1. Изучение приборов электрофизической лаборатории

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
1. Изучение приборов
электрофизической лаборатории
Тебе дано бесстрастной мерой
Измерить все, что видишь ты.
Твой взгляд – да будет тверд и ясен.
Сотри случайные черты –
И ты увидишь: мир прекрасен.
А.Блок
Цель работы:
1. Изучить комбинированные приборы Ц4342, 43101, АВО-63
(школьный),
школьный
демонстрационный
вольтметр
(амперметр).
2. Научиться пользоваться универсальным цифровым прибором В740
3. Ознакомиться с устройством лабораторным К4826.
Введение
Основными измерениями в электрофизической лаборатории
являются измерения напряжения, силы тока и электрического
сопротивления. Для проведения таких измерений можно
использовать один прибор, называемый комбинированным или
универсальным. Широко распространены другие названия:
ампервольтомметр, авометр, тестер, мультиметр.
Основу прибора магнитоэлектрической системы составляет
измерительный механизм (ИМ) с добавочными и шунтирующими
резисторами,
соответствующими
переключателями
и
выпрямителем, необходимым для измерения переменного тока и
напряжения. Как правило, прибор имеет несколько поддиапазонов.
Прибор также содержит цепь питания, может содержать усилители,
схему
защиты
от
перегрузок.
Устройство
ИМ
магнитоэлектрической системы представлено на рис. 1.1. Рамка,
содержащая n витков медной проволоки, находится в магнитном
поле постоянного магнита. За счет применения ферромагнитного
сердечника (или ярма) магнитные силовые линии направлены
практически радиально, так что провода рамки пересекают силовые
линии под прямым углом. При пропускании тока I через рамку
магнитное поле действует
длиной l с силой Ампера:
 на проводник

FA  I[ l B] или FA=IlB.
а
б
N
S
6
1
1
7
9
2
3
S
N
8
FA
5
2
4
N
S
2r
в
Рис. 1.1. Измерительный
механизм
магнитоэлектрической
системы – а; компактная
конструкция
магнитной
системы – б; виток рамки с
током в магнитном поле – в:
1 – постоянный магнит;
2
–
ферромагнитный
сердечник;
3 – рамка;
4 – пружина;
5 – токоподвод;
6 – шкала;
7 – указатель (стрелка);
8 – противовес;
9 – ярмо.
Учитывая, что у рамки две стороны, определим вращающий
момент, создаваемый силами Ампера: 2rnFA. Повороту рамки на
угол α препятствует сила упругости пружины, создающая
противодействующий момент, равный kα, где k – коэффициент
упругости. При равенстве моментов рамка остановится.
Следовательно
BnS

I,
(1.1)
k
где S – площадь рамки, равная 2rl.
Подчеркнем, что угол пропорционален току в первой степени.
Очевидно, при изменении направления тока рамка повернется в
другую сторону.
BSn
Величина s l 
является постоянной для данного ИМ и
k
определяется
его
конструкцией.
Она
называется
чувствительностью ИМ по току и является, по сути, отношением
изменения показания прибора к изменению измеряемой величины.
Рамка рассчитывается на ток порядка десятков миллиампер,
поэтому непосредственное включение ИМ в исследуемую цепь
применяется для измерения малых токов (гальванометры). Токи
бόльшей величины измеряются по схеме рис. 1.2.
R1
SA
R2
R3
ИМ
Рис. 1.2. Схема многопредельного
амперметра: R1, R2, R3 –
шунтирующие резисторы; SA –
переключатель
пределов
измерения.
В этом случае через ИМ проходит лишь часть тока.
Сопротивление шунта Rш подбирается следующим образом.
Пусть IИМ – ток через рамку, вызывающий отклонение стрелки на
всю шкалу; I – максимальное значение измеряемого тока; RИМ –
сопротивление рамки. Так как напряжения на сопротивлении шунта
и ИМ равны, то
R Ш  (I  I ИМ )  R ИМ  I ИМ .
Отсюда получаем
R I
R I
R Ш  ИМ ИМ  ИМ ИМ .
(I  IИМ )
I
Приближенное равенство используется при I>>IИМ.
Сопротивление рамки составляет сотни Ом и зачастую
является недостаточным, чтобы использовать ИМ в качестве
вольтметра. Поэтому при измерении напряжений последовательно
с ИМ включаются добавочные резисторы, рис.1.3. Величина
добавочного резистора RД рассчитывается по формуле
U
U
,
RД 
 R ИМ 
I ИМ
I ИМ
где U-измеряемое напряжение.
SA
R1
R2
Рис. 1.3. Схема многопредельного
вольтметра: R1, R2, R3 –
добавочные резисторы; SA –
переключатель
пределов
измерения.
R3
ИМ
Приближенное равенство используется, если измеряемое
напряжение много больше, чем напряжение, на которое рассчитан
ИМ.
Измерение сопротивлений основано на законе Ома и
проводится по одной из схем, рис. 1.4.
R1
ИМ
10
100
RX
R
1000

RX
0
E
a
R
ИМ
R
E
SA
100
10
RX
0
1000
RX

б
Рис. 1.4. Схемы омметров и их шкалы: а – омметр с
последовательным включением ИМ; б – с параллельным включением
ИМ.
При работе с комбинированными приборами следует
внимательно изучить надписи и мнемонические (облегчающие
запоминание) обозначения на панели прибора. Обычно
придерживаются следующего порядка подготовки прибора к
измерению:
 устанавливают род тока ( – или ~);
 устанавливают
максимальный предел измерения (если
известно максимальное значение измеряемой величины, то
устанавливают ближайший предел, превышающий максимальное
значение);
 определяют шкалу, цену деления шкалы, по которой будет
производиться отсчет;
 определяют входные зажимы прибора для подключения в
измеряемую цепь, полярность подключения (в цепях постоянного
тока).
Подключив прибор к измеряемой цепи, уменьшают предел
измерения, добиваясь максимального отклонения указателя
прибора
(стрелки)
в
пределах
шкалы
(не
допуская
«зашкаливания»).
Некоторые типы приборов (АВО-63) не имеют переключателя
диапазонов, и выбор предела измерения осуществляется
установкой в соответствующие гнезда штекеров1 измерительных
проводников.
Погрешность
электроизмерительных
приборов
характеризуется классом точности γ, который показывает, сколько
процентов составляет абсолютная инструментальная погрешность
∆А от выбранного предела измерения (максимального значения
шкалы прибора) Аmax:
А
(1.2)

100% .
А max
Класс точности указывается на шкале прибора. Наиболее
часто используются приборы с классами точности: 1; 1,5; 2,5; 4.
Для измерения переменных токов и напряжений сигнал
подвергается выпрямлению и затем подается на ИМ
магнитоэлектрической системы. Выпрямление осуществляется
полупроводниковыми диодами, рис. 1.5. При однополупериодном
выпрямлении используется одна полуволна напряжения, при
двухполупериодном – обе, рис. 1.6. В изучаемых приборах
используется двухполупериодное выпрямление.
Приспособление для временного подсоединения к электрическим аппаратам;
имеет один токоподводящий штырь.
1
+
VD
i
Рис. 1.5. Условное обозначение выпрямительного диода.
Диод пропускает ток в направлении, указанном стрелкой,
при указанной полярности.
Показание выпрямительных (или детекторных) приборов
соответствует среднему значению измеренной величины за
полупериод. Например, среднее значение синусоидального тока
T
2I m 2
(1.3)
I СР 
 sin tdt 0,637  I m .
T 0
Другими словами, среднее значение переменного тока – это
значение такого постоянного тока, при котором за время, равное
половине периода, через цепь протекает такое же количество
электричества (зарядов), что и при данном переменном токе.
Однако, исходя из потребности практики, шкалы приборов
градуируются в действующих (эффективных) значениях. Для
синусоидального тока:
1
1 T 2
 2 Im
2
Iд    I m sin tdt  
 0,707  I m .
(1.4)
T
2
 0

Другими словами, действующее значение переменного тока –
это значение такого постоянного тока, при котором за один период
на сопротивлении нагрузки выделяется такое же количество
теплоты, что и данным переменным током.
Подчеркнем, что приборы детекторной системы показывают
правильное действующее значение тока (напряжения) только при
синусоидальной форме сигнала.
В настоящее время неотъемлемой принадлежностью
электрофизической
лаборатории
являются
цифровые
измерительные приборы, у которых результат измерения
высвечивается на цифровом индикаторе. Устройство этих приборов
гораздо более сложное, чем у аналоговых приборов, рассмотренных
выше, но они более просты в обращении. Выбор пределов
измерения, установка нуля выполняются автоматически. Типичным
представителем цифрового универсального прибора является
вольтметр В7-40. Высокое входное сопротивление, высокая
точность измерений делают его незаменимым в ряде лабораторных
работ.
VD3
VD1
ИМ
u=Umsin ωt
i
i
VD2
Рис. 1.6. Двухполупериодная
мостовая
схема
для
выпрямления
переменных
токов – а; форма тока,
протекающего через ИМ – б.
VD4
а
i
0
T
t
б
В
учебных
лабораториях
широко
используют
комплексированные
устройства,
содержащие
набор
электроэлементов, регулируемые источники питания, генераторы
периодических сигналов, электроизмерительные приборы и пр.
Современным устройством такого типа является устройство
лабораторное К4826. Достоинства устройства: безопасность
(рабочие напряжения не превышают 42 В), компактность, удобство
и простота эксплуатации, универсальность (устройство позволяет
проводить широкий спектр ЛР).
Измерение и обработка результатов
Перед началом измерений перечертите в рабочую тетрадь
таблицу по предлагаемому образцу, табл. 1.1. В таблицу заносятся
результаты измерений по заданиям 1 – 4.
Задание 1. Измерьте постоянное напряжение с гнезд «±5 В»
устройства лабораторного. Измерения проведите несколькими
универсальными приборами. Включение устройства в сеть
проводить под контролем преподавателя (лаборанта).
Задание 2. Подсоедините к гнездам «±5 В» резистор 470 Ом.
Измерьте ток через резистор различными приборами.
Задание 3. Измерьте переменное напряжение с гнезд «~8 В»
различными приборами.
Задание 4. Подсоедините к гнездам «~8 В» резистор 680 Ом.
Измерьте ток через резистор различными приборами.
Задание 5. Измерьте сопротивления трех резисторов
комбинированными приборами и универсальным цифровым
прибором В7-40. Два резистора выдаются лаборантом. В качестве
третьего – возьмите сопротивление вашего тела по цепи рука-рука.
Таблица 1.1 (образец)
Прибор
Класс
точности γ, %
Пост. Перем.
ток
ток
Измеренная
величина, А
НапряжеТок, А
ние, В
Приборная
погрешность
А 
А  max ,
100
Результат
измерения
Вопросы и упражнения
1. Как определяется направление вращения рамки с током в
приборе магнитоэлектрической системы?
2. Каким образом к рамке ИМ подводится измеряемый ток?
3. Оцените мощность, потребляемую ИМ авометра.
4. Каким символом обозначается ИМ магнитоэлектрической
системы?
5. Что такое класс точности измерительного прибора?
6. Выведите формулы (1.1), (1.3) и (1.4).
7. Сформулируйте определение мгновенного, амплитудного,
действующего и среднего значения синусоидальной величины.
8. Какое значение переменного напряжения регистрируют
комбинированные приборы?
9. Чем вызвано стремление проводить измерения при таких
пределах шкалы, чтобы стрелка (указатель) располагалась как
можно ближе к концу шкалы прибора?
10. Как осуществляется измерение переменного тока в
комбинированных приборах?
11. На каком законе основано измерение сопротивлений?
12. Для чего в схему на рис. 1.4б введен выключатель SA?
2. Изучение электронного осциллографа
О мир невидимый - тебя узрим,
О мир неведомый – тебя узнаем,
Непостижимое – тебя определим.
Ф. Томпсон.
Цель работы:
1. Изучение устройства и работы электронного осциллографа.
2. Освоение основных методов осциллографических измерений.
Введение
Электронный осциллограф (ЭО) – прибор для визуального
наблюдения функциональной связи между двумя (или более)
величинами. ЭО используется для наблюдения изменения тока или
напряжения во времени, для измерения амплитуды напряжения
(тока), частоты периодического сигнала, угла сдвига фаз между
двумя сигналами, длительности и частоты повторения импульсов,
характеристик электроэлементов и электрических (магнитных)
материалов. ЭО также используется для исследования
неэлектрических величин (при условии преобразования их в
электрические сигналы).
ЭО позволяет исследовать сигналы в диапазоне частот от
постоянного тока до 1010 Гц, амплитудой от 10-4 до 102 вольт (без
дополнительных устройств). Важным достоинством ЭО является
его незначительное влияние на измеряемую электрическую цепь.
Погрешность измерения осциллографом составляет 1…12 % и
зависит от методики измерения.
Упрощенная функциональная схема ЭО представлена на рис.
2.1. Важнейшим элементом ЭО является электронно–лучевой
прибор – электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), в которой с
помощью системы электродов создается, ускоряется и
фокусируется пучок электронов – электронный луч. Система
электродов ЭЛТ включает в себя катод (К), модулятор (М),
управляющий, фокусирующий электроды, первый и второй аноды.
Катод представляет собой, как правило, цилиндр, торец
которого покрыт составом, способным активно испускать
(эмитировать) электроны при нагреве. Нагрев осуществляется
спиральным нагревателем, расположенным внутри цилиндра.
Электроны, эмитированные катодом, попадают в электрическое
поле модулятора. Интенсивность электронного пучка прошедшего
модулятор, а, следовательно, яркость свечения экрана,
регулируется потенциалом модулятора относительно катода.
Дальнейшая
фокусировка
электронов
осуществляется
электрическими
полями
управляющего,
фокусирующего
электродов и анодов. В результате, на выходе из системы
электродов (часто её называют электронным прожектором)
формируется узкий (иглообразный) луч (пучок) необходимой
интенсивности. Далее электронный пучок проходит через две пары
отклоняющих пластин X1, X2 и Y1, Y2 и попадает на покрытый
слоем люминофора экран (люминесцентный экран), вызывая его
свечение. В зависимости от типа люминофора длительность
свечения может составлять 10-6…10 с.
При подаче напряжения на отклоняющие пластины X1, X2,
электроны отклоняются в горизонтальной плоскости, на пластины
Y1,Y2 – в вертикальной.
Связь между напряжением на пластинах U и смещением луча
на экране y может быть выражена формулой, см. рис. 2.2:
eUl  l
elL

y  y1  y 2  y1  L  tg 

L

U.
(2.1)


2
mdv o2  2
 mdv o
Скорость электронов vo задаётся потенциалом ускоряющего
электрода Uo и определяется из закона сохранения энергии:
(2.2)
mv o2 / 2  eUo ,
где е и m – заряд и масса электрона.
y2
Y
Y1
d
α
z
y1
Y2
l
L
Рис. 2.2. К выводу уравнения (2.1).
Величина αY = y/U называется чувствительностью трубки.
Обычно отклонение выражается в миллиметрах, а напряжение – в
~220 В, 50
Гц
Внешн.
50 Гц
Вход X
S1
Вход Y
Входной
Блок
питания
Генератор
развертки
S3
Колибратор
напряжения
аттенюатор
Усилитель
канала X
Усилитель
канала Y
Блок
синхронизации
Внутр.
S4
S2
Вход к
пластинам X
S6
Вход к
пластинам Y
S5
М
X2
Y2
Y1
Рис. 2.1. Упрощенная функциональная
схема электронного осциллографа.
К
X1
ЭЛТ
вольтах. Чувствительность трубок составляет величину порядка
нескольких мм на вольт, поэтому для наблюдения слабых сигналов
в осциллографах используются усилители вертикального
отклонения (канала Y).
Изменяя
напряжение
модулятора, увеличивают
или
уменьшают яркость пятна на экране ЭЛТ, а изменяя напряжение на
фокусирующем электроде – диаметр пятна. Напряжения
изменяются с помощью ручек «Яркость» и «Фокус»,
расположенных на передней панели ЭО.
Если на отклоняющие пластины дополнительно подавать
напряжение от специального источника, то изображение на экране
можно перемещать влево – вправо, или вверх – вниз. Для этого
используют ручки управления, обозначенные символами ↔, ↕.
Исследуемый сигнал редко подается на отклоняющие
пластины непосредственно. Напряжение, пропорциональное
входному сигналу, должно обеспечивать отклонение луча в
пределах экрана. Для этого ЭО содержит входной переключатель
SA1, обычно имеющий три положения, ступенчатый аттенюатор
(делитель напряжения) и усилитель канала Y. При верхнем
положении переключателя SA1 сигнал подаётся непосредственно
на делитель (открытый вход); при нижнем – через разделительный
конденсатор (закрытый вход). В усилителях канала Y имеется
возможность ступенчатого и плавного изменения усиления
исследуемого сигнала.
Для наблюдения на экране функциональной зависимости
y=f(x) необходимо на горизонтально отклоняющие пластины
подать напряжение, пропорциональное переменной x, а на
вертикально
отклоняющие
пластины
–
напряжение,
пропорциональное величине y. Тогда электронный луч будет
описывать на экране линию, соответствующую исследуемой
зависимости.
В случае подачи на пластины напряжений, описываемых
гармоническими функциями, в зависимости от соотношения
амплитуд, частот и начальных фаз, на экране получаются фигуры,
называемые фигурами Лиссажу2.
Люминофоры, используемые в универсальных ЭО, имеют
малое время свечения, и глаз наблюдателя не успеет зафиксировать
изображение. Поэтому необходимо заставить луч неоднократно
2
По имени французского физика Ж.Лиссажу (J.Lissajous, 1822-1880).
повторить один и тот же путь по экрану, чтобы, вследствие
инерционного зрения, наблюдатель смог увидеть неподвижный
график зависимости.
Часто требуется наблюдать изменение физических величин во
времени. В этом случае на горизонтально отклоняющие пластины
подают напряжение, изменяющееся пропорционально времени
(другими словами, можно считать горизонтальную ось осью
времени). Для этой цели в ЭО имеется генератор развертки.
Напряжение, выдаваемое генератором, должно иметь вид,
представленный на рис. 2.3. Такое напряжение называется
пилообразным. За время возрастания напряжения tпр электронный
луч перемещается по экрану от крайнего левого положения на
экране в крайнее правое. За время tобр луч возвращается в исходное
состояние. Обратный ход луча не просматривается благодаря
подаче запирающего напряжения на модулятор ЭЛТ. Период
колебаний генератора развертки регулируется ступенчато и плавно
в широких пределах.
U
0
tпр
tобр
t
T
Рис. 2.3. График пилообразного напряжения:
tпр и tобр – время прямого и обратного хода луча.
Если во время развёртки на вертикально отклоняющие
пластины подать исследуемое напряжение, то луч начнёт
отклоняться, и его положение на экране будет соответствовать
мгновенным напряжениям на пластинах. При возвращении луча в
исходное положение и следующем периоде генератора развёртки
на экране появится новый участок временной диаграммы
исследуемого сигнала. Если периоды исследуемого сигнала и
генератора развёртки равны, то на экране осциллографа
сформируется неподвижная кривая, соответствующая одному
периоду колебаний сигнала. Если период развёртки в n раз (n –
целое число) превышает частоту сигнала, то на экране появится n
периодов сигнала. Сказанное иллюстрируется рис. 2.4, где n=2.
Если указанные условия не выполняются, то осциллограмма будет
перемещаться по оси Х (возникает «бегущее изображение»).
Условие кратности периодов может нарушаться в процессе работы
из-за нестабильности, как генератора развёртки, так и исследуемого
сигнала. Поддерживать нужное отношение периодов сигналов
ручной регулировкой практически невозможно. Поэтому в ЭО
имеется специальная схема, называемая блоком синхронизации,
который
синхронизирует
работу
генератора
развёртки
исследуемым сигналом. Устойчивость изображения достигается
синхронизацией работы генератора исследуемым сигналом.
Синхронизация – это приведение двух процессов к такому их
протеканию, при котором соответствующие моменты процессов
(например, прохождение через нулевое состояние) совершаются с
неизменным интервалом времени друг относительно друга. При
внутреннем
режиме
синхронизации
часть
усиленного
исследуемого сигнала подаётся на вход блока синхронизации,
который
запускает
генератор
развёртки
в
момент,
соответствующий определённому напряжению на входе блока
синхронизации, т.е. в момент, соответствующий определённой фазе
исследуемого сигнала. Уровень (и полярность) этого напряжения
выбирается регулятором (ручкой) «Уровень синхронизации». При
внешнем режиме синхронизации сигнал, управляющий запуском
генератора развёртки, подаётся извне, например, от внешнего
источника сигнала частотой 50 Гц. Режим работы блока
синхронизации задаётся отдельным переключателем режима.
На практике введение генератора развёртки в синхронизм
проводят в два этапа. Сначала подбирают период колебаний
генератора развёртки, а затем – уровень сигнала синхронизации.
Uy
а
0
T
2T
t
3T
U
0
T
2T
3T
t
б
в
U
0
2T
4T
г
t
д
Рис. 2.4. Формирование картины исследуемого процесса на экране:
а – временная диаграмма исследуемого процесса; б – пилообразное
напряжение с периодом, равным периоду исследуемого процесса, и
соответствующее изображение на экране – в; г – пилообразное
напряжение с удвоенным периодом и соответствующее ему
изображение – д. (На рисунках полагается tпр >> tобр.)
При измерениях амплитуды и длительности сигналов с
помощью масштабной сетки, расположенной перед экраном,
необходима калибровка масштабов по осям Y и Х экрана
осциллографа. Калибровки проводятся до начала измерений в
соответствии с технической документацией на осциллограф. В
результате калибровки по оси времени устанавливается
соответствие между линейным размером деления масштабной
сетки и временем прохождения этого расстояния электронным
лучом. При калибровке по оси напряжения линейному размеру
деления масштабной сетки соответствует определённое значение
напряжения.
Во время измерений, ручки плавной регулировки амплитуды
сигнала и длительности развёртки должны быть повёрнуты по
часовой стрелке «до упора».
Изложенное описывает устройство и принцип работы
универсального одноканального ЭО, примером которого является
осциллограф С1-67, используемый в лабораторных работах.
Достаточно широко распространены ЭО, имеющие два канала Y,
например, С1-77. Работа каждого из каналов аналогична работе
канала осциллографа С1-67. Особенности устройства и
эксплуатации конкретного ЭО изучаются по его документации.
Описание экспериментального оснащения
В работе используются универсальные осциллографы: С1-67
(С1-77, или другие); генератор ГЗ-112 (Г3-111, или Л30);
устройство лабораторное К4826.
Измерение и обработка результатов
1. Наблюдение периодических электрических
Задание
сигналов.
Изучите техническую документацию на ЭО и устройство
лабораторное.
Установите синусоидальную форму сигнала генератора ГС.
устройства лабораторного. Установите произвольную частоту в
диапазоне ГС. Подайте сигнал с гнезд ГС на вход ЭО.
Добейтесь четкой осциллограммы.
Манипулируя органами управления ГС и ЭО, наблюдайте за
изменением формы колебаний на экране. Запишите в рабочую
тетрадь назначение ручек управления приборов и зарисуйте
соответствующие осциллограммы.
Задание 2. Измерение частоты сигнала.
Установите синусоидальную форму сигнала ГС.
Измерьте частоту колебаний, выдаваемых ГС, руководствуясь
п. 8.7 технического описания (ТО и ИЭ) на осциллограф С1-67 (или
аналогичный).
Для этого:
 установите максимальную частоту ГС;
 установите ручку «Длительность» на панели генератора
развёртки осциллографа в крайне правое положение, вращая её по
часовой стрелке);
 используя
переключатель
длительности
развёртки
(Время/деление) и вращая ручки «Уровень» и «Стабильность» на
панели осциллографа, получите на экране устойчивую
осциллограмму нескольких колебаний выходного сигнала ГС самой
высокой частоты;
 подсчитайте число больших клеток сетки на шкале экрана
осциллографа, соответствующих одному периоду колебаний;
 по положению переключателя развёртки «Время/деление»
осциллографа определите цифровую отметку – время,
соответствующее одной клетке;
 определите период колебаний в секундах как произведение
расстояния, соответствующего одному периоду, в делениях шкалы,
на цифровую отметку переключателя «Время/деление».
 повторите измерения для самой низкой частоты ГС.
Сравните полученные значения частот с указанными в
паспорте на устройство.
Задание 3. Измерение амплитуды сигнала.
Установите произвольно частоту сигнала ГС. Измерьте
амплитуду напряжения установленного сигнала осциллографом.
Для этого:
 ручку «Усиление» поставьте в крайнее правое положение,
вращая её по часовой стрелке;
 увеличьте амплитуду сигнала до получения наибольшего
напряжения на резисторе, что контролируется по экрану
осциллографа;
 ручкой «Вольт/деление» установите величину изображения
сигнала в пределах рабочей части экрана осциллографа;
 отсчитайте размах (двойную амплитуду) изображения по
вертикали в делениях шкалы осциллографа; амплитуда сигнала в
вольтах будет равна половине произведения величины размаха в
делениях на цифровую отметку переключателя «Вольт/деление».
Проверьте измеренное значение комбинированным прибором,
пользуясь связью между действующим и амплитудным значениями
синусоидального напряжения. Рассчитайте инструментальную
(приборную) погрешность измерения напряжения ΔUпр по формуле
U пр 
  U max
,
100
где Umax – максимальное значение напряжения, соответствующее
наибольшему показанию прибора на данной шкале;
γ – класс точности комбинированного прибора.
Сравните результаты измерения амплитуды напряжения
комбинированным прибором и осциллографом с учётом
погрешностей.
Задание 4. Измерение сдвига фаз между двумя
гармоническими сигналами одинаковой частоты.
Пусть имеются два гармонических напряжения:
u1 =U1 sin(ωt+φ1),
(2.2)
u2 =U2 sin(ωt+φ2).
(2.3)
Сдвигом фаз (фазовым сдвигом) называется модуль разности
начальных фаз φ=│φ1 – φ2 │ .
Рассмотрим способ линейной развертки. В этом задании
может использоваться двухканальный осциллограф С1-77. В
каналы Y1 и Y2 двухканального осциллографа подаются
исследуемые сигналы u1, u2. На экране должна появиться
осциллограмма, подобная осциллограмме на рис. 2.5.
U
t
0
ΔT
Рис. 2.5. К определению
фазового
сдвига
способом
линейной развёртки.
T
Отношение отрезков ΔТ и Т даёт величину фазового сдвига:
T

 360, град.
T
Рассмотрим способ синусоидальной развертки. В этом
способе достаточно одного канала ЭО. Исследуемые напряжения
подаются на входы X и Y. Генератор развертки ЭО при этом
выключен. На экране наблюдается эллипс, рис. 2.6. Уравнение
эллипса находится из уравнений (2.2) и (2.3):
yo
B
x 2 y 2 2xy
(2.4)
 2
cos   sin 2 ,
2
AB
A
B
где х = αx u1 и у = αy· u2.
Для нахождения фазового сдвига положим х=0, тогда из
уравнения определится величина уо=B sinφ и sinφ= уо/B.
Аналогично, положив y=0, найдём xо=A sinφ и sinφ= xо/A. Если
значения сдвига отличаются (что может быть вызвано
неправильной формой эллипса
y
на экране), следует усреднить
полученные значения. Удобно
перед измерением уравнять на
экране
максимальные
отклонения: А=В, тогда xо= уо.
00
x
Для
правильного
определения
величины
xo
фазового сдвига необходимо
A
заметить, где располагается
большая полуось эллипса. Если
она располагается во втором и
Рис. 2.6. К определению
четвёртом
квадрантах
(что
фазового сдвига способом
наблюдается при подключении
синусоидальной развёртки.
нулевой
точки
фазных
напряжений ГТН к корпусу осциллографа), то фазовый сдвиг равен
180о±Δφ. Знак фазового сдвига в этих измерениях остаётся
неопределённым, что является недостатком данного метода
измерения.
Перед началом измерений фазового сдвига убедитесь, что
осциллограф не вносит систематической погрешности. Для этого
подайте от ГТН один и тот же сигнал на вход «Х» и вход «Y»
осциллографа. На экране осциллографа должен регистрироваться
наклонный отрезок прямой линии, что указывает на отсутствие
погрешности. Появление эллипса будет свидетельствовать о том,
что осциллограф вносит дополнительный фазовый сдвиг. В этом
случае обратитесь лаборанту.
Измерьте фазовый сдвиг между напряжениями, снимаемыми с
гнезд О и А и гнезд О и В устройства лабораторного (блок ГТН),
одним из рассмотренных способов. Зарисуйте осциллограмму и
проведите расчет фазового сдвига.
Задание 5. Измерение частоты сигнала методом сравнения.
Для измерения частоты методом сравнения необходим источник
образцовой частоты – генератор с широким диапазоном
перестройки и указателем генерируемой частоты. Напряжение
образцового генератора подаётся на вход усилителя Х
осциллографа, а напряжение неизвестной частоты – на вход Y.
Генератор развертки ЭО при этом выключается. На экране
получается результат сложения этих напряжений. В общем случае,
речь идет о сложении двух напряжений (сигналов) вида:
u1=U1sin(ω1t+φ1) и u2=U2sin(ω2t+φ2).
Обозначим Ω = ω1– ω2 . Тогда
второе
напряжение
можно
о
φ=0
представить так:
u2 = U2 sin(ω1t + φ2 – Ωt) =
U2 sin(ω1t +Ψ),
где обозначено Ψ = φ2 – Ωt.
φ=45о
Изменяя частоту образцового
или 315о
генератора, стремятся получить Ω
≈ 0. При этом на экране будут
наблюдаться фигуры, называемые
о
φ=90
фигурами
Лиссажу.
При
или 270о
отношении частот ω1/ω2 = n1/n2, где
n1, n2 – натуральные числа, на
экране
получаются
четкие,
φ=135о
медленно меняющиеся фигуры.
или 225о
При ω1 = ω2 результатом сложения
колебаний будет эллипс, постоянно
меняющий свою ориентацию и
форму, причем тем медленнее, чем
φ=180о
меньше Ω. В зависимости от
фазового сдвига между сигналами,
Рис. 2.7. Фигуры Лиссажу при
фигуры Лиссажу могут иметь
равенстве частот и различных
различный вид, см. рис. 2.7.
фазовых сдвигах.
Измерьте методом сравнения
верхнюю и нижнюю частоты ГТН
устройства лабораторного. В качестве образцового генератора
используйте генератор Г3-112, Г3-111 или Л30.
Проверьте общее правило для определения частот. Получите
на экране ЭО фигуры Лиссажу при частоте образцового генератора
вдвое больше, чем нижняя частота ГТН. Мысленно пересеките
фигуру Лиссажу горизонтальной и вертикальной линиями, не
проходящими через узлы фигуры (произвольно). Сосчитайте число
пересечений ветвей фигуры по горизонтали nгор. и по вертикали
nверт Определите неизвестную частоту по формуле
n гор
 2  1
.
n верт
Задание 6. Наблюдение вольт-амперных характеристик
электроэлементов.
Вольт-амперной
к входу X ЭО
характеристикой (ВАХ) называют
зависимость тока через элемент от
X
приложенного к нему напряжения.
Для получения ВАХ подключают
~8 В
к входу Y ЭО
исследуемый элемент
Х к
осциллографу по схеме рис. 2.8,
100
собранной на базе устройства
лабораторного. При этом генератор
развёртки ЭО выключается.
Рис. 2.8. Схема подключения
Получите
ВАХ
двух
исследуемого электроэлемента
электроэлементов: резистора 8,2
X для снятия его ВАХ.
КОм и полупроводникового диода
(выдаётся лаборантом). Зарисуйте полученные характеристики и
дайте им объяснение.
Вопросы и упражнения
1. Для каких целей используют электронный осциллограф?
2. Из каких основных блоков состоит ЭО?
3. Каков принцип работы и устройство ЭЛТ? Выведите формулу
2.1.
4. Что называется чувствительностью ЭЛТ?
5. Выведете формулу (2.4).
6. Какими способами можно увеличить чувствительность ЭЛТ?
Как эти способы реализованы в
7. Что такое диапазон частот генератора?
8. Какова форма напряжения, выдаваемого генератором
развертки ЭО?
9. Что необходимо для получения чёткой осциллограммы
синусоидального сигнала?
10. Какова частота генератора развертки осциллографа, если на
экране наблюдаются два периода исследуемого напряжения
частотой 10 кГц?
11. Какие электрические измерения проводят с помощью ЭО?
Можно ли измерить силу тока с помощью осциллографа?
12. В
чём
разница
измерения
напряжений
ЭО
и
комбинированным прибором?
13. Как оценить погрешность, вносимую осциллографом при
измерении сдвига фаз?
14. В чём суть метода измерения частоты колебаний с помощью
образцового генератора?
15. Как получить фигуры Лиссажу на экране осциллографа?
16. Чем обусловлен выбор резистор 100 Ом в схеме рис. 2.8?
17. Является ли полученная на экране осциллографа ВАХ
полупроводникового диода точной ВАХ?
18. Можно ли с помощью схемы рис. 2.8 получить достоверную
ВАХ резистора сопротивлением 82 Ом?
19. Какие меры безопасности необходимо соблюдать при работе с
осциллографом?