3.1 Електронний осцилограф с1-83. Загальна характеристика
Електронний осцилограф – це прилад для візуального спостереження та вимірювання параметрів змінних у часі електричних процесів. Умовно осцилографи можна поділити на чотири групи: 1) лабораторні універсальні з чутливістю до сотень міліметрів на вольт (мм/В); 2) прості осцилографи з чутливістю від 10 до 100 мм/В; 3) осцилографи для спостереження повільних процесів, в яких використовуються електронно-променеві трубки з великою тривалістю післясвітіння екрана; 4) імпульсні осцилографи для спостереження короткочасних процесів. Осцилограф дає можливість спостерігати процеси тривалістю до 10-8 – 10-7 с.
У лабораторній роботі використовується універсальний двоканальний осцилограф С1-83. Цей осцилограф призначений для візуального спостереження і дослідження електричних сигналів у діапазоні частот 0-5 МГц. Він дозволяє:
вимірювати амплітудні та часові параметри досліджуваного сигналу;
одночасно спостерігати зображення двох досліджуваних сигналів на одній розгортці;
спостерігати функціональні залежності між двома сигналами в режимі X-Y.
Діапазон вимірювання напруги – від 200 мкВ до 200 В, діапазон вимірювання часових інтервалів –від 100 нс до 20 с. Похибка вимірювання залежить від діапазону і в середньому складає 6 %. До основних блоків універсального осцилографа С1-83 входять: електронно-променева трубка (скорочено ЕПТ), генератор розгортки, блок синхронізації, два підсилювача вертикального відхилення електронного променя, блок живлення, генератор для калібрування масштабу часу та напруги.
Основним елементом електронного осцилографа є електронно-променева трубка (ЕПТ).
У середині ЕПТ створюється вакуум (див. рис. 8.1). Електронний пучок випромінюється нагрітим до високої температури катодом 1 (явище термоелектронної емісії). Далі електронний пучок проходить крізь отвір у керуючому електроді 2, від потенціалу якого залежить інтенсивність електричного струму. Змінюється потенціал цього електрода за допомогою регулятора на панелі осцилографа “яркость” (див. рис. 8.3). Потім електронний пучок спрямовується в отвір у першому аноді 3, до якого підведена стала позитивна напруга в кілька сотень вольт. Перший анод 3 розміщено і побудовано так, що його поле концентрує електронний пучок (пучок стає тонким). Потенціал анода 3 змінюється регулятором “фокус” (див. рис. 8.3). До другого анода 4 підведена більш висока напруга. Поле другого анода 4 призначене для прискорення електронів до великої швидкості. У цілому цю першу частину електронно-променевої трубки (позиції 1-4, див. рис. 8.1) часто називають електронною гарматою (або електронним прожектором). Повна напруга, яка подається до електронної гармати ЕПТ осцилографа С1-83, приблизно дорівнює 5000 В.
Рисунок 8.1 — Схема електронно-променевої трубки: 1 – катод; 2 – керуючий електрод; 3 ‑ перший анод; 4 – другий анод; 5 –пластини конденсатора, які відхиляють пучок у вертикальному напрямку; 6 – пластини конденсатора, які відхиляють пучок у горизонтальному напрямку; 7 – флуоресціюючий екран; 8 ‑ електронний пучок |
Далі пучок електронів проходить між
пластинами двох плоских конденсаторів
5 і 6 (див. рис. 8.1). Конденсатори розміщені
взаємно перпендикулярно. Завдяки цьому
пучок електронів може відхилятись під
дією електричних полів конденсаторів
у взаємно перпендикулярних напрямках.
Величина зміщення залежить як від
значення напруги, що прикладена до
пластини, так і від швидкості руху
електронів. Так, якщо одна напруга
пропорційна змінній з часом величині
,
а друга – величині
,
то на екрані осцилографа світна точка
описуватиме деяку функцію
в прямокутній системі координат.
Як правило, на перший конденсатор 5, електричне поле якого відхиляє пучок у вертикальній площині, подається досліджувана напруга. На другий конденсатор 6, електричне поле якого відхиляє пучок у горизонтальній площині, подається напруга пилкоподібної форми від генератора розгортки (див. рис. 2). Пилкоподібна форма напруги розгортки характерна тим, що протягом досить великого проміжку часу Т1 зростання напруги пропорційне часу, а спад напруги відбувається практично миттєво за час Т2 (Т2<<Т1). Тому електронний пучок відхиляється зліва направо пропорційно часу (прямий або робочий хід) і потім практично миттєво повертається у вихідне положення (зворотний хід). Під час зворотного ходу промінь гаситься, тому на екрані спостерігається лише прямий хід. Якщо період розгортки великий, то рух світної точки добре помітний на екрані. В цьому разі рух світної точки дуже часто повторюється, і око людини не може розрізнити переміщення променя — на екрані спостерігається неперервна лінія. Період розгортки можна регулювати на панелі осцилографа перемикачем “время/дел”, а також ручкою “плавно развертка” (див. рис. 8.3).
Таким чином створюється відхилення електронного променя 8 (див. рис. 8.1), яке в горизонтальному напрямі прямо пропорційне часу, а у вертикальному напрямі — напрузі досліджуваного сигналу. Електронний пучок 8 залишає на флуоресціюючому екрані 7 (див. рис. 8.1) слід, який являє собою розгорнуту картину досліджуваних електричних коливань.
Рисунок 8.2 – Залежність напруги генератора розгортки від часу (розгортка пилкоподібної форми): T1 – час зростання напруги, T2 – час спаду напруги (Т2<<Т1) |
Створений на екрані осцилографа флуоресціюючий слід буде нерухомим (тобто електронний промінь на екрані буде рухатись по одній і тій самій кривій) лише тоді, коли частоти досліджуваного сигналу і пилкоподібної напруги будуть кратними. Якщо не виконати цю умову, то зображення на екрані буде рухатись. Для узгодження частоти досліджуваного сигналу з частотою генератора розгортки застосовують синхронізацію. Синхронізація може здійснюватись безпосередньо як за допомогою досліджуваного сигналу (найчастіше), так і за допомогою зовнішнього джерела або внутрішнього джерела напруги (різні режими синхронізації осцилографа встановлюються перемикачами “синхронизация” (див. рис. 8.3)). При синхронізації від досліджуваного сигналу генератор розгортки запускається в момент часу, коли напруга досліджуваного сигналу набуває якогось визначеного значення. Це визначене значення може регулюватись на панелі осцилографа “Уровень” (див. рис. 8.3). Завдяки цьому світна точка на екрані осцилографа починає рухатись з одного і того самого місця. В цьому випадку лінія, вздовж якої рухається на екрані електронний промінь, з часом не зміщується й стає нерухомою.