книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

рпческпй объектив 22, который собирает его на фотоленте в виде яркой линии. Интенсивность этой линии можно регулировать с помощью диафрагмы 18. Ход лучей для нанесения линий продольного графления фотоленты показан штри­ ховыми линиями. Световой ноток от источника света 1 через щелевую диаф­ рагму 25 направляется зеркалами 19, 21 и 20 на цилиндрический объектив 22, который собирает его в виде яркой линии на фотоленте 23. Перед фотолентой установлена металлическая пластинка 24 с рядом узких щелей, через которые происходит экспонирование фотоленты. После проявления фотолеиты на осцил­ лограмме получаются тонкие линии, отстоящие друг от друга на определенном расстоянии. Интенсивность этих линий можно регулировать диафрагмой 4.

на монтажном столе, имеет обозначение К115. Осциллограф типа К115 допускает регистрацию токов до 6 А и напряжений до 600 В. Схема осциллографа преду­ сматривает возможность дистанционного управления режимом работы приборов.

25. Электроннолучевые осциллографы

Электроннолучевая трубка. Значение и область применения электроннолучевого осциллографа, или, как его обычно более кратко называют, электронного осциллографа, в настоящее время очень велики. Главнейшими преимуществами его по сравнению со светолучевым осциллографом являются ничтожно малое потребление мощности от испытуемого источника напряжения и возможность исследования процессов, частота которых достигает сотен мегагерц и больше, а также весьма кратковременных непериодических яв­ лений.

Основным элементом электронного осциллографа является элек­ троннолучевая трубка.

В качестве источника электронной эмиссии в трубке могут быть использованы как холодные, так и накаленные катоды. Формиро­ вание электронного луча и управление его перемещением в зави­ симости от различных законов исследуемых явлений производится при помощи либо электрических, либо магнитных полей.

В современной технике осциллографирования в большинстве случаев применяются электроннолучевые трубки с горячим катодом и электрическим управлением.

Устройство трубки схематически показано на рис. 136. В на­ чале горловины помещено устройство для создания фокусированного пучка электронов (электронного луча), называемое «электронной пушкой», или «электронным прожектором». «Электронная пушка» состоит из подогревного катода, управляющего электрода, или сетки, и двух анодов.

Изменение потенциала управляющего электрода дает возмож­ ность регулировать плотность электронов в пучке и тем самым менять яркость изображения на экране. Кроме того, при помощи сетки про­ изводится предварительная фокусировка электронного пучка. Окон­ чательная фокусировка осуществляется в поле между первым и вторым анодами. Фокусировка регулируется путем изменения на-

200

пряжения на первом аноде, который поэтому называется фокуси­ рующим. Необходимое ускорение электронов в поступательном направлении обеспечивается вторым анодом, вследствие чего он иногда называется ускоряющим. Обычно между сеткой и первым анодом помещается еще добавочный, ускоряющий, электрод (на рис. 136 не показан), который соединен со вторым анодом и служит для устранения влияния регулирования фокусировки на яркость светящегося пятна.

Электронный пучок в конце своего пути попадает на внутреннюю торцовую поверхность расширенного конца колбы, называемую экраном. Эта поверхность покрыта специальными составами — люми­ нофорами, которые обладают способностью светиться под действием электронной бомбардировки в тех местах, куда попадают электроны.

Рис. 136. Устройство электроннолучевой трубки

Если на пучок электронов на его пути между вторым анодом и экра­ ном воздействовать отклоняющими силами, то светящееся пятно будет соответственно перемещаться. Таким образом, электронный пучок можно уподобить подвижной части измерительного механизма прибора, отклонения которой зависят от напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам.

Отклоняющая система электроннолучевой трубки состоит из двух пар пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 136). Пластины, лежащие в горизонтальной плос­ кости, отклоняют луч в вертикальном направлении и называются электродами вертикального отклонения или ж-электродами; пла­ стины, лежащие в вертикальной плоскости и смещающие луч в го­ ризонтальном направлении, называются электродами горизонталь­ ного отклонения или у-электродами. Если к какой-либо паре пла­ стин приложить переменное напряжение, то луч прочертит на экране светящуюся прямую линию. Определим величину смещения све­ тящегося пятна от исходного положения в результате прохождения

Пренебрегая искажениями у краев пластин, полагаем электри­ ческое поле внутри них равномерным, т. е. считаем, что напряжен-

ность П О Л Я jfc = — .

201

Электрон, движущийся прямолинейно и равномерно с начальной скоростью ѵ0, проходя между пластинами, смещается в сторону, противоположную направлению силовых линий поля. Как известно, движение электрона в поперечном электрическом поле описывается уравнением

Х = - еЕ Y

где е — заряд электрона; m — его масса; X и Y — координаты электрона.

Рис. 137. Смещение элек­ тронного луча иод дей­ ствием электрического поля

Для точки б (в месте выхода электрона из пространства между пластинами) уравнение примет вид:

еЕ 2тѵ'і I9.

Выйдя за пределы пластин, электрон продолжает перемещаться прямолинейно по касательной к траектории Об. Следовательно, направление движения электрона образует с осью абсцисс угол у, тангенс которого

Величина смещения светящегося пятна на экране при изменении на 1 В напряжения, приложенного к управляющим электродам,

202

называется чувствительностью трубки к напряжению:

Поскольку длина пластин I обычно мала по сравнению с рас­ стоянием L , для определения чувствительности можно пользоваться приближенным выражением

S u f ^ ^ - L , мм/В. (135)

Промышленностью выпускаются для осциллографов трубки раз­ личных размеров. Большинство из них имеют рабочие диаметры экранов от50 до 130 мм. Чувствительность современных трубок составляет 0,1 — 1 мм/В.

Выражения (134) и (135) показывают, что чувствительность к напряжению зависит от ускоряющего анодного напряжения и гео­ метрических размеров пластин; при этом чем меньше расстояние между пластинами, тем выше чувствительность. Однако при относи­ тельно длинных пластинах электроны вследствие большого откло­ нения будут попадать на пластины в крайней их части. Во избежание этого пластины обычно делаются не параллельными, а расходящи­ мися под некоторым углом. Для данной трубки, т. е. при определен­ ных размерах колбы и электродов, чувствительность зависит только от анодного напряжения; при уменьшении его чувствительность возрастает.

С другой стороны, яркость светящегося пятна определяется ки­ нетической энергией падающих на экран электронов, которая прямо пропорциональна ускоряющему напряжению. Это препятствует при­ менению для электроннолучевых трубок слишком низких анодных напряжений.

Для увеличения яркости пятна при относительно высокой чувст­ вительности производится ускорение электронов после отклонения их пластинами. Для этой цели на внутреннюю поверхность колбы между отклоняющими пластинами и экраном наносится кольцо из проводящего материала, которое является третьим анодом, и к нему подводится напряжение, в несколько раз превышающее напряжение второго анода. Таким путем можно получить увеличение яркости в десятки раз при снижении чувствительности всего на несколько процентов.

Большая яркость пятна необходима для увеличения скорости за­ писи при регистрации быстропеременных процессов. Скоростью записи называется скорость перемещения светящегося пятна по экрану трубки. Чем быстрее движется луч, тем меньше ярлость пятна на экране. Так как при исследовании однократных явлений траекто­ рия движения луча обычно фотографируется, то предельная скорость регистрации определяется яркостью пятна, на которую еще реаги­ руют фоточувствительные материалы.

В обычных осциллографических трубках при отсутствии третьего анода и при рабочем напряжении 1—2 кВ наибольшая допустимая скорость перемещения луча составляет несколько километров в

203

секунду, что соответствует продолжительности регистрируемого од­ нократного процесса в единицы микросекунд. При послеускорении с напряжением на третьем аноде порядка 6 — 10 к 13 скорость записи увеличивается до сотен километров в секунду, что дает возможность регистрировать одиночные импульсы продолжительностью в десятые доли микросекунды. Использование же высоковольтных трубок специальной конструкции позволяет довести скорость записи до нескольких тысяч километров в секунду и тем самым исследовать однократные явления продолжительностью в сотые и тысячные доли микросекунды.

Если переменное напряжение приложить одновременно к обеим парам отклоняющих пластин, то электронный луч под действием

Для двух синусоидаль­ ных напряжений, совпадающих по фазе и имеющих одинаковую частоту и амплитуду, при

одинаковой чувствительности осциллографа по вертикальной и гори­ зонтальной осям наблюдаемая фигура изображается прямой линией, составляющей с горизонтальной осью угол 45°. В случае неравенства амплитуд угол наклона прямой приобретает другие значения, лежа­ щие в пределах от 0 до 90°. При наличии сдвига фаз между напря­ жениями на экране появляется эллипс, который расширяется с уве­ личением сдвига фаз и превращается в окружность, когда угол становится равным я/ 2 . Все эти результирующие кривые называются фигурами Лиссажу.

Подавая на одну из пар пластин синусоидальное напряжение определенной частоты, а на другую — исследуемое напряжение, можно в ряде случаев по виду фигуры Лиссажу судить о частоте или сдвиге фазы неизвестного напряжения. На рис. 138 показаны фи­ гуры Лиссажу для нескольких простых случаев соотношения частот и углов сдвига фаз.

Для наблюдения и фотографирования характера протекания яв­ ления во времени пользуются линейной временной разверткой, поз-

204

воляющей непосредственно наблюдать на экране кривую исследуе­ мого напряжения в прямоугольной системе координат. Для этого на одну пару отклоняющих пластин (как правило, на электроды го­ ризонтального отклонения) подают напряжение, меняющееся ли­ нейно во времени. Светящееся пятно в этом случае будет переме­ щаться по экрану горизонтально с постоянной скоростью. При подаче на другую пару пластин неизвестного напряжения электронный луч опишет на экране кривую этого напряжения. Для создания го­ ризонтального перемещения светящегося пятна применяется напря­ жение, которое периодически равномерно возрастает (или спадает) до некоторой определенной величины и затем за очень короткий промежуток времени возвращается к начальному значению. Наиболее удобную форму кривой для этой цели имеет линейно изменяющееся

напряжение (рис. 139). Ниспадающие участки линейно изменяюще­ гося напряжения на рисунке соответствуют обратному ходу пятна в горизонтальном направлении по экрану. Время обратного хода

'обр должно составлять весьма малую часть полного периода колебаний

Т.При несоблюдении этого условия более или менее значительная часть исследуемого явления происходит за время обратного хода, причем электронный луч прочерчивает на экране некоторую кри­ вую, смещенную относительно основной кривой. Изображение в этом случае получается искаженным.

Если продолжительность одного полного горизонтального пере­ мещения равна периоду напряжения, приложенного к электродам вертикального отклонения, то на экране появится кривая, соответ­ ствующая одному периоду колебаний. Если частота развертываю­ щего напряжения в п раз меньше частоты испытуемого напряжения, то кривая на экране охватит п периодов. При отношении частот, выражающемся отношением двух целых чисел, изображение будет неподвижным, в противном случае оно перемещается по экрану.

Устройство и характеристики электронного осциллографа. Упро­ щенная блок-схема электронного осциллографа показана на рис. 140. Питание всех элементов схемы осуществляется от сети переменного тока через выпрямительное устройство. Напряжение на трубку подается с делителя напряжения гх — г2 — г3. Напряжение на вто­ ром аноде должно в 4—6 раз превышать напряжение на первом аноде. Напряжение на сетке всегда отрицательно и имеет величину

205

порядка нескольких десятков вольт. Делитель напряжения г1 слу­ жит для управления яркостью пятна, делитель напряжения г2 по­ зволяет управлять фокусировкой. Исследуемое напряжение пода­ ется на пластины у обычно через усилитель вертикального отклоне­ ния 3, причем коэффициент усиления его можно регулировать. Кроме того, на входе имеется аттенюатор, или ослабитель 2 (роо- статно-емкостный делитель напряжения). Благодаря этому можно выбирать наивыгоднейшие условия для наблюдения сигналов на экране осциллографа при изменении амплитуды их в широких пре­ делах. К пластинам х через усилитель горизонтального отклонения

Рпс. 140. Блок-схема электронного осциллографа

6 подводится напряжение развертки от генератора линейно изменяю­ щегося напряжения. При необходимости проведения исследований посредством фигур Лиссажу переключатель Я переводится в поло­ жение I I ; в этом случае генератор развертки 5 п блок синхронизации 4 отключаются и на пластины х через усилитель подается синусои­ дальное напряжение.

Чувствительность электроннолучевых трубок, как уже было от­ мечено в предыдущем параграфе, сравнительно невелика (порядка десятых долей миллиметра на вольт), поэтому для получения доста­ точного отклонения луча при исследовании относительно малых на­ пряжений требуется предварительное усиление напряжения.

Основными требованиями, предъявляемыми к усилителю для электронного осциллографа, являются:

а) минимум частотных и фазовых искажений в возможно более широком диапазоне частот; это означает, что коэффициент усиления усилителя при изменении частоты в широких пределах не должен зна­ чительно отклоняться от своего номинального значения, а фазовый

206

сдвиг, создаваемый усилителем, должен изменяться пропорционально частоте;

б) линейная зависимость между выходным и входным напряжени­ ем при изменении последнего в заданных пределах;

в) высокое входное сопротивление усилителя.

При соблюдении этих условий можно достаточно точно воспроиз­ вести на экране осциллографа кривую входного напряжения и иссле­ довать' тот или иной процесс без заметного потребления мощности от генератора исследуемых сигналов.

В качестве усилителей для осциллографов обычно применяются широкополосные усилители с реостатно-емкостной связью и кор­ рекцией частотно-фазовых характеристик.

Использование усилителей повышает чувствительность осцилло­ графа к напряжению до величины порядка единиц и десятков санти­ метров на вольт. При этом надо иметь в виду, что коэффициент уси­ ления вертикального отклонения обычно много больше коэффици­ ента усиления усилителя горизонтального отклонения. Это объяс­ няется тем, что амплитуда напряжения, создаваемого генератором развертки, достаточно велика, следовательно, значительного усиле­ ния этого напряжения в большинстве случаев не требуется. Следует

ния», под которым понимают величину, обратную чувствительно­

Для низкочастотных осциллографов полоса пропускаемых уси­ лителем частот лежит в пределах от единиц герц до 0,25 — 1 МГц. В осциллографах, предназначенных для исследования сигналов в широком диапазоне частот и для импульсных измерений, применя­ ются усилители с верхней границей полосы пропускания порядка 10 МГц и выше. Входное сопротивление усилителей равно 1—5 МОм параллельно с емкостью 30—40 пкф . В импульсных усилителях с помощью особой выносной головки входная емкость может быть уменьшена до единиц пикофарад.

Если частота исследуемого напряжения находится вне пределов рабочего участка частотной характеристики усилителя, то это напря­ жение необходимо подавать непосредственно на отклоняющие пла­ стины трубки. Обычные осциллографические трубки имеют полосу пропускания от 0 до 100—200 МГц и емкость между пластинами 10—20 пкФ. Ультравысокочастотные трубки специальной конструк­ ции позволяют расширить полосу пропускания до нескольких тысяч мегагерц при емкости пластин 2—3 пкФ.

Одним из важнейших узлов схемы электронного осциллографа является генератор линейной развертки, в качестве которого обычно применяются так называемые генераторы релаксационных колеба­ ний. В этих генераторах колебания создаются посредством цепей, содержащих активное сопротивление и какой-либо один реактивный

207

критического состояния, после чего поле рассеивается до тех пор, пока не наступает новое критическое состояние, вызывающее опять нарастание ноля. Один из этих процессов (заряд или разряд кон­ денсатора) протекает относительно медленно и при некоторых усло­ виях практически линейно, обратный же процесс происходит очень быстро. В генераторах развертки могут быть использованы схемы с тиратронами, электронные схемы типа мультивибраторов, а также фантастронные и транзитронные схемы, отличающиеся высокой сте­ пенью линейности изменения напряжения. Схемы с тиратронами весьма просты и применялись ранее в некоторых низкочастотных осциллографах лабораторного типа. Верхний предел генерируемой

фах применяются только схемы с электронными лампами и полу­ проводниковыми приборами.

В схемах развертки всегда предусматривается возможность ре­ гулирования частоты колебаний в широких пределах.

Меняя частоту генератора развертки, добиваются синхрониза­ ции частот, т. е. такого соотношения частот развертки и сигнала, при котором изображение получается неподвижным и охватываю­ щим целое число периодов.

При работе с генераторами линейной развертки в практических установках такая настройка осуществляется двумя ступенями — грубой и точной синхронизацией.

Для поддержания стабильности настройки дополнительно приме­ няется принудительная синхронизация путем подачи к схеме раз­ вертки в момент, предшествующий началу обратного хода, части усиленного исследуемого напряжения, которое приводит в действие схему как раз при амплитудном значении исследуемого напряже­ ния.

Такая синхронизация называется внутренней синхронизацией. Посредством особого переключателя синхронизации (не показанного

подключается вход внешнего синхронизирующего напряжения, или сетевую синхронизацию, при которой напряжение развертки син­ хронизируется с частотой питающей сети. Преимущественно осцил­ лограф работает при внутренней синхронизации.

В большинстве современных осциллографов при использовании линейной развертки применяются так называемые схемы гашения обратного хода луча, которые обеспечивают включение луча только в течение рабочей части периода линейно изменяющегося напряже­ ния. Это делается для того, чтобы обратный ход пятна по экрану не накладывался на картину наблюдаемого явления. Принцип действия таких схем заключается в том, что в начале обратного хода к моду­ лирующему электроду (сетке) подводится большое отрицательное напряжение, запирающее трубку. В начале рабочего хода это напря­ жение снимается, и трубка вновь может пропускать ток. На рис. 141, а показана осциллограмма синусоидальных колебаний на экране

208

В типовых электронных осциллографах почти всегда использу­ ется линейная развертка времени, вследствие чего генератор ли­ нейно изменяющегося напряжения обычно входит как составная часть в схему осциллографа. Однако в ряде случаев бывает целесо­ образно применить другие специальные виды разверток.

Для изучения однократных, непериодических и импульсных явлений, которые неудобно или невозможно наблюдать при помощи непрерывной линейной развертки, пользуются так называемой ждущей разверткой. Эта развертка представляет собой разновид­ ность линейной развертки, при которой напряжение на пластины оси времени подается только при наличии исследуемого сигнала. Ско­ рость развертки может регулиро­ ваться (обычно ступенями) в ши­ роких пределах и подбирается в соответствии с длительностью ис­ следуемого явления. Схема по­ строена таким образом, что при отсутствии пускового импульса электронный луч заперт отрица­ тельным напряжением. В момент подачи пускового импульса элек­ тронный луч отпирается и светя­ щееся пятно, появившееся на экра­ не, начинает перемещаться под дей­ ствием напряжений сигнала и ли­

нейной развертки. В момент окончания развертки, когда начинается возвратное движение луча, напряжение на сетке трубки скачком возвращается к исходному значению, луч запирается и светящееся пятно исчезает с экрана вплоть до поступления нового пускового импульса. Пусковые импульсы могут поступать либо от внешнего генератора импульсов, либо от местного генератора переменной частоты. Очевидно, что продолжительность пускового импульса должна быть меньше одного периода развертки. Генераторы ждущей развертки обычно наряду с генераторами линейной развертки вхо­ дят как составной элемент в схему осциллографа.

Большой интерес представляет круговая, или кольцевая, раз­ вертка, которая получается путем подачи на две пары отклоняющих пластин синусоидальных напряжений, одинаковых по величине, но сдвинутых по фазе относительно друг от друга на 90°. Отклонения пятна на экране в направлении осей х и у определяются параметри­ ческими уравнениями:

где Su и Um с соответствующими индексами представляют собой чувствительность и амплитуду напряжения по осям. Значения

209