Принцип действия электронного осциллографа

Основным элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка. Конструктивно электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянный баллон со специальными электродами, из которого откачан воздух. Она предназначена для создания узкого пучка движущихся электронов, управляемого в вертикальном и горизонтальном направлениях с помощью специальных электродов, напряжение на которые подаётся электронными схемами управления, находящимися внутри корпуса осциллографа, и индикации этого пучка на экране (дисплее). Внутри баллона помещены электронная пушка и две пары отклоняющих пластин. На экран трубки нанесен слой люминофора. Узкий электронный луч, попадая на люминесцирующий экран электронно-лучевой трубки, создает на нем светящееся пятно.

Действуя на электронный луч электрическими полями, через которые он проходит, можно заставить пятно перемещаться по экрану. Траекторию этого пятна называют осциллограммой. Устройство электронно-лучевой трубки поясняется рисунком 1.

 

Рассмотрим отдельные узлы данной схемы (ручки управления этими узлами, выведены на переднюю панель прибора.)

Назначение электронной пушки – создание узкого электронного пучка, вызывающего свечение люминофора экрана. Она состоит (рис. 2) из подогреваемого катода K, модулирующего электрода G и двух анодов А₁ и А₂.

Поток электронов, вылетевших из оксидного катода К, проходит отверстие-диафрагму цилиндраG. Так как на электродеG потенциал отрицательный (относительно катода), то изменяя величину его, можно управлять количеством электронов, проходящих через диафрагму, то есть изменять яркость луча.

Пройдя диафрагму, слабо расходящийся пучок электронов попадает в поле, создаваемое анодом A₁. Поле между A₁ и G таково, что под его воздействием пучок концентрируется подобно световому лучу, проходящему через оптическую линзу. Анод A₁ носит название фокусирующего анода. Далее электронный пучок проходит через анод A₂. Анод A₂ имеет положительный потенциал больший, чем анод A₁. Анод A₂ называют ускоряющим анодом. Электрическое поле между A₁ и A₂ создаёт вторую пару так называемых электростатических линз, которые окончательно собирают электронный пучок в узкий луч.

На рис. 2 показаны направления силовых линий электростатических полей и сечение эквипотенциальных поверхностей между электродами электронной пушки.

На первой половине пути электроны в пушке испытывают концентрирующее воздействие электрического поля, так как на них действуют силы, направленные нормально к эквипотенциальным поверхностям. В поле второго анода имеет место рассеивание электронов, но благодаря тому, что они летят с очень большими скоростями, влияние рассеивающего поля незначительно.

Движение электронного луча управляется отклоняющими пластинами, которые состоят из двух пар плоских конденсаторов, расположенных перпендикулярно друг к другу. Пластины, управляющие движением луча по горизонтали, называют горизонтально отклоняющими, или X -пластинами, управляющие движением вверх и вниз – вертикально-отклоняющими, или Y -пластинами. На пластины подаётся разность потенциалов, которая создает однородные электрические поля. Луч, проходя в этих полях, отклоняется под их влиянием, и светящийся след на экране смещается относительно центра.

Взяв отношение величины смещения луча на экране Х ₀ и Y ₀ к смещающему напряжению на пластинах U получают величину чувствительности трубки по соответствующей паре пластин:

 

g_X = ; g_Y = .

 

Чувствительность трубки зависит от длины l, соответствующей пары пластин, расстояния d между пластинами, расстояния L от пластин до экрана и потенциала второго анода U _A2:

 

g = _.

 

Величины чувствительности указаны в паспорте осциллографа.

На внутренней поверхности стекла трубки нанесено графитовое покрытие, соединенное с анодом A ₂. Графитовое покрытие служит экраном, защищающим электронный луч от внешних электростатических полей, и одновременно оно притягивает вторичные электроны, выбиваемые из экрана трубки.

 

Включение исследуемого сигнала. Исследуемое напряжение подается на «вход Y» и через «усилитель Y» – на вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (см. рис. 1). На входе имеется реостатно-емкостной делитель с коэффициентом деления 1: К (1: 1, 1: 10, 1: 100), который показывает, во сколько раз уменьшается входной сигнал, пройдя делитель. Величину входного сигнала можно плавно регулировать потенциометром «усиление».

 

Генератор развертки. В большинстве случаев осциллограф служит для наблюдения изменения исследуемого напряжения во времени. Для этого на горизонтально-отклоняющие пластины подается напряжение, изменяющееся линейно во времени. Оно создается генератором развертки, который может работать при исследовании периодических процессов в режиме непрерывной развертки и в режиме ждущей развертки для исследования одиночных сигналов. Переключение генератора в соответствующий режим производится переключением ручки «род работы».

Непрерывная развертка создается генератором развертки, напряжение которого имеет пилообразную форму. Рассмотрим, в чем заключается необходимость в такой форме сигнала. Пусть напряжение на вертикально отклоняющих пластинах меняется по закону:

 

U _Y = U ₀ sin w t,

 

а на горизонтально отклоняющих пластинах линейно возрастает в течение периода исследуемого сигнала по закону:

 

U _X = kt,

 

где величины U ₀, k и w могут быть заданы.

Тогда отклонения электронов в направлениях осей Х и Y, соответственно, равны:

X = x ₀ t; (1)

Y = Y ₀ sin w t (2)

 

Исключая из уравнений (1) и (2) время, получим уравнение траектории движения электронного луча в плоскости X, Y в виде:

 

Y = Y ₀ sin .

Это означает, что траектория электронного луча имеет вид, соответствующий временной зависимости разности потенциалов электрического сигнала, поданного на вертикально отклоняющие пластины, то есть сигнал оказывается развернутым во времени. На рис. 3а показана форма сигнала, подаваемого на горизонтально отклоняющие пластины с генератора развертки (рис. 1). Спустя время, равное периоду развертки T _Р траектория пучка электронов повторяется. Условием периодического повторения траектории движения электронов является равенство T _Рпериоду сигнала, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины T _С.

Регулировка частоты развертки производится двумя ручками. Ступенчатая – переключателем «развертка», который имеет диапазоны, указанные на внутренней шкале переключателя «развертка». Плавная регулировка осуществляется потенциометром «частота плавно».

 

Регулировка частоты развертки производится двумя ручками. Ступенчатая – переключателем «развертка», который имеет диапазоны, указанные на внутренней шкале переключателя «развертка». Плавная регулировка осуществляется потенциометром «частота плавно».

Чтобы изображение на экране осциллографа казалось неподвижным (такой сигнал удобно исследовать), необходимо генератор развертки синхронизировать с подаваемым сигналом. Синхронизация – такой процесс, когда исследуемым сигналом влияют на частоту развертки так, что ее частота становится равной или кратной частоте исследуемого сигнала.

При исследовании импульсных процессов генератор пилообразной развертки переключается в режим ждущей развертки. В режиме ждущей развертки генератор заперт (не даёт напряжения) до тех пор, пока на вход цепи синхронизации усилителя Y не поступит внешний сигнал. В момент поступления сигнала, независимо от его длительности, генератор развертки включается на один цикл. По окончании цикла генератор опять запирается, ждет следующего сигнала. Длительность (в микросекундах) цикла развертки в этом режиме указана на внешней шкале переключателя «развертка».

Как при непрерывной, так и при ждущей развертках на модулирующий электрод G (рис. 1) во время прямого хода «пилы» с генератора развертки подается подсвечивающий импульс положительной полярности. Этим осуществляется усиление яркости луча во время прямого хода и гашение луча во время обратного хода пилы.

Во время развертки середина пространства между отклоняющими пластинами должна иметь постоянный нулевой потенциал. Для этого служит фазоинверсный каскад, который понижает потенциал одной из Х-пластин, а потенциал второй – повышает на такую же величину.

Аналогичный каскад имеет на своем выходе усилитель Y.

При некоторых работах требуется включать осциллограф на развертку, подаваемую от постороннего источника напряжения. Чтобы это осуществить, нужно подать на «вход X» напряжение от внешнего источника, предварительно отключив генератор внутренней развертки переключением тумблеров «род работы» на «усил.» и «род синхронизации» – на «внеш». Регулировка амплитуды сигнала внешней развертки и уровень его синхронизации исследуемым сигналом производится потенциометром «синхронизация».

В осциллографе предусмотрена возможность выполнения еще двух видов операций: измерение длительности и величины напряжения исследуемого сигнала.

Продолжительность сигнала или его части можно измерить с помощью калибратора длительности (см. рис. 1), настроенного на различную частоту. Калибратор длительности включается переключателем «метки». Калибратор длительности подает на модулирующий электрод G импульсы отрицательной полярности П-образной формы, которые запирают прохождение электронов через его диафрагму на короткое время через заданные промежутки времени. Периодичность включения меток времени указана на шкале переключателя «метки».

Измерение напряжения исследуемого сигнала производят сравнением изображения исследуемого сигнала с изображением калибрационного напряжения. Для получения калибрационного сигнала, не зависящего от колебаний напряжений питающей сети, служит стабилизированный мост нелинейных сопротивлений. Часть синусоидального напряжения снимается с диагонали моста при помощи потенциометра, на ручке которого написано: «калибровка амплитуды». Калибрационный сигнал поступает на Y -пластины через Y -усилитель. Величина сигнала читается против указателя шкалы, расположенной над ручкой «калибровка амплитуды». Нижняя часть шкалы для удобства отградуирована в эффективном значении синусоидального напряжения, а верхняя – в импульсном, которое больше эффективного в 2 раз.

В осциллографе предусмотрена возможность подачи исследуемых напряжений непосредственно на обе пары отклоняющих пластин. Для этого надо вынуть вилки В ₁ и В ₂ ; В ₃ и В ₄ из задней панели осциллографа (под откидной крышкой) и подать исследуемое напряжение непосредственно на верхние гнезда соответствующих пластин (см. рис. 1 ), но в данной работе эта возможность не используется.

 

Звуковой генератор. Источником исследуемого напряжения в данной работе является генератор звуковой частоты ГЗ-33 (или любой другой). Звуковой генератор создает напряжение синусоидальной формы. Величина генерируемой частоты равна показанию большого лимба, умноженному на величину декадного множителя. В конструкции звукового генератора предусмотрена возможность изменения амплитуды выходного сигнала с помощью потенциометра «рег. выход, напряжения».

Генератор ГЗ-33, кроме того, имеет два делителя напряжения «затухание Дб» (ступенчатый) и «затухание» (плавный). Вольтметр на передней панели показывает эффективное напряжение на выходе генератора при условии, что обе ручки «затухание» полностью выведены (поставлены на 0). Согласование выходного сопротивления генератора с входным сопротивлением осциллографа осуществляется потенциометром «вых. сопротивление».

Порядок выполнения работы

 

1. Подготовка звукового генератора к работе:

 

1. Соедините шнур питания генератора с сетью.

 

2. Ручку «выходное сопротивление» поставьте на 50 О м.

 

3. Ручку «выходное напряжение» поставьте посередине шкалы.

 

4. Ручку «пределы ослабления» (по шкале в окошке) – ´ 1.

 

5. Соедините кабелем клеммы «выход генератора» и «вход Y » осциллографа.

 

6. Ручку «расстройка %» поставьте на 0.

 

7. Внутренняя нагрузка – «выкл».

 

2. Подготовка осциллографа к работе:

1. Убедитесь в правильности установки переключателя сети на напряжение (220 В) по показанию фишки, расположенной на задней стенке осциллографа.

 

2. Соедините шнур питания осциллографа с электрической сетью, а тумблер «сеть» поставьте в положение «вкл». Должен загореться подсвет шкалы «калибратор амплитуды».

 

3. После 2 – 3 минут разогрева прибора отрегулируйте яркость и фокусировку луча. Пятно или линия на экране должны быть четкими и не иметь вокруг себя ореола.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: