Электронный осцилограф

Электронный осциллограф (ЭО) предназначен для изучения

электрических напряжений в цепях постоянного  и переменного тока

визуально или путем фотографирования. На экране осциллографа можно

наблюдать форму исследуемого сигнала, измерить его частоту,

амплитуду, фазу и другие параметры. Осциллографы выпускаются с

индикацией  сигнала на жидкокристаллическом экране или на экране

электронно-лучевой  трубки. Принцип действия осциллографа с

электронно-лучевой  трубкой (ЭЛТ) основан на отклонении потока

электронов  в электрическом или магнитном  поле.

Функциональными блоками осциллографа с ЭЛТ (рис. 1) являются

усилители вертикального и горизонтального  отклонения (УВО и УГО),

генератор развертки (ГР) и блок питания (БП). ЭЛТ  с электростатической

фокусировкой  луча и последующим отклонением  его в электрическом

поле  состоит из хорошо откачанной стеклянной колбы, внутри которой

находятся электронная пушка (ЭП), отклоняющая  система (ОС) и

люминесцентный  экран (ЛЭ). Электронная пушка предназначена  для

формирования  узкого пучка электронов и его  фокусировки на экран.

Источником  электронов является катод косвенного накала (2) с подогре-

вателем (1). Интенсивность электронного пучка  и, следовательно, яркость

пятна на экране регулируется отрицательным относительно катода

смещением на управляющем электроде (3). Первый анод (4) служит для

фокусировки, второй анод (5) - для ускорения электронов. Напряжение на

втором аноде в несколько раз больше, чем на первом, и в некоторых ЭЛТ

оно составляет 30 кВ и более. Управляющий электрод (3) и система

анодов (4) – (5) образуют фокусирующую систему, действие которой

основано  на изменении траектории электронов в неоднородном

электростатическом  поле анодов и эквивалентно действию на световой

луч двух выпукло-вогнутых линз с преобладанием  собирающего эффекта.

Отклоняющая система состоит из горизонтально и вертикально

отклоняющих плоскопараллельных пластин XX и YY и  расположена

между вторым анодом и экраном. Она предназначена  для смещения

электронного  луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Пластины YY установлены горизонтально, и на них подается напряжение

сигнала. Пластины XX установлены вертикально. На них подается

напряжение  развертки. Под действием однородного  электрического поля,

возникающего между одноименными пластинами (XX и YY), электроны

отклоняются от первоначального направления, и  светящееся пятно

смещается по экрану ЭЛТ пропорционально приложенным  напряжениям.

В ЭЛТ  с магнитной фокусировкой и отклонением  вместо пластин

установлены катушки индуктивности специальной  формы. Такие ЭЛТ

используются  в телевизорах и редко в  осциллографах.

Основной  характеристикой ЭЛТ с отклонением  луча в электрическом

поле  является чувствительность пластин. Чувствительность X-пластин sx

определяется  отношением смещения пятна на экране по горизонтали lx к

напряжению  Ux, приложенному на эти пластины:

Аналогично  определяется чувствительность Y-пластин  по значениям

вертикального смещения ly и напряжения Uy:

Если  на пластины подается переменное синусоидальное напряжение,

то пятно  на экране имеет вид прямой линии, длина которой для

синусоидального напряжения равна:

где U и Uэф – соответственно амплитудное и эффективное значения

синусоидального напряжения.

Чувствительность  электронно-лучевых трубок невелика и составляет

обычно  несколько сантиметров на вольт. При исследовании слабых

напряжений  сигнал приходится предварительно усиливать  с помощью

УВО. И  наоборот, если напряжение сигнала  превышает десятки вольт, то

его ослабляют  с помощью входного делителя напряжения. Качество

осциллографа  во многом определяется характеристиками усилителей – их

линейностью и полосой пропускаемых частот.

используют  обе пары отклоняющих пластин. Обычно на Y-пластины

подается  напряжение, пропорциональное исследуемому сигналу, а на X-

пластины  подается напряжение, линейно изменяющееся во времени –

пилообразное  напряжение развертки (рис. 2, а), которое  вырабатывается

генератором развертки (ГР). Под действием такого напряжения световое

пятно перемещается периодически с постоянной скоростью

горизонтально по экрану и почти мгновенно возвращается в исходное

положение.

В современных  осциллографах в качестве ГР используются

достаточно  сложные полупроводниковые генераторы пилообразного

напряжения. Способ получения пилообразного  напряжения, основанный

на заряде конденсатора через резистор и его  разряде через управляемый

вентиль, рассмотрим на примере лампового  тиратронного генератора

развертки (рис. 3). Тиратроном называется трехэлектродная  лампа,

заполненная инертным газом (неоном, криптоном или ксеноном). При

отрицательном напряжении на сетке и не слишком большом напряжении

анодного  питания Еа анодного тока через тиратрон "Л" нет, так как газ,

заполняющий тиратрон, является диэлектриком. При  увеличении

напряжения  на аноде до определенной величины – напряжения зажигания

Uзаж в тиратроне возникает газовый тлеющий разряд. При этом анодный

ток резко  возрастает, сопротивление тиратрона  падает, и тиратрон

«зажигается».

Пусть Еа достаточно велико ( Ea >Uзаж ). При замыкании ключа K

конденсатор С начнет заряжаться через большое сопротивление R при

отсутствии тока через тиратрон. Напряжение на конденсаторе, тиратроне

и, следовательно, на Х-пластинах возрастает со временем t по закону:

В момент времени, когда напряжение на конденсаторе становится равным

напряжению  зажигания лампы UC =Uзаж , конденсатор шунтируется

малым сопротивлением зажженного тиратрона. Напряжение на С быстро

спадает до напряжения, при котором тиратрон гаснет. Это напряжение

называется  напряжением гашения тиратрона  Uгаш <Uзаж .

Сопротивление тиратрона скачком возрастает, и  конденсатор С начинает

вновь заряжаться. Этот процесс многократно  повторяется, пока ключ K

замкнут. Если Ea >> Uзаж, что соответствует неравенству t << RC, тонапряжение на конденсаторе в процессе заряда практически линейно

возрастает  со временем (рис. 2, б):

напряжение  на конденсаторе имеет пилообразную форму, частота

которого  зависит от постоянной времени заряда конденсатора –

произведения  RC. Частоту ГР в измерительных целях изменяют в

диапазоне от долей Гц до нескольких МГц ступенчато переключателем

емкости П (С на С1, С2, С3 и т.д.) и плавно реостатом R (рис. 3).

Если  частота исследуемого периодического сигнала ν равна или

кратна частоте пилообразного напряжения развертки νразв, то на экране

наблюдается устойчивое изображение графика  зависимости сигнала от

времени в течение одного или нескольких периодов сигнала. Осью

времени является горизонтальная ось Х экрана. Кратное соотношение

между частотами сигнала и напряжения развертки нарушается во время

эксперимента, если генераторы сигнала и развертки  взаимно независимы.

Это вызывает передвижение и качание наблюдаемого графика.

Стабильность  графика достигается синхронизацией – “захватом” частоты

напряжения  развертки частотой сигнала. Выделяют два рода

синхронизации развертки: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя

синхронизация осуществляется исследуемым сигналом, внешняя –

подачей синхронизирующего напряжения от дополнительного  генератора

на клеммы "Внеш. синхр." (переключатель П1 на рис. 1).

В зависимости  от периодичности работы генератора развертки

выделяют  два режима работы осциллографа: непрерывный  и ждущий. В

режиме непрерывной развертки частота ГР равна или кратна частоте

исследуемого  сигнала. В ждущем режиме пилообразное напряжение

вырабатывается  однократно при поступлении на ГР возбуждающего

напряжения  от исследуемого сигнала (в режиме внутренней

синхронизации) или от дополнительного генератора (в режиме внешней

синхронизации). Выбор непрерывного или ждущего  режима

осуществляется  при помощи переключателя П2 (рис. 1). Непрерывный

режим развертки применяется, как правило, при изучении периодических

процессов, а ждущий – при исследовании переходных процессов,

импульсных  и одиночных сигналов.

Осциллограф можно использовать также для  получения графика

зависимости сигнала от другого параметра, например, для снятия вольт-

амперной  характеристики диодов, наблюдения петли  гистерезиса

ферромагнетика, определения частоты сигнала  и фазовых соотношений

методом фигур Лиссажу и т.д. В этом случае ГР отключают, и УГО

автоматически подключается к клемме "Вход Х" переводом

переключателя П3 (рис. 1) в положение "усил". Для  наблюдения графика

взаимной  зависимости двух различных сигналов их подают на "Вход Y"