000000315551
.pdf
образом, после выхода из прожектора электроны летят в эквипотенциальном пространстве и сохраняют набранную в прожекторе скорость до самого экрана. Аквадаг также защищает луч от внешних электрических полей, служит для стекания вторичных электронов, выбитых лучом из люминофора, и уменьшает паразитную засветку экрана изнутри трубки.
Рассмотрим подробнее принцип действия двух функциональных элементов ЭЛТ — электронной линзы и отклоняющей системы. Электронная линза, т.е. специальная конфигурация электрического поля, фокусирующая электронный пучок, может быть сформирована парой соосных цилиндрических электродов, или парой соосных диафрагм. Пусть между парой таких диафрагм приложено постоянное напряжение. Тогда структура электрического поля между ними будет иметь вид, показанный на рис.2.2.2.
Пусть электроны параллельным пучком входят в осесимметричную неоднородность такого поля. В левой части неоднородности (точка 1) на них действует сила F1, которую можно разложить на продольную Fz (ускоряющую) и радиальную Fф (фокусирующую) части. При этом каждый электрон пучка ускоряется и получает “фокусирующий” импульс
Pф Fф 1,
где 1 — время пролета электронами левой половины неоднородного поля. В правой половине пути между диафрагмами (точка 2) радиальная компонента силы F2 является для электронов рассеивающей, и они получают отклоняющий от оси импульс:
Pp Fp 2
где 2 — время пролета правой части неоднородного поля. Но, если Fp Fф, то из-за нарастания скорости электронов под действием продольной компоненты Fz время 2 1, следовательно, Pф>Pp, и результирующее действие поля между диафрагмами на электроны пучка будет фокусирующим, т.е. траектории электронов будут сходиться к оси. Поэтому говорят, что неоднородное осесимметричное электрическое поле образует электронную линзу. Варьируя потенциал одного из электродов, можно менять напряженность поля между диафрагмами, а, следовательно, и фокусное расстояние такой линзы. Используемую в реальной ЭЛТ систему электродов А1-А2 (рис.2.2.1) можно рассматривать как
Рис.2.2.2. Механизм фокусировки луча в неоднородном поле E
две последовательно установленные линзы типа изображенной на рис.2.2.2. Фокусное расстояние такой системы регулируется потенциалом фокусирующего анода А1, изменяемого примерно от +300 до +500 В относительно катода.
Работу отклоняющей системы рассмотрим на примере вертикально отклоняющих пластин. Пусть электрон, имеющий скорость v вдоль оси z, проходит область однородного поперечного электрического поля Е за время . Тогда он получит поперечный импульс:
P =F =Ee =(U/d)e ,
где U — приложенное к пластинам напряжение; d — расстояние между ними (рис.2.2.3). Следовательно, поперечная компонента его скорости станет равной:
v =P /m=eU /(md)=eUl/(mdv),
где l — длина пластин вдоль оси z. Между пластин электрон движется по параболе, а после выхода — по прямой. Предположим для простоты, что L>>l. Тогда можно считать, что след луча на экране отклонится от оси z на расстояние:
|
|
|
|
|
|
v |
|
e |
|
U |
|
lL |
, |
|
h tg L |
v |
m d v 2 |
||||||||||
|
или, с учетом (1): |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис.2.2.3. Отклонение луча в попе- |
|
lL |
|
U |
. |
|
(2) |
||||||
|
|
|
|
||||||||||
речном электрическом поле |
h 2d |
U A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, смещение луча на экране в первом приближении пропорционально напряжению между пластинами, т.е. данная отклоняющая система является линейной.
Определение. Отношение смещения луча на экране (в мм) к вызвавшему его отклоняющему напряжению (в вольтах) называется чувствительностью ЭЛТ:
= h/U [мм/B].
Для рассмотренной отклоняющей системы по Y с учетом (2) получаем выражение для чувствительности через геометрию отклоняющей систе-
мы “Y”:
Y |
|
lL |
. |
(3) |
|
|
|||||
2dU A |
|||||
|
|
|
|
||
|
|
2 |
|
|
Отсюда видно, что для повышения чувствительности отклоняющей системы ее надо помещать подальше от экрана (увеличивать L), а также уменьшать ускоряющий потенциал UA2. Однако уменьшение UA2 нежела-
тельно из-за потери яркости. У осциллографических трубок чувствительность Y составляет около 1 мм/В.
Чтобы получить на экране трубки график исследуемого сигнала u(t), изменяющегося во времени, надо этот сигнал или пропорциональное ему напряжение подать на вертикально отклоняющие пластины Y:
uY = u(t),
а на пластины Х при этом подать линейно растущее напряжение:
uX = kt.
Тогда светящаяся на экране точка, равномерно перемещаясь по горизонтали слева направо, будет по вертикали отклоняться в соответствии с сигналом u(t), вычерчивая график у(х), который и соответствует поведению u(t). В связи с этим, вертикально отклоняющие пластины Y называются сигнальными, их чувствительность должна быть выше, и поэтому, в соответствии с (3), в ЭЛТ они помещаются дальше от экрана, впереди пластин
X.
2.2.2.Оборудование
Вданной работе изучается осциллографическая трубка 16ЛОЗИ. Элементы ее кода означают следующее:
16 — размер экрана по диагонали в см; ЛО — тип отклоняющей системы — электростатическая; 3 — номер заводской разработки;
И— условный тип люминофора.
Трубка установлена в пластмассовой коробке с клеммными выводами от всех ее электродов, кроме А2, к которому подводится высокое напряжение ~1500 B. Потенциалы на первый анод А1 и на отклоняющие пластины подаются с делителей высокого напряжения от второго анода. Напряжение на модулятор и питание накала берутся от отдельного источника. Упрощенная схема питания трубки показана на рис.2.2.4.
Измерителем напряжений UM, UA1, UX, UY служит высокоомный вольтметр, например, цифровой В7-27 или электростатический С502, имеющий зайчиковую шкалу и очень высокое внутреннее сопротивление
— более 10 ГОм. Ток луча (катодный ток) измеряется амперметром, имеющим достаточно высокую чувствительность по току.
Блок питания трубки (см. рис.2.2.4) находится в отдельном корпусе и генерирует напряжения накала, модулятора и высокое напряжение второго анода (А2). На передней панели блока питания находятся тумблеры включения сетевого питания и высокого напряжения, ручки регулировки напряжения модулятора и второго анода, а также стрелочный двухпредельный вольтметр, который работает либо в режиме измерения напряжения модулятора, либо измерения высокого напряжения анода (А2). Питающие напряжения UM, UA2 и накала UH подводятся к задней стенке коробки, в которой установлена ЭЛТ, а измеряемые величины UA1, UM, UX, UY и IK выведены на клеммы боковой стенки. На боковую стенку выведены также регулировки “яркость”, “фокус”, “смещение Х” и “смещение Y”, управляющие потенциалами различных электродов трубки (см.
рис.2.2.4).
2.2.3. Программа работы |
Рис.2.2.4. Упрощенная схема питания ЭЛТ |
Внимание!!! |
|
1. Включать источник питания только в присутствии преподавателя. Ис- |
|
точник и ЭЛТ постоянно соединены кабелем и разъединению не под- |
|
лежат. |
|
2. От источника на ЭЛТ подается высокое напряжение 1500 В, поэтому |
|
работать с этими приборами следует с исключительной осторожно- |
|
стью. |
|
2.2.3.1. Подготовка к измерениям |
|
1. Исходные положения регулировок ЭЛТ: “яркость” — выведе- |
|
на влево, остальные — в среднем положении. Исходное положение регу- |
|
лировок блока питания: тумблеры “сеть” и “высокое” — выключены; |
|
ручка регулировки напряжения модулятора — в крайнем правом положе- |
|
нии, ручка регулировки высокого напряжения — в крайнем левом поло- |
|
жении. |
|
2. Включить тумблер “сеть” блока питания, обеспечив накал ка- |
|
тода ЭЛТ. |
|
3. Переключить тумблер вольтметра блока питания в положение |
|
измерения напряжения модулятора и записать показания вольтметра. Пе- |
|
реключить тумблер вольтметра в положение измерения высокого напря- |
|
жения. Включить тумблер “высокое” блока питания; плавно вращая ручку |
|
регулировки высокого напряжения, выставить по встроенному вольтмет- |
|
ру напряжение 1500 В. |
|
4. Меняя напряжение модулятора ЭЛТ регулировкой “яркость”, |
|
установить среднюю яркость пятна на экране. Регулировкой “фокус” |
|
уменьшить пятно до минимального размера. Регулировками “смещение |
|
Х” и “смещение Y” установить пятно в любом месте экрана, но желательно не точно в центре, так как постоянная бомбардировка электронами одной и той же точки экрана разрушает в этом месте люминофор.
5.Включить вольтметр и, соблюдая полярность, присоединить его к измерительным клеммам модулятора ЭЛТ (на боковой стенке).
6.Выставив переключатель ампервольтметра в режим измерения постоянного тока до 1 мА, включить его и соединить его токовые гнезда с измерительными клеммами тока катода ЭЛТ (на боковой стенке).
2.2.3.2.Измерения
1.Измерить потенциал модулятора UM и ток катода IK1 при достаточно большой, средней и исчезающе малой яркостях пятна на экране. Результаты записать в таблицу:
Яркость |
UM, B |
IK , мкА |
Большая
Средняя
Нулевая
2.Отключить амперметр от трубки.
3.Переключить вольтметр к клеммам отклоняющей системы “Y”
иопределить её чувствительность Y (мм/В), смещая луч от центра экрана на 3-4 деления к краю (1 дел=10 мм) и измеряя соответствующую этому
смещению разность напряжений UY. Аналогично определить UX. Записать результат в журнал.
4.Переключить вольтметр к измерительным клеммам первого анода и определить его напряжение UA1фок, которое соответствует сфокусированному лучу на экране. При этом следует учесть, что на измерительные клеммы напряжение подается с первого анода через делитель
1:10, т.е. истинное значение UA1=Uизм 10.
5.Рассфокусировать луч до размеров около 5 мм и измерить соответствующее UA1расфок.
6.Отключить вольтметр от ЭЛТ. Выключить тумблером “сеть” источник питания и измерительные приборы.
2.2.4.Контрольные вопросы
1.Объяснить устройство и общий принцип работы ЭЛТ.
2.Объяснить принцип работы отклоняющей системы.
3.Объяснить механизм электростатической фокусировки электронного луча.
1 Измеряемый ток катода IK может быть в несколько раз больше тока луча, дости-
гающего экрана, так как значительная часть электронов задерживается анодными диафрагмами, вырезавшими узкий конус луча для улучшения его фокусировки.
4.Какова роль аквадага в ЭЛТ?
5.Перечислить основные характеристики ЭЛТ.
2.2.5. Литература
С. Г. Калашников. Электричество. М.: Наука, 1985. §§ 178, 187, 188.
2.3. Электронный осциллограф (Лабораторная работа №3)
Целью работы является знакомство с устройством и принципом действия универсального осциллографа, а также с порядком работы при измерении на нем параметров электрических сигналов.
2.3.1. Назначение осциллографа
Осциллограф — это прибор, предназначенный для исследования формы различных электрических сигналов (напряжений) путем визуального наблюдения их на экране прибора. Известные калибровки экрана по вертикали и горизонтали позволяют измерять и различные количественные параметры сигналов: амплитуды, длительности, частоты, средние значения, времена фронтов и спадов импульсов.
Основным элементом осциллографа является электроннолучевая трубка (ЭЛТ). Устройство ЭЛТ и принцип ее действия изложен в п.2.2.1. В осциллографах используется ЭЛТ с электростатическими фокусировкой и отклонением луча. Ввиду малой инерционности электростатических отклоняющих систем, современные универсальные осциллографы позволяют наблюдать периодические процессы частотой до 100МГц и форму импульсов длительностью до 10нс. Для наблюдения и регистрации процессов с частотами в несколько гигагерц (109 1010 Гц) используются специальные скоростные осциллографы, а для регистрации одиночных быстропротекающих процессов применяют запоминающие осциллографы.
В настоящей работе изучается широко распространенный универсальный осциллограф С1-65А.
2.3.2. Блок-схема осциллографа С1-65
Упрощенная блок-схема осциллографа С1-65A показана на рис.2.3.1.
2.3.2.1. Входной делитель и усилитель канала Y
Исследуемый сигнал подается на вход Y. Входным делителем сигнал ослабляется до уровня, определяемого чувствительностью усилителя Y и удобством наблюдения этого сигнала на экране ЭЛТ. Ступенчатая и плавная регулировки входного делителя выведены соосно на переднюю панель осциллографа: “вольт/дел.” и “плавно”.
Использование усилителя Y вызвано тем, что чувствительность ЭЛТ слишком мала (~1 мм/В), а, следовательно, цена деления шкалы экрана слишком велика (~10 В/дел) для непосредственного наблюдения слабых сигналов в электро- и радиоцепях. Так как в осциллографе С1-65А реально достигается цена деления 5мВ/дел, то, следовательно, входной сигнал канала Y усиливается примерно в 200 раз. Обеспечение линейности такого усиления в очень широкой полосе частот — от нескольких герц до 10МГц — является большим достоинством усилителя.
2.3.2.2. Генератор развертки.
Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение для задания равномерного хода луча по экрану слева направо. Роль пилообразного напряжения в формировании изображения на экране ЭЛТ состоит в следующем.
Для получения на экране графика исследуемого сигнала u(t) надо этот сигнал (или пропорциональное ему напряжение) подать на вертикально отклоняющие пластины Y:
uy=u(t),
а на пластины Х при этом подать линейно растущее напряжение:
ux=kt.
Тогда луч осциллографа, равномерно перемещаясь по горизонтали слева направо, будет по вертикали отклоняться в соот-
ветствии с сигналом u(t), вычерчивая график у(х), который и соответствует поведению u(t), так как x~ux~t.
Однако на обычном (универсальном) осциллографе наблюдать однократные процессы практически невозможно, так как их изображение на экране, мелькнув один раз, исчезнет. Как уже отмечалось, для наблюдения таких процессов применяют специальные запоминающие осциллографы. На универсальных же осциллографах исследуются лишь периодические процессы. Для получения их изображения на экране, как правило,
используется так называемый режим непрерывной развертки. Рассмотрим работу осциллографа в этом режиме.
|
Пусть на пластины Y подается ис- |
|
следуемый периодический сигнал, например, |
|
uy=U0 sin t. Если на пластины Х при этом по- |
|
дать линейно растущее напряжение с таким |
|
коэффициентом k , чтобы луч прошел весь |
|
экран по горизонтали за время, равное перио- |
|
ду сигнала T=2 / , то на экране появится |
|
изображение одного периода синусоиды |
|
(рис.2.3.2). Дальнейший рост напряжения ux |
|
уже ничего не дает, так как луч уходит за эк- |
|
ран, т.е. картинка мелькнет и исчезнет. Чтобы |
|
изображение синусоиды на экране было по- |
Рис.2.3.2. Пояснение прин- стоянным, надо в момент достижения лучом |
|
ципа временной развертки |
точки 2 быстро сбросить напряжение ux до |
|
|
|
нуля и снова равномерно его увеличивать, т.е. |
на пластины X надо подать пилообразное напряжение с периодом иссле- |
|
дуемого сигнала Т, как показано на рис.2.3.3 сплошной линией. Тогда при |
||
|
достижении точки 2 луч почти мгновенно |
|
|
вернется в точку 1 и по тому же следу |
|
|
прочертит на экране второй цикл сину- |
|
|
соиды 2-3 (рис.2.3.3). Далее процесс мно- |
|
|
гократно повторяется и на экране будет |
|
|
постоянное изображение одного периода |
|
|
синусоиды. Период пилообразного напря- |
|
|
жения может быть в общем случае кратен |
|
|
периоду исследуемого сигнала, если крат- |
|
Рис.2.3.3. Принцип формиро- |
ность равна N, то на экране будет N цик- |
|
лов сигнала. На рис.2.3.3 пунктиром изо- |
||
вания неподвижного изобра- |
||
|
||
жения |
бражен вариант N=2, так что на экране в |
|
этом случае будет два цикла, т.е. весь уча-
сток 1-3.
Пилообразное напряжение в осциллографе вырабатывает генератор развертки. Режиму непрерывной развертки соответствует автоколебательный режим работы генератора, когда “пила” вырабатывается постоянно без внешнего воздействия на генератор. Скорость развертки (т.е. горизонтальную компоненту скорости луча по экрану) можно регулировать ступенчато и плавно соосными ручками “время/дел” и “плавно” от 100
нс/дел до 50 мс/дел.
В осциллографе предусмотрен также режим ждущей развертки, при котором генератор пилообразного напряжения запускается некоторым внешним по отношению к нему синхроимпульсом только на один шаг “пилы”. Если синхроимпульсы следуют в генератор периодически, то и “пила” будет вырабатываться с периодом этих импульсов. Синхроимпульсы поступают в генератор развертки из блока синхронизации (рис.2.3.1), который в свою очередь формирует их либо из внешних синхроимпульсов, подаваемых на вход X осциллографа (два нижних положения ключа K1 на рис.2.3.1), либо из напряжения с сетевой частотой 50 Гц, либо же из части исследуемого сигнала (верхнее положение ключа K1). Режим ждущей развертки полезен при изучении формы коротких сигналов длительности с, следующих с очень большим периодом: с Т. При непрерывной развертке в этом случае мы увидели бы на экране лишь узкие пички с неразличимой структурой.
Есть в осциллографе и редко используемый режим ручного однократного запуска развертки. Он бывает удобен при исследовании очень медленных процессов (порядка секунды). Генератор развертки в этом режиме запускается на один период нажатием кнопки “готов” при свечении в ней лампочки.
Режим работы генератора развертки задается на передней панели осциллографа переключателем “авт., ждущ., однокр.”, что соответствует непрерывному, ждущему и ручному (однократному) запуску генератора. На рис.2.3.1 первые два режима обозначены в переключателе K2, а последний режим не указан. Ключ K3 позволяет ступенчато увеличивать частоту генератора развертки в 10 раз (множитель “0,1”), а также переключить осциллограф в режим развертки от внешнего напряжения, подаваемого на вход X. В этом случае внешний сигнал с входа X подается на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ по цепи: — входной делитель — усилитель канала Х — ЭЛТ (рис.2.3.1). При этом ключ K1 устанавливается в одно из нижних положений, а ключ K3 — в левое. На передней панели осциллографа это соответствует установке переключателя “1, 0,1, X” в положение “ X”, а переключателя синхронизации
“внутр., сеть, 1:1, 1:10” - в положение “1:1” или “1:10”.
2.3.2.3. Блок синхронизации
Блок синхронизации служит для обеспечения неподвижности изображения сигнала на экране ЭЛТ. Это достигается следующим образом. Чтобы изображение на экране оставалось неподвижным, надо чтобы
период развертки был равен или кратен периоду исследуемого сигнала: |
|
Tp=nTc (n=1, 2, ...). |
(1) |
Однако точно это условие никогда не выполнится в силу ограниченной стабильности генераторов, и при малейшем его нарушении изображение на экране будет перемещаться влево или вправо, превращаясь в сплошное мелькание при возрастании этого нарушения. Действительно, пусть период развертки немного больше периода сигнала (рис.2.3.4). Тогда при каждом очередном прямом ходе луча сигнал на экране будет разворачиваться с некоторым запаздыванием по фазе по сравнению с предыдущим циклом развертки, т.е. если сначала сигнал разворачивался от точки 1, то во втором цикле — уже от точки 2, в третьем — от точки 3 и т.д. Таким образом, на экране мы увидим как бы двигающееся влево изображение отрезка синусоиды, длина которого определяется скоростью развертки (наклоном пилы генератора развертки). На рис.2.3.4 показано несколько последовательных циклов изображения отрезка синусоиды при нарушенной синхронизации.
Для обеспечения точной кратности частот исследуемого сигнала и пилообразного напряжения, т.е. для поддержания на экране совершенно неподвижного изображения, в осциллографе и установлен блок синхронизации. Сущность синхронизации состоит в том, что запуск развертки производится, всегда начиная с некоторого уровня исследуемого сигнала, который устанавливается регулятором “уровень” в блоке синхронизации. Так как один и тот же уровень запускающего сигнала достигается как при росте, так и при спаде напряжения, в блоке синхронизации установлен тумблер “ “, который позволяет выбрать нужный участок для запуска развертки.
Когда тумблер включен в положение “+”, развертка синхронизируется для растущей части исследуемого сигнала, а в положении “ “ — для спадающей части сигнала.
Управлявший частотой развертки сигнал формируется в блоке синхронизации от одного из трех источников:
1)из части напряжения исследуемого сигнала (внутренняя синхронизация);
2)от напряжения сетевой частоты 50 Гц (синхронизация от сети);