ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 2

Вивчення додавання коливань за допомогою осцилографа

1 МЕТА РОБОТИ

1. 
   Вивчити взаємно перпендикулярні коливання.
   
2. 
   Вивчити рух електронів під дією електричних полів.
   
3. 
   Засвоїти принцип дії та прийоми роботи з електронно-променевим осцилографом.
   
4. 
   Визначити частоту напруг за допомогою фігур Ліссажу.
   

2 ПРИЛАДИ і матеріали

2.1. Електронно-променевий осцилограф.

2.2. Звуковий генератор.

2.3. Комбінований прилад «Сура».

2.4. Випрямляч В-24. Підвідники.
3 ОПИС ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ ТА МЕТОДУ ДОСЛІДЖЕННЯ

Електронно-променеві осцилографи – прилади, призначені для спостереження за формою електричних сигналів та вимірювання їх параметрів. Вони використовуються як окремі прилади, а також у складі різноманітних контрольно-вимірювальних систем і комплексів.

Найбільше розповсюдження отримали універсальні осцилографи. Вони дозволяють досліджувати сигнали в діапазоні частот від нуля (постійного струму) до десятків гігагерц із похибкою 5…10%.

Основним вимірювальним елементом електронного осцилографа є електронно-променева трубка.

Електронно-променева трубка являє собою скляний балон з високим вакуумом, в середині якого розташовані електронний прожектор і дві пари взаємно перпендикулярних відхиляючих пластин. На дно балона нанесено шар люмінофора, який створює екран трубки (рис. 1).

Електричний сигнал відображається на екрані внаслідок явища катодолюмінісценції (свічення люмінофору при бомбардуванні його поверхні електронами з певною енергією). Електрони, що збуджують люмінофор, сформовані електронним прожектором у вигляді тонкого електронного променя. 

На шляху до екрана електронний промінь проходить між двома парами відхиляючих пластин X та Y. Наявність напруги між відхиляючими пластинами кожної пари створює між ними електростатичне поле, яке викликає відхилення електронного променя. Одна пара пластин відхиляє промінь у горизонтальному напрямі (пластини X), а інша – у вертикальному (пластини Y).

Рисунок 1 – Схема електронно-променевої трубки: 1 – катод; 2 – керуючий електрод; 3 – перший анод; 4 ‑ другий анод; 5 –пластини конденсатора, які відхиляють пучок у вертикальному напрямку YY; 6 – пластини конденсатора, які відхиляють пучок у горизонтальному напрямку XX; 7 – флуоресціюючий екран; 8 – електронний пучок.

Електронно-променева трубка сама по собі має малу чутливість. Підсилення чутливості осцилографа забезпечується підсилювачами напруги. Кожна пара відхиляючих пластин має свій підсилювач. Підсилювач для X-пластин звичайно має невеликий коефіцієнт підсилення, так як він призначений головним чином для підсилення достатньо великого сигналу. Підсилювач Y-пластин, навпаки, має достатньо великий коефіцієнт підсилення. Якщо на вхід осцилографа подається достатньо великий сигнал, його можна подавати безпосередньо на відхиляючі пластини або скористатися послаблювачем сигналів (потенціометром).

Електронно-променева трубка, наділена підсилювачами та послаблювачами, може використовуватися як чутливий безінерційний вольтметр, що дозволяє вимірювати напругу, силу струму, активний опір тощо. Можливості такого приладу можна значно розширити, якщо забезпечити його генератором розгортки.

Генератор розгортки призначений для формування пилкоподібних імпульсів, необхідних для відхилення електронного променя по горизонталі, пропорційно часу.

Якщо на вертикальні пластини подати підсилений досліджуваний сигнал, а на горизонтальні – "пилкоподібну" напругу розгортки від генератора напруги розгортки, то в результаті електронний промінь "намалює" на екрані залежність досліджуваного сигналу від часу.

Для отримання нерухомого зображення при спостереженні періодичних процесів необхідне узгодження процесів – «синхронізація». Зображення періодичного сигналу на екрані осцилографа буде стійким у тому разі, коли тривалість розгортки кратна періоду сигналу. Для цього генератор розгортки автоматично вмикається досліджуваною напругою через ціле число періодів за допомогою синхронізатора.

Фігури Ліссажу. У випадку, коли точка здійснює одночасно два гармонійних коливання у двох взаємно перпендикулярних напрямках, утворюється складний коливальний рух. Випадки додавання коливань можуть бути вельми різноманітні. Вони залежать від параметрів коливань, що додаються, від співвідношення між періодами (частотами), фазами і амплітудами обох коливань. Якщо частоти коливань по х і по у кратні, виходять замкнуті траєкторії. Вони вперше вивчені французьким науковцем Ж. Ліссажу (рис. 2).

Відношення частот коливань, що додаються, дорівнює відношенню числа перетинань фігур Ліссажу із прямими, паралельними осям координат. По виду фігур Ліссажу можна визначити невідому частоту по відомій, або визначити відношення частот ν₁ і ν₂.


Рисунок 2 – Фігури Ліссажу: вигляд фігур при різних співвідношеннях періодів (1:1,1:2,2:1 і т.д.) і різницях фаз.
Якщо подати на входи «X» і «Y» осцилографа сигнали кратних або рівних(близьких) частот, то на екрані можна побачити фігури Ліссажу.

Цей метод широко використовується для порівняння частот і фаз двох джерел сигналів і для налаштовування одного джерела під частоту іншого.

Якщо коливання, які здійснює точка, відбуваються не за гармонійним, а за більш складним законом, але з однаковим періодом, то виходять замкнуті траєкторії, аналогічні фігурам Ліссажу, але спотвореної форми.

Коли частоти близькі, але не рівні одна одній, фігура на екрані обертається, причому період циклу обертання є величиною, оберненою різниці частот, наприклад, період обороту дорівнює 2с — різниця в частотах сигналів дорівнює 0,5 Гц.

При рівності частот фігура застигає нерухомо, в будь-якій фазі, однак на практиці, за рахунок короткочасних нестабільностей сигналів, фігура на екрані осцилографа зазвичай трохи тремтить.

Використовувати для порівняння можна не лише однакові частоти, але і ті, що знаходяться у кратному відношенні, наприклад, якщо зразкове джерело може видавати частоту тільки 5 МГц, а джерело, що налаштовується — 2,5 МГц.

4  ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Включіть генератор розгортки.

2. З’єднайте звуковий генератор із пластинами осцилографа YY, включіть його в мережу і дайте прогрітися. Подайте на пластини YY напругу від звукового генератора. Замалюйте осцилограми на частотах 50, 100 та 150 Гц.

3. Вимкнути звуковий генератор.

4 Подайте на вхід осцилографа YY від В-24 напругу

1. 
   Яке призначення осцилографа?
   
2. 
   З яких основних вузлів складається електронний осцилограф?
   
3. 
   Яке призначення і будова каналів вертикального відхилення (канал Y) і горизонтального відхилення (канал Х)?
   
4. 
   Для чого призначений генератор розгортки осцилографа?
   
5. 
   Яке призначення і будова каналу синхронізації (канал S)?
   
6. 
   Поясніть, що таке фігури Ліссажу і як за їх допомогою визначити частоту одного сигналу, якщо відома частота іншого.