5.6. Представление результатов

Для отчёта представляются картинки (осциллограммы) меандра калибратора, синусоидального и импульсного сигналов с указанием всех их измеренных параметров.

Приложение

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ

Электроннолучевая трубка (ЭЛТ) является основным элементом осциллографа. Она обеспечивает визуальное наблюдение различных электрических процессов в цепях и позволяет измерять параметры этих процессов: напряжения, длительности и формы сигналов. Все остальные системы осциллографа лишь обслуживают её.

Электроннолучевая трубка представляет собою вакуумированную стеклянную колбу с длинной цилиндрической горловиной и коническим уширением для экрана. Функционально ЭЛТ можно разделить на три части:

1) электронная пушка (электронный прожектор) – узел, т.е. группа электродов, предназначенных для формирования электронного луча вдоль оси трубки, сфокусированного на поверхности экрана;

2) отклоняющая система – группа электродов (отклоняющих пластин), предназначенных для управления лучом, т.е. для вертикального и горизонтального отклонения его на пути к экрану;

3) экран – слой люминофора, нанесённый изнутри на дно конической части трубки и способный светиться жёлтым, синим или зелёным цветом в том месте, где на него попадают электроны луча.

Фокусировка и управление лучом в трубке, вообще говоря, могут быть как электростатическими (электрическим полем), так и магнитными (магнитным полем). В осциллографах обычно используются трубки с электростатическими фокусировкой и отклонением; их главным достоинством является малая инерционность, что позволяет наблюдать быстропеременные процессы с частотами до 100 МГц.

Устройство осциллографической ЭЛТ показано на рис. П1.

Рис. П1. Устройство электроннолучевой трубки

Электронный прожектор трубки состоит из катода (К), подогреваемого нитью накала (Н), модулятора (М) и двух анодов – А1 и А2, образующих фокусирующую систему. Испущенные горячим катодом электроны ускоряются в поле анода А2, имеющего относительно катода высокий положительный потенциал U_А2~1 кВ, и достигают скорости

υ= . (1)

Ток луча, а следовательно и яркость его следа на экране, регулируется модулятором – стаканообразным электродом с небольшим (около 1 мм) отверстием в торце. Модулятор имеет отрицательный относительно катода потенциал U_М, варьируемый примерно от 0 до −50 В. При достаточно большом отрицательном потенциале U_М, называемым потенциалом запирания трубки, ток луча близок к нулю и свечения на экране не будет. Система двух анодов А1 и А2 создаёт на пути луча электрическое поле, называемое электронной линзой и фокусирующее луч на поверхности экрана. Профиль электронного луча в ЭЛТ показан на рис. П1. У реальной трубки система анодов видна через стекло её колбы.

Сформированный прожектором луч попадает в отклоняющую систему, представляющую собой пару вертикально-отклоняющих пластин (пластин Y) и пару горизонтально-отклоняющих пластин (пластин Х). Если между пластинами Y создать электрическое поле, то луч в нём будет отклоняться по вертикали, а под влиянием поля пластин Х – по горизонтали. Таким образом, варьируя напряжения U_Y и U_Х, приложенные к пластинам Y и Х, мы можем управлять положением следа луча на экране.

Попадая на экран, электроны вызывают свечение люминофора, которое, в зависимости от его типа, может длиться от 10⁻⁵ с до 10 с после ухода луча с данного места. Яркость свечения зависит от тока луча, от скорости электронов в нём и от времени действия луча на данную точку экрана. При остановке интенсивного луча в одной точке экрана может произойти прожёг люминофора. В зависимости от требуемого времени послесвечения экрана и от желаемого цвета, в качестве люминофоров используются обычно соли цинка или кадмия (ZnS, CdS, ZnSiO₃) с примесями марганца, серебра и др..

Для того, чтобы после выхода из прожектора электроны не тормозились вторам анодом, трубка изнутри покрывается тонким угольным слоем – аквадагом (А), соединённым с анодом А2 (рис. П1). Таким образом, после выхода из прожектора электроны летят в эквипотенциальном пространстве и сохраняют набранную в прожекторе скорость до самой конической части трубки. Здесь перед самым экраном трубка изнутри покрыта ещё одним электродом – третьим анодом, на который подаётся высокое постоянное напряжение до 8 кВ. Третий анод дополнительно ускоряет электроны луча; на него также стекают вторичные электроны, выбиваемые лучом из люминофора.

Рассмотрим подробнее принцип действия двух функциональных элементов ЭЛТ – электронной линзы и отклоняющей системы.

Электронная линза, т.е. специальная конфигурация электрического поля, фокусирующая электронный пучок, может быть сформирована парой соосных цилиндрических электродов или парой соосных диафрагм. Пусть между парой таких диафрагм приложено постоянное напряжение. Тогда структура электрического поля между ними будет иметь вид, показанный на рис. П2.

Пусть электроны параллельным пучком входят в осесимметричную неоднородность такого поля. В левой части неоднородности (точка 1) на них действует сила F₁, которую можно разложить на продольную F_z (ускоряющую) и радиальную F_фок (фокусирующую) компоненты. При этом каждый электрон ускоряется и получает «фокусирующий» импульс

р_фок≈F_фокτ₁,

г де τ₁ – время пролёта электронами левой половины неоднородного поля. В правой половине пути между диафрагмами (точка 2) радиальная компонента силы F₂ является для электронов рассеивающей, и они получают «рассеивающий» импульс

р_расс≈F_рассτ₂,

где τ₂ – время пролёта правой части неоднородного поля. Но если F_расс≈F_фок, то из-за нарастания скорости электронов под действием продольной компоненты F_z, время τ₂<τ₁; следовательно, р_фок>р_расс и результирующее действие поля между диафрагмами на электроны пучка будет фокусирующим, т.е. траектории электронов будут сходиться к оси. Поэтому говорят. что неоднородное осесимметричное электрическое поле образует электронную линзу. Варьируя потенциал одного из электродов, можно менять напряжённость поля между диафрагмами, а следовательно и фокусное расстояние линзы.

Используемую в реальной ЭЛТ систему электродов А1-А2 (рис. П1) можно рассматривать как две последовательно установленные линзы типа изображённой на рис. П2. Фокусное расстояние такой системы регулируется потенциалом анода А1, изменяемого примерно от +300 до +500 В относительно катода.

Р аботу отклоняющей системы рассмотрим на примере вертикально отклоняющих пластин. Пусть электрон, имеющий скорость υ вдоль оси z, проходит область поперечного однородного электрического поля Е за время τ=l/υ, где l – длина пластин вдоль оси z (рис. П3). Тогда он получит поперечный импульс

,

где U – приложенное к пластинам напряжение, d – расстояние между ними. Следовательно, поперечная компонента его скорости станет равной

.

Между пластинами электрон движется по параболе, а после выхода – по прямой. Предположим для простоты, что L≫l, где L – расстояние от пластин до экрана (рис. П3). Тогда можно считать, что след луча на экране отклоняется от оси z на расстояние

h = L tgα = ,

или, с учётом (1),

. (2)

Таким образом, смещение луча на экране в первом приближении пропорционально напряжению между пластинами, т.е. данная отклоняющая система является линейной.

Определение. Отношение смещения луча на экране к вызвавшему его отклоняющему напряжению называется чувствительностью ЭЛТ:

ε= .

Для рассмотренной отклоняющей системы, с учётом (2), получаем выражение чувствительности через геометрию:

. (3)

Отсюда видно, что для повышения чувствительности ЭЛТ надо её отклоняющую систему помещать подальше от экрана (увеличивать L). а также уменьшать потенциал U_A2. Однако при малой скорости электронов будет плохая яркость на экране. Для её увеличения в ЭЛТ и ставят третий анод А3, резко увеличивающий скорость падающих на люминофор электронов, и в то же время не уменьшающий чувствительности ЭЛТ. У осциллографических трубок чувствительность ε_Y составляет около 1 мм/В.

Чтобы получить на экране трубки график исследуемого сигнала, изменяющегося во времени – и(t), надо этот сигнал, или пропорциональное ему напряжение, подать на вертикально-отклоняющие пластины Y:

и_у=и(t),

а на пластины Х при этом подать линейно-растущее напряжение

и_х=kt.

Тогда светящаяся на экране точка, равномерно перемещаясь по горизонтали слева направо, будет по вертикали отклоняться в соответствии с сигналом и(t), вычерчивая график у(х), который и соответствует поведению и(t). В связи с этим, вертикально-отклоняющие пластины Y называются сигнальными. Их чувствительность должна быть повыше, и поэтому, в соответствии с (3), в ЭЛТ они помещаются подальше от экрана, т.е. перед пластинами Х.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Назначение осциллографа С1-65А и некоторые его предельные возможности.

2. Принцип формирования изображения сигнала на экране в режиме непрерывной развёртки.

3. Принцип формирования изображения сигнала на экране в режиме ждущей развёртки.

4. Назначение калибратора. Какую форму и частоту имеет выходной сигнал калибратора?

5. Объяснить необходимость синхронизации развёртки.

6. Допустим, на экране виден какой-то сигнал, например, меандр. Как определить, является ли он одно- или двухполярным?

7. Устройство и общий принцип работы ЭЛТ.

8. Механизм электростатической фокусировки луча.

9. Принцип работы электростатический отклоняющей системы.

10. Что такое чувствительность ЭЛТ и как она выражается через геометрию отклоняющей системы?

11. Почему пластины Х ставят ближе к экрану, чем пластины Y?

12. На рис. 5 изображён меандр с калибратора, лежащий на экране «горизонтально». Установить режим работы осциллографа таким, при котором меандр был бы ориентирован на экране «вертикально».

ЛИТЕРАТУРА

1. Калашников С. Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. – §§ 187, 188.

2. Техническое описание универсального осциллографа С1-65А. 1985 г.

Работа № Ф306