Краткая теория. Осциллографы бывают различного типа и назначения

Осциллографы бывают различного типа и назначения. Наиболее распространены магнитоэлектрические («шлейфовые») осциллографы и электронные осциллографы («осциллоскопы»).

Область применения осциллографов чрезвычайно обширна. Возможность преобразования механических, химических, световых, тепловых и других величин в электрические сигналы позволяет применять осциллографы во многих отраслях науки и техники.

Электронный осциллограф предназначен, прежде всего, для исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с помощью осциллографа можно найти силу тока и напряжение, изучать зависимость силы тока и напряжения от времени, измерять сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, при применении соответствующих преобразователей осциллограф позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т. д.

Достоинством электронно-лучевого осциллографа является его высокая чувствительность и практическая безинерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длительность которых не превышает 10 ^{– 6} – 10 ^{– 7} с.

Электронный осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки, усилителей исследуемого сигнала, генератора развертки, блока питания: трансформатора и выпрямителя. Все эти блоки находятся внутри корпуса, на переднюю панель которого выведены экран электронно-лучевой трубки, тумблер включения и выключения питания осциллографа, различные переключатели, ручки управления и зажимы для подачи на осциллограф исследуемых напряжений.

Рассмотрим устройство и принцип действия отдельных частей осциллографа.

Электронно-лучеваятрубка представляет собой стеклянную колбу специальной формы(рис. 1) с вмонтированной в нее системой электродов. Внутри колбы создан высокий вакуум.

В колбе помещается подогреватель 1, катод 2, управляющий электрод 3, первый анод (фокусирующий) 4, второй анод (ускоряющий) 5, вертикально отклоняющие пластины 6, горизонтально отклоняющие пластины 7, экран 8, покрытый флюоресцирующим веществом.

Основной узел ЭЛТ – электронно-лучевая пушка, которая формирует электронный луч и направляет его на экран. Она состоит из нескольких электродов.

Катод – это полый тонкостенный цилиндр с плоским донышком, покрытый активирующим слоем для уменьшения работы выхода электрона.

Нить накала – спираль из вольфрама, покрытая керамикой для изоляции от катода. На спираль подается низкое напряжение, Нагреваясь, спираль накаляет катод до температуры, при которой происходит достаточно интенсивная термоэлектронная эмиссия с поверхности катода.

Управляющий электрод. выполняет две функции: предварительную фокусировку электронного луча и регулировку его плотности. Подавая на управляющий электрод отрицательный по отношению к катоду потенциал, можно регулировать число электронов, выходящих из электронной пушки, и, следовательно, яркость свечения экрана. Поэтому ручка, соответствующая движку потенциометра R₁, обозначается значком ☼ – «яркость». К тому же электроны, вылетающие с торца катода в различных направлениях, отклоняются полем управляющего электрода и проходят через отверстия в его донышке. Таким образом, управляющий электрод сужает электронный луч, «фокусирует» его.

Система из двух анодов: 4 – первый анод и 5 – второй анод. Эти электроды предназначены для ускорения электронного потока и его точной фокусировки. Пучок, проходя внутри первого анода, сжимается, а затем окончательно фокусируется второй электростатической линзой, образованной полем между первым и вторым анодами. Фокусировка осуществляется изменением потенциала первого анода. Движок потенциометра R₃ обозначается значком ¤ – фокус.

Отклоняющие пластины. На пути к экрану электронный пучок проходит между двумя парами отклоняющих пластин. Напряжения, приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля, которые отклоняют электронный луч и перемещают светящееся пятно по экрану. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч по вертикали (вдоль оси Y), а вертикально расположенные – по горизонтали (вдоль оси Х). Электрон влетает в однородное электрическое поле со скоростью v₀ = v_z. Вдоль оси z на электрон не действуют никакие силы, поэтому в этом направлении он движется равномерно:

z = v₀ t .(1)

Вдоль оси Y на электрон действует постоянная сила F = eE, где – напряженность поля между пластинами. Следовательно, движение электрона вдоль оси Y является равноускоренным и для него справедливы уравнения:

V_y = at, y = . (2)

Ускорение найдем из второго закона Ньютона:

. (3)

Тогда

. (4)

Учитывая, что из (4) получим

. (5)

Из последней формулы следует, что траектория электрона между пластинами представляет собой параболу. При выходе из пространства между пластинами электрон отклонится от своего первоначального направления движения на угол α и сместится по оси Y на величину у₁:

где l – пройденный лучем путь.

Теперь найдем смещение светящегося пятна на экране:

Итак, смещение луча на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах.

Отклонение пятна на экране (в миллиметрах), вызванное напряжением в 1 В на отклоняющих пластинах, называется чувствительностью трубки:

или .

Если U₀ – потенциал второго анода относительно катода, то

Тогда чувствительность .

Из формулы (5) видно, что смещение луча на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах. Поэтому, можно записать

; (6)

, (7)

где х, y – смещения луча в горизонтальном и вертикальном направлениях; U_x, U_y – разности потенциалов между горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами; α_x, α_y – чувствительность трубки к напряжению соответственно в направлении осей х и у.

При одновременно действии полей между обеими парами пластин луч смещается и в горизонтальном и в вертикальном направлениях и окажется в точке с координатами х и у,определенными формулами (6) и (7).

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

у = f(x).

На практике часто приходится наблюдать изменение различных физических величин в зависимости от времени, т.е. у = f (t). При этом на вертикально отклоняющие пластины необходимо подать напряжение, пропорциональное исследуемой величине у, а на горизонтально отклоняющие пластины – напряжение, изменяющееся пропорционально времени.

Для создания напряжения, величина которого меняется пропорционально времени, в осциллографе существует генератор развертки. Под действием этого напряжения луч смещается по экрану слева направо, причем в любой момент времени это смещение будет пропорционально времени, отсчитанному от начала движения луча. Одновременно поданное на вертикально отклоняющие пластины напряжение, пропорциональное исследуемой физической величине y, будет смещать луч по вертикали в соответствии с изменением у. Однако, когда луч дойдет по горизонтали до крайнего правого положения, его нужно мгновенно перевести в исходное положение, а физический процесс повторить сначала. Следовательно, напряжение генератора развертки скачком должно измениться до первоначального значения, а потом снова начать расти по тому же закону. Поэтому зависимость напряжения генератора развертки от времени должна иметь вид, показанный на рис. 3. Такое напряжение называются пилообразным.

Для того чтобы картинка на экране осциллографа получилась устойчивая, необходимо, чтобы частота пилообразного напряжения совпадала с частотой повторения изучаемого физического процесса или была меньше ее в целое число раз. Поэтому частота напряжения, даваемого генератором развертки, может меняться в широком диапазоне, и с помощью специальной схемы генератор развертки синхронизируется с исследуемым напряжением, подаваемым на вертикально отклоняющие пластины.

Усилители отклоняющих пластин. Чувствительность электронно-лучевой трубки, как правило невелика, поэтому на отклоняющие пластины обычно подают напряжение через усилители. Характеристики усилителей отклоняющих пластин (линейность и диапазон пропускаемых частот) во многом определяют качество осциллографа. Величина, равная напряжению, вызывающему отклонение электронного луча на экране на одно деление в вертикальном или горизонтальном направлении, называется коэффициентом соответствующего канала осциллографа.

Общий вид передней панели осциллографа С1–83 представлен на рис. 4.