Лабораторная работа № 3-10
Изучение работы электронного осцилЛографа
Цель работы: ознакомление с принципом действия и органами управления электронного осциллографа, изучение элементарных приемов работы с ним
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Назначение электронного осциллографа
Универсальные измерительные приборы, предназначенные для
исследования разнообразных электрических процессов, графически воспроизводимых на экране электронно-лучевой трубки, называются электронными осциллографами.
Помимо наблюдения формы и качественной оценки исследуемых процессов, осциллографы позволяют измерять ряд их параметров: амплитудные и мгновенные значения напряжений и токов, мощность, длительность импульсов и временных интервалов между импульсами и т.д. Малая инерционность осциллографов позволяет применять их для исследования колебаний в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до десятков и
сотен мегагерц. Высокая чувствительность осциллографа позволяет изучать очень слабые колебания, а большое входное сопротивление исключает влияние осциллографа на режим цепей, к которым он подключается.
Преобразование неэлектрических величин с помощью соответствующих датчиков в электрические позволяет широко применять осциллографические методы исследования во многих областях науки и техники.
Основные узлы осциллографа
Схемы современных осциллографов очень разнообразны и определяются их назначением. Рассмотрим основные части простого осциллографа, блок-схема которого приведена на рис. 1.
Основными узлами осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), блок питания, усилитель напряжения Uх, усилитель напряжения Uу, генератор развертки и синхронизирующее устройство.
Источником термоэлектронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Между катодом 2 и анодами 4 и 5 приложено напряжение порядка 1 - 3 кВ. Электроны, ускоренные таким сильным электрическим полем, приобретают скорость примерно 107 м/c и, попадая на экран 8, вызывают его свечение. Катод находится внутри цилиндра 3, являющегося управляющим электродом (модулятором). В основании цилиндра сделано отверстие для пропускания узкого электронного пучка. Подводя отрицательный потенциал к модулятору, можно уменьшать количество электронов, проходящее через его отверстие, а следовательно, и яркость пятна на экране трубки.
| ЭЛТ |
| Усил. |
| ж.р. |
| ж.р. |
| н.р. |
| н.р. |
| К пластинам У |
| Внутр сети |
| Внешн |
| От сети |
| Усилитель канала У |
| Блок питания |
| Синхронизатор |
| К пластинам Х |
| Усилитель канала Х |
| Генератор непрерывной развертки (н.р.) |
| Усил. |
| Генератор ждущей развертки (ж.р.) |
Рис.1. Блок-схема электронного осциллографа
ЭЛТ состоит из стеклянного баллона, из которого выкачен воздух до
давления порядка 10-6 мм рт. ст., электронной пушки 1 – 5, двух пар отклоняющих пластин 6 и 7 и флуоресцирующего экрана 8 (рис.2).
| Х |
| У |
Рис. 2.Электронно-лучевая трубка
Источником термоэлектронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Между катодом 2 и анодами 4 и 5 приложено напряжение порядка 1 - 3 кВ. Электроны, ускоренные таким сильным электрическим полем, приобретают скорость примерно 107 м/c и, попадая на экран 8, вызывают его свечение. Катод находится внутри цилиндра 3, являющегося управляющим электродом (модулятором). В основании цилиндра сделано отверстие для пропускания узкого электронного пучка. Подводя отрицательный потенциал к модулятору, можно уменьшать количество электронов,
проходящее через его отверстие, а, следовательно, и яркость пятна на
экране трубки.
Большинство эмитируемых с катода электронов направляется вдоль оси трубки электрическим полем между катодом и модулятором. Стрелками на рис.2 показаны линии напряженности электрических полей между электродами, пунктиром - траектории некоторых электронов.
Потенциал второго анода 5 выше потенциала первого анода 4. Изменяя разность потенциалов между анодами, можно изменять положение точки, в которой фокусируются электроны. Если эта точка находится на поверхности флюоресцирующего экрана, то электронный пучок называется сфокусированным.
Аноды имеют форму цилиндров или дисков с отверстиями в центре. Перегородки внутри анодов служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условиям фокусировки.
Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами металлических пластин 6 и 7. Если к какой-либо паре пластин приложить переменное напряжение, то электронный луч прочертит на экране светящуюся прямую линию. Если переменные напряжения приложить одновременно к обеим парам отклоняющих пластин, то электронный луч под действием двух взаимно перпендикулярных полей будет прочерчивать на экране некоторую сложную кривую.
Одной из основных характеристик электронно-лучевой трубки является ее чувствительность к напряжению. Пусть под действием приложенного к пластинам X напряжения Uх след электронного луча смещается на величину х в горизонтальном направлении, а под действием Uу - на величину у в вертикальном положении.
Величины
и 
, (1)
называемые чувствительностью трубки к напряжению соответственно в направлениях осей Х и Y, показывает величину смещения электронного луча на экране при разности потенциалов на пластинах 1 B.
На горизонтально отклоняющие пластины Х напряжение подается от генератора развертки или от какого-либо внешнего источника. Исследуемое напряжение Uy подается непосредственно на вертикально отклоняющие пластины, либо через усилитель (рис. 1).
Усилитель Y имеет входные цепи, обеспечивающие защиту усилителя от перегрузки путем регулировки величин подводимых к нему сигналов. Плавная регулировка напряжений осуществляется с помощью высокоомного потенциометра, ступенчатая - ступенчатым делителем напряжения.
Необходимость введения усилителей по каналам Х и Y обусловлена малой чувствительностью ЭЛТ. Благодаря наличию усилителя чувствительность осциллографа по напряжению по сравнению с чувствительностью ЭЛТ возрастает.
Величину, обратную чувствительности осциллографа jу, назовем
ценой деления экрана осциллографа Su по напряжению
(2)
Величина Su зависит от коэффициента усиления по каналу Y, т.е. от положения плавного и ступенчатого регуляторов входного напряжения. Величина Su указывается на передней панели для каждого положения ступенчатого делителя напряжения. В технической литературе Su также называют коэффициентом отклонения.
Основным назначением осциллографа является воспроизведение на его экране формы кривых напряжений, переменных по времени, т.е. получение графиков U(t) или развертки напряжений по времени.
Если исследуемое переменное напряжение
Uу = U0 sin(wt) (3)
подать на вертикально отклоняющие пластины, то световое пятно на экране будет совершать колебания по закону
у = jуUу = jуU0 sin(wt). (4)
При малых частотах на экране будет видна колеблющаяся светящаяся точка. При больших частотах, вследствие световой инерции экрана и способности человеческого глаза сохранять некоторое время
(~0,1c) полученное световое восприятие на экране будет видна неподвижная вертикальная линия. Для того, чтобы получить развертку Uу по времени, русский физик Л.И. Мандельштам предложил подавать на пластины Х (горизонтально отклоняющие) пилообразное напряжение, перемещающее луч по горизонтали. Возможная форма его показана на рис.3 (в нижней части). Отклонение луча в горизонтальном направлении называется разверткой.
Период пилообразного напряжения состоит из двух частей:
D t1 - времени линейного нарастания и соответственно перемещения луча по экрану слева направо (прямой ход) и D t2 - времени обратного хода
лучей, в течение которого напряжение быстро возвращается к исходному значению.
Согласно (1) при линейной зависимости Uх(t) уравнение смещения х
в линейной части пилы имеет вид
х = С1t + С2, (5)
где С1 и С2 - некоторые постоянные, т.е. ось Х в этом случае является осью времени с линейным масштабом.
| У |
| Uу |
| t |
| Х |
| Uх |
| t |
| Экран ЭЛТ |
Рис.3. Построение осциллограммы
На рис.3 рассмотрен случай одновременной подачи на отклоняющие пластины исследуемого напряжения Uу и пилообразного Uх. В результате сложения движений луча по горизонтали и по вертикали на экране между точками 0 и 10 воспроизводится большая часть кривой. Во время обратного хода луча D t2 между точками 10 и 12 появляется линия обратного хода, мешающая наблюдению осциллограммы. Для более полного воспроизведения исследуемой кривой стремятся уменьшить D t2, а мешающий обратный ход луча гасят, подавая за время D t2 отрицательный импульс на модулятор ЭЛТ.
Если период развертывающего пилообразного напряжения кратен периоду исследуемого, например, больше его в n раз, то осциллограмма будет отличаться от изображенной на рис. 3. осциллограммы числом периодов сигнала (2, 3 и более), отложенным вдоль оси Х.
Источником пилообразного напряжения является релаксационный генератор, называемый генератором развертки (рис. 1). Частоту генератора пилообразного напряжения в осциллографах можно изменять в широких пределах. При ручной регулировке поддержать строгое равенство напряжений Uх и Uу часто трудно, поэтому осциллографы снабжаются автоматическим устройством для синхронизации пилообразного напряжения с
исследуемым напряжением.
Осциллографы с генераторами непрерывной развертки непригодны для исследования кратковременных импульсов, длительность которых значительно меньших периода их повторения. На экране такие импульсы будут наблюдаться в виде узких вертикальных выбросов, форма которых неразличима. Поэтому в состав универсальных осциллографов включают генераторы ждущей развертки, которые могут длительное время находиться в режиме ожидания при каждом воздействии на них сигналов запуска (рис. 1). В качестве сигналов запуска могут использоваться исследуемые импульсы.
Измерение параметров сигналов
Измерение параметров сигналов рассмотрим на примере последовательности прямоугольных импульсов. Осциллограмма этой последовательности, полученная на экране осциллографа, показана на рис. 4.
Параметрами представленного сигнала являются: период (частота), длительность импульса, амплитуда импульса.
Временной интервал D t между событиями (длительность импульса) связан с координатами х1 и х2 осциллограммы (рис. 4) зависимостью
t2 - t1 = St (x2 - x1) или D t = St Dx, (6)
где St - цена деления оси Х осциллографа по времени.
| у 2 |
| у 1 |
| х 3 |
| х 2 |
| х 1 |
Рис.4. Осциллограмма
В современных конструкциях осциллографов значения St указываются на передней панели осциллографа около переключателя диапазонов развертки в мкс/дел или мс/дел (ms/дел или ms / дел соответственно).
В технической литературе величину St называют также коэффициентом развертки.
Период изображенного на рис.4 сигнала найдем аналогично (6)
Т = St (x3 - x1). (7)
Амплитуду напряжения U0 по оси Y для изображенного сигнала определим согласно (2) и (4)
у2 - у1 = jуU0 (8)
U0 = Su (у2 - у1) (9)
Величина Su - цена вертикального деления экрана по напряжению приводится в В/дел или мВ/дел (V/дел или mV/дел соответственно) и указывается на передней панели у входного делителя напряжения (аттенюатора).