1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Электронный осциллограф (или осциллограф электроннолучевой) используется для визуального наблюдения, исследования формы и измерения амплитудных и временных параметров электрических сигналов. Электронный осциллограф используется также для нахождения функциональной связи между двумя или более электрическими величинами (или преобразованными в электрические). Основным узлом электронного осциллографа является электроннолучевая трубка, на экране которой с помощью электронного луча создается изображение электрического сигнала, например, в зависимости от времени.

Электронный осциллограф является современным прибором, предназначенным для исследования быстропеременных электрических процессов. Осциллограф обладает высокой чувствительностью, сравнительно большой точностью измерений и является практически безинерционным прибором.

Основные узлы (блоки) электронного осциллографа:

1)электронно-лучевая трубка;

2)усилители вертикального и горизонтального отклонения луча;

3)блок развертки;

4)блок синхронизации;

5)блок питания.

1.1.Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевые трубки делятся на два типа − с электростатическим и электромагнитным управлением электронным лучом. В первом случае управление электронным лучом осуществля-

ется электрическим полем, во втором − магнитным. Далее рассматривается устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением.

Электронно-лучевая трубка (рис. 3) представляет собой ваку-

умированный стеклянный баллон (давление около 10-6 мм рт. ст.), внутри которого находятся электронная пушка, отклоняющие пластины и экран.

7

Рис. 3. Электронно-лучевая трубка

Электронная пушка предназначена для получения и фокусировки на экране электронного луча. Она состоит из нити накала 1,

катода 2, управляющего электрода – сетки 3 и двух анодов 4, 5. Управляющий электрод предназначен для регулировки яркости (интенсивности) электронного луча. С помощью анодов производятся фокусировка и ускорение электронного пучка.

Электроны, испускаемые нагретым катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются электрическим полем, создаваемым системой анодов. Первый анод 4 – цилиндрический с двумя или тремя диафрагмами, которые служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условию фокусировки. Второй анод 5 – также цилиндрический, но большего диаметра.

Оба анода имеют положительные потенциалы относительно катода, потенциал первого анода Ua1 ≈ 1 кВ, потенциал второго анода Ua2 ≈ 4 кВ. Работа электрического поля (А = е Ua), создаваемого системой анодов, идет на увеличение кинетической энергии электронов в электронном луче:

Под действием электрического поля анодов электроны развивают скорость порядка 103−104 м/с и быстро достигают экрана. Экран покрыт специальным люминесцирующим составом, который светится под действием ударов электронов. Таким образом, электронный луч прочерчивает видимый глазом след на экране осциллографа.

8

Управляющий электрод – сетка 3, выполненный в виде цилиндра с отверстием, имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поле этого электрода сжимает электронный пучок, отклоняя его к оси трубки. При этом интенсивность электронного пучка, проходящего через отверстие, а, следовательно, и яркость луча на экране осциллографа изменяется.

Электронный луч можно направить в любую точку экрана 8 с помощью двух пар управляющих пластин 6 и 7, на которые подается соответствующее напряжение. Под действием электрического поля отклоняющих пластин пучок электронов смещается в горизонтальном или в вертикальном направлении. Малая масса электронов обеспечивает малую инерционность электронного луча, поэтому электронный луч практически мгновенно реагирует на изменения напряжений на отклоняющих пластинах.

Более подробно с принципом фокусировки электронного пучка и действием отклоняющих пластин на электронный луч можно ознакомиться в разделах 1.7 и 1.8.

1.2. Усилители вертикального и горизонтальногоотклонения луча

Электронно-лучевая трубка характеризуется чувствительностью к отклоняющему напряжению, которая численно равна величине отклонения луча на экране при напряжении на соответствующих отклоняющих пластинах равном 1 В. Чувствительность электроннолучевых трубок обычно невелика, порядка 1 мм/ВОшибка! Закладка не определена.. Поэтому при исследовании слабых сигналов их нужно предварительно усиливать. Для этого служат усилители напряжений, подаваемых на отклоняющие пластины. Качество осциллографов во многом определяется характеристиками этих усилителей – их линейностью* и диапазоном пропускаемых частот.

Исследуемый электрический сигнал поступает на вход Y осциллографа по кабелю от источника переменного напряжения (рис. 4). Сигнал усиливается в усилителе напряжения вертикального отклонения и после усиления поступает на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки.

* Линейность усилителя – пропорциональность напряжения на выходе из усилителя напряжению на его входе.

9

Под влиянием электрического поля пластин пучок электронов будет периодически смещаться по вертикали с частотой этого напряжения. Если не «развернуть» это напряжение вдоль горизонтальной оси во времени, то на экране (вследствие длительности послесвечения) получится вертикальный отрезок прямой.

На горизонтально отклоняющие пластины подается так называемое напряжение развертки Up, которое вырабатывается в самом осциллографе специальным генератором развертки. Напряжение развертки имеет пилообразную форму (рис. 5). Так как пилообразное напряжение нарастает со временем линейно, то смещение электронного луча по горизонтали будет происходить пропорционально времени.

За время t1 луч перемещается по экрану слева направо, за время

t2 – быстро возвращается назад ( t2 << t1 ). Поэтому под действием напряжения развертки пучок электронов периодически перемещается в горизонтальном направлении с частотой напряжения развертки. Вследствие длительности послесвечения* экрана мы увидим горизонтальную линию.

Для удобства наблюдения во время обратного хода луча выполняется его гашение. Пилообразное напряжение делают симметричным относительно нуля, чтобы при выключенном генераторе развертки луч находился в центре экрана.

* Все люминофоры обладают способностью светиться еще некоторое время после выключения электронного луча, возбуждающего люминесценцию. Это явление называется послесвечением. Длительность послесвечения – время, за которое яркость изображения уменьшается до 10% первоначальной (зависит от свойств люминофора).

11