ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
Цель работы. Ознакомление с принципом работы осциллографа и приобретение навыков измерений параметров электрических сигналов.
Краткие теоретические сведения
Электронные осциллографы предназначены для визуального наблюдения и измерения параметров периодических электрических сигналов.
Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, блок синхронизации, усилители вертикального и горизонтального каналов отклонения луча.
Электронно-лучевая трубка, схематически изображенная на рис.1, внешне представляет собой колбу специальной формы, в которой создан высокий вакуум. Эта трубка позволяет получить узкий пучок электронов, то есть электронный луч. В месте попадания на экран электронного луча возникает ярко светящееся пятно, диаметр которого можно сделать весьма малым, превратив его практически в светлую точку. Источником (излучателем) электронов является накаливаемый нагревателем НН катод К. Для формирования луча из испущенных катодом электронов служат три электрода, имеющие форму коаксиальных цилиндров: управляющий электрод УЭ, первый анод 
и второй анод 
.Управляющий электрод, имеющий отрицательный относительно катода потенциал, окружает катод и сжимает выходящий из катода электронный пучок. На торце цилиндрического управляющего электрода имеется отверстие, через которое проходят электроны. Изменяя потенциал этого электрода можно регулировать количество электронов в электронном луче, о есть можно регулировать яркость светящегося пятна на экране. Потенциал первого анода положителен относительно катода, а потенциал второго анода положителен относительного первого анода. Регулируя потенциалы анодов, можно добиться фокусировки электронного луча в малое пятно (точку) на экране. На пути электронного луча находятся две пары параллельных пластинчатых электродов П х и П у; эти электроды называют отклоняющимися пластинами. Если к одной из этих пар параллельных пластин приложить напряжение, то между ними образуется электрическое поле, вектор напряженности которого направлен перпендикулярно к пластинам. Под действием этого поля электронный луч, проходящий между пластинами, отклоняется и, следовательно, светящееся пятно перемещается по экрану осциллографа. Пластины П х перемещают светящееся пятно в горизонтальном направлении, пластины П у - в вертикальном направлении. Величина смещения этого пятна от центральной точки экрана практически пропорциональна разности потенциалов между соответствующими пластинами.
Важнейшим применением осциллографа является изучение быстрых периодических электрических процессов. Для исследования напряжений, изменяющихся во времени, используют обе пары отклоняющих пластин электронно-лучевой трубки. На вертикально отклоняющие пластины обычно подается излучаемое напряжение, а на горизонтально отклоняющие пластины - вырабатываемое в самом осциллографе напряжение, изменяющееся пропорционально времени. Это напряжение, называемое напряжением развертки, 
вырабатывается генератором развертки. График напряжения развертки изображен на рис. 2. На графике по горизонтальной оси отложено время t, а по вертикальной оси - напряжение развертки 
. По виду графика это напряжение называют также пилообразным.
На участке графика 
напряжение возрастает пропорционально времени, и поэтому светящееся пятно на экране движется равномерно слева направо вдоль оси Хот точки М на левом крае экрана до точки N на его правом крае (рис. 3). Дойдя до правого края экрана, пятно быстро (практически мгновенно) возвращается обратно к левому краю экрана (участок 
на рис. 2). Затем пятно снова движется равномерно слева направо (участок 
графика) и т.д.
Так осуществляется развертка во времени.
Пусть U (t) - изучаемое переменное напряжение. Если в момент 
, когда светящееся пятно проходит точку Мэкрана, на вертикально отклоняющиеся пластины подать напряжение U (t), то электронный луч вычертит кривую зависимости изучаемого напряжения от времени в интервале от до 
, где - момент времени, когда светящееся пятно достигнет точки N экрана. Если U (t) - периодическая функция с периодом Т, равным 
, то на экране осциллографа мы увидим первый период функции U (t). После мгновенного возвращения светящегося пятна в точку М мы (при последующем его перемещении в точку N экрана) увидим второй период изменения функции U (t) и т.д. Повторяя развертку многократно, мы сможем увидеть на экране неподвижную картину изменения функции U (t) в течение одного ее периода, если время движения светящегося пятна по экрану М от N равно переходу Т функции U (t). Если же 
, где п - целое число, то на экране мы получим п периодов изменения функции U (t), и изображение будет неподвижным.
Обычно достаточно точное соотношение периодов развертки и изучаемого напряжения, то есть соотношение , соблюсти оказывается невозможно из-за нестабильности генератора развертки или самого изучаемого процесса. Для принудительного согласования указанных периодов используют синхронизацию, то есть выбирают такую схему, при которой изучаемое напряжение "навязывает" свой период генератору развертки.
Для измерения амплитуды сигналов необходимо знать чувствительность осциллографа, то есть величину смещения светящегося пятна при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1 вольт. Для канала вертикального отклонения чувствительность 
равна
| , |
где Y - смещение вдоль оси у под действием напряжения на пластинах П у, равного 
.
При помощи осциллографа можно определить частоту исследуемого сигнала (см. упражнение 2).
Частоту сигнала можно определить и другим способом. Для этого на пластины П х подают напряжение известной частоты, например, 50 Гц от сети, а на пластины П у - напряжение неизвестной частоты. Генератор развертки при этом отключается. В данном случае электронный луч участвует в двух взаимно перпендикулярных колебательных движениях. Если точка (например, светящееся пятно на экране осциллографа) одновременно участвует в двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаниях (например, вдоль оси Х и оси Y), то она будет двигаться по некоторой траектории. Получающиеся в результате сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний траектории называют фигурами Лиссажу; форма этих фигур зависит от соотношения амплитуд частот и фаз колебаний. По форме фигуры Лиссажу можно судить о частоте исследуемого сигнала (см. упражнение 3).