Осциллограф. Генератор. Усилитель

Цель: изучить школьные осциллографы, генераторы и уси­лители, овладеть приемами работы с этими приборами.

Задание 1. Изучите по описанию электронные осциллографы ОЭШ-70 и ОДШ-2, звуковой генератор ГЗШ, усилители низкой частоты УНЧ-3, УНЧ-5 и усилитель на панели, выпрямитель уни­версальный ВУП-2 (см. работу 2, задание 1).

Осциллограф—прибор для визуального наблюдения и регист­рации функциональной зависимости величин, выраженных в фор­ме электрических напряжений или токов. Наиболее широко при­меняют осциллографы для исследования периодических процессов, а также для изучения вольт-амперных характеристик диода и трио­да, петли гистерезиса и др.

В простейшем случае осциллограф состоит из четырех блоков:

блока электронно-лучевой трубки ЭЛТ, генератора развертки ГР, усилителя исследуемого сигнала УС и блока питания БП (рис.1). Основным элементом первого блока является электронно-лучевая трубка, на экране которой формируется картина исследуемого сиг­нала (осциллограмма). Принципиальная схема трубки приведена на рисунке 2. Нить накала НН подогревает ка­тод Л, с поверхности которого вылетают элект­роны. Электроны, пролетев через отверстия уп­равляющего электрода, фокусирующего ци­линдра ФЦ и анода Л, а также между пласти­нами XX и УУ, попадают на экран и вызывают его свечение. Изменением разности потенциалов между катодом и управляющим электродом мож­но менять число электронов в пучке, а это по­зволяет регулировать яркость изображения на экране. Чем больше по модулю отрицательный потенциал на управляющем электроде относи­тельно катода, тем меньше электронов пройдет через управляющий электрод и достигнет анода. Осциллограф снабжен ручкой «яркость» для уп­равления потоком электронов в пучке.

Рисунок 1

Рисунок 2

Электрическое поле между фокусирующим цилиндром и анодом способно фокусировать рас­ходящийся электронный пучок. На рисунке 3 показан характер поля: сплошными линиями обозначены силовые линии электрического поля, а пунктирными—траектории движения электронов.

Рисунок 3

Таким образом, фокусирую­щий электрод и анод составляют электростатическую линзу. Изме­нение разности потенциалов меж­ду фокусирующим цилиндром и анодом приводит к разной фоку­сировке электронного пучка. Кон­струкцией осциллографа преду­смотрено изменение фокусировки ручкой «фокус».

Рисунок 4

Сфокусированный пучок элек­тронов проходит между пласти­нами XX и УУ. Если на пласти­ны XX или УУ подано постоян­ное напряжение, то электронный пучок смещается соответственно либо по горизонтали, либо по вертикали; это фиксируется либо как «», «|», либо «Впра­во-влево», «Вверх-вниз».

Генератор развертки создает пилообразное напряжение (рис. 4), которое может подаваться на горизонтально отклоняю­щие пластины (на пластины XX). При этом электронный пучок (соответственно светящаяся точка на экране) при медленном воз­растании напряжения на пластинах XX равномерно перемещается по горизонтали, прочерчивая на экране светящийся отрезок, а при резком спаде напряжения быстро возвращается в исходное поло­жение. (В осциллографе предусматривается гашение пучка при резком спаде напряжения.) Прочерчивание отрезка периодически повторяется. Частоту пилообразного напряжения можно менять либо ступенчато, либо плавно ручками развертки, которые могут быть обозначены: «Диапазон», «Частота плавно». Амплитуду пи­лообразного напряжения плавно меняют ручкой «Усиление X».

Усилитель предназначен для усиления без искажений электри­ческих колебаний, поданных на его вход. С выхода усилителя ис­следуемый сигнал подается на пластины УУ электронно-лучевой трубки. Сигнал, подаваемый на вход осциллографа, может быть как малым, так и большим. Большой сигнал (порядка десятков вольт) на входе уменьшается с помощью делителя напряжения. С делителя сигнал подается на усилитель. Ручки управления де­лителем и усилителем выведены на внешнюю панель.

Получение осциллограммы синусоидальных колебаний можно пояснить следующим образом. На пластины XX с генератора раз­вертки подается пилообразное напряжение, а на пластины УУ с усилителя—исследуемый сигнал (см, рис. 4). Если частота сиг­нала кратна частоте развертки, то на экране электронно-лучевой трубки будет формироваться синусоида (в нашем случае период сигнала Г в 3 раза меньше периода развертки Тс, на экране долж­на наблюдаться синусоида с тремя максимумами и минимумами).

Если же частота сигнала не кратна частоте развертки, то плавным изме­нением частоты развертки (специаль­ной ручкой) можно добиться ее крат­ности частоте сигнала. Однако вруч­ную это сделать трудно, поэтому в ос­циллографе предусмотрена автомати­ческая подстройка частоты развертки сигналом, идущим от усилителя. Этот сигнал может быть изменен выведен­ной на панель ручкой «Синхрониза­ция». Обычно в осциллографе предус­матривают, кроме внутренней, внеш­нюю синхронизацию, т. е. синхрониза­цию от внешнего источника периоди­ческих колебаний (возможно от сети переменного тока).

Рисунок 5

Промышленность выпускает для школ несколько вариантов осциллографов, из которых рассмотрим ОЭШ-70 и ОДШ-2.

Внешний вид осциллографа ОЭШ-70 приведен на рисунке 5, а расположение ручек управления—на рисунке 6. На передней стенке смонтированы выключатель сети, сигнальная лампочка, за­жимы «Вход У», «Вход X» и делитель входного сигнала. На боко­вую панель выведены ручки управления электронным пучком « | », «», «Синхронизация», «Внутр—от сети—внешн», «Уси­ление», ручки развертки, «Диапазоны 0, 30, 150, 500 Гц, 2, 8, 16 кГц», «Частота плавно», а также ручки усиления сигнала «Уси­ление У», «Усиление Х».

Рисунок 6

Рисунок 7

Осциллограф ОДШ-2 отличается от ОЭШ-70 конструктивно и внешним оформлением (рис. 7). На переднюю панель выведен не только экран электронно-лучевой трубки, но и основные ручки уп­равления. Верхний ряд ручек предназначен для управления элек­тронным пучком: «Яркость», «Фокус», «Вверх-вниз», «Влево-вправо». Во втором ряду сверху смонтированы ручки управления уси­лителем «Усиление У» и делитель напряжения 1: 1, 1:10, 1:30, 1:100, 1:1000, а также выключатель сети с сигиальной лампоч­кой. В третьем ряду сверху расположены ручки и кнопки генера­тора развертки: «Частота плавно», «Вкл. 1, 2, 3, 4», «Усиление Х». Кнопочный переключатель позволяет менять пилообразное напря­жение частотой от 20 Гц до 20 кГц. Генератор развертки рабо­тает только при нажатой кнопке «Вкл». В нижнем ряду располо­жены зажимы «Вход У», «Вход X», «Внешн. синхр», кнопки син­хронизации «Внешн», «Внутр» и ручка синхронизации. На боковую панель осциллографа ОДШ-2 выведены ручки уп­равления двухканальным коммутатором с двумя входами. Комму­татор позволяет наблюдать на экране осциллографа одновремен­но сигналы от двух источников переменного тока. Если частоты источников одинаковы, то по полученным осциллограммам мож­но судить о сдвиге фаз поданных сигналов. Например, на один вход можно подать сигнал, пропорциональный напряжению на кон­денсаторе, а на другой—пропорциональный силе тока, текущего через конденсатор. Тогда на экране осциллографа можно наблю­дать две синусоиды, сдвинутые по фазе на 90°. Применяя комму­татор, можно сравнивать частоту исследуемого сигнала со стан­дартной частотой, если эти сигналы отличаются по частоте.

Рисунок 8

На задней стенке осциллографов ОДШ-2 и ОЭШ-70 смонтиро­ваны гнезда, позволяющие подавать исследуемый сигнал непосред­ственно на пластины электронно-лучевой трубки. Возможность подавать исследуемый сигнал непосредственно на пластины позво­ляет применить осциллограф и для цепей постоянного тока. По­давая сигнал постоянного напряжения на пластины XX (или УУ) при отключенной развертке, можно наблюдать смещение светя­щейся точки по горизонтали (или вертикали), причем отклонение этой точки пропорционально приложенному напряжению. Следо­вательно, осциллограф можно применить как вольтметр с боль­шим внутренним сопротивлением.

Осциллограф является сложным электронным прибором и тре­бует умелого обращения. Запрещается менять предохранитель или ремонтировать прибор с включенным в сеть шнуром питания.

Генератор звуковой предна­значен для получения электриче­ских колебаний звуковой часто­ты. В учебных целях могут быть применены различные генераторы. Звуковой генератор школь­ный ГЗШ (рис. 9) перекрывает диапазон генерируемых частот синусоидальных колебаний от 20 до 20000 Гц с диапазонами: «х1» (от 20 до 200 Гц), «х10» (от 200 до 2000 Гц), «X 100» (от 2000 до 20000 Гц), питается от сети пере­менного тока напряжением 220 В.

Рисунок 9

На лицевую панель генератора выведе­ны тумблер включения генератора в сеть, сигнальная лампочка, переключатель под-диапазонов на три фиксированных положе­ния, отмеченных «Xl», «X10», «Х100», диск с неравномерной шкалой деления (от 20 до 200), ручка переменного резистора, позволяющая менять амплитуду выходного сигнала, выходные зажимы, рассчитанные на подключение цепей с разным сопротивлением (5, 600, 5000 0м). С тыльной стороны имеется панель для предохранителей и сете­вого шнура.

Блок-схема ГЗШ показана на рисунке 9. Генератор состоит из четырех основных блоков: задающего генератора ЗГ, усилите­ля УС, выходного устройства ВУ, блока питания БП. За­дающий генератор генерирует синусоидальные колебания малой мощности. Частоту этих колебаний можно менять изменением ем­кости конденсатора. Колебания малой мощности подаются на элек­тронный усилитель и уже усиленные по мощности поступают в выходное устройство, представляющее собой согласующий выход­ной трансформатор.

При эксплуатации прибора следует помнить, что смену предо­хранителя можно производить только при отключенной сети; нель­зя применять предохранитель, рассчитанный на силу тока более 1 А.

Перед началом работы со звуковым генератором ГЗШ ручку «Усиление» устанавливают в крайнее левое положение поворотом против часовой стрелки. Чтобы продемонстрировать опыт, соби­рают цепь, используя звуковой генератор ГЗШ. При этом следует руководствоваться правилом: если сопротивление внешней цепи мало (например, при подключении динамического громкоговори­теля), то эту цепь подключают к зажимам «Общ» и «5 Ом», т. е. выбирают такие выходные зажимы ГЗШ, чтобы сопротивление между ними было близким к сопротивлению подключаемой цепи. В этом случае КПД установки будет наибольшим.

Если для опытов необходимы частоты 20—200 Гц, то переклю­чатель устанавливают в положение «хl», если 200—2000 Гц— в положение «хl0», а для частот 2000—20000 Гц используют по­ложение «х100». Плавную регулировку частоты осуществляют поворотом диска.

Включение прибора в сеть осуществляют установкой тумблера в положение «Вкл». Амплитуду выходного сигнала увеличивают до необходимого значения поворотом ручки «Усиление» по часовой стрелке.

Генератор звуковой школьный ГЗШ-М принципиально ничем не отличается от ГЗШ. Однако ГЗШ-М можно использовать в ка­честве усилителя низкой частоты. С этой целью на переднюю па­нель прибора выведены зажимы «Вход УНЧ», а в переключателе

Рисунок 2 Рисунок 10 Рисунок 11

добавлен поддиапазон «УНЧ» (рис. 9). При работе в режиме УНЧ на вход усилителя низкой частоты подают исследуемый сиг­нал, а на выходе ГЗШ-М получают усиленные электрические ко­лебания звуковой частоты.

Модель звукового генератора демонстрационного ГЗД (рис. 10) предназначена для демонстрации действия генератора и опытов по автоматике. ГЗД собран на транзисторе П202Э по схеме, показан­ной на рисунке 11, и может выполнять функции генератора, моду­лятора и усилителя электрических колебаний. К зажимам 5 и 8 подключают источник тока напряжением 4 В. В качестве источ­ника тока можно применить батарею аккумуляторов, батарею от карманного фонаря, выпрямители ВС-24М или ВС-4-12. Если закоротить зажимы 2 и 3, то прибор будет работать в режиме ге­нератора. Подключенный к зажимам 6 и 7 громкоговоритель из­дает звук достаточной громкости. Частоту звука меняют поворо­том ручки потенциометра R2.

Для демонстрации преобразования неэлектрических сигналов в электрические к зажимам 2 и 4 подключают соответствующий датчик, у которого сопротивление меняется в зависимости от ис­следуемого параметра (терморезистор, фоторезистор и пр.). На­пример, если подключить терморезистор, то с изменением его тем­пературы будет меняться высота тона звука.

Модель генератора может быть применена в опыте для демон­страции принципа радиотелеметрии. В этом случае ГЗД играет роль модулятора высокочастотных электрических колебаний, ко­торые создает генератор УВЧ. Чтобы продемонстрировать усиле­ние постоянного тока, на вход генератора подключают фотоэле­мент, размыкают цепь обратной связи (т. е. снимают перемычку с зажимов 2 и 3), а в коллекторную цепь транзистора включают де­монстрационный гальванометр.

Громкоговорители. Существует несколько различных видов громкоговорителей. Наиболее совершенным из них является электродинамический громкоговоритель ("динамик"). Внешний вид одной из многочисленных конструкций "динамиков" изображен на рисунке.

Понятие об устройстве громкоговорителя даес чхематический разрез его механизма, изображенного на рисунке. На оси массивного железного стакана намотана подмагничевающая катушка, питаемая постоянным током.

В крышке стакана сделана кольцевая щель, пронизываемая постоянным магнитным потоком. В эту щель помещена подвижная катушка, намотанная на легкий каркас, жестко связанный с бумажным конусом (диффузором). Диффузор прикрепляется к раме при помощи какого-нибудь мягкого материала (например, замши).

По подвижной катушке протекает переменный ток звуковой частоты. Взаимодействие этого тока с постоянным магнитным потоком, в котором находится катушка, вызывает колебания катушки, которые передаются связанному с ней диффузору. Колеблющийся диффузор создает в окружающем его воздухе звуковые волны.

В настоящее время промышленностью выпускаются динамики и без подмагничивающей катушки. Постоянные магниты для них изготавливаются из специальных сплавов, обладающих высокими магнитными свойствами.

Усилитель низкой частоты - электронный прибор, предназна­ченный для усиления электрических колебаний звуковой частоты от 20 Гц до 20 кГц. Обычно усилитель состоит из нескольких бло­ков: предварительного усилителя напряжения, усилителя мощно­сти, согласующего выходного трансформатора и блока питания. Для школ выпускаются усилители разной конструкции и отличаю­щиеся по внешнему виду.

Усилитель УНЧ-3 на лицевой панели имеет ручку ре­гулятора громкости и сигнальную лампочку. Ручкой регулятора громкости производят также включение и выключение сети. В край­нем левом положении ручки при повороте против часовой стрелки прибор отключен. Включение осуществляют поворотом ручки по часовой стрелке после щелчка. Так как усилитель собран на элект­ронных лампах, то он начинает работать после их прогрева.

Па боковой стенке смонтированы три входных гнезда: для подключения М—микрофона, АД— адаптера, Л—линии. Ниж­ние гнезда соединены с корпусом прибора. На задней стенке име­ются две пары гнезд: Гр—для подключения громкоговорителя (низкоомный выход) и Л — высокоомный выход. Здесь же име­ются вывод сетевого шнура с вилкой и октальная панель, в кото­рую вставлена специальная вилка с предохранителем (на 0,5 А) для сети напряжением 220 В. Вилку можно устанавливать в двух положениях: «220 В» и «127 В».

Усилитель УНЧ-5 собран на транзисторах. На лице­вой панели усилителя смонтированы выключатель сети с индика­торной лампочкой, гнезда выхода, гнезда входа для микрофона и звукоснимателя, разъем для подключения микрофона, ручки ре­гулировки тембра по низкой и высокой частоте, ручка регулировки уровня сигнала, индикатор перегрузки. На задней стенке имеются вывод сетевого шнура с вилкой и предохранитель (на 0,5 А).

На вход усилителя могут подаваться сигналы не только с мик­рофона и звукоснимателя, но и от других датчиков электрических колебаний напряжением от нескольких милливольт до вольт (сиг­налы с элементов цепи переменного тока, звукового генератора и т. д.). К выходу усилителя можно подключать не только гром­коговоритель, но и другие приборы: осциллограф, измерительные приборы переменного тока, головные телефоны и пр. Потребляе­мая усилителем мощность не более 40 Вт, выходная—около 5 Вт.

Запрещается при эксплуатации усилителя менять предохрани­тель, разбирать и ремонтировать прибор, включенный в сеть.

Усилитель на вертикальной панели входит в комп­лект демонстрационных приборов по радиотехнике. Слева смон­тированы универсальные зажимы входа усилителя. Первая лампа работает в режиме усиления напряжения, вторая—как усилитель мощности. В анодную цепь второй лампы включен согласующий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с зажима­ми низкого и высокого выходного напряжения. Три нижних зажи­ма служат для подключения питания от ВУП-2, на два нижних зажима подается напряжение переменного тока 6,3 В для пита­ния накала ламп, а на средний и третий снизу—напряжение по­стоянного тока 250 В для анодной цепи ламп, причем на третий снизу зажим подается положительный потенциал. Схема усили­теля приведена на рисунке рядом.

Подключение блока питания и сборку установок с усилителем на панели запрещается выполнять при включенном в сеть выпря­мителе ВУП-2.

В демонстрационных установках предпочтение следует отдавать усилителю УНЧ-5.

Задание 2. Подберите из пособия [2] опыты, иллюстрирующие применение осциллографа, генератора, усилителя.

Задание 3. Продумайте ответы на следующие вопросы:

1) Ка­ково назначение каждой ручки управления осциллографом ОЭШ-70 и ОДШ-2? Как будет меняться наблюдаемая на экране осциллограмма (синусоида) при вращении отдельной ручки в том или ином направлении, при переключении тумблеров и переклю­чателей?

2) Что вы будете наблюдать на экране осциллографа, если при включенной развертке к входу «У» осциллографа подклю­чить источник переменного тока (постоянного тока).

3) Как осу­ществляется фокусировка электронного пучка?

4) Как работает простейший генератор развертки?

5) Как осуществляется синхро­низация в осциллографе?

6) Каково назначение электронного ком­мутатора? В каких опытах может быть применен коммутатор?

7) Каково назначение ручек, переключателей и зажимов звукового генератора ГЗШ? В чем состоит отличие ГЗШ и ГЗШ-М?

8) Как подготовить усилитель низкой частоты (УНЧ-3, УНЧ-5, усилитель на панели) для работы?

9) Каков принцип действия каждого из рассмотренных в работе приборов?

10) Каково назначение отдельных блоков осциллографов, звукового генератора, усилителя?

11) Выпрямитель ВУП-2 дает возможность получить разные на­пряжения. Какие напряжения необходимы для питания усилите­ля на панели?

12) Какие требования техники безопасности необ­ходимо соблюдать при работе с осциллографом, звуковым гене­ратором, усилителями унч-з, УНЧ-5, усилителем на панели?

Задание 4. Подготовите план работы, в который включите но­мер и название работы, краткие характеристики школьных при­боров: осциллографа, генератора, усилителя. Вычертите схемы ус­тановок для нижеперечисленных опытов.

Оборудование: осциллограф ОЭШ-70, ОДШ-2, генератор ГЗШ-63, усилители низкой частоты, ВУП-2, аккумулятор, громкоговоритель, телефоны головные, модель звукового генератора.

Опыт 1. Изучение работы осциллографа

Установите ручки осциллографа «», "|", «Яркость», «Фо­кус» в среднее положение, а остальные ручки поверните до отка­за в направлении против часовой стрелки. Ручки переключателя синхронизации и диапазонов осциллографа ОЭШ-70 установите на делениях «Внутр», «До 220 В».

Включите осциллограф. Поворотом ручек «Яркость», «Фокус» на экране получите не яркое, но четкое изображение точки. Повращайте ручки «», «|» в разные стороны. Пронаблюдайте смещение точки. Вращайте ручки «Диапазоны», «Усиление X», «Усиление У» в разных направлениях и в разных сочетаниях. Сде­лайте вывод.

Вопрос. Как можно изменить длину развертки? Как получить развертку, если на экране наблюдается Светящаяся точка?

Установите ручку «Усиление У» на очень малое усиление, руч­ку «Диапазоны» в положение «150», синхронизации—в положе­ние «Внутр». Подключите выход звукового генератора «5 Ом» ко входу «У» осциллографа. Установите на генераторе ГЗШ часто­ту 800 Гц, а ручку усиления поставьте в среднее положение. Включите звуковой генератор. Поворотом ручки «Усиление У» получите амплитуду кривой 30—50 мм. При необходимости отре­гулируйте качество кривой ручками «Яркость» и «Фокус». По­ворачивайте ручки «Синхронизация», «Усиление», «Частота плав­но» отдельно в разных вариантах, при этом должны получаться устойчивые синусоиды.

Пронаблюдайте за Изменением синусоиды на экране осцилло­графа при вращении лимба плавного изменения частоты ГЗШ для диапазона «х1», «х10», «х100» и при переключении ручки «Диа­пазоны».

Установите амплитуду синусоиды порядка 0,5 см. Переключите аттенюатор в положение до 5 В и пронаблюдайте резкое возрас­тание амплитуды синусоиды.

Все опыты, рассмотренные с осциллографом ОЭШ-70, выполни­те с осциллографом ОДШ-2.