5. Контрольные вопросы

5.1. Чем обусловлен выход электрона с поверхности металла?

5.2. Почему металл надо нагревать, чтобы электроны могли покинуть его?

5.3. Как устроен диод? Для каких целей применяются диоды?

5.4. Как устроен триод? Для чего служит сетка?

5.5. Подчиняется ли проводимость триода закону Ома?

5.6. Какие характеристики триода Вы знаете? Что они показывают?

5.7. Как определить параметры триода по анодно-сеточным характеристикам?

5.8. Начертите принципиальную электрическую схему установки для снятия характеристик триода и объясните назначение всех ее элементов.

5.9. Объясните работу вакуумного диода в качестве выпрямителя и триода как ускорителя.

6. Литература

6.1. Козлов В.И. Общий физический практикум. Электричество и магнетизм. – М.: Изд-во МГУ, 1987. - С.59-69.

6.2. Калашников С.Г. Электричество – М.: Наука, 1985.

6.3. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. - С. 224-262.

6.4. Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: ВШ, 1972. - С. 122-129.

6.5. Лекционные демонстрации по физике/ Под ред. В.И. Ивероновой.– М.: Наука, 1972.

№6. Изучение работы электронного осциллографа и исследование с его помощью периодических и импульсных процессов

1. Цель работы

Изучение устройства электроннолучевой трубки и принципов работы электронного осциллографа. Ознакомление с методами осциллографических измерений. Определение характеристик периодических и импульсных сигналов с помощью осциллографа.

2. Краткое теоретическое введение

2.1. Электроннолучевой осциллограф. Электроннолучевой осциллограф (ЭО) - прибор для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров.

Достоинством прибора является высокая чувствительность, большое входное сопротивление, малая инерционность. Осциллограф является универсальным измерительным прибором. С его помощью можно измерять напряжение, силу тока, снимать частотные и фазовые характеристики электронных схем, наблюдать семейства статических характеристик транзисторов; можно измерять неэлектрические величины, применяя специальные датчики (преобразователи).

Современные осциллографы позволяют исследовать электрические напряжения в диапазоне частот от постоянного тока до нескольких гигагерц, а также измерять амплитуды и длительности исследуемых сигналов. Наличие периодической и ждущей развертки дает возможность исследовать периодические и однократные электрические процессы.

2.2. Электроннолучевая трубка. Основным узлом любого ЭО является электроннолучевая трубка (ЭЛТ), с помощью которой преобразуется исследуемый сигнал в видимое изображение на экране. На рис. 1 схематически показано устройство ЭЛТ. Источником электронов служит нагреваемый оксидный катод 1. Катод помещен внутри управляющего электрода (модулятора 2). Модулятор служит для изменения яркости светящегося на экране пятна путем регулировки подаваемого на него отрицательного (относительного катода) напряжения U_упр при помощи потенциометра R₁, так как поле модулятора оказывает как сжимающее, так и тормозящее действие на поток электронов.

Фокусировка электронного пучка на экране осуществляется изменением разности потенциалов между анодами (3 и 4). Потенциометр R₂, снабженный надписью "Фокус", изменяет разность потенциалов между анодами. При этом между анодами создается поле специальной конфигурации, сжимающее расходящийся электронный пучок в так называемый электронный луч и дающее, в идеале, на экране точку электронно-оптического изображения отверстия в модулирующем цилиндре (2).

Это действие поля можно пояснить следующим образом. Потенциал первого анода (3) – несколько вольт, а потенциал второго анода (4) – несколько киловольт. На рис. 2 изображены пунктиром линии напряженности электрического поля между первым и вторым анодами, а сплошные линии – траектории электронов в этом поле.

Линии напряженности направлены от второго анода к первому. Как известно, в каждой точке поля на электрон действует сила, направленная по касательной к линии напряженности в данной точке.

Под действием этой силы электрон, влетающий в поле вдоль оси анодов, движется ускоренно без изменения направления скорости.

Если же электрон влетает в поле под некоторым углом к оси анодов, то сила F приобретает вертикальную составляющую F₁. Последняя заставит электрон приближаться к оси анодов. Поле первого и второго анодов часто называют электронной линзой, подчеркивая этим аналогию между поведением светового пучка в оптической линзе с поведением электронного пучка в электрическом поле определенной конфигурации.

Плавная фокусировка осуществляется изменением потенциала первого анода с помощью потенциометра R₂ (рис. 1) при неизменном потенциале второго анода. Поэтому первый анод иначе называют фокусирующим цилиндром (электродом), хотя на самом деле фокусировка осуществляется в основном поле, существующем между анодами.

Рис. 1. Схема электроннолучевой трубки (ЭЛТ).

По мере приближения ко второму аноду сила F меняет свое направление на противоположное. Однако расфокусировки пучка не происходит, так как электроны, прошедшие ускоряющую разность потенциалов (10 кВ), преодолевают этот промежуток за короткий интервал времени и их траектория уже практически не изменяется. В соответствии с назначением и действием система электродов "катод-модулятор-аноды" (1-2-3-4) образует так называемую электронную пушку или электронный прожектор. Окончательная скорость электронов при вылете из электронного прожектора определяется потенциалом второго анода по отношению к катоду. При выходе из электронной пушки электроны должны оказаться в пространстве, свободном от возмущающих полей. Поэтому трубку помещают в металлический экран, а для того, чтобы не было поля между заземленным экраном и вторым анодом, последний обычно заземляют.

Рис. 2. Линии напряженности (пунктирные линии) электрического поля и траектории (сплошные линии) электронов между первым и вторым анодом ЭЛТ.

Таким образом, под высоким потенциалом по отношению к "Земле" оказывается не анод, а катод трубки. Это свойство почти всех устройств, в которых используются электронные пучки (в отличие от радиоламп, где заземляется обычно катод).

Возмущающие поля могут вызываться также электронами, скапливающимися на внутренней поверхности трубки. Для устранения этих зарядов внутреннюю поверхность трубки покрывают проводящим слоем коллоидного графита (аквадага), который электрически соединяется с ускоряющим анодом.

Пучок электронов проходит между двумя парами отклоняющих пластин 5 и 6 (рис. 1). Отклонение луча зависит от напряжения, приложенного к пластинам, и скорости электронов. В результате след пучка на светящемся экране 7 описывает кривую, изображающую функциональную зависимость между напряженностями отклоняющихся полей.

Одной из характеристик ЭЛТ является ее чувствительность, т.е. величина отклонения луча на экране трубки в сантиметрах при напряжении 1В на соответствующей паре пластин. В лучших ЭЛТ она достигает величин порядка 0,1 см/В.

В общем случае абсолютной чувствительностью (S) измерительного прибора называют отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора ( ) к вызывающему его изменению измеряемой величины ( );

. (1)

Экран электроннолучевой трубки обычно покрывают сернистым цинком, который под воздействием падающих на экран электронов люминесцирует в зеленой области спектра.

Принцип получения развернутого во времени изображения исследуемого сигнала на экране ЭО показан на рис. 3. Исследуемый сигнал подается через тракт вертикального отклонения луча на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Если на горизонтально отклоняющие пластины через канал горизонтального отклонения луча не подано напряжение, то электронный луч прочерчивает вертикальную линию. Чтобы луч перемещался в горизонтальном направлении, на эти пластины подается от генератора развертки напряжение, нарастающее линейно.

Генератор развертки может работать в периодическом и ждущем режимах.

2.3. Линейная непрерывная развертка. Генератор развертки вырабатывает линейно-возрастающее напряжение пилообразной формы (рис. 3). При минимальном значении развертывающего напряжения (точка А на рис. За) луч находится на экране осциллографа в крайнем левом положении (1). По мере роста напряжения от А до В луч перемещается с постоянной скоростью слева направо по горизонтальной прямой (ось времени). Когда напряжение спадет от В до А, луч совершает обратный ход. Период линейной развертки:

T=t_пр +t_обр (t_обр<<t_пр)

Обратный ход на экране не виден, так как в осциллографе имеется устройство, гасящее луч во время обратного хода.

Генератор развертки является одним из наиболее важных узлов ЭО, позволяющим изучать разнообразные характеристики электрических сигналов. Его работа основывается на генерируемом им линейно нарастающем во времени напряжении, которое подается на горизонтально отклоняющие пластины (канал Х). Исследуемый сигнал при этом подается на вертикально отклоняющие пластины канала Y. На экране ЭО получается кривая, имеющая параметрическое представление

Отсюда путем исключения параметра времени получается явный вид кривой

Видно, что форма полученной кривой полностью соответствует подаваемому на канал Y сигналу. Если, например, подается синусоидальный сигнал звукового генератора, то и на экране будет видна синусоида.

2.4. Ждущая развертка. В этом случае развертывающее пилообразное напряжение попадает на горизонтально отклоняющие пластины лишь тогда, когда исследуемый импульс поступает на вход осциллографа. После того как действием развертывающего напряжения луч совершает один цикл прямого и обратного ходов, развертка прекращается и "ждет" прихода нового импульса, запускающего его (рис. 3 б).

2.5. Синхронизация. Для получения на экране трубки четкого неразмытого изображения необходимо правильно выбрать синхронизацию развертки. Процесс синхронизации заключается в принудительном воздействии внешним сигналом на генератор развертки. В результате генератор развертки начинает генерировать с частотой, равной или кратной частоте воздействующего напряжения. Осциллографы имеют два вида синхронизации: внутреннюю и внешнюю. В первом случае синхронизация осуществляется исследуемым сигналом. А во втором – напряжением от внешнего источника, причем синхронизация производится по синусоидальному (режим линейной непрерывной развертки) или импульсному (ждущий режим развертки) внешнему сигналу. Кроме того, как правило, имеется возможность регулировки (подбора) уровня синхронизирующего сигнала, как автоматически, так и вручную.

2.6. Коэффициент отклонения. Напомним, что основной характеристикой любого средства измерения, в том числе и ЭЛТ, является его чувствительность, определяемая как отношение отклонения электронного луча на экране ЭЛТ к напряжению сигнала, вызвавшего это отклонение. Величина, обратная ей, называется коэффициентом отклонения.

, (2)

где L – отклонение луча в сантиметрах. Для того, чтобы применять осциллограф для исследования сигналов в широких пределах изменения их амплитуд, необходимо иметь возможность изменения коэффициента отклонения. Это достигается при помощи канала Y, причем изменение производится, как правило, ступенчато и значения выбранного коэффициента отклонения можно прочитать на передней панели осциллографа.

Вход канала Y (канала вертикального отклонения) может быть открытым и закрытым. Схемы приведены на рис. 4. Как видно из рисунка, через открытый вход возможно прохождение как постоянного, так и переменного тока, а через закрытый – только переменной составляющей сигнала (почему?). Обозначаются эти входы либо схематически, как на рис. 4, либо символами: "-" открытый, "~" закрытый входы.

Выбор входа на осциллографе С1-93 осуществляется трехпозиционным переключателем с соответствующей символикой, среднее положение которой соответствует заземлению (и отключению) входа (символ " "). Это положение применяется при балансировке усилителя Y или для установки нулевого уровня сигнала.

2.7. Измерение длительности сигнала. Для измерения длительности сигнала в некоторых ЭО производится модуляция электронного луча по яркости калибрационными метками времени. Зная длительность маркерной метки и их количество, уменьшающееся в сигнале, определяют соответствующее время. В других типах осциллографов длительность сигнала определяют по длине его изображения на экране трубки.

Рис. 3. Развертка исследуемого сигнала во времени с помощью напряжения пилообразной формы:

а) - периодическая развертка;

б) - ждущая развертка.

Рис. 4. Схематическое изображение открытого (слева) и закрытого (справа) входов осциллографа.

2.8. Измерение амплитуды сигнала. Для измерения амплитуды сигнала в некоторых типах ЭО используется калибровочный сигнал известного напряжения, размах которого (по вертикали) сравнивается с размахом исследуемого сигнала.

В других типах осциллографов амплитуда сигнала измеряется по вертикальному размаху его изображения на экране трубки.

Современные электронные осциллографы снабжаются еще устройствами для измерения амплитуды и длительности (а также скважности) сигналов – так называемыми калибраторами амплитуды и длительности. Как правило, эти устройства представляют собой генераторы известной формы импульсов (например, прямоугольных, или как еще называют "меандр") с фиксированной частотой и амплитудой, значения которых известны с высокой точностью. При измерении амплитуды сигнала и его временных характеристик применяется, как было сказано выше, метод непосредственного отсчета по шкале на экране прибора. Для этого предварительно откалибровывается чувствительность и длительность развертки осциллографа по сигналам встроенного калибратора.

Измерение амплитуды сигнала производят следующим образом: исследуемый сигнал подают на вход откалиброванного усилителя вертикального отклонения и измеряется его размах по вертикали в сантиметрах или в делениях шкалы. Амплитуда сигнала равна произведению измеренного размаха в сантиметрах (делениях шкалы) на цифровую отметку чувствительности, установленную переключателем входного делителя в V/см (Вольт/дел).

Для уменьшения погрешности за счет толщины метки луча измерения производятся по нижним (верхним) краям линии изображения.

Длительность (период) импульса измеряется, аналогично, вдоль оси "X" и равна произведению отрезка на экране по горизонтали (в сантиметрах или делениях шкалы), соответствующего измеряемому интервалу времени, на коэффициент развертки в единицах время/см или время/дел.

Точность таких измерений достаточно высока, например, для осциллографа С1 -93 максимальная погрешность не превышает 5%.

2.9. Параметры импульсов. На рис. 5а изображен одиночный прямоугольный импульс, на котором показаны его параметры (прямоугольным называют импульс, у которого длительность плоской части вершины составляет не менее 0,7 от длительности импульса, отсчитываемой на уровне 0,5 от амплитуды U_m); U_m – высота (амплитуда) прямоугольного импульса, определяемая продлением плоской части вершины до пересечения с фронтом прямоугольного импульса; _u – длительность прямоугольного импульса, отсчитываемая по уровню 0,5 амплитуды; _ф – длительность фронта прямоугольного импульса в интервале 0,1-0,9 амплитуды; _с – длительность среза прямоугольного импульса в интервале 0,9-0,1 амплитуды. Периодом повторения импульсов Т называют отрезок времени между началом двух соседних однополярных импульсов (см. рис. 5 б). Отношения T/_u называют скважностью импульсов, а отношение _u /Т – коэф­фициентом заполнения.