III. ТЕОРИЯ МЕТОДА, ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И СПОСОБА ИЗМЕРЕНИЯ

Важной задачей современной измерительной техники является исследование кратковременных процессов, протекающих с очень большой скоростью. Такие явления возникают в различных электрических цепях, а также в организме человека и животных. Для регистрации электрических процессов разработаны совершенные электротехнические методы и, в частности, метод с применением электронного осциллографа. Регистрация электрических и иных процессов широко применяется в биологии и медицине при исследовании деятельности сердца, мозга, мышц, внутренних органов. По полученным данным могут быть обнаружены функциональные расстройства, а это облегчает постановку диагноза и последующее лечение.

Одним из наиболее совершенных приборов, дающих возможность регистрировать кратковременные процёссы длительностью порядка 10-7 – 10-9 секунд, является электронный и осциллограф.

Блок-схема электронного осциллографа

Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), в которой пучок быстро летящих электронов может отклоняться в двух взаимно перпендикулярных направлениях под действием поперечных электрических или магнитных полей. В результате след пучка на светящемся экране описывает кривую,

изображающую функциональную зависимость	между напряженностями
отклоняющих полей.
Чаще всего применяют осциллограф для изучения зависимости различных
величин от времени; с этой целью заставляют	напряженность одного из

отклоняющих полей линейно изменяться со временем (временная развертка).

31

Электронный осциллограф включает в себя следующие основные элементы:

электронно-лучевую трубку,

усилители исследуемых напряжений,

генератор развертки,

источники питания трубки, усилителей и генератора развертки.

Электронно-лучевая трубка. Электронно-лучевая трубка является основным элементом осциллографа. Она представляет собой стеклянную колбу, откачанную до высокого вакуума, внутри которой смонтированы электроды.

Электронный пучок (луч) создается электронной пушкой, состоящей из катода (с подогревателем в виде нити накала), охватывающего его цилиндрического управляющего электрода – «модулятора» – и двух анодов. Электроны, испускаемые накаленным катодом, проходят через маленькое отверстие в модуляторе, на который подается отрицательный (по отношению к катоду) потенциал. Изменяя этот потенциал, управляют интенсивностью электронного пучка и, следовательно, яркостью светящегося пятна на экране.

Электроны, вылетающие из отверстия модулятора как из точечного источника, ускоряются двумя последовательно расположенными цилиндрическими анодами. Собственно ускоряющим называется второй анод, так как окончательная скорость электронов при вылете из пушки определяется именно его потенциалом по отношению к катоду. Первый анод называется фокусирующим, так как между ним и вторым анодом создается поле специальной конфигурации, сжимающее электронный пучок и дающее на экране точку – электронно-оптическое изображение отверстия в модулирующем цилиндре. Фокусировка изображения производится изменением потенциала фокусирующего анода.

Выйдя из электронной пушки со значительными скоростями (анодное напряжение трубок обычно бывает порядка 800— 1000 В, а иногда до 2—2,5 кВ), электроны пролетают между двумя парами отклоняющих пластин, на которые непосредственно или после усиления подаются исследуемые напряжения. Одна пара пластин расположена в горизонтальной плоскости и вызывает отклонение пучка в вертикальном направлении (вертикально отклоняющие, или Y-пластины); вторая пара пластин вызывает горизонтальное отклонение пучка (горизонтально отклоняющие, или X-пластины).

Угол отклонения при данной разности потенциалов между пластинами зависит

.от скорости электронов, от длины пластин и от расстояния между ними; смещение светящегося пятна на экране зависит, кроме того, от расстояния между пластинами и экраном. Отношение смещения пятна на экране к вызвавшей это смещение разности потенциалов называется чувствительностью трубки. В лучших трубках она достигает величин порядка 1 мм/В.

Ввиду незначительности массы электронов электронный луч безынерционен и практически мгновенно повторяет все изменения направления, поля. В электроизмерительной технике чаще применяются электронные осциллографы, имеющие электростатическое отклонение луча. Это объясняется тем, что у осциллографов с магнитным отклонением луча катушки магнитной системы

32

отклонения имеют малое сопротивление, поэтому они заметно шунтируют исследуемый прибор( нарушая нормальный режим его работы. Кроме того, катушки всегда в той или иной, мере обладают частотно-избирательными свойствами. Поэтому, если к ним подводится сигнал не чисто гармонический, а более или менее сложного спектрального состава, то его форма неизбежно искажается. Все эти затруднения почти отпадают при использовании трубок с электростатическим отклонением.

Экран электронно-лучевой трубки обычно покрывают вилемитом или сернистым цинком, которые под действием падающих на экран электронов светятся зеленым светом (область максимальной чувствительности глаза). В некоторых случаях применяют и другие фосфоры, светящиеся белым светом (в особенности для телевизионных трубок) или сине-фиолетовым (для фотографической регистрации).

Для регистрации кратковременных непериодических процессов применяют трубки, экраны которых изготовлены из фосфоров с большим послесвечением.

Основные характеристики ЭЛТ:

чувствительность к отклонению (см. выше);

длительность послесвечения;

скорость записи.

Чувствительностью к отклонению называют смещение светового пятна на экране в миллиметрах на вольт (мм/В) напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины.

Вертикально-отклоняющие пластины расположены дальше от экрана, чем горизонтально-отклоняющие, поэтому чувствительность к отклонению для вертикально-отклоняющих пластин выше, чем для горизонтально-отклоняющих, поэтому исследуемое напряжение подается обычно на вертикально-отклоняющие пластины. Когда говорят о чувствительности к отклонению, то имеют в виду вертикальное отклонение.

Длительность послесвечения. Явление послесвечения состоит в том, что возбужденный люминофор испускает свет еще некоторое время после того, как прекратится его бомбардировка электронами. ЭЛТ с большой длительностью послесвечения пригодны для регистрации медленных процессов, для регистрации же быстрых кратковременных высокочастотных процессов необходимы ЭЛТ с малым послесвечением.

Скоростью записи называется скорость перемещения светового пятна на экране ЭЛТ (в км/сек), при которой еще наблюдается достаточная яркость свечения. Для регистрации высокочастотных процессов необходимы ЭЛТ с большой, скоростью записи. Для увеличения скорости записи необходимо увеличивать ускоряющее напряжение, то есть напряжение, приложенное ко второму аноду. Однако с увеличением этого напряжения чувствительность ЭЛТ к отклонению уменьшается. Таким образом, эти две характеристики ЭЛТ – скорость записи и чувствительность к отклонению – являются взаимосвязанными.

33

Усилители сигнала. Как уже говорилось, чувствительность самой трубки невелика, в лучшем случае порядка 1 мм/В (для отклонения электронного луча напряжение между вертикально-отклоняющими пластинами ЭЛТ должно иметь величину, составляющую десятки вольт, исследуемое же напряжение, как правило, имеет значительно меньшую величину). Для того чтобы исследовать слабые сигналы, осциллографы снабжаются усилителями. Обычно они имеют небольшой коэффициент усиления – до нескольких десятков, но очень широкую полосу пропускания – от десятка герц до сотен килогерц или до нескольких мегагерц (в некоторых случаях еще шире) и очень равномерную частотную характеристику, т. е. коэффициент усиления почти не зависит от частоты (чтобы форма исследуемого сигнала после усиления в точности повторяла форму этого же сигнала до усиления). Кроме того, они должны иметь достаточно большое входное сопротивление и незначительные паразитные емкости входа. При наличии таких свойств усилителя включение осциллографа в исследуемую цепь не будет сказываться на работе этой цепи.

В осциллографе С1-5 усилитель вертикального отклонения имеет двойную регулировку – ступенчатую (ручка «Делитель») и плавную (ручка «Усиление»). Ручка «Делитель» имеет положения «Калибр.» (объяснение см. ниже), «1 : 100», «1 : 10», «1:1» (сигнал ослабляется в указанное число раз).

Усилитель горизонтального отклонения применяется как усилитель синхронизирующих сигналов. Сигнал на входе этого усилителя плавно регулируется ручкой «Синхр.», напряжение на усилитель подается с помощью переключателя «Род синхр.»; для получения стабильной осциллограммы следует поставить переключатель «Род синхр.» в положение «Внутр.», а переключатель «Род работы» в положение «Непр.».

Калибратор напряжений. Для количественных измерений напряжений необходимо знать чувствительность осциллографа. Для калибровки усилителей, т. е. для определения чувствительности, в осциллографах предусматривается специальный источник калибровочного напряжения. Обычно это синусоидальное напряжение частотой 50 Гц из цепей питания, стабилизированное для уменьшения зависимости от колебаний напряжения сети. В осциллографе С1-5 калибровочное напряжение регулируется ручкой «Калибровка амплитуды» и подается на вход усилителя вертикального отклонения, когда переключатель «Делитель» стоит в положении «Калибр». Шкала калибровки градуирована в вольтах эффективного значения напряжения Uэф и в вольтах двойного амплитудного значения 2* Umax = 2*√2Uэф (обозначены на шкале как «импульсные»).

Калибровочное напряжение подается без ступенчатого делителя, непосредственно на вход потенциометра «Усиление». Таким образом, если, не трогая ручку «Усиление», добиться того, чтобы размах синусоиды калибровочного сигнала на экране был равен изучаемому сигналу, то при положении ручки делителя «1 : 1» величину последнего можно непосредственно отсчитать по шкале импульсных напряжений. Если делитель стоит в положениях «1 : 10» или «1 : 100», то отсчитанную величину напряжения нужно умножить соответственно на 10 или на

34

100. При изучении синусоидальных сигналов эффективное значение напряжения можно точно так же отсчитать по шкале Uэф.

Генератор развертки. Для изучения временного хода процессов нужно подавать на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа напряжение, линейно зависящее от времени, – напряжение развертки. Для наблюдения процессов, протекающих однократно или повторяющихся не периодически во времени, применяется «ждущая» развертка: нарастание напряжения начинается в момент начала изучаемого процесса. Ждущую развертку целесообразно применять также и в случае периодических импульсных процессов, когда длительность импульсов очень мала по сравнению с периодом их повторения. В большинстве же случаев для периодических процессов применяют «непрерывную» развертку – периодическое пилообразное напряжение. Период развертки подбирается как целое, кратное периоду изучаемого сигнала, чтобы след электронного пучка на экране с каждым повторением цикла развертки прочерчивал одну и ту же траекторию. Рабочей частью периода развертки является отрезок сравнительно медленного изменения напряжения (1 – 2 на рис.2). На участке быстрого обратного хода (2 – 3) электронный луч гасится отрицательным импульсом, подаваемым на управляющий электрод трубки.

U

2

0

t

3

1

При значении 1 левая отклоняющая пластина имеет максимальный положительный потенциал и световое пятно находится у левого края экрана. При значении 2 правая отклоняющая пластина имеет максимальный положительный потенциал и световое пятно находится у правого края экрана.

Равномерное перемещение светового пятна по экрану от левого края до правого, соответствующее пологой части (1—2) зубца, называется прямым ходом развертки, а скачкообразное перемещение от правого до левого края (2—3), соответствующее крутой спадающей части графика пилообразного напряжения, — обратным ходом развертки. При одновременном воздействии развертывающего и исследуемого напряжений на электронный луч на экране мы увидим неподвижную или перемещающуюся кривую, показывающую развитие исследуемого напряжения во времени. Эту кривую называют осциллограммой.

Кривая исследуемого напряжения будет неподвижной если периоды (частоты) напряжения развертки и исследуемого напряжения будут кратными друг другу, то есть когда Тр=nТи.н. (условие стабильной осциллограммы), где Тр – период напряжения развертки, Ти.н. – период исследуемого напряжения, а n – целое число.

35

При этом, если n=1, то есть периоды развертки и исследуемого напряжения равны между собой, то на экране мы увидим изображение кривой, соответствующее одному периоду исследуемого напряжения.

В общем случае, когда Тр=nТи.н., где n — любое целое число, на экране появится изображение, соответствующее n периодам исследуемого напряжения.

Если Тр= n'Ти.н. и n' - не целое число, то каждому началу развертки будет соответствовать какая-то другая фаза исследуемого напряжения и поэтому изображение будет перемещаться по экрану вправо или влево. Скорость перемещения кривой будет тем больше, чем больше n' отличается от целого числа.

При n'<1 на экране будет видно изображение, соответствующее части периода. Как уже говорилось, для наблюдения периодических сигналов в режиме

непрерывной развертки генератор должен работать с частотой, равной частоте повторения сигнала или в целое число раз меньшей, – развертка должна быль синхронизована с изучаемым сигналом. При свободной работе генератора развертки невозможно точно установить заданное значение частоты (тем более, что частоты и сигнала и развертки всегда не вполне стабильны); неточная синхронизация приведет к тому, что кривая на экране осциллографа будет смещаться. Этой трудности можно избежать, используя принудительную синхронизацию.

Синхронизирующее напряжение подается на генератор развертки. Величина напряжения регулируется ручкой «Синхр.». Переключатель «Род синхр.» позволяет выбирать источник синхронизирующего напряжения. В положении «Внешн.» он подключает на вход усилителя – гнездо «Вход X»: для синхронизации может использоваться напряжение от любого источника. В положении «Внутр.» на вход усилителя синхронизирующего напряжения подается изучаемый сигнал, снимаемый с одного из каскадов усилителя вертикального отклонения. В положении «От сети» роль синхронизирующего выполняет переменное напряжение частоты 50 Гц из цепей питания осциллографа.

Обычно удобно работать при периоде развертки, превышающем (в целое число раз) период сигнала. При равных периодах полезное время окажется меньше периода сигнала на время обратного хода луча, и сигнал не будет просматриваться полностью. При использовании принудительной синхронизации важно, чтобы синхронизирующие импульсы не были слишком большими, иначе ключ генератора развертки будет срабатывать при каждом импульсе независимо от настройки генератора. Во избежание такой излишне жесткой синхронизации следует всегда настраивать генератор развертки как можно точнее при отсутствии синхронизирующего сигнала, а затем постепенно увеличивать этот сигнал до получения устойчивой кривой на экране, но не больше.

В режиме ждущей развертки можно использовать специальный генератор меток времени для измерения длительности процессов. Генератор включается переключателем «Метки»; на шкале переключателя указаны значения периода генерируемого сигнала. Напряжение с выхода генератора подается на модулятор трубки и модулирует электронный пучок по интенсивности. В результате кривая на экране превращается в пунктир с расстоянием между точками, соответствующим периоду генератора меток.

36