Электронно-лучевые осциллографы

Электронно-лучевой осциллограф является основным прибором для ис­следования динамических электрических процессов. При его помощи на­блюдают форму сигналов, измеряют амплитуду, частоту и длительность переменных синусоидальных и импульсных сигналов. Создание элек­тронно-лучевого осциллографа явилось революцией в электротехнике.

Достоинством прибора является большое быстродействие (до 300 МГц) и очень малое потребление энергии от измеряемой цепи.

Основу осциллографа составляет электронно-лучевая трубка. Она представляет собой вакуумный прибор с системой электродов и люмино-форным экраном в расширенной торцевой части. Принцип действия трубки заключается в управлении потоком электронов, падающим на эк­ран и вызывающим его свечение. Группа электродов, включающая катод К с нитью накала НН (рис. 8.16.), сетку С и аноды А₁, А₂ образуют элек­тронную пушку, формирующую узкий пучок электронов. Поверхность катода покрывается специальным оксидным составом, легко отдающим электроны при подогреве нитью накаливания. Электроны движутся в сто­рону положительно заряженных анодов. Сетка имеет форму цилиндра с отверстием в центре; на нее подается небольшое отрицательное напряже­ние относительно катода. Регулируя величину этого напряжения, изменя­ют

интенсивность электронного пучка и яркость светового пятна на экра­не. Аноды осуществляют разгон электронов до необходимой скорости (А₂) и фокусировку электронного пучка (А₁). Ручки управления яркостью и фокусом выносятся на лицевую панель осциллографа.

яркость фокус

Э

^НЧ

К С А₁ А₂

ВП ГП

Рис. 8.16. Электронно-лучевая трубка.

Управление электронным лучом осуществляется электрическим по­лем, создаваемым двумя парами отклоняющих пластин: ВП и ГП. Сме­щение светового пятна на экране под действием напряжения величиной U, подведенного к отклоняющим пластинам:

h≈l L U/dφ

где l - длина отклоняющих пластин в направлении движения электронов; L - расстояние от середины пластины до экрана; d - расстояние между от­клоняющими пластинами; φ- потенциал ускоряющего анода А₂.

Величина

h

S ═ ——

U

называется чувствительностью трубки. Она находится в пределах 0,2-0,5 мм/В, поэтому напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины для получения достаточных размеров изображения на экране, должно быть не менее 100-200 В.

Внутренняя поверхность трубки покрывается электропроводящим слоем графита, соединяемым с анодом А₂. Этот слой является электроста­тическим экраном. Трубка помещается в кожух из магнитомягкого мате­риала для магнитного экранирования.

Напряжение на ускоряющем аноде достигает значений нескольких киловольт, что дает скорость перемещения электронов до нескольких км/с. При такой скорости можно исследовать сигналы частотой десятки мега­герц. Высокочастотные осциллографы требуют применения более высо-ких анодных напряжений (до 10 кВ) и установки третьего анода.

Получение изображения на экране производится путем одновре-

менного отклонения луча по вертикали и по горизонтали. Развертка луча

осуществляется подачей на горизонтально-отклоняющие пластины ГП линейно-изменяющегося напряжения, отклонение луча по вертикали осуществляется под действием напряжения, подводимого к вертикально-отклоняющим пластинам от усилителя исследуемого сигнала.

Если к обеим парам отклоняющих пластин одновременно прило­жить переменное напряжение, то луч будет описывать сложную кривую. Форма кривой будет зависеть от формы напряжения, сдвига фаз между напряжениями и соотношения амплитуд и частот. Если отношение частот напряжений, подаваемых на горизонтально и вертикально-отклоняющие пластины, представляет собой конечное число, то результирующая кривая замкнута и представляет на экране неподвижное изображение.

Фигуры, вызванные двумя синусоидальными напряжениями, назы­ваются фигурами Лиссажу. На рис. 8.17. показаны фигуры Лиссажу для двух синусоидальных напряжений одинаковой амплитуды и частоты при различном сдвиге фаз между ними.

φ=0 φ= ^π/₄ φ═ ^π/₂ φ═³/₄π φ═π

Рис. 8.17. Фигуры Лиссажу.

Для постоянного наблюдения периодических процессов необходима периодическая линейная развертка луча по горизонтали. Для этого гори­зонтально-отклоняющие пластины запитываются напряжением развертки - рис. 8.18. Период напряжения развертки состоит из двух участков: вре­мени прямого хода луча t_пр и времени обратного хода луча t_обр. Время об­ратного хода должно быть минимальным. На время обратного хода осу­ществляют гашение луча. Условием неподвижности изображения на экра­не является кратность периода развертки периоду исследуемого сигнала. Изменяя частоту развертки, можно растягивать или сжимать изображение по горизонтали: при равенстве частоты развертки частоте сигнала на эк­ране будет изображаться один период сигнала, при увеличении частоты развертки в 10 раз на экране будет изображаться 10 периодов сигнала.

U Рис. 8.18. Напряжение

развертки.

0 t

t_пр t_обр

Генератор сигналов развертки синхронизируется с входным сигна­лом. Для наблюдения одиночных импульсов служит режим однократной (ждущей) развертки.

Путем подачи постоянных потенциалов на ГП и ВП можно смещать изображение на экране по горизонтали или вертикали.

Блок-схема электронно-лучевого осциллографа показана на рис. 8.19. Исследуемый сигнал подается на вход У и через делитель напряже­ния, определяющий чувствительность входа, поступает на усилитель У1 и далее - на вертикально-отклоняющие пластины. К усилителям предъявля­ются высокие требования в части входного сопротивления, широкополос-ности и коэффициента усиления. Хорошие осциллографы могут исследо­вать сигналы амплитудой от долей милливольта до сотен вольт в диапа­зоне частот от 0 до 300 МГц.

У1

вход Y _{делитель}

^{напряжен.} ЭЛТ

внутр.син.

внешн.син. генератор

50 Гц развертки ВП ГП

У2

вход Х

Рис. 8.19. Структурная схема осциллографа.

Развертка луча осуществляется напряжением развертки, формируе­мым генератором развертки и усиливаемым усилителем У2. Генератор развертки может быть включен на различный режим синхронизации: ис­следуемым сигналом, независимым внешним сигналом, напряжением сети 50 Гц. В том случае, если необходимо наблюдение фигур Лиссажу развертка отключается, а горизонтально-отклоняющие пластины подключа­ются ко входу X.

Существуют осциллографы, имеющие третий вход Z. Сигнал, пода­ваемый на этот вход, производит модуляцию луча по яркости, например, для создания меток времени, калибровки амплитуды.

Существуют элеткронно-лучевые трубки с двумя независимыми электронными пушками и отклоняющими системами. На базе таких тру­бок созданы двухканальные осциллографы, позволяющие одновременно наблюдать на экране два независимых динамических сигнала.

Измерительные генераторы.

Измерительные генераторы являются источниками калиброванных элек­
трических сигналов заданной формы, амплитуды и частоты. Они исполь­
зуются при проведении исследовательских и наладочных работ.

Про­мышленностью выпускаются генераторы гармонических
(синусоидальных) колебаний низкой частоты от долей Гц до 200 кГц
(группа ГЗ), высокочастотные генераторы на частоты от 200 кГц до 10
ГГц (группа Г4), импульсные генераторы для генерирования импульсов
прямоугольной или изменяемой формы (группа Г5).

Генераторы поддерживают стабильное значение амплитуды и часто­ты сигнала, заданное оператором, независимо от колебания сопротивле­ния нагрузки, напряжения сети и условий эксплуатации. Степень стабиль­ности оговаривается в технической характеристике прибора. Выход гене­раторов обычно содержит аттенюатор (ослабитель) и согласующий трансформатор для согласования с нагрузкой 60, 600, 6000 Ом. Аттенюа­тор позволяет ступенчато ослабить сигнал. Ослабление устанавливается в децибелах

А = 20 lg U₀/U

где U₀ - напряжение на выходе при А=0; U - напряжение на выходе при введении ослабления. Следовательно, установка аттенюатора на позицию 40 дБ приведет к уменьшению амплитуды выходного сигнала в 100 раз.

Высокочастотные генераторы имеют выход, согласованный с на­грузкой 50 Ом и обеспечивают возможность генерации выходного сигна­ла с амплитудой или частотной модуляцией.

Относительная погрешность установки частоты промышленных из­мерительных генераторов составляет от 0,5 до 3 %, а выходного напряже­ния - от 0,5 до 5 %.