Устройство осциллографа
Электронно-лучевая трубка. Осциллограф — прибор, предназначенный для наблюдения и измерения характеристик процессов, протекающих в цепях переменного тока путем их графического воспроизведения на экране электронно-лучевой трубки. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) — основной элемент осциллографа. Обычно в качестве индикатора применяется электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением, т. е. фокусировкой и отклонением луча электрическим полем. Исследуемое напряжение наблюдается в виде светящейся кривой, возникающей на флюоресцирующем экране трубки в результате бомбардировки его электронным лучом, т. е. узким пучком быстролетящих электронов.
Электронно-лучевая трубка представляет собой электронный вакуумный прибор с длинным стеклянным баллоном цилиндрической формы, расширяющимся на одном из концов. Устройство трубки показано на рис.2.1.
Рис. 2.1. Устройство электронно-лучевой трубки
Внутри баллона расположены электроды, которые можно разделить на две группы. Одна из них представляет собой электронную пушку (электронный прожектор), создающую электронный луч, направленный вдоль оси трубки. Другая группа электродов — отклоняющие пластины — служит для управления электронным пучком при движении электронов к экрану.
Электронная пушка 10состоит из катода 2, подогреваемого нитью накала 1, управляющего электрода 3 и двух анодов 4, 5.
Управляющий электрод (модулятор) имеет цилиндрическую форму с отверстием в донышке, в результате чего электроны, вылетевшие с катода, образуют сужающийся пучок. Изменение величины небольшого отрицательного потенциала модулятора приводит к изменению числа электронов, пролетающих сквозь него, т.е. к изменению плотности электронного пучка. В конечном счете это приводит к изменению яркости свечения экрана.
Пролетев через цилиндрический первый анод, далее электроны летят расходящимся пучком. Степень расходимости этого пучка регулируется изменением потенциала первого анода. Конфигурация, расположение второго анода и подаваемый на него потенциал выбираются такими, чтобы электрическое поле, образующееся в пространстве между первым и вторым анодами (электронная линза), сфокусировало электронный пучок на поверхности экрана. Потенциал второго анода, определяющий скорость движения электронов в пучке и, следовательно, чувствительность трубки, не регулируется. Фокусировка луча осуществляется изменением потенциала первого анода (т. е. потенциал первого анода подбирается таким, чтобы электронный пучок, пройдя первый анод, имел именно такую расходимость, которую скомпенсирует электронная линза). Перед экраном 9электронный пучок 8пролетает между отклоняющими пластинами 6, 7, расположенными попарно горизонтально и вертикально. Когда потенциалы в каждой паре равны друг другу (хотя и отличны от нуля относительно земли), луч идет точно в центр экрана, вызывая его свечение. Приложив к вертикально отклоняющим пластинам напряжение U, луч смещается на расстояние y, определяемое соотношением:
(2.1)
где ℓ– длина пластин; d – расстояние между ними; L – расстояние от пластин до экрана; Uk – разность потенциалов между вторым анодом и катодом (ускоряющая разность потенциалов).
Важной характеристикой ЭЛТ является её чувствительность по напряжению S, под которой понимается величина, численно равная смещению луча на экране ЭЛТ при приложении к отклоняющим пластинам напряжения, равному 1В:
(2.2)
Блок-схема осциллографа. Основные блоки осциллографа можно разделить на две группы: блоки, относящиеся к каналу Y, т. е. к каналу, по которому проходит исследуемый сигнал, и блоки, относящиеся к каналу X, т. е. к каналу, в котором формируется напряжение развертки луча (рис.2). К первому каналу относятся: делитель, калибратор и усилитель Y. Остальные блоки осциллографа относятся к каналу X.
Исследуемый сигнал подается на гнездо «вход Y ». Если сигнал велик, то с помощью входного делителя его можно ослабить в 10 или 100 раз. Далее сигнал поступает на усилитель канала Yи затем на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Переключатель «делитель» в одном из своих положений позволяет подключать к входу усилителя канала Y вместо напряжения сигнала напряжение известной величины с блока калибратора амплитуды.
Рис. 2.2. Структурная схема осциллографа
Генератор развертки осциллографа вырабатывает пилообразное напряжение, которое в положении «непрерывно» переключателя «род работы» (имеющего две секции) поступает через оконечный усилитель канала Х на горизонтально отклоняющие пластины трубки. Когда же этот переключатель находится в других положениях, генератор развертки вырабатывает только один импульс пилообразного напряжения после того, как на него через «усилитель синхронизации» (усилитель канала X) поступает положительный или отрицательный запускающий импульс от какого-либо внешнего устройства. Это и есть режим ждущей развертки.
Если генератор развертки работает в непрерывном режиме (переключатель «род работы» находится в положении «непрерывно»), то эту развертку можно синхронизировать напряжением исследуемого сигнала (переключатель «род синхронизации» — в положении «внутренняя»), напряжением сети 50 Гц (переключатель «род синхронизации» — в положении «от сети») или напряжением от какого-либо внешнего источника (переключатель «род синхронизации» — в положении «внешняя»).
Когда переключатель «род работы» стоит в положении «усилитель», то выход «усилителя синхронизации» подключается к оконечному усилителю канала X, минуя генератор развертки. Таким образом, к горизонтально отклоняющим пластинам будет приложено усиленное напряжение, поданное на вход усилителя синхронизации. А какое напряжение подается на вход этого усилителя – определяется положением переключателя «род синхронизации». В положении «внутренняя» – это напряжение исследуемого сигнала, поступающее из канала Y; в положении «внешняя» – это напряжение, подаваемое на гнездо «вход»; в положении «от сети» — сетевое напряжение частоты 50Гц.
Генератор меток вырабатывает импульсы калиброванной частоты, модулирующие электронный поток трубки по плотности, что приводит к пунктирному изображению сигнала на экране. Так как период каждой метки известен, то легко определить длительность любой части исследуемого сигнала.
| Рис. 2.3. Эпюры напряжений в различных точках генератора развертки |
Генератор развертки. Для наблюдения изменения во времени исследуемого напряжения к горизонтально отклоняющим пластинам прикладывается напряжение, изменяющееся пропорционально времени (рис.2.3 в). Это пилообразное напряжение вырабатывается схемой, изображенной на рис.2.4. От мультивибратора — системы, обладающей двумя неустойчивыми состояниями, — на конденсатор C через малое сопротивление R поступает напряжение U в виде коротких импульсов (рис.2.3 а). Два уровня этого напряжения соответствуют двум устойчивым состояниям мультивибратора. Конденсатор С, быстро заряжается благодаря малости R и затем начинает медленно разряжаться через большое сопротивление пентода Ri (сопротивление мультивибратора в это время еще больше, так что разряд через него невозможен). Ток разряда конденсатора – это ток пентода. Пентод же имеет анодную характеристику, т.е. зависимость анодного тока от анодного напряжения, такую, что при больших изменениях анодного напряжения ток через пентод практически не меняется. Таким образом, ток разряда конденсатора практически постоянен. А благодаря этому напряжение на конденсаторе при его разряде линейно изменяется во времени:
(2.3)
Напряжение конденсатора при разряде определяет прямой ход луча (когда происходит наблюдение сигнала), а напряжение при заряде определяет обратный ход луча (при этом луч «гасится») (рис.2.3б).
Пилообразное напряжение с анода пентода U2 подается на так называемый парафазный усилитель, т. е. усилитель с двумя выходами, с которых снимаются одинаковые, но противофазные напряжения. Эти напряжения в противофазе поступают на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, так что непосредственно между пластинами действует знакопеременное напряжение (см. рис.2.3 в), следовательно, в ходе развертки луч может находиться по обе стороны от центра экрана, куда он попадает при разности потенциалов пластин, равной нулю.
Переключением конденсатора С, скачкообразно меняется частота развертки, плавное изменение частоты развертки производится потенциометром, изменяющим напряжение на экранной сетке пентода и, таким образом, его внутреннее сопротивление Ri, вследствие чего меняется ток разряда конденсатора и, следовательно, длительность этого разряда, пропорциональная произведению RiC.
Синхронизация развертки. При наблюдении периодического сигнала, например гармонического, его изображение на экране можно сделать неподвижным, подобрав длительность' одного цикла развертки равной длительности одного или нескольких периодов исследуемого сигнала. Но период сигнала или период развертки могут измениться, и тогда изображение на экране осциллографа начнет «мелькать». Чтобы этого не случилось, в схеме осциллографа предусмотрена автоматическая подстройка частоты исследуемого сигнала, т. е. синхронизация частоты развертки и частоты сигнала.
 |
Как видно из рис.2.3 б и рис.2.5, переход мультивибратора из одного состояния в другое начинается при достижении напряжением на конденсаторе уровня отпирания мультивибратора U отп. Если изменить этот уровень, то изменится и время, необходимое для того, чтобы напряжение на конденсаторе упало до него (см. рис.2.5). С этой целью в схему мультивибратора подается напряжение исследуемого гармонического сигнала (в положении «внутр.» переключателя «род синхр.» — см. рис.2.2), что приводит к изменению уровня Uотп по гармоническому закону (см. рис.2.5). Если период сигнала точно равен периоду развертки, т. е. длительности пилообразного напряжения, то подача в схему мультивибратора напряжения гармонического сигнала ничего не изменит: на экране будет наблюдаться неподвижный синусоидальный сигнал (рис.2.5 б). Если же период, сигнала и период развертки не совпадают, то начнется процесс.подстройки частоты развертки к частоте сигнала (линия 2 на рис.2.5). Тогда, если бы уровень Uотп оставался неизменным, то развертка прекратилась бы в момент времени t', когда на экране не успел уложиться полностью период сигнала. Но благодаря тому, что исследуемый гармонический сигнал подан также и в схему мультивибратора, уровень его перехода в другое состояние Uотп меняется по гармоническому закону, и, как видно из рис.5 а, напряжение на конденсаторе, изображаемое линией 2, для прекращения развертки должно будет достигнуть иной величины сравнительно со случаем отсутствия синхронизирующего напряжения. Это приведет к продолжению развертки до момента времени t". Следующий цикл развертки закончится тем, что разница между периодами сигнала и развертки сократится еще больше. Следует отметить, что при этом меняется начальная фаза сигнала, видимого на экране осциллографа. Суть описанной синхронизации в том и состоит, что благодаря изменению начальной фазы изображаемого сигнала на экране осциллографа длительность пилообразного изменения напряжения на конденсаторе увеличивается или уменьшается точно на столько, какова разница между этой длительностью и периодом, сигнала в отсутствие синхронизирующего напряжения (см. рис.2.5 б).
Синхронизация возможна и в том случае, когда на экране укладывается не один, а несколько периодов синхронизации.
Теоретические сведения
Сложение колебаний одного направления с близкими частотами.
При сложении колебаний с близкими частотами x1=acosωtи x2=acos(ω+Δω)tрезультирующее колебание описывается уравнением
(2.4)
Периодическоеизменение амплитуды результирующего колебания называется биениями. Период биений
(2.5)
Сложение колебаний одинакового направления с кратными частотами
Из математического анализа известно, что любое периодическое колебание f(t + Т) может быть разложено в ряд Фурье
,
где 
T - период колебаний.
Члены ряда представляют собой гармонические колебания с кратными частотами. Выполнение такого разложения экспериментально представляет определенные сложности. Поэтому в работе ставится обратная задача сложения гармонических колебаний с кратными частотами.
Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
Пусть колебания вдоль осей ХиУ описываются уравнениями:
x=acosωt
у=bcos(ω + δ)t(2.7)
тогда результирующее колебание, полученное как сумма указанных выше, описывается уравнением кривой второго порядка:
(2.8)
Из аналитической геометрии известно, что уравнение (2.8) есть уравнение эллипса, оси которого ориентированы относительно координатных осей X и Y произвольно. Ориентация эллипса и величина его полуосей зависит довольно сложным образом от амплитуд a и b и разности фаз d. Подбирая соответствующим образом амплитуды a и b и разность фаз d, можно получить уравнения прямой, окружности, эллипса.
При сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний с кратными частотами на экране наблюдаются фигуры, получившие название фигур Лиссажу.
Определение разности фаз между двумя колебаниями одной частоты.
Выполнение данного задания можно осуществить следующими двумя способами:
– используя двухканальный режим работы осциллографа;
– анализируя фигуры Лиссажу.
Рис. 2.6. Определение сдвига фаз двух сигналов одинаковой частоты с помощью осциллографа, работающего в двухканальном режиме.
Для определения разности фаз δ первым способом необходимо подать один сигнал на вход канала 1, а второй – на вход канала II и получить на экране две кривые (рис.2.6).
Если период колебаний соответствует n делениям шкалы, а сдвиг между кривыми – m делениям, тогда разность фаз δ определяется по формуле:
(2.9)
Для определения разности фаз вторым способом необходимо получить фигуру Лиссажу при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты.
Рис. 2.7. Определение сдвига фаз по фигурам Лиссажу: а–δ= 0; б-δ= 180º и в– 0º< δ <180º
Если изображение представляет прямую диагонально направленную линию, то разность фаз δ= 0 (рис.2.7а), или δ= 180º (рис.2.7б). Если изображение представляет собой эллипс (рис.7в), тогда сдвиг фаз можно рассчитать по формуле:
(2.10)
где А– расстояние между точками пересечения кривой с вертикальной осью, а В – максимальное отклонение по вертикали.
Выполнение работы
1. Наблюдение сигналов на экране осциллографа
– 
Соберите схему, приведенную на рис.8. В качестве делителя R'R 1 использовать делитель напряжения, смонтированный на панели лабораторной работы.
– 
Включите осциллограф, отключите генератор развертки и установите светящуюся точку в центре экрана. Подайте на вход Y постоянное напряжение. Что наблюдается на экране? Что происходит с изменением напряжения Uпо величине и при переключении его полярности? Наблюдения и объяснение запишите в отчет о выполнении лабораторной работы.
– Отключите напряжение от входа Y и подайте его на вход Х. Повторите наблюдения предыдущего задания.
– Подключите делитель напряжения R'R1 к клеммам источника переменного напряжения ~U и подайте сигнал на вход Y. Что наблюдается в этом случае? Объясните.
– Переключите переменное напряжение со входа X на вход Y, Что наблюдается в этом случае? Какое наблюдается различие в данном и предыдущем случаях?
– Включить генератор развертки. Подайте постоянное, а затем переменное напряжения на вход Y. Каково различие между этими изображениями?
– Измерить величину переменного напряжения, подаваемого на вход Y с помощью осциллографа. Найти амплитудное U0 и эффективное Uэфф. значения напряжений.
– Измерьте напряжение Uу с помощью цифрового прибора (B7-2IA). Какое напряжение показывает этот прибор - U0 или Uэфф.?
2. Измерение чувствительности осциллографа
– С выхода генератора подать напряжение частоты 1кГц на вход Y осциллографа. Усиление усилителя канала Y осциллографа установить максимальным.
– Снять зависимость амплитуды отклонения луча на экране осциллографа от величины подаваемого напряжения, которая отсчитывается по шкале вольтметра. Результаты измерений занести в таблицу и представить графически.
– Вычислить чувствительность осциллографа Sy по каналу Y как отношение величины напряжения, подаваемого на вход осциллографа, к величине отклонения луча на его экране.
– Аналогичные измерения проделать для канала Х осциллографа.
Измерение частоты
– Подключите на вход Y осциллографа синусоидальный сигнал от генератора. Изменяя постоянную развертки (период Т), получите устойчивое изображение синусоиды. Определите длину l, соответствующую целому числу периодов сигнала n. Тогда частота f определяется из соотношения
– Выполните измерения 5–7 частот.