ТДЭ 1-5. Общее оборудование физического кабинета. Гальванические элементы и аккумуляторы. Школьный распределительный щит
 Скачать 6.9 Mb.
|
|
Тема: Общее оборудование физического кабинета. Осциллограф. Звуковой генератор. Усилитель низкой частоты Симферополь, 2006 Лабораторная работа 4 Тема: Общее оборудование физического кабинета. Осциллограф. Звуковой генератор. Усилитель низкой частоты
Литература:
Методические задания
Теоретические вопросы
ОСЦИЛЛОГРАФ. ГЕНЕРАТОР. УСИЛИТЕЛЬ Цель: изучить школьные осциллографы, генераторы и усилители, овладеть приемами работы с этими приборами. Задание 1. Изучите по описанию электронные осциллографы ОЭШ-70 и ОДШ-2, звуковой генератор ГЗШ, усилители низкой частоты УНЧ-3, УНЧ-5 и усилитель на панели, выпрямитель универсальный ВУП-2 (см. работу 2, задание 1). Осциллограф—прибор для визуального наблюдения и регистрации функциональной зависимости величин, выраженных в форме электрических напряжений или токов. Наиболее широко применяют осциллографы для исследования периодических процессов, а также для изучения вольт-амперных характеристик диода и триода, петли гистерезиса и др. В простейшем случае осциллограф состоит из четырех блоков: блока электронно-лучевой трубки ЭЛТ, генератора развертки ГР, усилителя исследуемого сигнала УС и блока питания БП (рис.1). Основным элементом первого блока является электронно-лучевая трубка, на экране которой формируется картина исследуемого сигнала (осциллограмма). Принципиальная схема трубки приведена на рисунке 2. Нить накала НН подогревает катод Л, с поверхности которого вылетают электроны. Электроны, пролетев через отверстия управляющего электрода, фокусирующего цилиндра ФЦ и анода Л, а также между пластинами XX и УУ, попадают на экран и вызывают его свечение. Изменением разности потенциалов между катодом и управляющим электродом можно менять число электронов в пучке, а это позволяет регулировать яркость изображения на экране. Чем больше по модулю отрицательный потенциал на управляющем электроде относительно катода, тем меньше электронов пройдет через управляющий электрод и достигнет анода. Осциллограф снабжен ручкой «яркость» для управления потоком электронов в пучке.  Рисунок 1  Рисунок 2 Электрическое поле между фокусирующим цилиндром и анодом способно фокусировать расходящийся электронный пучок. На рисунке 3 показан характер поля: сплошными линиями обозначены силовые линии электрического поля, а пунктирными—траектории движения электронов.  Рисунок 3 Таким образом, фокусирующий электрод и анод составляют электростатическую линзу. Изменение разности потенциалов между фокусирующим цилиндром и анодом приводит к разной фокусировке электронного пучка. Конструкцией осциллографа предусмотрено изменение фокусировки ручкой «фокус».  Рисунок 4 Сфокусированный пучок электронов проходит между пластинами XX и УУ. Если на пластины XX или УУ подано постоянное напряжение, то электронный пучок смещается соответственно либо по горизонтали, либо по вертикали; это фиксируется либо как «», «|», либо «Вправо-влево», «Вверх-вниз». Генератор развертки создает пилообразное напряжение (рис. 4), которое может подаваться на горизонтально отклоняющие пластины (на пластины XX). При этом электронный пучок (соответственно светящаяся точка на экране) при медленном возрастании напряжения на пластинах XX равномерно перемещается по горизонтали, прочерчивая на экране светящийся отрезок, а при резком спаде напряжения быстро возвращается в исходное положение. (В осциллографе предусматривается гашение пучка при резком спаде напряжения.) Прочерчивание отрезка периодически повторяется. Частоту пилообразного напряжения можно менять либо ступенчато, либо плавно ручками развертки, которые могут быть обозначены: «Диапазон», «Частота плавно». Амплитуду пилообразного напряжения плавно меняют ручкой «Усиление X». Усилитель предназначен для усиления без искажений электрических колебаний, поданных на его вход. С выхода усилителя исследуемый сигнал подается на пластины УУ электронно-лучевой трубки. Сигнал, подаваемый на вход осциллографа, может быть как малым, так и большим. Большой сигнал (порядка десятков вольт) на входе уменьшается с помощью делителя напряжения. С делителя сигнал подается на усилитель. Ручки управления делителем и усилителем выведены на внешнюю панель. Получение осциллограммы синусоидальных колебаний можно пояснить следующим образом. На пластины XX с генератора развертки подается пилообразное напряжение, а на пластины УУ с усилителя—исследуемый сигнал (см, рис. 4). Если частота сигнала кратна частоте развертки, то на экране электронно-лучевой трубки будет формироваться синусоида (в нашем случае период сигнала Г в 3 раза меньше периода развертки Тс, на экране должна наблюдаться синусоида с тремя максимумами и минимумами). Если же частота сигнала не кратна частоте развертки, то плавным изменением частоты развертки (специальной ручкой) можно добиться ее кратности частоте сигнала. Однако вручную это сделать трудно, поэтому в осциллографе предусмотрена автоматическая подстройка частоты развертки сигналом, идущим от усилителя. Этот сигнал может быть изменен выведенной на панель ручкой «Синхронизация». Обычно в осциллографе предусматривают, кроме внутренней, внешнюю синхронизацию, т. е. синхронизацию от внешнего источника периодических колебаний (возможно от сети переменного тока).  Рисунок 5 Промышленность выпускает для школ несколько вариантов осциллографов, из которых рассмотрим ОЭШ-70 и ОДШ-2. Внешний вид осциллографа ОЭШ-70 приведен на рисунке 5, а расположение ручек управления—на рисунке 6. На передней стенке смонтированы выключатель сети, сигнальная лампочка, зажимы «Вход У», «Вход X» и делитель входного сигнала. На боковую панель выведены ручки управления электронным пучком « | », «», «Синхронизация», «Внутр—от сети—внешн», «Усиление», ручки развертки, «Диапазоны 0, 30, 150, 500 Гц, 2, 8, 16 кГц», «Частота плавно», а также ручки усиления сигнала «Усиление У», «Усиление Х».  Рисунок 6  Рисунок 7 Осциллограф ОДШ-2 отличается от ОЭШ-70 конструктивно и внешним оформлением (рис. 7). На переднюю панель выведен не только экран электронно-лучевой трубки, но и основные ручки управления. Верхний ряд ручек предназначен для управления электронным пучком: «Яркость», «Фокус», «Вверх-вниз», «Влево-вправо». Во втором ряду сверху смонтированы ручки управления усилителем «Усиление У» и делитель напряжения 1: 1, 1:10, 1:30, 1:100, 1:1000, а также выключатель сети с сигиальной лампочкой. В третьем ряду сверху расположены ручки и кнопки генератора развертки: «Частота плавно», «Вкл. 1, 2, 3, 4», «Усиление Х». Кнопочный переключатель позволяет менять пилообразное напряжение частотой от 20 Гц до 20 кГц. Генератор развертки работает только при нажатой кнопке «Вкл». В нижнем ряду расположены зажимы «Вход У», «Вход X», «Внешн. синхр», кнопки синхронизации «Внешн», «Внутр» и ручка синхронизации. На боковую панель осциллографаОДШ-2 выведены ручки управления двухканальным коммутатором с двумя входами. Коммутатор позволяет наблюдать на экране осциллографа одновременно сигналы от двух источников переменного тока. Если частоты источников одинаковы, то по полученным осциллограммам можно судить о сдвиге фаз поданных сигналов. Например, на один вход можно подать сигнал, пропорциональный напряжению на конденсаторе, а на другой—пропорциональный силе тока, текущего через конденсатор. Тогда на экране осциллографа можно наблюдать две синусоиды, сдвинутые по фазе на 90°. Применяя коммутатор, можно сравнивать частоту исследуемого сигнала состандартной частотой, если эти сигналы отличаются по частоте.  Рисунок 8 На задней стенке осциллографов ОДШ-2 и ОЭШ-70 смонтированы гнезда, позволяющие подавать исследуемый сигнал непосредственно на пластины электронно-лучевой трубки. Возможность подавать исследуемый сигнал непосредственно на пластины позволяет применить осциллограф и для цепей постоянного тока. Подавая сигнал постоянного напряжения на пластины XX (или УУ) при отключенной развертке, можно наблюдать смещение светящейся точки по горизонтали (или вертикали), причем отклонение этой точки пропорционально приложенному напряжению. Следовательно, осциллограф можно применить как вольтметр с большим внутренним сопротивлением. Осциллограф является сложным электронным прибором и требует умелого обращения. Запрещается менять предохранитель или ремонтировать прибор с включенным в сеть шнуром питания. Генератор звуковой предназначен для получения электрических колебаний звуковой частоты. В учебных целях могут быть применены различные генераторы. Звуковой генератор школьный ГЗШ (рис. 9) перекрывает диапазон генерируемых частот синусоидальных колебаний от 20 до 20000 Гц с диапазонами: «х1» (от 20 до 200 Гц), «х10» (от 200 до 2000 Гц), «X 100» (от 2000 до 20000 Гц), питается от сети переменного тока напряжением 220 В.  Рисунок 9 На лицевую панель генератора выведены тумблер включения генератора в сеть, сигнальная лампочка, переключатель под-диапазонов на три фиксированных положения, отмеченных «Xl», «X10», «Х100», диск с неравномерной шкалой деления (от 20 до 200), ручка переменного резистора, позволяющая менять амплитуду выходного сигнала, выходные зажимы, рассчитанные на подключение цепей с разным сопротивлением (5, 600, 5000 0м). С тыльной стороны имеется панель для предохранителей и сетевого шнура. Блок-схема ГЗШ показана на рисунке 9. Генератор состоит из четырех основных блоков: задающего генератора ЗГ, усилителя УС, выходного устройства ВУ, блока питания БП. Задающий генератор генерирует синусоидальные колебания малой мощности. Частоту этих колебаний можно менять изменением емкости конденсатора. Колебания малой мощности подаются на электронный усилитель и уже усиленные по мощности поступают в выходное устройство, представляющее собой согласующий выходной трансформатор. При эксплуатации прибора следует помнить, что смену предохранителя можно производить только при отключенной сети; нельзя применять предохранитель, рассчитанный на силу тока более 1 А. Перед началом работы со звуковым генератором ГЗШ ручку «Усиление» устанавливают в крайнее левое положение поворотом против часовой стрелки. Чтобы продемонстрировать опыт, собирают цепь, используя звуковой генератор ГЗШ. При этом следует руководствоваться правилом: если сопротивление внешней цепи мало (например, при подключении динамического громкоговорителя), то эту цепь подключают к зажимам «Общ» и «5 Ом», т. е. выбирают такие выходные зажимы ГЗШ, чтобы сопротивление между ними было близким к сопротивлению подключаемой цепи. В этом случае КПД установки будет наибольшим. Если для опытов необходимы частоты 20—200 Гц, то переключатель устанавливают в положение «хl», если 200—2000 Гц— в положение «хl0», а для частот 2000—20000 Гц используют положение «х100». Плавную регулировку частоты осуществляют поворотом диска. Включение прибора в сеть осуществляют установкой тумблера в положение «Вкл». Амплитуду выходного сигнала увеличивают до необходимого значения поворотом ручки «Усиление» по часовой стрелке. Генератор звуковой школьный ГЗШ-М принципиально ничем не отличается от ГЗШ. Однако ГЗШ-М можно использовать в качестве усилителя низкой частоты. С этой целью на переднюю панель прибора выведены зажимы «Вход УНЧ», а в переключателе  Рисунок 2 Рисунок 10 Рисунок 11 добавлен поддиапазон «УНЧ» (рис. 9). При работе в режиме УНЧ на вход усилителя низкой частоты подают исследуемый сигнал, а на выходе ГЗШ-М получают усиленные электрические колебания звуковой частоты. Модель звукового генератора демонстрационного ГЗД (рис. 10) предназначена для демонстрации действия генератора и опытов по автоматике. ГЗД собран на транзисторе П202Э по схеме, показанной на рисунке 11, и может выполнять функции генератора, модулятора и усилителя электрических колебаний. К зажимам 5 и 8 подключают источник тока напряжением 4 В. В качестве источника тока можно применить батарею аккумуляторов, батарею от карманного фонаря, выпрямители ВС-24М или ВС-4-12. Если закоротить зажимы 2 и 3, то прибор будет работать в режиме генератора. Подключенный к зажимам 6 и 7 громкоговоритель издает звук достаточной громкости. Частоту звука меняют поворотом ручки потенциометра R2. Для демонстрации преобразования неэлектрических сигналов в электрические к зажимам 2 и 4 подключают соответствующий датчик, у которого сопротивление меняется в зависимости от исследуемого параметра (терморезистор, фоторезистор и пр.). Например, если подключить терморезистор, то с изменением его температуры будет меняться высота тона звука. Модель генератора может быть применена в опыте для демонстрации принципа радиотелеметрии. В этом случае ГЗД играет роль модулятора высокочастотных электрических колебаний, которые создает генератор УВЧ. Чтобы продемонстрировать усиление постоянного тока, на вход генератора подключают фотоэлемент, размыкают цепь обратной связи (т. е. снимают перемычку с зажимов 2 и 3), а в коллекторную цепь транзистора включают демонстрационный гальванометр. Громкоговорители. Существует несколько различных видов громкоговорителей. Наиболее совершенным из них является электродинамический громкоговоритель ("динамик"). Внешний вид одной из многочисленных конструкций "динамиков" изображен на рисунке. Понятие об устройстве громкоговорителя даес чхематический разрез его механизма, изображенного на рисунке. На оси массивного железного стакана намотана подмагничевающая катушка, питаемая постоянным током. В крышке стакана сделана кольцевая щель, пронизываемая постоянным магнитным потоком. В эту щель помещена подвижная катушка, намотанная на легкий каркас, жестко связанный с бумажным конусом (диффузором). Диффузор прикрепляется к раме при помощи какого-нибудь мягкого материала (например, замши). По подвижной катушке протекает переменный ток звуковой частоты. Взаимодействие этого тока с постоянным магнитным потоком, в котором находится катушка, вызывает колебания катушки, которые передаются связанному с ней диффузору. Колеблющийся диффузор создает в окружающем его воздухе звуковые волны. В настоящее время промышленностью выпускаются динамики и без подмагничивающей катушки. Постоянные магниты для них изготавливаются из специальных сплавов, обладающих высокими магнитными свойствами.   Усилитель низкой частоты - электронный прибор, предназначенный для усиления электрических колебаний звуковой частоты от 20 Гц до 20 кГц. Обычно усилитель состоит из нескольких блоков: предварительного усилителя напряжения, усилителя мощности, согласующего выходного трансформатора и блока питания. Для школ выпускаются усилители разной конструкции и отличающиеся по внешнему виду.  Усилитель УНЧ-3 на лицевой панели имеет ручку регулятора громкости и сигнальную лампочку. Ручкой регулятора громкости производят также включение и выключение сети. В крайнем левом положении ручки при повороте против часовой стрелки прибор отключен. Включение осуществляют поворотом ручки по часовой стрелке после щелчка. Так как усилитель собран на электронных лампах, то он начинает работать после их прогрева. Па боковой стенке смонтированы три входных гнезда: для подключения М—микрофона, АД— адаптера, Л—линии. Нижние гнезда соединены с корпусом прибора. На задней стенке имеются две пары гнезд: Гр—для подключения громкоговорителя (низкоомный выход) и Л — высокоомный выход. Здесь же имеются вывод сетевого шнура с вилкой и октальная панель, в которую вставлена специальная вилка с предохранителем (на 0,5 А) для сети напряжением 220 В. Вилку можно устанавливать в двух положениях: «220 В» и «127 В». Усилитель УНЧ-5 собран на транзисторах. На лицевой панели усилителя смонтированы выключатель сети с индикаторной лампочкой, гнезда выхода, гнезда входа для микрофона и звукоснимателя, разъем для подключения микрофона, ручки регулировки тембра по низкой и высокой частоте, ручка регулировки уровня сигнала, индикатор перегрузки. На задней стенке имеются вывод сетевого шнура с вилкой и предохранитель (на 0,5 А). На вход усилителя могут подаваться сигналы не только с микрофона и звукоснимателя, но и от других датчиков электрических колебаний напряжением от нескольких милливольт до вольт (сигналы с элементов цепи переменного тока, звукового генератора и т. д.). К выходу усилителя можно подключать не только громкоговоритель, но и другие приборы: осциллограф, измерительные приборы переменного тока, головные телефоны и пр. Потребляемая усилителем мощность не более 40 Вт, выходная—около 5 Вт. Запрещается при эксплуатации усилителя менять предохранитель, разбирать и ремонтировать прибор, включенный в сеть.   Усилитель на вертикальной панели входит в комплект демонстрационных приборов по радиотехнике. Слева смонтированы универсальные зажимы входа усилителя. Первая лампа работает в режиме усиления напряжения, вторая—как усилитель мощности. В анодную цепь второй лампы включен согласующий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с зажимами низкого и высокого выходного напряжения. Три нижних зажима служат для подключения питания от ВУП-2, на два нижних зажима подается напряжение переменного тока 6,3 В для питания накала ламп, а на средний и третий снизу—напряжение постоянного тока 250 В для анодной цепи ламп, причем на третий снизу зажим подается положительный потенциал. Схема усилителя приведена на рисунке рядом. Подключение блока питания и сборку установок с усилителем на панели запрещается выполнять при включенном в сеть выпрямителе ВУП-2. В демонстрационных установках предпочтение следует отдавать усилителю УНЧ-5. Задание 2. Подберите из пособия [2] опыты, иллюстрирующие применение осциллографа, генератора, усилителя. Задание 3. Продумайте ответы на следующие вопросы: 1) Каково назначение каждой ручки управления осциллографом ОЭШ-70 и ОДШ-2? Как будет меняться наблюдаемая на экране осциллограмма (синусоида) при вращении отдельной ручки в том или ином направлении, при переключении тумблеров и переключателей? 2) Что вы будете наблюдать на экране осциллографа, если при включенной развертке к входу «У» осциллографа подключить источник переменного тока (постоянного тока). 3) Как осуществляется фокусировка электронного пучка? 4) Как работает простейший генератор развертки? 5) Как осуществляется синхронизация в осциллографе? 6) Каково назначение электронного коммутатора? В каких опытах может быть применен коммутатор? 7) Каково назначение ручек, переключателей и зажимов звукового генератора ГЗШ? В чем состоит отличие ГЗШ и ГЗШ-М? 8) Как подготовить усилитель низкой частоты (УНЧ-3, УНЧ-5, усилитель на панели) для работы? 9) Каков принцип действия каждого из рассмотренных в работе приборов? 10) Каково назначение отдельных блоков осциллографов, звукового генератора, усилителя? 11) Выпрямитель ВУП-2 дает возможность получить разные напряжения. Какие напряжения необходимы для питания усилителя на панели? 12) Какие требования техники безопасности необходимо соблюдать при работе с осциллографом, звуковым генератором, усилителями унч-з, УНЧ-5, усилителем на панели? Задание 4. Подготовите план работы, в который включите номер и название работы, краткие характеристики школьных приборов: осциллографа, генератора, усилителя. Вычертите схемы установок для нижеперечисленных опытов. Оборудование: осциллограф ОЭШ-70, ОДШ-2, генератор ГЗШ-63, усилители низкой частоты, ВУП-2, аккумулятор, громкоговоритель, телефоны головные, модель звукового генератора. Опыт 1. Изучение работы осциллографа Установите ручки осциллографа «», "|", «Яркость», «Фокус» в среднее положение, а остальные ручки поверните до отказа в направлении против часовой стрелки. Ручки переключателя синхронизации и диапазонов осциллографа ОЭШ-70 установите на делениях «Внутр», «До 220 В». Включите осциллограф. Поворотом ручек «Яркость», «Фокус» на экране получите не яркое, но четкое изображение точки. Повращайте ручки «», «|» в разные стороны. Пронаблюдайте смещение точки. Вращайте ручки «Диапазоны», «Усиление X», «Усиление У» в разных направлениях и в разных сочетаниях. Сделайте вывод. Вопрос. Как можно изменить длину развертки? Как получить развертку, если на экране наблюдается Светящаяся точка? Установите ручку «Усиление У» на очень малое усиление, ручку «Диапазоны» в положение «150», синхронизации—в положение «Внутр». Подключите выход звукового генератора «5 Ом» ко входу «У» осциллографа. Установите на генераторе ГЗШ частоту 800 Гц, а ручку усиления поставьте в среднее положение. Включите звуковой генератор. Поворотом ручки «Усиление У» получите амплитуду кривой 30—50 мм. При необходимости отрегулируйте качество кривой ручками «Яркость» и «Фокус». Поворачивайте ручки «Синхронизация», «Усиление», «Частота плавно» отдельно в разных вариантах, при этом должны получаться устойчивые синусоиды. Пронаблюдайте за Изменением синусоиды на экране осциллографа при вращении лимба плавного изменения частоты ГЗШ для диапазона «х1», «х10», «х100» и при переключении ручки «Диапазоны». Установите амплитуду синусоиды порядка 0,5 см. Переключите аттенюатор в положение до 5 В и пронаблюдайте резкое возрастание амплитуды синусоиды. Все опыты, рассмотренные с осциллографом ОЭШ-70, выполните с осциллографом ОДШ-2. |