№

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Технологический институт

Федерального государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

"Южный федеральный университет"

Приоритетный национальный проект "образование"

М

Кафедра автоматизированных систем научных исследований и экспериментов

етодические указания

к выполнению лабораторной работы

Электронно-лучевой осциллограф

по курсу

Метрология, стандартизация, сертификация

Для студентов специальностей

200503 Стандартизация и сертификация

Таганрог 2009

У ДК

Составитель Т.В.Шушкевич.

Методические указания к выполнению лабораторной работы "Электронно-лучевой осциллограф" по курсу "Метрология, стандартизация, сертификация". – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. – 34 с.

Данное пособие содержит основные теоретические сведения, методику выполнения лабораторной работы и описание используемых приборов. Для студентов специальности 200503.

Табл.6. Ил. 17. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент С.В.Кавчук, канд. техн. наук, доцент кафедры АСНИ и Э ТТИ ЮФУ.

Цель работы. Ознакомление с устройством и возможностями электронно-лучевых осциллографов. Приобретение навыков измерения параметров периодического напряжения с помощью осциллографа.

1. Общие сведения

Электрические процессы, протекающие во многих устройствах, являются весьма сложными и определяются большим числом параметров, непосредственное измерение которых стрелочными приборами не всегда возможно и рационально. Для полной характеристики таких процессов необходимо знать закон их изменения во времени.

Электроннолучевыми осциллографами называются универсальные измерительные приборы, предназначенные для наблюдения и исследования разнообразных электрических процессов, графически воспроизводимых на экране электроннолучевой трубки. Помимо качественной оценки исследуемых процессов, осциллографы позволяют измерять ряд их параметров: максимальные и мгновенные значения напряжений и токов, длительность импульсов и т. д. Они используются в качестве индикаторов в измерительных мостах переменного тока, а также при измерениях методами сравнения частоты, фазовых сдвигов, коэффициента амплитудной модуляции и других параметров радиосигналов. Благодаря малой инерционности осциллографы пригодны для исследования периодических колебаний в широком диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до десятков и сотен мегагерц, а также непериодических и редко повторяющихся колебаний, например одиночных импульсов или электрических разрядов. Высокая чувствительность определяет возможность исследования очень слабых колебаний, а большое входное сопротивление обусловливает малое влияние прибора на режим исследуемых цепей.

Электроннолучевые осциллографы применяются как в виде отдельных приборов, так и в качестве компонентов измерительных установок, позволяющих воспроизводить на экране трубки вольт-амперные, частотные, амплитудные, фазовые, переходные и другие характеристики цепей.

Ниже рассматриваются принципы построения и действия основных компонентов электроннолучевых осциллографов, которые определяют технические возможности этих приборов и способы управления ими при измерениях.

2. Индикаторы электроннолучевых осциллографов

В качестве индикаторов осциллографов широкого применения используются электроннолучевые трубки (ЭЛТ) с электростатической фокусировкой и управлением. Исследуемый процесс отображается светящейся кривой (осциллограммой), возникающей на экране трубки в результате бомбардировки его электронным лучом, т. е узким пучком быстро летящих электронов.

На рис. 1 показаны устройство и схема включения осциллографической ЭЛТ простейшего типа. Она представляет собой электровакуумный прибор с длинным стеклянным баллоном цилиндрической формы, имеющим на одном из концов конусообразное расширение. Электроды, расположенные внутри баллона, разделяются на две группы. Одни из них образуют электронную пушку, которая создает электронный луч, направленный вдоль оси трубки. Другие электроды составляют отклоняющую систему, которая служит для управления электронным лучом при движении его к люминесцирующему экрану, нанесенному на внутреннюю поверхность основания конуса.

Рис. 1. Устройство и схема включения осциллографической электроннолучевой трубки

Электронная пушка состоит из подогреваемого катода К, модулятора М и двух анодов А1 и А2. При нагревании с торцовой поверхности катода, в центральной части которого нанесен оксидный слой, происходит эмиссия электронов. Питание электронной пушки производится от источника высоковольтного напряжения U_B = 1 ÷ 3 кВ через делитель напряжения R4–R7.

Первоначальная фокусировка потока электронов осуществляется при помощи модулятора М, который выполняется в виде металлического цилиндра, окружающего катод, с небольшим круглым отверстием в центре основания. На модулятор подается отрицательное (по отношению к катоду) напряжение (несколько десятков вольт), под действием которого электроны концентрируются вблизи оси трубки. Здесь электроны попадают в ускоряющее поле первого анода А1 и часть из них, преодолевая отталкивающее действие со стороны основания модулятора М, проскакивает в его центральное отверстие и устремляется по направлению к аноду. Изменяя потенциометром R4 (с надписью «Яркость») потенциал модулятора, можно регулировать количество электронов, образующих электронный луч, а следовательно, и вызываемую ими яркость свечения экрана. При некотором отрицательном напряжении на модуляторе (напряжении запирания) все эмиттируемые электроны возвращаются обратно на катод и изображение на экране пропадает. Во многих осциллографах предусмотрена возможность подачи на модулятор (через гнездо «Модулятор» и разделительный конденсатор С1 – так называемый вход Z осциллографа) переменного или импульсного напряжения с целью модуляции плотности электронного луча и связанной с нею яркости светового пятна на экране.

Электроны приобретают требуемую скорость под воздействием электрических полей двух цилиндрических анодов А1 и А2, расположенных вдоль оси трубки. На аноды подаются положительные напряжения: 100 – 500 В на анод А1 и 1 – 3 кВ на анод А2. Попадая внутрь первого анода, электроны после пересечения в осевой точке О1 движутся по расходящимся траекториям. Для ограничения ширины потока электронов аноды снабжены диафрагмами в виде перегородок с узкими отверстиями в центре.

Окончательное оформление потока электронов в электронный луч и фокусировка его происходят в электростатическом поле между первым и вторым анодами. Внутри первого анода силовые линии идут под большим углом к оси трубки и на электроны действуют значительные силы, увлекающие их вперед по направлению к осевой точке О2. Однако внутри второго анода направление силовых линий изменяется так, что электроны, продолжая двигаться ускоренно, в то же время несколько оттягиваются от оси. По выходе за пределы второго анода электроны летят с постоянной скоростью под малым углом к оси трубки по прямолинейным траекториям, сходящимся в некоторой осевой точке О. Изменяя потенциометром R5 (с надписью «Фокус») напряжение, подводимое к первому аноду, подбирают такую форму поля между анодами А1 и А2, при которой электронный луч фокусируется в точке О, лежащей на поверхности экрана; при этом на экране наблюдается световое пятно диаметром в десятые доли миллиметра.

Экран трубки представляет собой нанесенный на поверхность стекла тончайший слой специального вещества – люминофора, способного светиться под действием ударов электронов. Все люминофоры обладают свойством послесвечения, которое оценивается временем, отсчитываемым с момента прекращения возбуждения экрана, в течение которого яркость свечения изображения падает до 10% первоначальной. В осциллографах, предназначенных для визуального наблюдения, применяются преимущественно трубки с экранами зеленого свечения, имеющими время послесвечения 0,01 – 0,1 с. Для исследования медленно протекающих и непериодических процессов используются трубки с экранами длительного послесвечения (до десятков секунд).

Длительное воздействие резко сфокусированного электронного луча на одну и ту же точку экрана при большой яркости свечения может вызвать выгорание люминофора. Поэтому для увеличения срока службы трубки рекомендуется избегать чрезмерной яркости свечения экрана и не допускать появления на нем неподвижной светящейся точки.

Электроны луча, бомбардируя экран, выбивают из него вторичные электроны. Благодаря этому устраняется опасность накопления на экране отрицательных зарядов и устанавливается электрическое равновесие, при котором потенциал экрана остается неизменным. Для отвода вторичных электронов на внутреннюю поверхность трубки, начиная от второго анода и почти до экрана, наносят проводящий слой графита, так называемый аквадаг, который электрически соединяют со вторым анодом.

Графитовое покрытие полезно и тем, что оно экранирует электронный луч от электрических и магнитных полей, существующих вне трубки. Однако эта экранировка не всегда является достаточной. Поэтому трубку часто помещают в цилиндр из мягкой стали, ослабляющий влияние магнитных полей, создаваемых трансформаторами и дросселями осциллографа; последние желательно помещать возможно дальше от трубки. Дополнительную экранировку от внешних полей создает металлический кожух (корпус) осциллографа.

Управление электронным лучом в осциллографических трубках осуществляется с помощью двух пар взаимно перпендикулярных пластин: вертикально отклоняющих Y1 и Y2 и горизонтально отклоняющих XI и Х2, расположенных между вторым анодом и экраном. При отсутствии на этих пластинах напряжений электронный луч, перемещаясь прямолинейно, создает светящееся пятно в центре экрана О. При подаче на пару пластин, например Yl, Y2, постоянного напряжения Uy между ними возникает электрическое поле, пересекая которое электроны двигаются по параболе, отклоняясь в сторону положительно заряженной пластины (рис. 2).

Рис. 2. Траектория полета электрона при воздействии на него поля отклоняющих пластин

Выйдя за пределы этого поля, электроны, сохраняя полученное направление движения, летят вновь прямолинейно и попадают на экран в некоторой точке А, смещенной по вертикали от точки О на расстояние

,

пропорциональное напряжению . Коэффициент пропорциональности называется чувствительностью трубки к отклонению по вертикали и численно характеризует размер отклонения светового пятна на экране (в миллиметрах) при подведении к пластинам Y1 и Y2 напряжения 1 В. При подаче постоянного напряжения на вторую пару пластин XI и Х2 светящееся пятно на экране смещается от точки О по горизонтали на расстояние

,

где – чувствительность трубки к отклонению по горизонтали, мм/В.

Чувствительность к отклонению является важнейшим параметром ЭЛТ; она зависит от конструкции трубки и режима ее работы и при параллельном расположении пары отклоняющих пластин определяется формулой

,

где b – длина отклоняющих пластин; m — расстояние от центра пластин до экрана; d – расстояние между пластинами, – напряжение на втором аноде.

С целью повышения чувствительности к отклонению уменьшают расстояние d между отклоняющими пластинами, что ведет к возрастанию напряженности электрического поля. При этом, однако, возникает опасность перехвата электронов положительно заряженной пластиной. Чтобы избежать этого, отклоняющие пластины часто располагают не параллельно, а под углом друг к другу с раствором в сторону экрана; применяют также способ отгибания наружу концов пластин, ближайших к экрану.

Повышения чувствительности можно достигнуть и путем понижения напряжения на втором аноде, приводящего к уменьшению скорости электронов. Однако это не всегда допустимо из-за ослабления яркости свечения экрана и ухудшения фокусировки луча. Высокая чувствительность при большой скорости электронов обеспечивается в трубках с послеускорением, имеющих третий анод, находящийся под напряжением в несколько киловольт и расположенный между отклоняющими пластинами и экраном. В качестве третьего анода обычно используют кольцеобразный слой аквадага, который в этом случае имеет вывод на баллоне ЭЛТ.

Чувствительность к отклонению осцнллографических трубок лежит в пределах от 0,1 до 0,5 мм/В. Обычно , так как горизонтально отклоняющие пластины располагают, как правило, дальше от экрана, чем вертикально отклоняющие.

Электроны имеют ничтожную массу, поэтому при изменении напряжения на отклоняющих пластинах электронный луч практически мгновенно изменяет свое направление, вызывая сдвиг светового пятна на экране. При подводе к одной паре отклоняющих пластин, например Yl – Y2, переменного напряжения световое пятно будет непрерывно перемещаться по вертикали. Если частота этого напряжения превышает 10 – 20 Гц, то вследствие инерционности зрительного восприятия и наличия послесвечения экрана отдельные положения светового пятна не различаются и на экране наблюдается вертикальная светящаяся линия. Длина линии L (вертикальный размер изображения) определяется размахом (двойной амплитудой) переменного напряжения. Поэтому, измерив L, можно получить оценку значения измеряемого напряжения

,

где К_y – коэффициент вертикального отклонения (В/см или В/дел).

При одновременном воздействии переменных напряжений на пластины Yl, Y2 и XI, Х2 положение светового пятна на экране в каждый момент времени определяется мгновенными значениями отклоняющих напряжений и на экране наблюдается кривая сложной траектории перемещения пятна, называемая осциллограммой.