12

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

Кафедра технической физики и физики горных пород

______________________________________________________________

Лабораторная работа № II - 9

Изучение работы электронного осциллографа

Цель работы: ознакомление с устройством и принципом действия электронного осциллографа.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф марки ОСУ 20 – осциллограф сервисный универсальный, вольтметр переменного тока, генератор звуковой частоты.

Устройство осциллографа

Электронный осциллограф - это достаточно универсальный измерительный прибор, предназначенный для исследований процессов, электрические характеристики которых изменяются во времени или электрических характеристик двух изменяющихся во времени взаимосвязанных величин. Электронный осциллограф позволяет наблюдать, фиксировать и фотографировать кратковременные процессы длительностью (10^-3 … 10^-7) с.

С помощью осциллографа регистрируют вольт-амперные характеристики различных электрических и электронных устройств, характеристики гармонических и затухающих колебаний, результаты сложения колебаний в двух взаимно перпендикулярных направлениях (фигуры Лиссажу) и др.

Блок-схема электронного осциллографа представлена на рис.1. Основные блоки осциллографа: электронно-лучевая трубка, генератор развертки, усилителя вертикального отклонения, блок синхронизации, блок питания.

Рис. 1

Рис.2

Электронно-лучевая трубка схематически показана на рис.2. Она выполнена из стекла в виде цилиндра с конусообразным расширением, которое заканчивается слегка выпуклым днищем – экраном осциллографа «Э». Давление в колбе не превышает 10^-8 мм рт. ст. Внутренняя поверхность экрана покрыта слоем люминесцирующих веществ, которые светятся под ударами электронов. Электроды разгоняются разностью потенциалов системы, которая называется электронной пушкой. На рис.2 эта система выделена штриховой линией в виде квадрата.

Электронная пушка состоит из катода «К», управляющего электрода «УЭ», двух анодов «А1» и «А2». Пушка формирует узкий электронный луч; она обеспечивает также регулировку интенсивности луча и его фокусировку в плоскости экрана. Источником электронов является цилиндрический катод косвенного накала «К». Торец катода покрыт оксидным слоем, испускающем при его нагреве электроны преимущественно вдоль оси трубки. Отверстие в его основании служит для пропускания электронного пучка. Управляющий электрод имеет отрицательный по отношению к катоду потенциал. При изменении его значения ручкой «яркость» (потенциометр 1 на рис. 2) меняется количество электронов, проходящих через отверстие управляющего электрода; вследствие этого меняется яркость светового пятна на экране. Цилиндрические аноды «А1» и «А2» имеют высокий положительный потенциал по отношению к катоду. Потенциал 2-го анода в несколько раз больше потенциала 1-го анода. За счет этого между электродами электронной пушки создаются поля, ускоряющие поток электронов вдоль оси трубки и фокусирующие его на экране.

Электроды пушки, превращающие расходящийся поток электронов в сходящийся, называются электронными линзами. Фокусировка электронного луча в трубке осуществляется двумя электростатическими электронными линзами: линзой предварительной фокусировки: катод «К», управляющий электрод «УЭ», первый анод «А1» и линзой главной фокусировки: первый анод «А1» и второй анод «А2». Фокусирующее действие линзы зависит от ее формы и от скорости движения электронов. Чем быстрее движутся электроны, тем меньше их отклонение в поле электронной линзы.

На пути луча за электронной пушкой расположены под прямым углом друг к другу две пары отклоняющих пластин: горизонтально отклоняющие - П_Х и вертикально отклоняющие - П _У ( рис. 2). На рис. 3 схематически показана траектория движения электронов, которые отклоняются от движения вдоль горизонтальной оси под действием разности потенциалов отклоняющих пластин П _У. Плоскость экрана удалена от середины ширины пластин на расстояние L; отклонение электронного луча от исходного горизонтального направления – У. При отсутствии напряжения на отклоняющих пластинах электроны попадают в

центральную часть экрана – в точку 0 на рис.3. При хорошей фокусировке светящееся пятно от действия электронного луча на экран наблюдается как малый кружок или точка.

Рис.3

При подаче на пару отклоняющих пластин напряжения, возникающее между ними поле отклоняет луч в сторону пластины с большим потенциалом. Отклонение луча прямо пропорционально разности потенциалов между отклоняющими пластинами. Чем больше «l» - ширина отклоняющих пластин в направлении электронного луча, тем больше путь электронов, на протяжении которого они подвергаются отклоняющему действию поля; тем больше, следовательно, отклонение светового пятна от исходного положения на экране. Напряженность электростатического поля, воздействующего на движущиеся электроны, при постоянной разности потенциалов между пластинами обратно пропорционально значению «d» - расстоянию между пластинами.

Значения L, d, l электронной трубки постоянны, поэтому при постоянстве потенциала 2-го анода смещение луча «У» (рис. 3) пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах (U_У):

У = h_У· U_У.

Коэффициент пропорциональности h_У называется статической чувствительностью трубки по напряжению. Это величина, равная смещению светящегося пятна на экране (обычно в мм) при напряжении на отклоняющих пластинах в 1 В.

Генератор развертки является источником напряжения, необходимого для. перемещения луча вдоль горизонтальной оси трубки с постоянной скоростью. В осциллографе ОСУ-20 применяется «пилообразное напряжение».

Рис.4

Его изменение во времени показано на рис. 4. В течение периода Т₁ происходит увеличение напряжения U до значения Umax, прямо пропорциональное времени t. Далее, в течение периода Т₂ (Т₂ < Т₁) происходит спад напряжения по линейному закону. Этот процесс многократно повторяется.

Для отражения на экране осциллографа зависимости периодически меняющегося напряжения от времени его подают на отклоняющие пластины П_У, а на пластины П_Х подают напряжение развертки. При пилообразном напряжении развертки электронный луч в течение времени Т₁ равномерно смещается слева направо – это рабочий ход, а затем за время Т₂ практически мгновенно возвращается в исходное положение – это обратный ход. Обычно за время обратного хода луч гасится, и на экране виден только рабочий ход луча. Если период развертки Т_Р = Т₁ + Т₂ равен периоду Т_у исследуемого напряжения U_y, то на экране будет наблюдаться изображение кривой напряжения , только за один период. Если периоды (или частоты) U_Р, и U_У кратны друг другу (Тр = nTy, где n-целое число), то на экране наблюдается неподвижное изображение кривой исследуемого напряжения Uy за n, периодов. Если же n - не целое число, то изображение кривой перемещается по экрану. Такое перемещение нежелательно, так как наблюдение за изображением при этом затрудняется. Для устранения этого недостатка применяется синхронизация генератора развертки с частотой какого-либо постороннего стабильного источника напряжения. Благодаря синхронизации - при дополнительной ручной регулировке - генератор развертки будет работать с такой же частотой, что и исследуемый сигнал. Эим достигается к устойчивое изображения на экране. Синхронизировать генератор развертки можно или частотой исследуемого напряжения, или частотой внешнего напряжения. Для выбора режима синхронизации осциллограф снабжен переключателем «Внешняя синхронизация» и «Внутренняя синхронизация».

Блок питания состоит из нескольких узлов, обеспечивающих получение напряжений необходимых для работы осциллографа.