Осцилографування фізичних процесів

10.1 Мета роботи

З'ясувати принцип дії електронного осцилографа, ознайомитись з застосуванням електронного осцилографа для спостереження форми сигналу, вимірювання напруги, частоти, різниці фаз, вивчити явища, що виникають під час складання взаємно перпендикулярних коливань.

10.2 Вказівки до організації самостійної роботи

Принцип дії електронно-променевої трубки. Найважливішою деталлю осцилографа є електронно-променева трубка (ЕПТ). Вона складається (рис.10.1) з скляної колби, всередині якої міститься джерело електронів – катод 1, який нагрівається волоском розжарення 2. Катод знаходиться всередині керуючого (циліндричного) електрода 3. Зміною негативного потенціалу на електроді 3 регулюється кількість електронів, які проходять через його отвір, що змінює яскравість плями на екрані 8 ЕПТ. Перший анод 4 застосовується для фокусування, а другий 5 – для прискорення електронів. Деталі 1…5 складають електронну гармату. Дві пари пластин 6 та 7 використовуються для відхилення променя: вертикально відхиляючі пластини (пластини Y) − у вертикальній площині, горизонтально відхиляючі пластини (пластини X) − у горизонтальній площині.

1 – катод,

2 – волосок розжарення,

3 – циліндричний електрод,

4 – перший анод,

5 – другий анод,

6 – вертикально відхиляючі пластини,

7 – горизонтально відхиляючі пластини,

8 – екран.

Рисунок 10.1

Якщо прикласти між катодом та другим анодом напругу (при напрузі між парами пластин , ) пучок електронів попадатиме в центр екрана.

Якщо тепер подати на пластини Y напругу , то між ними виникне однорідне поле напруженістю

, (10.1)

де d – відстань між пластинами. На кожен електрон, що рухається між пластинами, тепер діятиме сила , яка спричинятиме його прискорення у вертикальному напрямку

, (10.2)

де m – маса електрона, е – його заряд.

Вертикальна складова швидкості електрона

(10.3)

залежить від прискорення та проміжку часу , протягом якого електрон перебуває між пластинами. Цей проміжок часу залежить від довжини пластини l та повздовжньої швидкості електрона

. (10.4)

Підставляючи значення (10.2) у вираз (10.3), а також із співвідношення (10.4) отримуємо

. (10.5)

Від переднього краю пластин до екрана електрон проходить відстань L, яка значно більша за довжину пластин l (див.рис.10.1). У зв’язку з цим можна знехтувати зміщенням траєкторії електрона в полі пластин порівняно з відхиленням h плями на екрані трубки і записати

. (10.6)

Підставляючи у співвідношення (10.6) значення (10.5) знайдемо повздовжню складову швидкості електрона

. (10.7)

Повздовжню складову швидкості можемо визначити також із умови, що робота анодної напруги над прискоренням електрона іде на зміну кінетичної енергії електрона.

Отже,

, . (10.8)

Прирівнюючи (10.7) до (10.8) отримуємо, що відхилення h електрона

, (10.9)

де S – константа для даної ЕПТ (якщо – фіксована). Величина S має назву чутливості ЕПТ

. (10.10)

Із визначення (10.10) випливає, що чутливість S ЕПТ відносно напруги чисельно дорівнює величині зміщення променя на екрані, що доводиться на один вольт напруги, прикладеної до пластин.

Принцип дії генератора розгортки. Для спостереження ходу процесів у часі (наприклад, зміни напруги) на горизонтально відхиляючі пластини необхідно подавати напругу, яка лінійно зростає з часом − напругу розгортки. Якщо при цьому на y-пластини подати напругу, яка вивчається, то електронний пучок опише на екрані графік зміни напруги в часі. Для спостереження періодичних процесів необхідно, щоб напруга розгортки змінювалась періодично. Причому період розгортки Т був кратний періоду сигналу , тобто (де n – ціле число). В цьому разі електронний промінь на екрані з кожним повторенням циклу розгортки викреслюватиме одну й ту саму траєкторію. Після проходження по горизонталі до певної точки на екрані, промінь має повертатись в початкове положення (обернений хід). Викладені вимоги можна задовольнити, якщо напруга розгортки змінюватиметься за законом, наведеним на рис.10.2, де – час прямого ходу, – час оберненого ходу променя. Така напруга називається пилкоподібною.

Складання взаємно перпендикулярних коливань.Маємо два коливання – одне вздовж осі х, друге – вздовж осі у:

(10.11)

Вилучаючи з системи рівнянь (10.11) параметр t отримуємо рівняння еліпса у такомувигляді:

, (10.12)

де – різниця фаз коливань (10.11).

Точку перетину еліпса з віссю y можна знайти з (10.12) поклавши х=0 (див.рис.10.3), тоді

. (10.13)

Отже,

. (10.14)

10.3 Опис комп’ютерної програми

Зовнішній вигляд інтерфейсу програми зображено на рис. 10.4. Програма має два режими роботи: в першому можна вивчити призначення відхиляючих пластин ЕПТ, в другому − принцип дії генератора розгортки та проаналізувати складання двох взаємно перпендикулярних коливань.

В першому режимі (рис.10.4,а) на панель інтерфейсу програми виведені вікна для завдання параметрів регулювання: напруги на відхиляючих пластинах , анодної (прискорювальної) напруги , відстані між пластинами d, ширини пластин l, відстаней між анодом та катодом В, пластинами та екраном L, початкової “теплової” швидкості електрона, величини яких можна змінювати в широких межах. При цьому на екрані можна спостерігати траєкторію електрона. Рух електрона в ЕПТ описується за допомогою модифікованого алгоритму Ейлера (додаток Б).

В другому режимі (рис.10.4,б) на екрані ЕПТ, який розміщується в площині екрана дисплея, можна спостерігати криві напруги, яка подається на вертикальні відхиляючі пластини при увімкненій розгортці, коли подається пилкоподібна напруга на горизонтально відхиляючі пластини. Також можливо вимкнути розгортку та на х- і у-пластини подати два синусоїдальних сигнали, амплітуди, частоти та початкові фази, яких можна змінювати в широких межах, спостерігаючи фігури Лісажу.

а) б)

Рисунок 10.4

10.4 Інструкція користувачу

1. За допомогою кнопок на інтерфейсі встановіть значення параметрів відповідно до табл. 10.1. Отримайте на екрані траєкторію електрона.

Таблиця 10.1 – Вихідні дані

Номер	, B	L, мм	, B	d, мм	№	, B	L, мм	, B	d, мм

2. Змініть полярність . Як змінилася траєкторія?

3. Задайте декілька послідовних значень напруги від максимального значення + до мінімального значення – . Зробіть висновок, яку лінію викреслюватиме електронний промінь на екрані ЕПТ?

4. За даними пункту 1 обчисліть чутливість ЕПТ за формулою (10.9).

5. Змініть режим програми, натиснувши кнопку «~». В цьому режимі можна подавати напругу на обидві пари пластин, причому і можуть мати або синусоїдальну, або пилкоподібну напругу. Подайте синусоїдальну напругу на y-пластини, на x-пластини =0. Чи співпадає висновок, зроблений в пункті 3 з отриманим зображенням?

6. Подайте пилкоподібну напругу на x-пластини, на y-пластини – синусої­дальну. Зарисуйте отримане зображення. Подайте тепер на x-пластини теж синусоїдальну напругу. Порівняйте отриману криву з зарисованою.

Зробіть висновок, чому треба на x-пластини подавати пилкоподібну напругу, тобто, висловлюючись мовою математики – напругу, яка змінюється за лінійним законом. У якому з цих двох випадків можна спостерігати істинну форму сигналу, що подається на y-пластини?

7. Підберіть період синусоїди (змінюючи ) так, щоб на екрані було зображено 1, 2, 3, і т.д. періодів синусоїди. Яким співвідношенням пов’язані період розгортки (пилки) з періодом синусоїди?

8. Подайте на обидві пари пластин синусоїдальну напругу однакової амплітуди: А=В, та однакової частоти: . Змінюючи різницю фаз δ отримайте: пряму, еліпс, коло, пряму з протилежним нахилом. Запишіть відповідні значення різниці фаз δ. Визначте різницю фаз за формулою (10.14).

9. Повторіть операції пункту 8 для випадку, коли амплітуди A і B не дорівнюють одна одній. Якщо подати синусоїдальні напруги на обидві пари пластин, то при кратних співвідношеннях частот та ( , або , n – ціле число) можна спостерігати фігури Лісажу.

10. Подайте на обидві пари пластин синусоїдальну напругу, задовольнив­ши умовам: А=В, δ=30°С. Зафіксуйте . Змінюючи так, щоб =1, 2, 3, 2/3, встановіть формулу, за якою при відомому значенні можна обчислити .

11. Повторіть пункт 10, але тепер зафіксуйте і, змінюючи відношення =1, 2, 3, 2/3, обчисліть .

10.5 Зміст звіту

Звіт має містити: мету роботи, висновки за пунктами 3, 5, 7, встановлені залежності (формули) за пунктами 8, 10, 11, загальний висновок відносно того, що можна спостерігати та вимірювати за допомогою електронного осцилографа.

10.6 Контрольні запитання і завдання

1. Яке призначення, спорядження та принцип дії ЕПТ? Яке призначення катода, першого анода, другого анода, електрода?

2. Яке призначення генератора розгортки?

3. Як можна виміряти напругу за допомогою ЕПТ?

4. Що таке чутливість ЕПТ за напругою?

5. Отримайте рівняння еліпса.

6. Як можна виміряти різницю фаз між двома синусоїдальними напругами однакової частоти?