Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы: Ознакомление с устройством и принципами работы электронного осциллографа С1-55, приобрести навыки измерения параметров электрических сигналов и расчета погрешностей измерений.

Приборы и принадлежности: Двулучевой осциллограф С1-55, генератор Г3-102, генератор Г3-111.

Краткие теоретические сведения

Электронный (электронно-лучевой) осциллограф принадлежит к числу приборов, предназначенных для измерения быстро изменяющихся физических величин. К основным элементам осциллографа относят: электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), генератор развертки, блок синхронизации, усилители сигналов, подаваемых на отклоняющие пластины, блок цифровых измерений и блок питания (рис. 1).

Рисунок 1 - Схема структурная электронно-лучевого осциллографа

Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянную колбу специальной формы, внутри которой создан высокий вакуум. В ней (рис. 2) последовательно расположены катод, отрицательно заряженный фокусирующий цилиндр, два анода и две пары отклоняющих пластин (конденсаторов). Внутренняя поверхность экрана ЭЛТ покрыта флюоресцирующим составом.

Рисунок.2 - Электронно-лучевая трубка осциллографа:

1 - катод; 2 - фокусирующий цилиндр; 3 - первый анод; 4 - второй анод;

5 - вертикально отклоняющие пластины; 6 - горизонтально отклоняющие пластины; 7 - экран; 8 - пучок электронов

Принцип работы ЭЛТ основан на законах электростатики, и в первую очередь, на закономерностях электрического поля в вакууме. Вся совокупность электрических явлений есть следствие движения и взаимодействия зарядов. Существует два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные. Материальным носителем отрицательного заряда служит электрон, положительного – протон. Наименьшую величину называют элементарным зарядом, и она равна Кл. Любой электрический заряд кратен элементарному заряду.

Электрические заряды взаимодействуют друг с другом, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Силу взаимодействия двух точечных электрических зарядов определяют по закону Кулона:

(1)

где q₁ и q₂ - величины взаимодействующих зарядов; - расстояние между зарядами. Множитель играет роль коэффициента пропорциональности, который зависит от выбора единиц физических величин, входящих в (1). В системе СИ, где силу выражают в ньютонах, заряд – в кулонах, а расстояние – в метрах,

При изменении положения заряда q₁ будет также происходить изменение величины силы как по модулю, так и по направлению. Обычно говорят, что заряд q₁ находится в поле, созданном зарядом q₂. Это поле называют электрическим. Характеристикой его служит вектор, равный силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку пространства. Этот вектор называют напряженностью электрического поля :

(2)

Выражение (2) описывает электрическое поле, созданное точечным зарядом q₂ в точке, удаленной на расстояние от него. Если электрическое поле создано системой точечных зарядов, то для нахождения напряженности результирующего поля используют принцип суперпозиции: напряженность поля системы точечных зарядов равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из точечных зарядов в отдельности, независимо от присутствия остальных зарядов:

(3)

Зная напряженность электрического поля, можно определить силу, действующую на любой точечный заряд, помещенный в данную точку поля (при условии, что его внесение не изменяет напряженности поля):

(4)

Электростатическим называют поле, созданное неподвижными электрическими зарядами.

Рассмотрим взаимодействие основных элементов ЭЛТ с учетом изложенных закономерностей.

Катод 1 (рис. 2) служит источником электронов (отрицательных зарядов), количество которых регулируется с помощью отрицательно заряженной сетки 2. Вылетев с поверхности катода 1, пучок электронов последовательно проходит первый анод 3, а затем – второй 4. Анод 3, имеющий положительное напряжение несколько сот вольт, фокусирует световой луч в одной точке на экране ЭЛТ. Анод 4 ускоряет движение электронов, т.к. имеет положительный потенциал несколько тысяч вольт.

Пластины 5 и 6 обеспечивают управление электронным пучком, перемещая световое пятно по экрану ЭЛТ.

Электроны (как видно на рис. 2), вылетев с катода 1, проходят через ряд электрических полей, создаваемых зарядами соответствующих элементов. Проходя через них, электроны изменяют траекторию движения, что объясняется силовым взаимодействием движущихся зарядов и полей. Следует заметить, что электростатические поля могут быть однородными, как, например, между парами пластин 5 и 6 (напряженность во всех точках одинаковая), или неоднородными, если напряженность меняется по направлению и величине (между элементами 2, 3, 4 и 5).

Оказалось, что управляющее действие электростатических полей заключено не только в отклонении пучка электронов от первоначального направления. При помощи различных полей можно пучок электронов сделать сходящимся или расходящимся, подобно лучам света.

Этим свойством обладают неоднородные поля, имеющие выпуклые и вогнутые эквипотенциальные поверхности (например, между элементами 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5).

Рассмотрим фокусирующее действие электрического поля на примере движения электронов от первого ко второму аноду. Распределение потенциала между ними в пространстве характеризуется эквипотенциальными поверхностям (рис. 3).

Электрическое поле сосредоточено в основном у щели между цилиндрами. Предположим, что электрон влетел в зазор между цилиндрами слева направо под углом к их оси. За время, течение которого он пролетает зазор между цилиндрами, электрическое поле сообщает ему ускорение вдоль оси (тангенциальные составляющие силы имеют все время одно направление). В то же время он отклоняется сначала вниз, а потом вверх за счет действия нормальной составляющей .

Рисунок 3 - Схема фокусирующего действия электростатического поля:

E – напряженность; F – сила; A₁ , A₂ – первый и второй аноды; 1 – электрон;

2 – траектория электрона; 3 – линии равного потенциала

Следовательно, в электрических полях, эквипотенциальные поверхности которых обращены выпуклостями к катоду, электроны при своем движении будут собираться к горизонтальной оси (действие таких полей похоже на действие собирающих линз). Если эквипотенциальные поверхности полей имеют противоположное направление, то электроны будут расходиться от горизонтальной оси (действие таких полей подобно действию рассеивающих линз).

На пути к экрану электронный пучок проходит между двумя парами отклоняющих пластин. Напряжения, приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля, которые отклоняют электронный луч и приводят к смещению светящегося пятна на экране. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (вдоль оси ), а вертикально расположенные - по горизонтали (вдоль оси X).

Установим связь между напряжением на горизонтальных пластинах А и В и смещением пятна на экране (рис. 4).

Электрон влетает в однородное электрическое поле, имеющее напряженность , со скоростью . Вдоль оси Z на него не действуют никакие силы, поэтому в этом направлении он движется равномерно:

(5)

Рисунок 4 - Схема расчетная смещения электронного пучка горизонтально расположенными

пластинами: А, В - пластины; l -длина пластин; d - расстояние между пластинами; Y, Z - координаты движения электронов; у₁ ,у₂ ,a, L - характеристики траектории электронного пучка.

Вдоль оси Y на электрон действует постоянная сила

(6)

где – напряженность поля между пластинами:

. (7)

Следовательно, движение электрона вдоль оси Y будет равноускоренным:

Ускорение a найдем из второго закона Ньютона:

; .

Тогда, учитывая, что получаем

(8)

Из формулы (8) следует, что траектория движения электрона между пластинами представляет собой параболу. При выходе из пространства между пластинами электрон отклонится от своего первоначального направления на угол и сместится по оси на :

, .

Смещение светящегося пятна на экране равно:

.

Так как значительно меньше значения , то

и пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах.

Отклонение пятна на экране ЭЛТ (в миллиметрах), вызванное напряжением 1 В на отклоняющих пластинах, называют чувствительностью трубки:

.

Если - потенциал второго анода относительно катода, то

, откуда .

Тогда чувствительность ЭЛТ окажется равной

и зависящей, как от расстояния между пластинами и экраном, так и от потенциала на втором аноде.

Для того, чтобы на экране осциллографа можно было увидеть, как в изучаемом физическом процессе некоторая величина y изменяется в зависимости от изменения другой физической величины х, т.е. необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение U_х, пропорциональное х, а на вертикально отклоняющие пластины одновременно подать напряжение U_у, пропорциональное у.

Тогда электронный луч начертит на экране линию, соответствующую зависимости .

Если теперь заставить луч неоднократно повторить тот же путь по экрану, то вследствие инерционности глаза наблюдатель увидит неподвижный график зависимости

Рисунок 5 - Схема сигналов управления движением пучка электронов

по экрану осциллографа:

U – напряжение; t – время; а – изменение напряжения на вертикально отклоняющих пластинах; б – сигнал синхронизации; в – изменение напряжения на горизонтально отклоняющих пластинах; г– результирующий сигнал на экране осциллографа

На практике часто приходится наблюдать изменение физических величин от времени, т.е. . В этом случае на вертикально отклоняющие пластины необходимо подать напряжение U_y, пропорциональное исследуемой физической величине у (рис. 5а), а на горизонтально отклоняющие пластины – напряжение U_x, изменяющееся пропорционально t (рис. 5в).

Для создания напряжения, которое изменяется пропорционально времени, в осциллографе имеется генератор развертки. Под действием вырабатываемого им напряжения луч смещается по экрану ЭЛТ слева направо, причем в любой момент времени это смещение будет пропорционально времени, отсчитываемому от начала движения луча. Одновременно поданное на вертикально отклоняющие пластины напряжение, пропорциональное исследуемой физической величине у, будет смещать луч по вертикали в соответствии с изменением у. Однако, когда луч дойдет до крайнего правого положения, его нужно мгновенно перевести в исходное положение, а физический процесс повторить сначала. Следовательно, напряжение генератора развертки скачком должно измениться до первоначального значения, а потом снова начать расти по тому же закону. Поэтому зависимость напряжения генератора развертки от времени должна иметь вид, показанный на рис. 5в. Такое изменение принято называть пилообразным.

Для получения устойчивой картины на экране осциллографа необходимо, чтобы частота пилообразного напряжения совпадала или была меньше в целое число раз частоты повторения изучаемого физического процесса. Поэтому частота напряжения, вырабатываемого генератором развертки, может меняться в широком диапазоне. С помощью специального блока синхронизации частота напряжения генератора развертки синхронизируется с исследуемым напряжением любой формы (рис. 5б), подаваемым на вертикально отклоняющие пластины.

Синхронизация может производиться как напряжением самого исследуемого сигнала, так и напряжением, подаваемым от внешнего источника на специальные гнезда осциллографа. В режиме внутренней синхронизации запуск развертки начинается принудительно с приходом сигнала. В момент времени, когда напряжение сигнала достигает некоторого порога, блок синхронизации вырабатывает короткий импульс (рис. 5б). Этот импульс приводит в действие генератор развертки, результатом работы которого является пилообразное напряжение (рис. 5в). Это позволяет каждый раз с периодическим приходом сигнала как бы совмещать нуль оси времени. При необходимости сравнения длительности различных процессов, измерениях фазы и т.п. за нуль оси времени можно выбрать момент появления другого сигнала, который и будет запускать генератор в режиме внешней синхронизации. Регулировка порога срабатывания синхронизатора обеспечивается ручкой УРОВЕНЬ (амплитуда синхронизации).

Чувствительность электронно-лучевой трубки, как правило, невелика, поэтому на отклоняющие пластины напряжение подают обычно через усилители. Характеристики усилителей отклоняющих пластин (линейность и диапазон пропускаемых частот) во многом определяют возможности осциллографа.

Порядок настройки и работы и поверки конкретной конструкции осциллографа указывается в его техническом описании и инструкции по эксплуатации.