Описание структурной схемы и блоков электронного осциллографа

Электронный осциллограф предназначен для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов, представленных в форме напряжения.

Упрощённая структурная схема осциллографа приведена на рис.5.1.

Электронный осциллограф (ЭО) состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), генератора развёртки (ГР) с цепью синхронизации (ЦС), усилителей вертикального (УВ) и горизонтального (УГ) отклонений, блока питания (БП).

Основным измерительным узлом ЭО является ЭЛТ, преобразующая значение исследуемого напряжения в перемещение электронного луча. В современных осциллографах применяют ЭЛТ с горячим катодом и электростатическими фокусировкой и управлением. ЭЛТ представляет собой колбу, в которой создан вакуум. Внутри колбы расположены:

-нить накала (Н), предназначенная для подогрева оксидного катода (К) в форме цилиндра и эмитирующего поток электронов;

-модулятор (управляющий электрод М) в виде цилиндра с отверстием в торцовой части. Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода (–10 –60 В). Изменение потенциала модулятора с помощью потенциометра R1 «Яркость» обеспечивает изменение плотности электронов в пучке и тем самым позволяет регулировать яркость изображения;

-первый А1 и второй А2 аноды. Первый анод, называемый фокусирующим, представляет собой полый цилиндр с диафрагмами и имеет положительный потенциал относительно катода (+300 +1000В). Изменением потенциала первого анода при помощи потенциометра R2 ,,Фокус” осуществляется фокусировка луча. При хорошей фокусировке диаметр луча достигает 0,2 0,3 мм. Второй анод А2, называемый ускоряющим, имеет относительно катода ещё более высокий положительный потенциал (+800 +5000В) и предназначен для ускорения электронов с целью повышения яркости изображения.

Группа электродов, включающая катод К с нитью накала Н, модулятор М и аноды А1 и А2, образует так называемую «электронную пушку», предназначенную для получения узкого пучка электронов – электронного луча.

Экран ЭЛТ с внутренней стороны покрыт люминофором, веществом, способным светиться при бомбардировке электронами. Электроны, бомбардируя экран, выбивают из него вторичные электроны, которые стекают на боковые стенки ЭЛТ, покрытые специальным составом из графита (акводагом), являющимся хорошим проводником. Акводаг соединён со вторым анодом, благодаря чему замыкается цепь тока через трубку. Электронный ток луча обычно составляет сотни микроампер.

Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар пластин Y и X, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждая пара пластин образует конденсатор. Электронный луч, проходя между пластинами и попадая в электростатическое поле конденсатора, искривляется, а после выхода из поля отклоняющих пластин электроны по

инерции летят по прямой (рис.5.2).

Помимо ЭЛТ в структурной схеме ЭО (рис.5.1) можно выделить следующие основные части:

1) канал вертикального отклонения (канал Y, включающий делитель напряжения (ДН), предназначенный для ослабления больших сигналов напряжения (единицы-десятки вольт) и усилитель УВ для усиления слабых сигналов (десятки-сотни милливольт). Усиление сигнала в канале Y регулируется ступенями с помощью специальных переключателей на передней панели ЭО. Фиксированные значения масштаба m_y по оси Y, называемого коэффициентом отклонения, можно устанавливать в широком диапазоне. Для многих ЭО m_y=10мВ/см 20В/см;

2) канал горизонтального отклонения (канал Х), включающий генератор развёртки ГР с цепью синхронизации ЦС и усилитель УГ. Необходимость введения усилителей УВ и УГ объясняется малой чувствительностью ЭЛТ. Основные требования к усилителям современных ЭО:

- высокий коэффициент усиления (Ку =30 30000) и его постоянство в широкой полосе частот (от 0 до 100 МГц и выше);

- линейная зависимость между выходным и входным напряжением;

- высокое входное сопротивление и малая входная ёмкость для того, чтобы подключение ЭО к исследуемой схеме не изменяло режима её работы. Для большинства ЭО R_вх=1МОм, С_вх=30пФ.

Канал Х ЭО может работать в двух основных режимах – развертки и усиления сигнала, поданного на «Вход Х». Режим работы канала выбирается с помощью переключателя SA1: положение 1 соответствует режиму развёртки, положение 2 – усилению сигнала. В режиме развёртки напряжение генератора ГР пилообразной формы через усилитель УГ подаётся на горизонтально отклоняющие пластины Х. Линейно-возрастающее напряжение ГР обеспечивает горизонтальное перемещение луча с постоянной скоростью и позволяет наблюдать кривую изменения исследуемого напряжения во времени. Принцип работы ГР вытекает из рис. 5.3.

Генератор ГР включает в себя источник неизменного тока I с большим внутренним сопротивлением, конденсатор С и электронный коммутатор с ключом К, шунтирующим конденсатор. При размыкании электронного ключа К конденсатор С начинает заряжаться от источника тока I, при этом напряжение на конденсаторе возрастает по линейному закону (участок аб)

.

В момент, когда напряжение U_С достигает определённого значения U_{Сm .}, электронный ключ замыкается и начинается быстрый разряд конденсатора (участок бв). В автоколебательном режиме работы ГР после разряда конденсатора ключ К вновь размыкается независимо от наличия или отсутствия сигнала на входе Y, и далее процесс повторяется. В ждущем режиме после замыкания ключа К и разряда конденсатора это состояние ГР сохраняется до прихода запускающего сигнала. Переход от автоколебательного к ждущему режиму осуществляется с помощью регулировки, выводимой на переднюю панель ЭО. Частоту развёртки можно регулировать путём изменения I и С. Выбор необходимого масштаба m_x, называемого коэффициентом развёртки, осуществляется с помощью специального переключателя на передней панели ЭО. Современные универсальные осциллографы имеют ряд фиксированных значений масштаба по оси Х (m_x= 0,02мкс/cм 100мс/см).

Цепь синхронизации ЦС предназначена для обеспечения неподвижного, устойчивого изображения на экране осциллографа. Изображение будет неподвижным, если период развёртки Т_р в кратное число раз больше периода исследуемого процесса Т. Постоянная кратность частот обеспечивается автоматической синхронизацией, при этом цепь синхронизации управляет работой генератора развёртки. В зависимости от источника синхронизирующего напряжения различают внутреннюю, внешнюю синхронизацию и синхронизацию от сети. При внутренней синхронизации работой генератора развёртки управляет предварительно усиленное исследуемое напряжение (рис. 5.1). При внешней синхронизации напряжение берётся от какого-либо внешнего источника. При синхронизации от сети синхронизирующее напряжение берётся от специальной обмотки силового трансформатора блока питания.

Блок питания БП предназначен для выработки постоянных напряжений для питания электродов ЭЛТ и всех остальных узлов. Питание электродов ЭЛТ осуществляется с помощью делителя напряжения
R1–R2–R3 (рис. 5.1), с которого подаётся отрицательный по отношению к катоду потенциал на модулятор и положительные напряжения на оба анода.

Осциллографы оснащаются также калибраторами – специальными устройствами, позволяющими точно установить чувствительность по вертикали (вольты/деление) и по горизонтали (секунды/деление), т.е. использовать осциллограф для измерений.