Робота № 34
ДОСЛІДЖЕННЯ коливальних процесів ЗА ДОПОМОГОЮ осцилографи
Вільні електричні коливання в контурі, що містить ємність C, індуктивність L, при наявності опору контуру R є затухаючими. При цьому енергія, запасені спочатку в контурі, поступово витрачається на виділення тепла Джоуля-Ленца і амплітуда коливань зменшується з часом.
Нехай до замикання ключа До конденсатор заряджений до різниці потенціалів і має заряд (рис. 1). При замиканні ключа () конденсатор починає розряджатися, і в ланцюзі виникає електричний струм, миттєве значення якого дорівнює:
де Q - величина заряду в довільний момент часу t.
Миттєве значення напруги одно:
Миттєве значення напруги на індуктивності L і омічному опорі R можна знайти з узагальненого закону Ома для ділянки ланцюга AFB містить ЕРС самоіндукції
У разі вільних коливань зовнішня напруга до контуру не доклали, тому сума падінь напруги на всіх ділянках дорівнює нулю. отже:
З формули (7) випливає, що при
розряд буде носити апериодический характер. Опір, що задовольняє умові
Називається критичним опором контуру. Величина критичного опору дорівнює:
Загасання коливань при різних R показано на рис. 3.
- автоколебания
- Для отримання незатухаючих коливань використовують автоколивальні системи. До їх складу входять:
1) коливальна система (маятник, коливальний контур);
2) джерело енергії, за рахунок якого компенсуються втрати енергії в системі (пружина, піднятий вантаж, джерело струму);
3) клапан або ключ, який в певний момент часу вводить енергію певними порціями в коливальну систему (анкер, електронна лампа);
4) зворотний зв'язок, яка забезпечує зворотний вплив коливальної системи на клапан (ключ) і здійснює управління роботою клапана за рахунок процесів в самій коливальній системі.
Автоколебания виникають спонтанно під дією випадкових відхилень, які виводять систему зі стійкого положення рівноваги (відбувається самозбудження системи). Виниклі маліколивання мимовільно наростають і в кінці кінців в системі встановлюються коливання, частота і форма яких визначається параметрами системи. В цьому відношенні автоколебания мають схожість з вільними коливаннями. Однак на відміну від вільних коливань, амплітуда сталих коливань не залежить від початкових умов, а визначається виключно ступенем зв'язку системи з джерелом енергії. Сталі автоколивання мають таку амплітуду, при якій відбувається повна компенсація втрат енергії за рахунок енергії, що надходить від джерела.
Прикладом механічної автоколебательной системи є годинник, в яких незгасаючі коливання підтримуються за допомогою анкера, керуючого надходженням енергії від джерела (стиснута пружина, піднята гиря).
Прикладом електричної автоколебательной системи є ламповий генератор, один з варіантів схеми якого показаний на рис. 4.
Коливальний контур, що містить ємність C і індуктивність L, включений послідовно з батареєю Ба в анодний ланцюг трьохелектродної лампи. Між катодом і сіткою (ланцюг сітки) включена котушка контуру. Через індуктивний зв'язок цих котушок здійснюється зворотний зв'язок між коливальним контуром і клапаном-лампою.
Принцип дії генератора полягає в наступному. Коли в коливальному контурі виникають коливання (самозбудження) і по котушці L протікає змінний струм, в котушці наводиться е.р.с. взаємної індукції і сітка лампи заряджається або позитивно, або негативно щодо катода.
Період коливань сіткової напруги, очевидно, той же самий, що і період коливань в контурі.
При негативному потенціалі на сітці лампа "замкнені", тобто електрони від катода не досягають анода, анодний струм дорівнює нулю. Коливальний контур НЕ заряджається.
При позитивному потенціалі на сітці лампа "відмикається", в анодному ланцюзі з'являється струм, який поповнює енергією коливальний контур, заряджає конденсатор за рахунок анодної батареї Ба.
Залежно від взаємного напрямку витків котушок і анодний струм може або перешкоджати коливань в контурі, або сприяти їм. Очевидно, пересоедініть в разі необхідності кінці котушки за допомогою перемикача П, можна домогтися генерації автоколивань в контурі.
3. Електронний осцилограф (ЕО)
Електронно-променевий осцилограф призначений для спостереження і дослідження швидкозмінних електричних процесів. Наприклад, за допомогою осцилографа можна вимірювати силу струму, напругу і зміна їх у часі, зсув фаз між ними, порівнювати частоти і амплітуди різних змінних напруг. Перевагами осцилографа є його висока чутливість і Безінерційна дії, що дозволяє досліджувати процеси в діапазоні частот від 0 до Гц.
На рис. 5 приведена блок-схема осцилографа. Основними вузлами ОЕ є електронно-променева трубка, блок живлення, підсилювачі напруги, генератор пилкоподібної напруги, блок синхронізації. На лицьову панель ЕО виведені екран осцилографа, ручки керування променем - яскравість, фокус, зміщення променя вправо, вліво; гнізда для введення сигналів по осях Х і У; управління блоками посилення по осях Х і У, синхронізації, генератором розгортки (пилкоподібної напруги), тумблер включення напруги "мережу" і ін.
Електронно-променева трубка складається зі скляної колби, усередині якої створюється високий вакуум (рис. 5). У колбі є спіраль підігріву катода 1, катод 2, керуючий електрод 3, перший анод (фокусуючий) 4, другий анод (прискорює) 5, вертикально відхиляють 6, горизонтально відхиляють 7, флюорісцірующій екран 8. Спіраль нагріву, катод, керуючий електрод і обидва анода утворюють електронну гармату і служать для створення вузького сфокусованого потоку електронів (електронного променя). Електрони, потрапляючи на флюорісцірующій екран 8, викликають його світіння.
Відхиляють представляють собою плоский конденсатор, який створює однорідне електричне поле. Електрони вилітають в простір між пластинами з великою швидкістю і під дією електричного поля відхиляються від напрямку початкового руху. Регулюючи величину прикладеної до пластин напруги, можна змінювати величину відхилення променя. Пластини, розташовані горизонтально, відхиляють промінь по вертикалі (вісь У); пластини, розташовані вертикально, відхиляють промінь по горизонталі (вісь Х). При відсутності напруги на відхиляють пластинах промінь потрапляє в центр екрану.
Нехай під дією прикладеної напруги слід електронного променя зміщується на величину Х в горизонтальному напрямку, а під дією - на величину У в вертикальному напрямку.
Величини і називаються чутливими трубки до напруги відповідно в напрямках осей Х і У. Чутливість до напруги показує величину відхилення електронного променя на екрані при різниці потенціалів пластинах в 1 В.
Генератор розкладки. Зазвичай на осцилографах досліджують повторювані періодичні процеси. Якщо досліджувана напруга подати на вертікольно відхиляють, то світла пляма на екрані буде здійснювати коливання. При частоті коливань Гц на екрані буде видно пряма лінія (внаслідок світловий енерціі екрану і очі). Щоб на екрані отримати графік такого сигналу, одночасно з сигналом на горизонтально відхиляють треба подати напругу, пропорційну часу, - так зване напруга розгортки:. При цьому на екрані осцилографа промінь буде викреслювати синусоидальную залежність від:
Для створення стійкої картини на екрані осцилографа на вісь Х необхідно подавати напругу пилкоподібної форми (рис. 6) з періодом, кратним періоду сигналу, що подається на вісь У. Напруга, що виробляється генератором розгортки. змінюється пропорційно часу лише на ділянці прямого ходу променя. За цей час електронний промінь зміщується по екрану трубки зліва на право. За час зворотного ходу промінь повертається в крайнє ліве положеніе.В цей час на керуючий електрод подається негативна напруга, що гасить промінь. Джерелом пилкоподібної напруги є релаксаційний генератор, званий генератором розгортки, який знаходиться в самому осцилографі, ручки управління його періодом (частотою) виведені на лицьову панель осцилографа.
Синхронізація. При спостереженні періодичних і особливо швидкоплинних процесів важливо отримати на екрані осцилографа нерухоме зображення сигналу. Для цього потрібно, щоб період розгортки був кратний періоду досліджуваного сигналу. Однак, як правило, точне співвідношення періодів дотримати важко через нестабільність сигналів. Тому використовують примусове узгодження періодів - синхронізацію при якій досліджуване напруга "нав'язує" свій період генератору розгортки. Для цієї мети і служить блок синхронізації. Призначення інших основних блоків осцилографа очевидно.
Виміряти частоту невідомого сигналу можна двома способами:
- Порівнюючи частоту (тривалість) невідомого сигналу з частотою (тривалістю) генератора розгортки осцилографа;
- Складаючи два взаємно перпендикулярних коливання, частота одного з них відома (метод фігур Ліссажу).
Для вимірювання частоти (тривалості) невідомого сигналу першим способом цей сигнал подається на вхід осцилографа і включається генератор розгортки (сигнал пилкоподібної форми подається на вісь "Х" осцилографа). Ручками управління частотою генератора розгортки домагаються того, щоб на екрані вийшла стійка картина. З зіставлення числа періодів коливань сигналу, поданого на вісь "У", з тривалістю генератора розгортки можна визначити період і частоту невідомого сигналу (див. Інструкцію на робочому місці).
Для вимірювання частоти невідомого синусоїдального сигналу другим способом, генератор розгортки вимикають, а на вісь "Х" осцилографа подається синусоїдальний сигнал від зовнішнього генератора типу ЗГ або з мережі.
Фігура Ліссажу виходить при додаванні двох взаємно перпендикулярних гармонійних коливань, що мають кратні частоти (рис. 7). Чим вище відношення частот коливань, тим більше число раз коливається точка перетне пряму перпендикулярну напрямку коливання. Для Х - коливань це ОУ, для У -колебаній це вісь ОХ. отже:
де - кількість перетинів фігури Ліссажу з віссю ОУ, - кількість перетинів фігури Ліссажу з віссю ОХ. Якщо відома частота, то невідома частота
Форма фігури Ліссажу залежить від різниці фаз D j сигналів, що подаються на осі ОХ і ОУ. При зміні різниці фаз Dj фігура буде деформуватися, при зміні співвідношення (9) - ускладнюватися або спрощуватися. Для полегшення визначення частот невідомих сигналів існують спеціальні атласи фігур Ліссажу для різних D j і.
Робота складається з двох самостійних експериментальних завдань.
У першому завданні по спостереженню і виміру осциллограмм напруги визначаються величини, що характеризують загасання коливань в контурі (, D,.) І досліджуються коливання при різній величині омічного опору контуру.
У другій задачі за допомогою осцилографа вимірюється напруга і частота вихідного сигналу автоколебаний, створюваних ламповим генератором при різних значеннях параметрів коливального контуру.
Перед виконанням кожного завдання необхідно ознайомитися з принципами роботи електронного осцилографа і методикою проведення осцилографічних спостережень і вимірювань за інструкцією, яка додається до роботи.