Лабораторная работа № 7 Изучение работы электронного осциллографа.

Цель работы:

1. Изучить принцип действия электронного осциллографа и его основных узлов.

2. Научиться использовать электронный осциллограф для визуального наблюдения осциллограмм переменных процессов

3. Научиться проводить измерения электрических величин (напряжения, частоты сигнала и т.д.) с помощью электронного осциллографа.

Приборы и принадлежности:

1. Осциллограф демонстрационный двухканальный

2. Генератор звуковой частоты типа ГЗ-111

3. Источник постоянного и переменного напряжения

4. Вольтметр (цифровой или высокоомный - типа АВ0-5М)

5. Реостат 30 Ом

6. Полупроводниковый диод

7. Ключ

8. Соединительные провода.

ВВЕДЕНИЕ

Электронно-лучевой осциллограф - прибор для визуального исследования быстропеременных периодических процессов: сравнения частот и фаз сигналов, измерения величины электрического тока и напряжения, изменения их во времени, определения сдвига фаз между током и напряжением, измерять мощность, коэффициент модуляции, определять малые (до единиц наносекунд) промежутки времени. При помощи осциллографа можно снимать амплитудные и фазовые характеристики электронных ламп и полупроводниковых приборов, исследовать форму различных, в частности, импульсных сигналов. Слово "осциллограф" (от греч. «осциллум»-колебание, «графо»- пишу) подчеркивает основное назначение прибора: записывать колебания. Если дополнительно использовать различные приспособления, то с помощью электронного осциллографа можно исследовать

неэлектрические процессы (измерение давлений, промежутков времени и т.д.). Существуют запоминающие осциллографы для наблюдения непериодических процессов, скоростные и стробоскопические осциллографы. Цифровые осциллографы способны автоматически измерять характеристики исследуемых сигналов, проводить их обработку и представлять результаты в виде графиков на экране прибора. Достоинства электронного осциллографа:

• высокая чувствительность;

• безинерционность.

Работа электронного осциллографа основана на взаимодействии электронного луча (сфокусированный поток электронов) с электрическим полем. Осциллограммы получаются на экране электронно-лучевой трубки при взаимодействии сфокусированного пучка электронов с люминофором, покрывающим ее экран.

Рис. 1. Основные блоки электронного осциллографа

Основные блоки электронно-лучевого осциллографа представлены на рис.]

ЭЛЕКТРОННО - ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА

Основным элементом электронно-лучевого осциллографа является электронно­лучевая трубка (ЭЛТ). Электронно-лучевая трубка (рис.2а) - это вакуумное устройство (давление воздуха составляет 10 мм рт.ст.), состоящее из электронной пушки, отклоняющей системы и экрана, покрытого люминофором. Все элементы трубки размещены в стеклянном баллоне. Баллон имеет форму цилиндра и расширяется к одному концу в виде конуса.

Расширенная часть трубки заканчивается почти плоской передней стенкой -люминесцентным экраном, который светится при бомбардировке его электронами. Яркость светящегося пятна на экране определяется плотностью электронов в пучке и регулируется с помощью потенциометра R₁ (рис. 26). Диаметр светящегося пятна регулируется потенциометром R₂ (рис. 2 б).

Рис.2. Устройство электронно-лучевой трубки

Цвет свечения (зеленый, оранжевый, голубой) зависит от состава вещества, нанесенного на экран ЭЛТ. В узкой горловине вакуумной стеклянной трубки размещены электроды. Все электроды имеют выводы на штырьки цоколя.

Рис.3. Электростатическое поле в «электронной линзе»

Катод (рис.2 б) служит источником электронов. Он представляет собой никелевый цилиндр, донышко которого покрыто оксидным слоем. Внутри цилиндра находится нагреватель. Действие катода основано на явлении термоэлектронной эмиссии - испускании электронов нагретыми телами.

Управляющий электрод или модулятор - УЭ (рис.2 б) определяет плотность электронного пучка (управляет количеством электронов) и, следовательно, влияет на яркость пятна на экране электронно-лучевой трубки, а также проводит предварительную фокусировку. Управляющий электрод выполнен в виде стакана, охватывающего катод. В дне стакана имеется небольшое отверстие. Электроны из катода вылетают в различных направлениях и попадают в электрическое поле модулятора, электрическое поле которого сжимает пучок электронов и направляет их в отверстие управляющего электрода. Он имеет относительно катода небольшой (несколько десятков вольт) отрицательный потенциал, изменением которого регулируется яркость пятна на экране ЭЛТ. Если увеличивать это напряжение, то количество электронов, выходящих из модулирующего электрода, уменьшается (электроны возвращаются на катод), поэтому яркость уменьшается. При определенном

отрицательном напряжении электронно-лучевая трубка запирается - изображения на экране не будет. Таким образом, управляющий электрод УЭ выполняет ту же роль, что сетка в электронной лампе. Для регулировки потенциала управляющего электрода служит потенциометр R₁ (рис.2 б). На панели управления осциллографа - это ручка «Яркость».

Аноды A₁ и А₂ (рис.2 б) расположены в трубке за управляющим электродом и имеют форму цилиндров с отверстиями. Внутри анодов имеются дополнительные перегородки- диафрагмы. Потенциал второго анода положителен по отношению к катоду и составляет величину от 500 В до 5000 В (иногда 10-20 кВ). На первый анод подается регулируемое напряжение положительной полярности относительно катода, которое составляет 20-50% напряжения на втором аноде. Электрическое поле анодов ускоряет поток электронов, движущихся к экрану и имеющих, таким образом, перед столкновением с экраном большую кинетическую энергию. Управляющий электрод и система анодов образуют фокусирующую систему. Фокусировка электронного пучка осуществляется так называемой электрической линзой, которая представляет собой электрическое поле между первым и вторым анодом (рис.3).

На рис.3 схематически изображено семейство силовых линий напряженности. Силовые линии направлены от второго анода к первому. В каждой точке электрического поля на электрон действует сила, направленная по касательной к линии напряженности в данной точке (рис.3). Под действием этой силы электрон, влетающий в поле (точка С₁), движется ускоренно.

Если электрон влетает в электрическое поле под некоторым углом к оси анодов (точка С₂), то силу F₁, действующую на электрон, можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие. Вертикальная составляющая силы F₁ ' заставит электрон приблизиться к оси анодов. Но в точке выхода электрона из этого поля (точка С₃) вертикальная составляющая F₂ ' силы F₂ изменит направление на противоположное. Следовательно, траектория искривляется в противоположную сторону. F₂ ' > F₁ ', но искривление траектории при выходе электрона из поля анодов меньше, чем при входе его в поле, так как при входе из-за малой скорости V₁ ''

электрон испытывает длительное действие силы F₁ '. Сила F₂ ' действует на электрон незначительное время (второй анод короче первого и V₁ ''< V₂ ''). Таким образом, когда электрон пролетает электронную линзу, поле все время ускоряет его вдоль оси и отклоняет его сначала вниз к оси, а затем вверх от оси. Размеры электродов и напряжения на них выбраны таким образом, что собирающий эффект преобладает над рассеивающим. В целом, таким образом, преобладает отклонение к оси над отклонением от оси. Следовательно, регулируя потенциал первого анода потенциометром R₂ (рис.2), можно изменять сходимость луча, добиваясь его наилучшей фокусировки на экране (ручка «Фокус» на панели управления осциллографом). Катод, модулирующий (управляющий) электрод и система анодов представляют собой электронную пушку или прожектор.

Отклоняющие пластины. После выхода из второго анода электроны попадают в поперечное электрическое поле отклоняющих пластин, поставленных под прямым углом друг к другу (рис. 1а). Пластины вертикального отклонения (пластины П_у) и пластины горизонтального отклонения (пластины П_х) своим электрическим полем отклоняют электронный пучок на угол, пропорциональный величине приложенного напряжения. Пластины X служат для отклонения электронного пучка в горизонтальном направлении, пластины Y в вертикальном направлении. Если напряжение на пластинах изменяется по некоторому закону во времени, то отклонение светового пятна будет следовать этому же закону. Рассмотрим действие отклоняющих пластин (рис. 4).

Рис.4

Пусть электрон со скоростью v₀ влетает в однородное поперечное электрическое поле отклоняющих пластин и движется вдоль оси Z , т.е. перпендикулярно к линиям

напряженности электрического поля. Движение электрона вдоль оси Z является равномерным и к моменту выхода из пространства между пластинами электрон вдоль оси Z пройдет расстояние, равное длине пластин:

. (1)

Найдем отсюда время пролета электрона между пластинами:

. (2) Движение вдоль оси Y под действием постоянной силы

y (3)

будет равноускоренным. Ускорение электрона по направлению оси ОУ можно найти с помощью второго закона Ньютона:

(4)

В направлении оси Y электрон отклонится на расстояние

. (5)

Подставим (2 ) и (4 ) в (5 ) и найдем смещение электрона вдоль оси Y:

(6)

Таким образом, в пространстве между отклоняющими пластинами электрон под действием электрического поля движется по параболе.

При выходе из поперечного поля конденсатора электрон отклоняется (по отношению к оси Z) на угол

, (7)

где l₁ - длина пластин конденсатора.

При этом вертикальная составляющая скорости будет равна:

(8).

Тогда

(9).

Найдем полное отклонение электронного луча на экране осциллографа. Пусть расстояние от отклоняющих пластин до экрана l₂ . Тогда после выхода за пределы пластин к экрану электрон движется прямолинейно и получает дополнительное смещение на экране у₂.

(10).

Полное смещение на экране будет равно:

(11).

Так как скорость электронов v определяется напряжением на втором аноде, то на основе закона сохранения энергии:

(12).

Так как напряженность электрического поля между отклоняющими пластинами

(13),

где U- напряжение на пластинах, d - расстояние между пластинами.

Подставим (13), (12) в (11):

(14).

Таким образом, смещение луча на экране пропорционально отклоняющему напряжению. Из (14) можно выразить чувствительность электронно-лучевой трубки к напряжению:

S _y = y / U y (15).

Аналогично:

S _x = x / U _x (16).

Проанализируйте, от чего зависит чувствительность ЭЛТ к напряжению!

Отсюда следует, что смещение электронного пятна на экране будет прямо пропорционально приложенным напряжениям:

X = S _x · U _x (17),

Y = S _y · U y (18).

Чувствительность к напряжению показывает величину отклонения электронного луча на экране при разности потенциалов на пластинах в 1 В. Обычно чувствительность трубок не велика и составляет 0,2-0,5 мм/В.

В реальных электронно-лучевых трубках края отклоняющих пластин часто несколько изгибаются. Неучтенное при выводе формул рассеянное поле пластин и влияние изогнутых концов приводит к усложнению выражения (14). Однако, основной результат при этом не меняется: между отклонением луча и напряжением на пластинах существует прямая пропорциональность.

При исследовании напряжений, изменяющихся во времени, используют обе пары отклоняющих пластин. При этом на вертикально отклоняющие пластины обычно подается исследуемое напряжение, а на вторую пару пластин - напряжение развертки, вырабатываемое специальным генератором.

БЛОК-СХЕМА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Современный осциллограф представляет собой сложный прибор с рядом вспомогательных блоков (рис.1).

Основными узлами электронного осциллографа являются электронно-лучевая трубка, блок питания, усилитель напряжения вертикального канала, усилитель напряжения горизонтального канала, генератор развертки, блок синхронизации.

Исследуемое напряжение подается на вход усилителя вертикального отклонения (вход Y). При достаточной величине этого напряжения оно может быть подано непосредственно на отклоняющие пластины трубки (клемма Y). Пилообразное напряжение от генератора развертки ( в отдельных случаях генератор развертки отключается , и тогда напряжение от внешнего источника подается непосредственно на пластины горизонтального отклонения.

Канал вертикального отклонения включает в себя входной делитель напряжения, линию задержки и усилитель. Он обеспечивает подачу исследуемого напряжения на вертикально отклоняющие пластины трубки с необходимой амплитудой и без искажений.

Калибратор длительности необходим для измерения амплитуды и длительности исследуемых процессов.

Блок питания обеспечивает питание электронно-лучевой трубки и всех остальных блоков осциллографа.

Современные электронные осциллографы позволяют исследовать процессы с частотами от единиц до нескольких сотен и тысяч Герц. Именно размеры отклоняющих пластин и величина анодного напряжения определяют верхний частотный предел, который ограничивается конечной скоростью пролета между отклоняющими пластинами.

Принцип получения осциллограмм.

Под осциллограммой обычно понимают графическое изображение на экране осциллографа зависимости одной величины от другой.

Если на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки подать переменное (например, синусоидальное) напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При этом электронный луч будет из-за практической инерционности точно следовать за изменениями напряжения, отклоняясь всегда в сторону пластины, имеющей более высокий потенциал. При достаточно большой частоте колебаний (например, 50 Гц) электронный луч оставит на экране светящуюся вертикальную линию. При подаче переменного напряжения на горизонтальные отклоняющие пластины. электронный луч оставит на экране светящуюся горизонтальную линию.

Обычно на вертикально отклоняющие пластины подается исследуемой напряжение, а на горизонтально отклоняющие - вспомогательное напряжение определенной формы (развертывающее напряжение или развертка), которое должно быть пропорционально времени. При этом электронный луч, отклоняясь в вертикальном направлении в соответствии с законом изменения исследуемого напряжения (например, ), одновременно будет двигаться равномерно вдоль экрана, например, слева направо. Так получается однократная осциллограмма (рис.5а).

Для получения осциллограммы исследуемого напряжения, периодически изменяющегося с большой частотой, необходимо, чтобы однократная осциллограмма не менее 10 раз в секунду повторялась и каждый раз приходилась на одни и те же точки экрана. Это требует того, чтобы напряжение развертки тоже периодически повторялось. Оно должно медленно возрастать в течение некоторого времени, а затем мгновенно падать до нуля (пилообразное напряжение) - рис.5б.

Изображение вследствие инерционности нашего зрения воспринимается неподвижным, если частота развертки не превышает 25-30 Гц. При меньшей частоте изображение начнет мигать, а при частоте 5-10 Гц вместо изображения по экрану будет перемещаться световое пятно. Если условие синхронизации нарушено, то изображение будет « бежать» по экрану.

При равенстве периодов исследуемого напряжения (Т_с) и развертки (Т_р) на экране получится один период исследуемого напряжения. При Т_р = n Т_и, где n- целое число, осциллограмма будет состоять из n периодов исследуемого напряжения. При незначительном нарушении этого условия осциллограмма начнет двигаться либо вправо (Тс>Тр), либо влево ( Т_С<Г_Р) вдоль оси X.

Генератор развертки вырабатывает развертывающее напряжение пилообразной формы. Для этого необходима система, в которой обеспечивается регулярное увеличение какой-либо величины и ее быстрый «сброс» (релаксационный генератор).

Если на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение, пропорциональное времени, то есть U = kt, то пятно на экране будет равномерно перемещаться по экрану осциллографа. Такой вид развертки называется линейной. При линейной развертке изображение процесса на экране будет соответствовать закону изменения исследуемого параметра во времени.

Для получения линейной развертки используется напряжение пилообразной формы (рис.6). На рис.6а показана идеальная форма пилообразного напряжения; напряжение нарастает по линейному закону в течение времени Т и мгновенно возвращается в исходное состояние. На рис.6б показана реальная ломаная, где Т_п - время прямого хода светового пятна на экране, Т₀ - время обратного хода луча (не используется для наблюдения). Таким образом, период развертывающего напряжения равен:

Развертывающее напряжение пилообразной формы вырабатывается генератором развертки. Они работают на ионных приборах (неоновых лампах и тиратронах) или электронных лампах (мультивибраторы). Некоторые схемы простейших генераторов пилообразного напряжения приведены на рис.7.

В большинстве генераторов используется периодическое повторение заряда и разряда конденсатора через два различных по величине сопротивления. Генератор развертки является развитием простейшей схемы, показанной на рис. 8

При разомкнутом ключе К конденсатор С медленно заряжается от батареи через большое сопротивление, что соответствует прямому ходу развертки. Время заряда и разряда конденсатора определяется постоянной цепи: τ=RC. Период релаксационных колебаний зависит от сопротивления резистора R и емкости конденсатора С и увеличивается с ростом τ=RC.

После замыкания ключа конденсатор быстро разряжается (обратный ход развертки), так как заряд и разряд конденсатора в цепи с сопротивлением происходит по экспоненте. Эта нелинейность приводит к уменьшению скорости развертки к концу времени прямого хода и к сжатию изображения на экране, что является недостатком.

Ждущая развертка. Для исследования импульсно-модулированных колебаний

пригодной является ждущая развертка, при которой напряжение развертки подается однократно на горизонтально отклоняющие пластины только во время прихода импульса. Выработав один пилообразный импульс (один период развертки), схема генератора ждущей развертки запирается и ждет прихода следующего запускающего импульса. Запуск развертки производится фронтом исследуемого сигнала или специальным запускающим импульсом, который предшествует исследуемому сигналу. В качестве генераторов ждущей развертки может быть использован любой из генераторов временной развертки

Синхронизация генератора развертки.

Частота колебаний генераторов пилообразного напряжения, как и других источников колебаний, не остается строго постоянной (в силу непостоянства интенсивности термоэлектронной эмиссии в электронных лампах, вследствие изменения параметров конденсаторов, резисторов при изменении внешних условий, например, влажности). Поэтому осциллограмма на экране будет «бежать» или непериодически колебаться.

Чтобы избежать передвижения изображения, необходима принудительная синхронизация (захватывание) между частотой исследуемого сигнала и частотой сигнала генератора развертки, то есть пилообразное напряжение синхронизируется с исследуемым напряжением.

Синхронизации в простейшем случае состоит в том, что начало каждого периода пилообразного напряжения принудительно (воздействием исследуемого сигнала) совмещается с одной и той же фазой исследуемого сигнала. Тогда при случайных изменениях частоты любого из них они оказываются синхронизированными. Частота синхронизирующего напряжения может быть много больше частоты развертки и синхронизация осуществляется один раз за несколько периодов синхронизирующего напряжения. Периоды колебаний исследуемого сигнала и сигнала с генератора развертки не точно равны между собой, поэтому для большей стабильности используют специальную схему синхронизации.

Генератор развертки работает и при отсутствии напряжения синхронизации, которое только подтягивает его частоту к требуемой, воздействуя на схему

переключателя.

В качестве источников синхронизации могут использоваться: а) исследуемое напряжение, поступающее с усилителя вертикального отклонения («внутренняя синхронизация»), б) напряжение от сети с частотой 50 Гц, в) напряжение от постоянного источника, синхронизированное с исследуемым напряжением («внешняя синхронизация»). Переключение источников синхронизации осуществляется специальным переключателем вида синхронизации. Таким образом, в генераторах предусматривается возможность переключения вида синхронизации: «внутренняя», «внешняя» и «от сети».

Устойчивая работа генератора развертки достигается только при подаче напряжения синхронизации вполне определенной амплитуды, которая подбирается экспериментально при помощи специального потенциометра, предусмотренного в схеме. Слишком большие напряжения синхронизации вызывают «дробление» развертки из-за пересинхронизации.

Усилители электронных осциллографов. Чувствительность электронно­лучевых трубок лежит в пределах 0,2 - 0,5 мм/В, поэтому отклонение светового пятна на весь экран достигается при напряжении на пластинах порядка десятков и сотен Вольт. При меньшей величине напряжений применяют усиление. Для этого используют усилитель канала вертикального отклонения, с помощью которого чувствительность доводят до десятков и сотен см/В.

Усилитель горизонтального напряжения служит для усиления пилообразного напряжения развертки и напряжения, подаваемого на горизонтальный вход осциллографа.

Калибраторы. Калибратор амплитуды, предназначенный для измерения амплитуды исследуемых колебаний по методу сравнения с известным напряжением представляет собой потенциометр, на который поступает переменное напряжение от силового трансформатора с частотой 50 Гц. С части потенциометра напряжение снимается на вход усилителя вертикального отклонения и контролируется ламповым вольтметром. Для измерения длительности исследуемых процессов используются калибраторы длительности, вырабатывающие синусоидальные колебания

стабильной частоты. При подаче этого напряжения на управляющий электрод или катод трубки за счет яркости модуляции на осциллограмме появляются светлые метки с темными промежутками между ними. Отрезок - метка по длительности соответствует периоду калибрационного напряжения (обычно оцениваемому непосредственно в микросекундах).

Источники питания для электронных осциллографов. Электронные осциллографы работают от сети переменного тока. Выпрямители, входящие в состав электронных осциллографов, можно разбить на две группы: первая служит для питания электронно-лучевой трубки, обеспечивает высокое напряжение порядка 1-3 кВ при сравнительно малом токе, не превышающем несколько сотен микроампер; вторая группа -для питания генераторов развертки, усилителей и других каскадов, обеспечивает напряжение порядка 200-400В при токе в несколько десятков или сотен микроампер.