Лабораторная работа №14 изучение электронного осциллографа

Цель работы: ознакомиться с устройством электронного осциллографа и применением его для простейших измерений.

Устройство осциллографа

1. Электронный осциллограф является одним из наиболее часто используемых в физических исследованиях прибором. В общем виде назначение осциллографа можно сформулировать так: этот прибор предназначен для наблюдения, исследования и записи периодических и импульсных электрических процессов, а также процессов, которые могут быть преобразованы в электрические.

Ничтожно малая инерционность электронов, которые являются “основными действующими лицами” в осциллографе, позволяет наблюдать и изучать периодические процессы с частотой в миллионы герц и импульсы длительностью в миллионные доли секунды.

2. Главной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой откачанный сосуд особой формы (рис.1), в который впаяны:

а) Катод 1, при нагревании испускающий электроны;

б) Окружающий катод цилиндр 2 (он называется модулятором) с отверстием, через который проходит электронный пучок или луч. Подаваемый на модулятор отрицательный потенциал оттесняет электроны к оси цилиндра, Кроме того, он позволяет регулировать интенсивность пучка, так если на цилиндр 2 подается отрицательный переменный потенциал определенной частоты, то с такой же частотой будет изменяться и интенсивность пучка (это и называется модуляцией);

в) Два анода 3 и 4; на первый из них подается положительный потенциал в несколько сот вольт, на второй - также положительный потенциал в несколько тысяч вольт. Эти аноды ускоряют электроны, вышедшие из отверстия модулятора и, кроме того, фокусируют их. Действие таких анодов подобно действию оптических линз, фокусирующих световые пучки;

г) Две пары параллельных пластин 5 и 6. Одна из них (5) установлена горизонтально, другая (6) - вертикально; если на пластины 5 подать электрическое напряжение, то пучок электронов, проходящий через них, отклонится по вертикали; если это напряжение переменное, то пучок будет совершать колебания по вертикали; таким же образом напряжение, поданное на пластины 6 заставит пучок отклоняться вправо-влево.

Передняя стенка расширенной части сосуда покрыта изнутри люминесцирующим составом, который светится в том месте, куда попадает электронный пучок. Внутренняя стенка трубки, примерно от места расположения анода 4 и почти до светящегося экрана, покрыта электропроводящим составом и на него подается положительный потенциал, так что это покрытие образует третий анод. Если на пластины 5 и 6 напряжение не подано, электронный пучок попадает в центр светящегося экрана и дает там световое пятно.

3. Когда на вертикально отклоняющие пластины подано переменное напряжение, электронный пучок (а вместе ним и пятно на экране) совершает колебания на экране с частотой приложенного напряжения. Из-за инертности зрения наблюдатель видит вертикальную прямую, длина которой равна удвоенной амплитуде колебаний. Амплитуда, в свою очередь, пропорциональна приложенному к пластинам напряжению, т.е. Y=kU_Y, где Y - длина прямой, k - коэффициент пропорциональности, U_Y - напряжение на вертикально отклоняющих пластинах. Это дает возможность измерять с помощью осциллографа переменное напряжение, если известна величина коэффициента k.

Но чтобы выяснить характер колебаний приложенного напряжения, а не только его амплитудное значение, надо эти колебания, как говорят, развернуть во времени. Для этого необходимо, чтобы электронный пучок одновременно с колебаниями по оси Y двигался с постоянной скоростью вдоль оси X. Этого можно достичь, приложив к горизонтально отклоняющим пластинам растущее со временем напряжение (тогда оно в определенном масштабе будет как бы выражать само время). Такое напряжение, разумеется, быстро доведет пучок до края экрана, и картина перестанет быть видимой. Чтобы этого не происходило, необходимо в тот момент, когда пятно достигнет края экрана, быстро вернуть его обратно и повторить процесс. Это достигается тем, что к горизонтально отклоняющим пластинам подводится переменное напряжение, изменяющееся со временем так, как это показано на рис.2, так называемое пилообразное напряжение. Как видно из рисунка, развертывающее напряжение изменяется так, что из T секунд периода колебаний оно в течение t₁ секунд растет линейно со временем (это и требуется для развертки сигнала) и в течение t₂ секунд падает до нуля, причем t₁»t₂, так что напряжение развертки как бы все время линейно нарастает, но не выводит пучок из пределов экрана. На экране получается кривая, показывающая, как изменяется со временем исследуемое напряжение, приложенное к вертикально отклоняющим пластинам. Это и есть осциллограмма исследуемого напряжения.

Если частоты исследуемого и пилообразного напряжений строго одинаковы, то на экране получится неподвижная осциллограмма для одного периода колебаний. Если частота пилообразного напряжения в целое число раз N больше частоты исследуемого, то на экране получится тоже неподвижная осциллограмма, но для N периодов. В том случае, если частоты обоих напряжений (исследуемого и развертывающего) не в точности кратны друг другу, то осциллограмма на экране будет двигаться вправо или влево с тем большой скоростью, чем больше отклоняются кратности частоты обоих напряжений.

Частота переменного напряжения, создаваемого генератором развертки, так же как и частота исследуемого напряжения, могут оказаться нестабильными. Между тем, как мы видели, для того, чтобы осциллограмма исследуемого сигнала была неподвижна, необходима строгая кратность частот обоих напряжений. Это достигается при помощи синхронизации пилообразного напряжения развертки с исследуемым. Она сводиться к тому, что с помощью специальной схемы исследуемое напряжение "навязывает" свою частоту генератору развертки. Если это делается каждый период, то частоты будут строго одинаковы. Но это можно делать и раз в несколько периодов. Тогда частоты будут кратны друг другу. И в том и в другом случае осциллограммы будут неподвижными. Синхронизация может достигаться сигналом самого исследуемого напряжения или внешним сигналом. В данной работе используется только внутренняя синхронизация.

4. На горизонтально отклоняющие пластины вместо пилообразного напряжения можно подать любое другое переменное напряжение (генератор развертки при этом отключается). Если на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение, изменяющееся по гармоническому закону с частотой n_x, а сигнал на вертикально отклоняющих пластинах также изменяется по гармоническому закону, но с частотой n_y, то на экране будет наблюдаться результат сложения двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний.

В зависимости от отношения частот n_x/n_y переменных гармонических напряжений и от разности фаз Dj этих колебаний на экране будут получаться характерные фигуры, которые представляют собой траектории движения электронов, участвующих в двух взаимно перпендикулярных колебаниях. Это так называемые фигуры Лиссажу. На рис.3 показаны фигуры Лиссажу для некоторых отношений частот и разности фаз.

	nx/ny=1	nx/ny=3/2	nx/ny=2	nx/ny=3
Dj=0
Dj=p/2
Dj=p

5. В современных осциллографах имеется ряд других устройств, расширяющих его возможности. Упоминающаяся выше развертка во времени с помощью пилообразного напряжения - это непрерывно действующая развертка. Такая развертка нужна для наблюдения периодических процессов изменения электрического напряжения, приложенного к вертикально отклоняющим пластинам. Но непрерывная развертка непригодна для наблюдений непериодических процессов. Она непригодна также для наблюдений процессов прерывистых, имеющих характер очень коротких по времени импульсов.

Чтобы наблюдать такие процессы нужно, чтобы и развертка была прерывистой. Это достигается тем, что генератор пилообразного напряжения приводится в действие самим изучаемым импульсом и только на время, немного превышающее длительность импульса. После этого генератор выключается до следующего импульса. Такая развертка называется ждущей разверткой (генератор "ждет", когда его включит внешний импульс). Понятно, что когда пользуются такой разверткой, отпадает нужда в синхронизации. Ждущая развертка позволяет изучать форму импульса или детально изучать часть периода исследуемого напряжения.

В современных осциллографах часто используется также генератор меток времени или, как его еще называют, калибратор длительности. Это устройство является дополнением к системе ждущей развертки. Генератор меток времени формирует короткие, но известной длительности импульсы отрицательного потенциала, которые после усиления подаются на модулятор электронно-лучевой трубки. Потенциал этих импульсов таков, что модулятор не пропускает электроны к анодам трубки, а значит и к экрану. Осциллограмма процесса становится поэтому пунктирной линией. Каждый разрыв этой линии - метка времени действия запирающего импульса. Тем самым осциллограф становится удобным средством измерения малых промежутков времени. Впрочем, и без этого осциллограф может служить для измерения времени.

6. Существуют двухлучевые и двухканальные осциллографы. В первых в один баллон электронно-лучевой трубки вмонтированы две электронных пушки и две пары вертикально отклоняющих пластин (но одна пара горизонтально отклоняющих пластин). Такие осциллографы позволяют наблюдать и изучать два переменных сигнала раздельно или одновременно.

В двухканальных осциллографах электронно-лучевые трубки обычные, с одной парой вертикально отклоняющих пластин, но к ним подается по двум, как говорят, каналам два различных сигнала. Эти осциллографы также позволяют наблюдать оба сигнала раздельно или одновременно. Однако в них для одновременного наблюдения используется быстродействующий электронный ключ (коммутатор), переключающий каналы с частотой около 10⁵ герц. В данной работе используется именно такой двухканальный осциллограф С1-83.