Министерство образования российской федерации

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экспериментальной и практической физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА»

г. Белгород, 2003г.

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Принадлежности:учебный осциллограф, генератор электрических сигналов ГЗ-112, соединительные кабели.

Цель работы:ознакомление с устройством электронного осциллографа и получение навыков в применении осциллографа для наблюдения периодических электрических сигналов и измерения их параметров.

Электронный осциллограф используется в области современного физического эксперимента для наблюдения и регистрации различных процессов. С его помощью можно исследовать характер поведения во времени любых физических параметров, которые тем или иным способом могут быть преобразованы в электрические сигналы. Осциллограф позволяет изучать как медленные, так и очень быстро протекающие процессы (с характерными временами до 10 ^–10с). Регистрация процессов в электронном осциллографе осуществляется практически безинерционно с помощью пучка электронов (электронного луча), который оставляет светящийся след на экране, покрытом люминофором.

Лабораторная работа проводится с использованием учебного осциллографа, в котором платы каналов вертикального и горизонтального отклонения заимствованы от осциллографа С1-94, электронно-лучевая трубка, высоковольтный выпрямитель и корпус – от осциллографа С1-1, а передняя панель и система управления разработаны заново. Структурная схема учебного осциллографа приведена на рисунке 1.

Электронно-лучевая трубка

Основной и наиболее важной частью электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).

ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу, в которой создан вакуум порядка 10 ^{– 3} ÷ 10^–4Па (10 ^{– 5}÷ 10 ^{– 6}мм рт. ст.). В колбе расположен ряд электродов (рис.1), предназначенных для формирования электронного луча и его отклонения: 1 – подогреватель катода, 2 – катод, 3 – электрод, управляющий яркостью изображения (модулятор), 4 – фокусирующий анод (первый анод А₁), 5 – ускоряющий анод (второй анод А₂), от напряжения на котором зависит чувствительность трубки к напряжению на отклоняющих пластинах, 6 – горизонтально отклоняющие пластины, 7 – вертикально отклоняющие пластины, 8 – ускоритель (третий анод А₃), представляет собой проводящий слой на боковой поверхности колбы вблизи экрана, 9 – флюоресцирующий экран.

Электронный пучок формируется системой электродов 1-5, называемой «электронной пушкой». Конструкция электродов «электронной пушки» представляет собой цилиндрическую осесимметричную систему. Нагретый катод трубки служит источником электронов для формируемого пучка. Яркость светящегося пятна на экране осциллографа определяется током электронного луча, который регулируется изменением напряжения на модуляторе относительно катода (–50 ÷ –100 В). Действие модулятора аналогично действию управляющей сетки в электровакуумной лампе.

Модулятор и аноды А₁, А₂образуют систему фокусировки электронного пучка, которая управляет размером светящегося пятна на экране ЭЛТ.

При отсутствии напряжений на отклоняющих пластинах 6 и 7 электронный луч попадает в центр экрана ЭЛТ. Если же на вертикально (или горизонтально) отклоняющие платины подается постоянная разность потенциалов, то смещение hточки попадания луча относительно центра экрана по вертикали (или горизонтали) пропорционально разности потенциаловU, подаваемой на соответствующие пластины:

. (1)

Здесь l – длина соответствующих пластин,d – расстояние между пластинами,L – расстояние от середины пластин до экрана,U₂>0– разность потенциалов между катодом и вторым анодом. Коэффициент пропорциональностиkв (1) называется чувствительностью трубки к напряжению. Типичные значенияkсоставляют 0,02÷0,05см/В. вывод формулы (1) приводится в [1].

Формула (1) применима в том случае, когда на отклоняющие пластины подается переменное напряжение, но при условии, что оно слабо изменяется за время пролета τэлектрона между пластинами. Характерными интервалами времениТ, определяющими скорость изменения переменного сигнала, могут, например, быть: период сигнала, длительность импульса, время нарастания сигнала до некоторого уровня и т.д. Оценим то минимальное значениеТ_мининтервала времениТ, при котором выполняется обсуждаемое условие:Т_мин  . Скорость электронов в ЭЛТ после вылета из «электронной» пушки составляет примерно 2 * 10 ⁷м/с (при разности потенциалов между катодом и вторым анодом10 ³В). Полагая длину отклоняющих пластин равнойl = 3 см, для времени пролетаполучим: = 1,5 * 10 ^{– 9}с. Тогда, выбирая условиеТ_мин /10 в качестве критерия применимости формулы (1) для переменного сигнала, имеем:Т_мин= 15 * 10 ^{– 9}с. Это означает, например, что выражение (1) с высокой точностью будет определять координаты точки попадания электрона на экран ЭЛТ, если значение частоты синусоидального напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины, не превышает 10 ⁶Гц, т.е. 1 МГц. Таким образом, в рабочем диапазоне частот учебного осциллографа (0÷1МГц) смещение луча по вертикали (или горизонтали) на экране ЭЛТ можно считать пропорциональным мгновенному значению напряжения на соответствующих отклоняющих пластинах.

На внутреннюю часть трубки в области за вторым анодом нанесено проводящее покрытие, которое соединено со вторым анодом (см. рис.1). В этой части трубки электроны двигаются в пространстве, свободном от электрического поля ускоряющего электрода. Наличие проводящего покрытия исключает накопление на стенках трубки электрических зарядов, электрическое поле которых может исказить распределение поля в трубке. Одновременно покрытие служит для отвода вторичных электронов, выбиваемых с экрана электронным пучком.

Электронный луч попадает на экран трубки, покрытый люминофором, и вызывает свечение. Люминофоры, которые применяются для покрытия экранов ЭЛТ, обладают так называемым послесвечением, т.е. их свечение длиться некоторое время после исчезновения действия электронного луча (время послесвечения для различных люминофоров обычно находится в пределах 10 ^{– 2}÷ 10 ^–1с).