ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Цель работы

1. Получить практические навыки использования электронных приборов: генераторов, осциллографа, вольтметра.

2. Освоить способы определения параметров синусоидального напряжения с помощью электронного осциллографа.

Основные теоретические положения

1. Электронно-лучевой осциллограф.

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) является универсальным измерительным прибором. С его помощью можно визуально наблюдать и регистрировать изменяющиеся во времени сигналы. Он используется для измерения амплитуды, периода и частоты напряжения, угла сдвига фаз между напряжениями и других физических величин, преобразованных в электрические сигналы.

Упрощённая структурная схема универсального осциллографа представлена на рис.1. Он состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и двух каналов управления лучом: каналаY и канала X. В канал Y входят аттенюатор Y и усилитель Y. В канал X входят: устройство запуска развёртки, генератор развёртки, аттенюатор X и усилитель X.

Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой стеклянную колбу с высоким вакуумом, внутри которой жёстко закреплены электронная пушка и две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин: пластины Y и X.

Электронная пушка служит для создания узкого пучка электронов – электронного луча. В её состав входят: подогреваемый катод К, управляющий электрод (модулятор) М и два анода А1 и А2. Первый анод служит для фокусировки луча, второй – для ускорения электронов луча. Электронный луч образует на экране ЭЛТ светящуюся точку.

Пластины Y служат для отклонения луча по вертикали, на них подаётся исследуемое напряжение U(t) по каналу Y. Пластины X служат для отклонения луча по горизонтали, на них подаётся напряжение развёртки U_X(t).

При работе осциллографа с внутренней развёрткой на пластины X от генератора развёртки подаётся пилообразное напряжение, возрастающее по линейному закону. Под воздействием его электронный луч отклоняется и светящаяся точка перемещается по экрану в горизонтальном направлении с постоянной скоростью.

При работе осциллографа с внешней развёрткой напряжение развёртки подаётся через вход X от внешнего источника.

Аттенюаторы служат для ослабления больших сигналов, а усилители для усиления малых сигналов.

2. Генератор синусоидальных колебаний.

Генераторы синусоидальных колебаний являются источниками электрических колебаний, форма которых заранее известна, а частота, напряжение (или мощность) и некоторые другие параметры сигналов могут регулироваться в определённых пределах. Такие генераторы бывают низкочастотные и высокочастотные. Низкочастотные генераторы охватывают диапазон частот в пределах от долей герца до 200 кГц. Структурная схема низкочастотного генератора приведена на рис.2.

Задающий генератор вырабатывает синусоидальный сигнал, частоту которого можно регулировать дискретно («множитель частоты») и плавно. Усилитель состоит усилителя напряжения и усилителя мощности. Выходное устройство предназначено для создания на нагрузке заданного напряжения (мощности), а также для согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки. Выходное устройство состоит из делителя напряжения (аттенюатора) и согласующего трансформатора.

В данной работе рассматривается применение осциллографа для определения по осциллограмме амплитуды и периода синусоидального напряжения, получаемого от генератора. Для решения этой задачи на вход Y подаётся исследуемое напряжение U(t), которое после преобразования в канале Y поступает на пластины Y. На пластины X подаётся линейно изменяющееся напряжение U_X(t) от генератора развёртки через усилитель X. Переключатель выбора развёртки при этом должен быть поставлен в положение «Внутренняя развёртка». При решении данной задачи принято использовать внутреннюю синхронизацию генератора развёртки, а поэтому переключатель S1 включается на канал Y, т.е. в положение «Внутренняя синхронизация».

В данном опыте на электронный луч действуют две электростатические силы F_X и F_Y. Сила F_X направлена вдоль оси Х и отклоняет луч с постоянной скоростью V_X. Сила F_Y направлена вдоль оси Y и изменяется по закону синуса: F_Y = F_Ymsint.Под воздействием такого рода сил электронный луч будет перемещаться по поверхности экрана по синусоидальной кривой (рис.3).

АмплитудаU_m и период Т исследуемого напряжения определяются по формулам U_m = S_YC_Y; T = S_XC_X, где S_Y и S_X – расстояния, равные амплитуде и периоду синусоиды, полученной на экране; C_Y и C_X – цены делений сетки экрана вдоль осей Y и X при данном положении переключателей усиления Y (Вольт/дел) и длительность развёртки (Время/дел) соответственно.

Для синусоиды, представленной на рис.3, S_Y = 1,7 дел, S_X = 7,3 дел. Допустим, что при этом переключатель «Вольт/дел» установлен в положение 2 В/дел (C_Y = 2 В/дел), а переключатель «Время/дел» установлен в положение 10 мс/дел (C_X = 10 мс/дел), тогда U_m = 1,72 = 3,4 В, Т = 7,31010^-3 = 0,073 с.

Действующее значение U, частота f и угловая частота  этого напряжения будут равны:

Уравнение мгновенного значения этого напряжения ( при _u = 0) , будет иметь следующий вид: U(t) = 3,4sin87,9t В.

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами и средствами исследования в данной работе являются электронные измерительные и задающие приборы: генератор синусоидальных колебаний и электронно-лучевой осциллограф.

В качестве генераторов в лабораториях кафедры используются генераторы типа ГЗ-36, ГЗ-33, ГЗ-109, ГЗ-56/1. Эти генераторы имеют следующие технические характеристики: диапазон изменения частот 20 Гц – 200 кГц, выходное напряжение 0,3 мВ – 30 В, погрешность установки частоты 3%.

В качестве осциллографа используются однолучевые осциллографы типа С1-72, С1-65, С1-67, С1-49. Они имеют следующие технические характеристики: полоса пропускания 0-1 МГц, максимальная чувствительность 2000 мм/В (калибровочный коэффициент 1/2000 В/м = 0,005 В/дел), длительность развёртки 01 мкс/дел – 2 с/дел, погрешность измерения 10%, входное сопротивление 1МОм.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Включить электронные приборы: осциллограф, генератор и вольтметр с помощью выключателей «Сеть» и дать им прогреться в течении 2-3 мин.

2. Ознакомиться с ручками управления на лицевых панелях электронных приборов и получить на экране осциллографа изображение прямой горизонтальной линии.

3. Осуществить с использованием осциллографа измерение параметров синусоидального напряжения, получаемого с генератора.

   1. Подключить к выходным клеммам генератора вход Y осциллографа и электронный вольтметр согласно схеме на рис.4 (прил.).

   2. Для выполнения опыта 1 установить на генераторе одну из комбинаций указанных в табл.1 (прил.) значений частоты f_r и напряжения U_r выходного сигнала, используя ручки управления, лимб частоты и стрелочный индикатор напряжения. Значения U_r и f_r записать в табл.2 (прил.).

   3. Осуществить настройку осциллографа для получения на экране устойчивого изображения 2-3 периодов синусоиды. При этом центральные ручки плавной регулировки длительности развёртки («Время/дел») и усиления («Вольт/дел») должны быть повёрнуты до отказа вправо.

   4. Используя сетку экрана, определить расстояния S_Y и S_X, соответствующие амплитуде и периоду синусоиды. По положениям ручек переключателей (ступенчатой регулировки) усиления Y (Вольт/дел) и длительности развёртки (Время/дел) определить цены делений сетки экрана С_Y и С_Х вдоль осей Y и Х. Значения S_Y, S_X, С_Y, С_Х записать в табл.2 (прил.).

   5. Выбрав необходимый предел измерения, снять показания вольтметра U_В и записать их в табл.2 (прил.).

   6. Вычислить амплитудное значение U_m, период Т, частоту f = 1/T, угловую частоту  = 2f и действующее значение U = U_m/ измеряемого сигнала. Результаты записать в табл.2 (прил.)

   7. Выполнить опыты 2-4 по аналогии с опытом 1 (пп.3.2. – 3.6.) для трёх других возможных комбинаций U_r и f_r из табл.1 (прил.).

4. Для одного из опытов составить уравнение мгновенного значения U(t) при условии, что _u = 0.

5. Согласовать результаты с преподавателем, после чего отключить все приборы и разобрать электрическую цепь.