Новосибирский государственный технический университет

Электронный осциллограф

Лабораторная работа № 2

для студентов 2-3 курсов всех факультетов

и всех форм обучения

Новосибирск - 2000

I. Цель работы

Изучить устройство электронного осциллографа и приобрести практические навыки работы с ним.

2. Сведения из теории

2.1. Назначение осциллографа

Электронный осциллограф /ЭО/ представляет электрический сигнал, поданный на его вход, в виде графика на своем экране. Этот график очень нагляден, т.к. позволяет видеть форму сигна­ла - сигнал как функцию времени. Просматривая форму сигналов в различных точках электрической цепи, можно судить о состоянии и свойствах цепи. Ясно, что способность визуализировать сигна­лы чрезвычайно важное качество осциллографа, позволяющее опе­ративно проводить контроль и диагностику электрических цепей. Поэтому обеспечение возможности визуального наблюдения формы электрических сигналов следует считать основным назначением ЭО.

2.2. Электронно-лучевая трубка.

Упрощенная функциональная схема осциллографа (рис.1) вклю­чает в себя электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и устройства управ­ления лучом (канала Y и канала Х). Питание ЭЛТ и всех элект­ронных узлов схемы, осуществляется от источника стабилизированного напряжения, на схеме непоказанного.

ЭЛТ представляет собой стеклянный баллон, в котором разме­щены электронная пушка (ЭП), люминесцирующий экран (Э) и две пары отклоняющих пластин (" Y" и " X"). В баллоне создан вакуум. Электронная пушка создает поток электронов и формирует его в узкий электронный луч. Внутренняя поверхность баллона, на ко­торую направлен луч покрывается люминофором - специальным сос­тавом, обладающим свойством светиться под действием ударов элек­тронов. В месте попадания электронов на люминесцирующий экран появляется светящееся пятно. Напряжения, подаваемые на отклоняю­щие пластины, отклоняют луч от оси трубки и изменяют по двум координатам положение пятна на экране.

Р ассмотрим подробнее устройство электронной пушки. Основные детали ее показаны на рис.2: подогреватель (I), катод (К), модулятор (М), первый и второй аноды (AI и А2).

Подогреватель представляет собой спираль из тугоплавкого материала, через которую пропускается электрический ток.

Выделяющаяся энергия разогревает спираль до высокой температуры. Подогреватель, в свою очередь, разогревает катод, торцевая по­верхность которого покрыта специальным составом, облегчающим выход электронов из материала катода. Таким образом, разогретый катод испускает электроны, вблизи катода создается электронное облако. Напряжения, поданные на модулятор и аноды, создают у по­верхности катода электрическое поле, ускоряющее электроны в нап­равлении экрана. Поскольку модулятор, первый и второй аноды рас­положены на различных расстояниях от катода, то каждый из этих электродов оказывает свое специфическое действие на формируемый электронный луч. Изменяя напряжение на модуляторе, можно изме­нить количество электронов, проходящих от катода в направле­нии экрана и, тем самым ,регулировать яркость светящегося пятна на экране.

Напряжение на первом аноде оказывает фокусирующее действие на электронный луч. При определенном его значении электронный луч будет сфокусирован на экране.

Люминесценция экрана под действием электронной бомбарди­ровки имеет место только при достаточно высокой кинетической энергии электронов, бомбардирующих экран. Назначение второго анода - увеличить скорость электронов до необходимой. Для этой цели на второй анод подают высокое положительное напряжение от­носительно катода (от 600 до 2000 В).

Во всех ЭО на переднюю панель выведены ручки переменных резисторов, с помощью которых регулируются напряжения на моду­ляторе ("Яркость") и на первом аноде ("Фокус").

Отклоняющие пластины ЭЛТ представляют собой две пары плос­ко-параллельных пластин, расположенных взаимно перпендикулярно. Если, например, на пластины "Y " подать постоянное напряжение, то между пластинами будет образовано электрическое поле. Вектор напряженности этого поля Е будет перпендикулярен оси ЭЛТ и па­раллелен оси у (рис.3). Под действием электрического поля электро­ны отклоняются от оси трубки и соответственно изменяется поло­жение светящегося пятна на экране. Как видно из рис.3, отклоне­ние его произойдет в вертикальном направлении, т.е. по координа­те Y. Аналогично отклоняют луч пластины "X", но в горизонталь­ном направлении.

Смещение луча на экране пропорционально приложенным к пластинам напряжениям, т.е.

y= Sy * Uy (1)

x= Sx * Ux (2)

где у, х - смещение луча по вертикали и горизонтали;

Uy, Ux- напряжения на пластинах " Y " и " X"; Sy,Sx-коэффициенты пропорциональности, называемые чувствительностью ЭЛТ по вертикали ( Sy ) и горизонтали ( Sx ).

Для удобства оператора при считываний координат светящего­ся пятна экран ЭЛТ снабжен координатной сеткой.

2.3. Получение изображения сигнала на экране.

Если напряжения Ux и Uy переменные, то луч на экране бу­дет описывать более или менее сложную траекторию. Существует простой графический способ нахождения этой траектории, опираю­щийся на тот факт, что отклонения луча по координатам Y и Х пропорциональны напряжениям на пластинах" Y "и” Х", как это следует из соотношений (I) , (2). Рассмотрим этот способ на одном примере.

П усть на пластины поданы синусоидальные напряжения, сдвину­тые по фазе (рис. 4)

В озьмем моменты времени t₀ , t₁ , … , t₈. В каждый из них по графикам находим значения напряжений. Обозначим эти напряжения в момент t₀ как Uy⁰ и Ux⁰, в момент t₁-Uy¹, Ux¹ и т.д. В момент t₀ светящееся пятно на эк­ране будет иметь координату y₀ , пропорциональную Uy⁰, и координату х , пропорциональную Ux⁰ . Заметим, что для полу­чения чисто качественного представления об искомой траектории не требуется знания чувствительностей ЭЛТ Sy и Sх. От значений Sy и Sх зависят только масштабы по осям координат. Поэтому координаты у и х, пропорциональные Uy⁰ и Ux⁰, наносим на координатную плоскость в произвольном масштабе, который, однако, в дальнейшем должен выдерживаться и для других точек. На рис.5 эта точка обозначена t₀. Аналогично наносятся коорди­наты луча в моменты t₁ , t₂ , … , t₈ . Соединив точки плав­ной кривой, получим искомую траекторию.

Обращает на себя внимание совпадение координат в моменты t₀ и t₈ . Это не случайное совпадение, а вытекающее из пе­риодичности напряжений, подаваемых на пластины. Каждый период луч описывает замкнутую фигуру. Если частота подаваемых напря­жений более нескольких десятков герц, то из-за инерционности глаза оператор видит на экране не последовательное перемещение луча по траектории, а целиком всю траекторию . В нашем случае это будет эллипс. Если частоты сигналов Uy и Ux неодинаковы , но относятся как целые числа, то на экране будут видны более сложные фигуры (фигуры Лиссажу). Эллипс - одна из самых простых фигур Лиссажу. Возможность получения этих фигур на экране осцил­лографа иногда используется для измерения сдвига фаз и частоты

Если частоты напряжений Uy и Ux не кратны, то, очевидно луч на экране не будет перемещаться по замкнутой траектории и из-за инерционности зрения оператор увидит слабо светящийся эк­ран (или некоторую его часть). Информативность такой картины, конечно минимальна .

Перейдем к практически чрезвычайно важному вопросу - полу­чению изображения сигнала на экране ЭЛТ. Наиболее наглядное представление временного процесса - представление его в виде графика, по оси абсцисс которого откладывается время, а по оси ординат - интересующий параметр процесса. Подобный график и было бы желательно получать на экране ЭЛТ. Если, например, исследует­ся напряжение, то по оси ординат стремятся иметь значения этого напряжения, а по оси абсцисс – время. Поэтому, естественно, на пластины " Y " подать исследуемое напряжение. Возникает вопрос - какой сигнал подать на пластины "X". Если на них ничего не подавать, т.е. Ux = 0, то луч по экрану перемещается только в вертикальном направлении. Из-за инерционности зрения оператор увидит на экране вертикальную по­лоску. Если на "X" подать тот же сигнал, что и на " Y ", то цель все равно не достигается, из сказанного ранее следует - на экране будет фигура Лиссажу.

Оказывается, для получения искомого графика необходимо иметь в распоряжении некоторое вспомогательное напряжение, называемое напряжением развертки. Поскольку отклонение луча по оси Х должно быть пропорционально времени, то на пластины "X", вероятно, и следует подать напряжение, линейно зависящее от времени. Действительно, отклонение по оси Y пропорционально Uy(t) :

Y= Sy * Uy(t) (3)

Если выполняется уравнение :

X= Sx * Ux(t)= Sx * k * t (4)

где k- коэффициент пропорциональности, то подставляя в (3) значение t из (4) получим:

y= Sy * Uy * ( x / k * Sx )

Таким образом, на экране будет изображение временного процесса Uy(t). Масштабы по осям графика определяются Sy и Sx. Практически невозможно получить линейно - возрастающее напряжение в течение неограниченного времени. К тому же, в этом нет необходимости. Достаточно иметь такое напряжение в течение хотя бы одного периода исследуемого напряжения Uy(t) . Тогда на экране электронный луч воспроизведет один период сигнала Uy(t) . Если многократно и достаточно часто воспроизводить один период сигнала, причем, так, чтобы траектория луча была одной и той же, а не смещалась от периода к периоду, то из-за инерционности зрения оператор увидит на экране непрерывный график одного периода процесса.

Добиться такого положения, чтобы луч на экране от периода к. периоду

перемещался по одной и той же траектории, значит получить на экране устойчивое изображение. Для этого необходима синхронность напряжения развертки и исследуемого напряжения. Для осуществления синхронизации на переднюю панель осциллогра­фа выведены соответствующие органы управления.

Если напряжение развертки линейно нарастает в течение нескольких периодов исследуемого сигнала, то на экране получаем изображение нескольких периодов (естественно, при наличии синхронности Ux и Uy ).

Если сигнал непериодический, точнее, неповторяющийся, то наблюдать его на обычных осциллографах не представляется возможным. Для этой цели существуют специальные запоминающие осциллографы.

При исследовании низкочастотных процессов (частота менее 10 Гц) инерционность зрения уже трудно использовать. При подоб­ных исследованиях применяют специальные осциллографы, ЭЛТ ко­торых имеют длительное после свечение люминофора.