия) позволяет инвертировать сиг-нал второго канала.
Переключатель MODE (режим) режимов работы усилителей:
CH 1 - на экране наблюдается сигнал канала 1;
CH 2 - на экране наблюдается сигнал канала 2;
DUAL (двойной) - двухканальный режим, на экране наблюдаются сигналы обоих каналов;
ADD (сумма) - на экране наблюдается сумма (или разность при нажатии кнопки NORM/INV) сигналов двух каналов.
Переключатель TRIGGER SOURSE (источник синхронизации) выбирает источник синхронизации при запуске линии развертки:
VERT (DUAL ALT) (поочередно) - в одноканальном режиме раз-вертка синхронизируется сигналом канала 2, в двухканальном - поочередно;
CH 1 - развертка синхронизируется сигналом канала 1;
EXT (внешний) - развертка синхронизируется внешним сигналом;
LINE (сеть) - развертка синхронизируется от питающей сети.
Чтобы использовать EXT TRIG IN (вход внешней синхронизации), переключатель TRIGGER SOURSE нужно перевести в положение EXT.
Кнопка SLOPE (полярность) переключает полярность синхросигнала:
"+" - развертка синхронизируется положительным фронтом;
"-" - отрицательным.
Регулятор TRIG LEVEL (уровень синхр.) выбирает уровень исследуемого сигнала, при котором происходит запуск развертки.
Переключатель MODE режимов работы генератора развертки:
AUTO - автоколебательный режим;
NORM (ждущий) - развертка запускается при наличии входного сигнала;
TV-V - синхронизация по кадрам телевизионного сигнала;
TV-H - синхронизация по строкам телевизионного сигнала.
Переключатель TIME/DIV устанавливает коэффициент развертки от 0,2 мкс/дел до 0,2 с/дел. При переводе в положение X-Y канал 1 становится входным каналом Х-оси (обеспечивается наблюдение фигур Лиссажу).
Регулятор VARIABLE обеспечивает плавную регулировку коэффициента развертки при нажатой кнопке CAL/VAR (измерение/изменение). В отжатом состоянии кнопки CAL/VAR регулятор VARIABLE отключен и обеспечивается калиброванное значение положений переключателя TIME/DIV.
Кнопка х1/х10 позволяет увеличить скорость развертки (растянуть) в 10 раз.
Клемма PROBE - выход калибровочного генератора: на этой клемме импульсы положительной полярности амплитудой 0,5 В, длительностью 0,5 мс, частотой 1 кГц.
Порядок выполнения работы
1.    Включите питание осциллографа и дайте прогреться в течение не-скольких минут.
2.    Установите одноканальный режим работы - CH 1, VOLTS/DIV - в положение 0,5 В/дел, TRIGGER SOURSE в положение - CH 1, режим генератора развертки в положение - AUTO, TRIGGER SOURSE - в положение CH 1. Все кнопки в отжатом положении.
3.    Подайте на вход CH 1 сигнал с калибратора через пробник 1:1. Установите желательные яркость, фокус и размеры изображения исследуемого сигнала. Зарисуйте осциллограмму с указанием шкалы по оси напряжения в вольтах, по оси времени в миллисекундах.
4.    Измерьте период (Т), частоту (f), длительность импульса (tимп), ам-плитуду (Umax) и постоянную составляющую (Uсредн) исследуемого сигнала (меняя положение переключателя AC-GND-DC).
5.    Установите ручкой TIME/DIV самый большой коэффициент раз-вертки, который еще позволяет увидеть задний фронт импульса. Вращением ручки POSITION?? установите сигнал так, чтобы этот участок сигнала был в середине экрана. Нажмите кнопку х1/х10 и измерьте длительность заднего фронта (tфр-) на уровне 0,1Umax ? 0,9Umax.
Примечание: рабочая часть экрана составляет 8?10 делений, 1 деление составляет 10 мм, каждое деление по осям шкалы осциллографа разбито на 5 отрезков по 2 мм каждый. Масштабы по осям соответствуют положениям переключателей VOLTS/DIV, TIME/DIV и кнопкам х1/х5 и х1/х10.
6.    С помощью кнопки SLOPE получите на экране участок переднего фронта и измерьте его длительность (tфр+).
7.    Результаты измерений занесите в табл. 1.
Таблица 1
T, мкс    f, Гц    tимп, мкс    Umax, В    Uсредн, В    tфр-, мкс    tфр+, мкс

8.    Установите двухканальный режим работы осциллографа, пере-ключателем TRIGGER SOURSE выберите поочередную синхронизацию каналов, установите коэффициент отклонения второго канала 5 В/дел.
9.    Подайте на вход CH 2 через пробник 1:1 сигнал с генератора GAG-810 синусоидальной формы (кнопка WAVE FORM в положении "~"). Установите частоту генератора 2…3 кГц, используя шкалу частот и множитель FREQ RANGE. Регулятором AMPLITUDE и переключателем ATTENUATOR установите желательный размер изображения напряжения генератора. Добейтесь устойчивой синхронизации сигналов.
10.    Измерьте амплитуду (Um~), период (Т~) и частоту (f~) синусои-дального напряжения генератора, частоту сравните с установленной.
11.    Результаты измерений занесите в табл. 2.
Таблица 2
Um~, В    Т~, мкс    f~, Гц (измерен.)    f~, Гц (установл.)

Контрольные вопросы
1.    Объясните назначение и устройство электронно-лучевой трубки.
2.    В чем заключается принцип отклонения электронного луча откло-няющей системой трубки?
3.    В чем принцип фокусировки и изменения яркости электронного луча?
4.    Каково назначение генератора развертки и устройства синхронизации?
5.    Каким образом можно измерять величины и длительности сигна-лов по осциллограммам исследуемых напряжений?
Библиографический список
1.    Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 2. М.: Наука, 1982 (или последующие издания).
2.    Осциллограф сервисный универсальный ОСУ-20. Руководство по эксплуатации. М., 2005.
3.    Генератор низкой частоты GAG-809/810. Руководство по эксплуатации. М., 2005.