Изучение электронного осциллографа

Цель работы: ознакомиться с устройством осциллографа, научиться с помощью осциллографа измерять напряжение, частоту, период колебаний, значения некоторых других физических величин, пронаблюдать фигуры Лиссажу.

Оборудование: лабораторный комплекс ЛКЭ-6, осциллограф двухканальный МOS-620, ГЗЧМ – генератор звуковой частоты и метроном, генератор звукового диапазона, построенный на элементах комплекса ЛКЭ-6, соединительные шнуры и провода.

Введение

Электронный осциллограф (рис. 1) – это прибор, используемый для исследования быстропротекающих процессов электрических сигналов. Основой электронных осциллографов является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), на экране которой можно получать осциллограмму исследуемого электрического процесса (видимое изображение сигнала), наблюдать и фиксировать (фотографировать) его. Наибольшее распространение находят ЭЛТ с электростатическим формированием электронного луча. Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянный вакуумный сосуд, состоящий из цилиндрической и конической части (рис. 2). Внутри него размещены электронный прожектор (I) и управляющие пластины (2). Дно конической части 6 стеклянного сосуда c внутренней стороны покрыто люминофором. Люминофор – это сернистое соединение цинка с определенными добавками, от которых зависит цвет свечения. Атомы люминофора, возбуждаясь под действием быстрых электронов, летящих от катода, излучают свет. Чем больше ток электронного луча, тем сильнее свечение люминофора. Обычно, выбирается светло зеленый цвет свечения. Осциллографы, экраны которых предназначены для фотографирования осциллограмм, имеют синее свечение.

Рисунок 1. Осциллограф

Электронный прожектор I рис 2 предназначен для создания, фокусировки и ускорения электронного пучка. Он состоит из катода косвенного накала 4, управляющего электрода 1, фокусирующего А1 и ускоряющего А2 электродов. Управляющий электрод 1 имеет отрицательный потенциал относительно катода, поэтому сжимает электронный пучок в узкий луч и влияет на силу тока луча, и, следовательно, на яркость свечения экрана. Фокусирующий электрод А1 (первый анод) имеет небольшой положительный потенциал относительно ускоряющего электрода А2 (второго анода). Между А1 и А2 возникает двояко-выпуклая электронная линза. Это дает возможность фокусировать электронный луч в области экрана. Все электроды прожектора имеют цилиндрические формы с перегородками, в центре которых сделаны отверстия для пролета электронного пучка. Под номером 3 изображен спиральный нагреватель катода.

Рисунок 2. Электронная лучевая трубка

Рисунок 3. Действие электронных линз на электронный поток прожектора

Рассмотрим фокусирующее действие электрического поля на поток электронов на примере действия на электроны электрического поля между А1 и А2. Распределение потенциала в пространстве характеризуется эквипотенциальными поверхностями на рис. 3, электрическое поле сосредоточено между А1 и А2. Предположим, что электрон влетел в зазор между цилиндрами слева направо под углом к оси цилиндров анодов. За время, в течение которого он пролетает зазор между цилиндрами, электрическое поле сообщает ему ускорение вдоль оси за счет тангенциальных составляющих сил F_τ. В то же время электрон отклоняется сначала к оси трубки – при входе в электронную линзу, а потом от оси – за счет действия F_n при выходе из поля электронной линзы. Следовательно, в электрических полях, эквипотенциальные поверхности которых обращены выпуклостями к катоду, электроны при своем движении будут отклоняться к горизонтальной оси трубки (действие таких полей похоже на действие выпуклой собирающей линзы). Если поверхности полей имеют противоположную выпуклость, то электроны будут расходиться от горизонтальной оси трубки (действие таких полей похоже на действие вогнутых рассеивающих линз). Меняя напряжение на А1, можно четко сфокусировать электронный пучок на экране.

На пути к экрану электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин. Напряжения, приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля, которые отклоняют электронный луч. Это приводит к смещению светящегося пятна на экране. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (ось Y), вертикально расположенные пластины отклоняют луч горизонтально (ось Х).

Если установить связь между напряжением на пластинах и смещением по оси Y пятна на экране, можно прийти к выводу, что смещение пятна пропорционально напряжению на пластинах: , где U – напряжение между пластинами, Y – смещение светящегося пятна на экране, е – заряд электрона, l – длина пластин, L – расстояние между пластинами и экраном, d – расстояние между пластинами, v – начальная скорость электронов, m – масса электрона.

Для того, чтобы на экране осциллографа можно было увидеть, как в некотором физическом процессе величина y меняется в зависимости от изменения другой физической величины х т.е. y = f(х), необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение U_х, пропорциональное Х, а на вертикально отклоняющие пластины одновременно подать напряжение U_у. Тогда электронный луч начертит на экране линию, соответствующую зависимости y = f(х). Если теперь заставить луч неоднократно повторять тот же путь по экрану, то вследствие инерционности зрения наблюдатель увидит неподвижный график зависимости y = f(х).

Наиболее часто осциллографы используются для исследования зависимости мгновенных значений напряжения от времени. Для этой цели применяют созданное специальным генератором осциллографа линейно нарастающее напряжение – линейную развертку. Причем на вертикально отклоняющие пластины подают напряжение пропорциональное исследуемой физической величине y, а на горизонтально отклоняющие пластины – напряжение, изменяющееся пропорционально времени (развертку).

Для создания напряжения, которое изменяется пропорционально времени, в осциллографе имеется генератор горизонтальной 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 y (рис. 4), будет смещать луч по вертикали в соответствии с изменением y, однако, когда луч дойдет до крайнего правого положения ЭЛТ, его нужно мгновенно перевести в исходное положение, а физический процесс повторить сначала. Следовательно, напряжение генератора развертки, доведя луч до крайнего правого положения экрана, скачком должно измениться до первоначального значения, а потом снова начать расти по тому же закону. Такое напряжение принято называть пилообразным. Причем во время обратного хода луча его гасят (выключают), поэтому обратный ход луча невидим (рис. 4).

Чтобы картина на экране осциллографа получилась устойчивой, необходимо, чтобы частота пилообразного напряжения (развертки) совпала или была ниже в кратное число раз частоты исследуемого физического процесса.

При работе с осциллографом частоту развертки регулируют в широких пределах до получения на экране изображения одного или нескольких периодов исследуемого сигнала. Однако характерная для генераторов развертки нестабильность частоты вызывает неустойчивость изображения и оно перемещается по горизонтали влево или вправо.

Синхронизация частоты генератора развертки позволяет получить на экране устойчивое изображение. Для этого частоту развертки регулируют до получения изображения близкого к устойчивому и подводят (включают) к генератору развертки напряжение синхронизации, частота развертки становится равной или кратной этому напряжению. Начальные фазы развертки и исследуемого сигнала в этом случае совпадают. Обычно используют внутреннюю синхронизацию, при которой напряжением синхронизации служит напряжение исследуемого сигнала. Это напряжение берется с одного из каскадов усилителя вертикального отклонения (УВО) осциллографа (рис. 5). В качестве напряжения синхронизации можно использовать также напряжение сети питания 50 Гц или подаваемое на вход внешней синхронизации другое внешнее напряжение.

Рисунок 4. Осциллограммы синусоидального напряжения: а) при отсутствии развертывающего напряжения; б) при частоте развертывающего напряжения, равной частоте исследуемого сигнала; (в, г) при его частоте, в два и три раза меньшей.

При наблюдении импульсов большой скважности используется ждущая развертка, которая позволяет осциллографировать импульсы большой скважности и случайные периодические процессы.

Если в качестве развертки использовать синусоидальное напряжение, то светлое пятно под воздействием подведенного к горизонтально отклоняющим пластинам напряжения синусоидальной формы движется от центра экрана влево и вправо с изменяющейся скоростью, вызывая появление горизонтальной светлой линии развертки. Такую развертку применяют при осциллографировании вольтамперных характеристик электронных приборов (диоды, транзисторы, тиристоры).

Вх Х

Вх. синх

Рисунок 5. Структурная схема осциллографа

При круговой развертке светлое пятно движется по окружности с равномерной скоростью. Такое перемещение по эллипсу или при равных отклонениях по кругу можно получить, подавая на обе пары пластин (на оба канала Y-Х) два синусоидальных, сдвинутых на 90^○ напряжения, которые, например, можно получить от двух независимых генераторов стандартных сигналов или иных источников. Круговую развертку применяют при сравнении частот разных генераторов, а также при измерениях фазового сдвига.

В комплект лабораторной установки ЭЛК-6 входит двухканальный осциллограф модели МОS-620. Он имеет чувствительность по каналу Y – 1 мВ/дел, минимальную длительность развертки – 0,2 мкс/дел, полосу пропускания каналов усиления – 20 мГц. Осциллограф имеет ЭЛТ с излучающим катодом, 6 дюймовым прямоугольным экраном, имеющим большую яркость. Напряжение на ускоряющем электроде (А2) – 2 кВ, температурный режим работы – 0 ± 40^○С. Осциллограф обладает высокой эксплуатационной надежностью.

Работа с осциллографом

Лицевая панель осциллографа условно разделена на четыре части (рис. 6):

Первая – ЭЛТ, под экраном которой размещены некоторые ручки управления.

Вторая – HORIZONTAL – содержит ручки управления генератором развертки.

Третья – VERTICAL – содержит ручки управления каналами вертикального отклонения.

Четвертая – TRIGGER – содержит ручки управления синхронизацией.

Рисунок 6. Лицевая панель осциллографа MOS-620

ЭЛТ

	Кнопка POWER	Включение/выключение питания прибора.
	Индикатор	Светодиодный индикатор питания прибора.
	Регулятор INTEN	Регулировка яркости точки или линии.
	Регулятор FOСUS	Регулировка фокусировки изображения.