Радиолюбительство, как хобби, занятие очень увлекательное, и, можно сказать, затягивающее. Многие вступают в него еще в чудесные школьные годы, а со временем это увлечение может стать профессией на всю жизнь. Даже, если не удается получить высшего радиотехнического образования, самостоятельное изучение электроники позволяет добиться весьма высоких результатов и успехов. В свое время журнал «Радио» называл таких специалистов инженерами без дипломов.
Первые опыты с электроникой начинаются, как правило, со сборки простейших схем, которые начинают работать сразу без наладки и настройки. Чаще всего это различные генераторы, звонки, простенькие блоки питания. Все это удается собрать, прочитав минимальное количество литературы, просто описания к повторяемым схемам. На этом этапе, как правило, удается обойтись минимальным набором инструмента: паяльник, бокорезы, нож и несколько отверток.
Постепенно конструкции усложняются, и рано или поздно выясняется, что без наладки и настройки работать они просто не будут. Поэтому приходится обзаводиться тонкими измерительными приборами, причем, чем раньше, тем лучше. У старшего поколения электронщиков таким прибором был стрелочный тестер.
В настоящее время на смену стрелочному тестеру, часто называемому авометром, пришел . Об этом можно почитать в статье «Как пользоваться цифровым мультиметром». Хотя старый добрый стрелочный тестер своих позиций не сдает, а в некоторых случаях его использование предпочтительно в сравнении с цифровым прибором.
Оба этих прибора позволяют измерить постоянные и переменные напряжения, токи и сопротивления. Если постоянные напряжения измерить просто, достаточно узнать только величину, то с переменными напряжениями имеют место быть некоторые нюансы.
Дело в том, что как стрелочные, так и современные цифровые приборы рассчитаны на измерение синусоидального переменного напряжения, причем, в довольно ограниченном диапазоне частот: результатом измерения будет действующее значение переменного напряжения.
Если такими приборами измерять напряжения прямоугольной, треугольной или пилообразной формы, то показания на шкале прибора, конечно, будут, но за точность измерений ручаться не приходится. Ну, просто есть напряжение, а какое, точно неизвестно. И как в таких случаях быть, как продолжать ремонт и разработку новых, все более сложных электронных схем? Вот тут радиолюбитель и подходит к тому этапу, когда приходится приобретать осциллограф.
Немного истории
С помощью этого прибора можно воочию увидеть, что происходит в электронных схемах: какова форма сигнала, где он появился или пропал, временные и фазовые соотношения сигналов. Для наблюдения нескольких сигналов потребуется, как минимум, двухлучевой осциллограф.
Вот тут можно вспомнить уже далекую историю, когда 1969 году был создан аж пятилучевой осциллограф С1-33, серийно выпускавшийся Вильнюсским заводом. В приборе использовалась ЭЛТ 22ЛО1А, применявшаяся только в этой разработке. Заказчиком такого прибора являлся, конечно же, военно-промышленный комплекс.
Конструктивно этот аппарат был выполнен из двух блоков, помещенных на стойку с колесиками: собственно осциллограф и блок питания. Общий вес конструкции составлял 160 кг! В комплект осциллографа входила регистрирующая фотокамера РФК-5, прикрепленная к экрану, что обеспечивало съемку осциллограмм на фотопленку. Внешний вид пятилучевого осциллографа С1-33 с установленной фотокамерой показан на рисунке 1.
Рисунок 1. Пятилучевой осциллограф С1-33, 1969 год
Современная электроника позволяет создавать карманные цифровые осциллографы размером с мобильный телефон. Один из таких приборов показан на рисунке 2. Но об этом будет рассказано несколько позже.
Рисунок 2. Карманный цифровой осциллограф DS203
Осциллографы различных типов
До недавнего времени выпускалось несколько типов электронно-лучевых осциллографов. В первую очередь это осциллографы универсальные, которые чаще всего используются в практических целях. Кроме них выпускались также запоминающие осциллографы на базе запоминающих ЭЛТ, высокоскоростные, стробоскопические и специальные. Последние типы предназначались для различных специфических научных задач, с которыми в настоящее время успешно справляются современные цифровые осциллографы. Поэтому далее речь пойдет именно об универсальных электронных осциллографах общего назначения.
Основной частью электронного осциллографа, несомненно, является электронно-лучевая трубка - ЭЛТ. Ее устройство показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Устройство ЭЛТ
Конструктивно ЭЛТ представляет собой длинный стеклянный баллон 10 цилиндрической формы с конусообразным расширением. Дно этого расширения, являющееся экраном ЭЛТ, покрыто люминофором, который излучает видимое свечение при попадании на него электронного луча 11. Многие ЭЛТ имеют прямоугольный экран с нанесенными прямо на стекло делениями. Именно этот экран и является индикатором осциллографа.
Электронный луч формируется электронной пушкой
Подогреватель 1 нагревает катод 2, который начинает излучать электроны. В физике это явление называется термоэлектронной эмиссией. Но электроны, излучаемые катодом, далеко не улетят, просто будут садиться обратно на катод. Чтобы из этих электронов получить луч, требуется еще несколько электродов.
Это фокусирующий электрод 4 и анод 5, соединенный с аквадагом 8. Под действием электрического поля этих электродов электроны отрываются от катода, ускоряются, фокусируются в тонкий луч и устремляются к экрану, покрытому люминофором, вызывая свечение люминофора. Все вместе эти электроды называются электронной пушкой.
Достигая поверхности экрана, электронный луч не только вызывает свечение, но еще и выбивает из люминофора вторичные электроны, которые вызывают расфокусировку луча. Для удаления этих вторичных электронов и служит упомянутый выше аквадаг, который представляет собой графитовое покрытие внутренней поверхности трубки. Кроме того, аквадаг в некоторой степени экранирует луч от внешних электростатических полей. Но такой защиты оказывается недостаточно, поэтому цилиндрическую часть ЭЛТ, где расположены электроды, помещают в металлический экран из электротехнической стали или пермаллоя.
Между катодом и фокусирующим электродом располагается модулятор 3. Его назначение управлять током луча, что позволяет гасить луч во время обратного хода развертки и подсвечивать во время прямого хода. В усилительных лампах этот электрод называется управляющей сеткой. Модулятор, фокусирующий электрод и анод имеют центральные отверстия, через которые и пролетает электронный луч.
Отклоняющие пластины ЭЛТ имеет две пары отклоняющих пластин. Это пластины вертикального отклонения луча 6 - пластины Y, на которые подается исследуемый сигнал, и пластины горизонтального отклонения 7 - пластины X, на них подается напряжение горизонтальной развертки. Если отклоняющие пластины никуда не подключены, то в центре экрана ЭЛТ должна появиться светящаяся точка. На рисунке это точка О2. Естественно, что на трубку должны быть поданы напряжения питания.
Вот тут следует сделать важное замечание. Когда точка стоит на месте, никуда не двигаясь, она может попросту прожечь люминофор, и на экране ЭЛТ навсегда останется черная точка. Подобное может случиться в процессе ремонта осциллографа или при самостоятельном изготовлении простенького любительского прибора. Поэтому в таком режиме следует снизить яркость до минимума и расфокусировать луч, - все равно можно увидеть есть луч или он отсутствует.
При подаче на отклоняющие пластины некоторого напряжения луч будет отклоняться от центра экрана. На рисунке 3 луч отклоняется в точку О3. Если напряжение будет изменяться, то луч прочертит на экране прямую линию. Именно это явление и используется для создания на экране изображения исследуемого сигнала. Для получения на экране двухмерного изображения необходимо подать два сигнала: исследуемый, - подается на пластины Y, и напряжение развертки, - подается на пластины X. Можно сказать, что на экране получается график с координатными осями X и Y.
Горизонтальная развертка
Именно горизонтальная развертка формирует на экране ось X графика.
Как видно на рисунке горизонтальная развертка осуществляется пилообразным напряжением, которое можно разделить на две части: прямой и обратный ход (рис. 4а). Во время прямого хода луч равномерно перемещается по экрану слева направо, и по достижению правого края быстренько возвращается назад. Это называется обратным ходом. Во время прямого хода вырабатывается импульс подсветки, который подается на модулятор трубки, и на экране появляется светящаяся точка, рисующая горизонтальную линию (рис. 4б).
Напряжение прямого хода, как показано на рисунке 4, начинается с нуля (луч в центре экрана) и изменяется до напряжения Uмакс. Поэтому луч будет перемещаться от центра экрана до правого края, т.е. всего на половину экрана. Чтобы развертка начиналась с левого края экрана, луч смещается влево подачей на него напряжения смещения. Смещение луча регулируется ручкой, выведенной на лицевую панель.
Во время обратного хода импульс подсветки заканчивается, и луч гаснет. Взаимное расположение импульса подсветки и пилообразного напряжения развертки можно увидеть на функциональной схеме осциллографа, показанной на рисунке 5. Несмотря на разнообразие принципиальных схем осциллографов, их функциональные схемы примерно одинаковы, подобны показанной на рисунке.
Рисунок 5. Функциональная схема осциллографа
Чувствительность ЭЛТ
Определяется коэффициентом отклонения, показывающим, на сколько миллиметров отклонится луч при подаче на пластины напряжения постоянного напряжения в 1В. Для различных ЭЛТ эта величина находится в пределах 0,15…2 мм/В. Получается, что подавая на отклоняющие пластины напряжение 1В, луч можно переместить луч всего на 2 мм, и это в лучшем случае. Чтобы отклонить луч на один сантиметр (10 мм), потребуется напряжение 10/2=5В. При чувствительности 0,15 мм/В для такого же перемещения понадобится уже 10/0,15=66,666В.
Поэтому для того, чтобы получить заметное отклонение луча от центра экрана исследуемый сигнал усиливается усилителем вертикального канала до нескольких десятков вольт. Такие же выходные напряжения имеет и канал горизонтального усиления, с помощью которого осуществляется развертка.
Большинство универсальных осциллографов имеют максимальную чувствительность 5мВ/см. При использовании ЭЛТ типа 8ЛО6И при входном напряжении 5мВ на отклоняющие пластины для перемещения луча на 1 см потребуется подать напряжение 8,5В. Нетрудно подсчитать, что для этого понадобится усиление более, чем в 1500 раз.
Такое усиление необходимо получить во всей полосе пропускания, и чем выше частота, тем ниже усиление, что присуще любым усилителям. Полоса пропускания характеризуется верхней частотой fверх. При этой частоте усиление канала вертикального отклонения снижается в 1,4 раза или на 3дБ. Для большинства универсальных осциллографов эта полоса составляет 5МГц.
А что будет, если частота входного сигнала превысит верхнюю частоту, например, 8…10МГц? Удастся ли ее увидеть на экране? Да, видно ее будет, но амплитуду сигнала измерить не удастся. Можно лишь убедиться в том, есть сигнал или его нет. Иногда таких сведений бывает вполне достаточно.
Канал вертикального отклонения. Входной делитель
Исследуемый сигнал поступает на вход канала вертикального отклонения через входной делитель, показанный на рисунке 6. Часто входной делитель называют аттенюатором.
Рисунок 6. Входной делитель канала вертикального отклонения
С помощью входного делителя появляется возможность исследования входного сигнала от нескольких милливольт до нескольких десятков вольт. В случае, когда входной сигнал превышает возможности входного делителя, применяются входные щупы с коэффициентом деления 1:10 или 1:20. Тогда предел 5В/дел становится 50В/дел или 100В/дел, что дает возможности для исследования сигналов со значительными напряжениями.
Открытый и закрытый вход
Здесь же (рисунок 6) можно видеть переключатель В1, который дает возможность подавать сигнал через конденсатор (закрытый вход) или непосредственно на вход делителя (открытый вход). При пользовании в режиме «закрытый вход» возможно исследование переменной составляющей сигнала, игнорируя его постоянную составляющую. Пояснить сказанное поможет простая схема, показанная на рисунке 7. Схема создана в программе Multisim, так что все на этих рисунках хотя и виртуально, но достаточно справедливо.
Рисунок 7. Усилительный каскад на одном транзисторе
Входной сигнал амплитудой 10мВ через конденсатор C1 подается на базу транзистора Q1. Подбором резистора R2 напряжение на коллекторе транзистора устанавливается равным половине напряжения питания (в данном случае 6В), что позволяет транзистору работать в линейном (усилительном) режиме. Выходной сигнал контролируется осциллографом XSC1. На рисунке 8 показан результат измерения в режиме открытого входа, на осциллографе нажата кнопка DC (постоянный ток).
Рисунок 8. Измерения в режиме открытого входа (канал А)
Здесь можно увидеть (канал А) лишь напряжение на коллекторе транзистора, те самые 6В, о которых только что было упомянуто. Луч в канале A «взлетел» на 6В, а усиленной синусоиды на коллекторе как не бывало. Ее просто нельзя разглядеть при чувствительности канала 5V/Div. Луч канала A на рисунке показан красным цветом.
На вход B подан сигнал с генератора, на рисунке показан синим цветом. Это синусоида амплитудой 10 мВ.
Рисунок 9. Измерения в режиме закрытого входа
Теперь нажмем в канале A кнопку AC - переменный ток, это собственно и есть закрытый вход. Здесь можно увидеть усиленный сигнал - синусоиду амплитудой 87 милливольт. Получается, что каскад на одном транзисторе усилил сигнал амплитудой 10 мВ в 8,7 раз. Цифры в прямоугольном окошке под экраном показывают напряжения и времена в местах расположения маркеров T1, T2. Подобные маркеры имеются в современных цифровых осциллографах. Вот собственно и все, что можно сказать по поводу открытых и закрытых входов. А теперь продолжим рассказ об усилителе вертикального отклонения.
Предварительный усилитель
После входного делителя, исследуемый сигнал попадает на предварительный усилитель, и, пройдя через линию задержки, поступает на оконечный усилитель канала Y (рисунок 5). После необходимого усиления сигнал поступает на вертикальные отклоняющие пластины.
Предварительный усилитель расщепляет входной сигнал на парафазные составляющие для подачи его на оконечный усилитель Y. Кроме этого, входной сигнал из предварительного усилителя подается на формирователь импульсов запуска развертки, что обеспечивает получение синхронного изображения на экране во время прямого хода развертки.
Линия задержки задерживает входной сигнал относительно начала напряжения развертки, что дает возможность наблюдать передний фронт импульса, как показано на рисунке 5 б). Некоторые осциллографы линии задержки не имеют, что, в сущности, не мешает исследованию периодических сигналов.
Канал развертки
Входной сигнал из предварительного усилителя также поступает на вход формирователя импульсов запуска развертки. Сформированный импульс запускает генератор развертки, вырабатывающий плавно нарастающее пилообразное напряжение. Скорость нарастания и период напряжения развертки выбирается переключателем «Время/дел», что дает возможность исследования входных сигналов в широком диапазоне частот.
Такая развертка называется внутренней, т.е. запуск происходит от исследуемого сигнала. Обычно осциллографы имеют переключатель запуска развертки «Внутр./Внешн.», почему-то не показанный на функциональной схеме на рисунке 5. В режиме внешнего запуска развертку можно запустить не исследуемым сигналом, а каким-то другим, от которого зависит исследуемый сигнал.
Это может быть, например, импульс запуска линии задержки. Тогда, даже с помощью однолучевого осциллографа, можно измерить временное соотношение двух сигналов. Но лучше это делать с помощью двухлучевого осциллографа, если он, конечно, есть под рукой.
Длительность развертки следует выбирать исходя из частоты (периода) исследуемого сигнала. Предположим, что частота сигнала 1КГц, т.е. период сигнала 1мс. Изображение синусоиды при длительности развертки 1мс/дел показано на рисунке 10.
Рисунок 10
При длительности развертки 1мс/дел один период синусоиды частотой 1КГц занимает ровно одно деление шкалы по оси Y. Синхронизация развертки производится от луча A по восходящему фронту по уровню входного сигнала 0В. Поэтому синусоида на экране начинается с положительного полупериода.
Если длительность развертки изменить на 500мкс/дел (0,5мс/дел), то один период синусоиды займет на экране два деления, как показано на рисунке 11, что, безусловно, удобней для наблюдения сигнала.
Рисунок 11
Кроме собственно пилообразного напряжения генератор развертки вырабатывает также импульс подсвета, который подается на модулятор и «зажигает» электронный луч (рис. 5 г). Длительность импульса подсвета равна длительности прямого хода луча. Во время обратного хода импульс подсвета отсутствует и луч гаснет. Если гашение луча отсутствует, на экране получится нечто непонятное: обратный ход, да еще и модулированный входным сигналом, попросту перечеркивает все полезное содержимое осциллограммы.
Пилообразное напряжение развертки поступает на оконечный усилитель канала X, расщепляется в парафазный сигнал и подается на горизонтальные отклоняющие пластины, как показано на рисунке 5 д).
Внешний вход усилителя X
На оконечный усилитель X может подаваться не только напряжение с генератора развертки, но и внешнее напряжение, что дает возможность измерения частоты и фазы сигнала с использованием фигур Лиссажу.
Рисунок 12. Фигуры Лиссажу
Но на функциональной схеме по рисунку 5 не показан переключатель входа X, также как и переключатель рода работ развертки, о котором было сказано чуть выше.
Кроме каналов X и Y осциллограф, как и любое электронное устройство, имеет блок питания. Малогабаритные осциллографы, например, С1-73, С1-101 могут работать от автомобильного аккумулятора. Кстати, для своего времени эти осциллографы были очень хороши, да и до сих пор успешно используются.
Рисунок 13. Осциллограф С1-73
Рисунок 14. Осциллограф С1-101
Внешний вид осциллографов показан на рисунках 13 и 14. Самое удивительное в том, что их до сих пор предлагают купить в интернет магазинах. Но цена такая, что дешевле купить малогабаритные цифровые осциллографы на Алиэкспресс.
Дополнительными устройствами осциллографов являются встроенные калибраторы амплитуды и развертки. Это, как правило, достаточно стабильные генераторы прямоугольных импульсов, подключая которые на вход осциллографа, с помощью подстроечных элементов можно настроить усилители X и Y. Кстати, такие калибраторы есть и у современных цифровых осциллографов.
О том, как пользоваться осциллографом, о методах и способах измерения будет рассказано в следующей статье.
11. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ.
11.1 Общая характеристика.
Электронные осциллографы предназначены для:
а) визуального наблюдения формы электрических сигналов,
б) измерения параметров электрических сигналов.
Возможность наблюдения формы изменяющихся во времени электрических сигналов делает осциллограф удобным при определении различных параметров электрических сигналов и одним из самых универсальных измерительных приборов. Следующие достоинства осциллографов обусловили их широкое применение:
Широкий частотный диапазон;
Высокая чувствительность;
Большой динамический диапазон исследуемых сигналов;
высокое входное сопротивление и малая входная емкость.
В настоящее время выпускается множество осциллографов, различающихся назначением и характеристиками. Промышленность выпускает:
Аналоговые и цифровые электронные осциллографы;
Электронные осциллографы для наблюдения и измерения непрерывных и импульсных сигналов;
Универсальные электронные осциллографы, низкочастотные и высокочастотные электронные осциллографы;
Многофункциональные осциллографы со сменными блоками;
Запоминающие осциллографы для регистрации одиночных импульсов;
Одноканальные и многоканальные (в основном - двухканальные) и т.д.
В основе работы любого электронного осциллографа лежит преобразование исследуемого электрического сигнала в осциллограмму, формируемую на экране электронно-лучевой трубки или матричной индикаторной панели.
11.2 Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением.
В современных электронных осциллографах визуализация сформированной осциллограммы осуществляется с помощью электронно-лучевой трубки или матричной индикаторной панели. В настоящее время в осциллографах широкого применения преимущественно используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением.
Простейшая однолучевая ЭЛТ с электростатическим управлением представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Внутри баллона располагаются (см. рис. 1):
Подогревной катод - К;
Модулятор (сетка) – М;
Фокусирующий анод – А 1 ;
Ускоряющий анод – А2;
Две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин - ОП Х (горизонтальные) и ОП У (вертикальные);
Внутренняя поверхность дна баллона покрыта слоем люминофора, способного светиться в месте бомбардировки его электронами, образующего экран трубки Э.
Рисунок 1 – Устройство электронно-лучевой трубки
с электростатическим управлением
Совокупность электродов К, М, А 1 , А 2 называют электронной пушкой. Конструктивно электроды пушки выполняются в виде цилиндров, расположенных на оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов – электронный луч. Интенсивность электронного луча регулируется изменением отрицательного потенциала М относительно К, что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Положительное напряжение на А 1 (относительно К) фокусирует поток электронов в узкий луч, позволяющий получать на экране ЭЛТ светящееся пятно малого диаметра. Для ускорения электронов луча до скорости, обеспечивающей свечение люминофора, на анод А 2 подается высокое положительное напряжение. Сформированный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин ОП х и ОП у и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется соответственно по осям Х и У, вызывая смещение светящегося пятна на экране ЭЛТ.
При исследовании быстро протекающих процессов с малой частотой повторения или одиночных импульсов электронный луч не успевает приобрести достаточную кинетическую энергию и в достаточной мере возбудить люминофор. Поэтому свечение экрана может быть недостаточным. В современных ЭЛТ дополнительно ускоряют электроны луча при помощи третьего анода А 3 , подавая на него высокое положительное напряжение.
В современных ЭЛО применяются и более сложные ЭЛТ, в частности, многолучевые трубки для одновременного наблюдения 2-х и более сигналов.
11.3 Структурная схема эло.
Упрощенная структурная схема однолучевого ЭЛО представлена на рис. 2. Исследуемый сигнал U c , осциллограмму которого надо получить на экране ЭЛТ, подается на «Вход У». Через «Входной делитель» и «Усилитель канала У» он поступает на пластины ОП У и управляет перемещением луча в вертикальном направлении. Делитель необходим для работы с сигналами большой амплитуды.
Рисунок 2 – Структурная схема ЭЛО
Для управления перемещением луча в горизонтальном направлении служит «Генератор развертки», выходное напряжение которого поступает на ОП Х через «Усилитель канала Х» (режим линейной развертки). При необходимости «Генератор развертки» можно отключить, установив переключатель П2 в нижнее положение, и подать на ОП Х внешний сигнал со «Входа Х» через «Усилитель канала Х» (режим синусоидальной развертки, т.к. чаще всего подается гармонический сигнал).
Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы универсального электронного осциллографа, изучение формы электрических сигналов, а также измерение их амплитудных и временных характеристик.
Приборы и принадлежности: электронный осциллограф С1-117/1, генератор сигналов низкочастотный Г3-112/1, кабели и соединительные провода.
Устройство и принцип работы электронного осциллографа
Электронный осциллограф является современным прибором, предназначенным для исследования быстропеременных электрических процессов. Осциллограф обладает высокой чувствительностью, сравнительно большой точностью измерений и является практически безинерционным прибором.
Основные узлы (блоки) электронного осциллографа:
электронно-лучевая трубка
усилители вертикального и горизонтального отклонения луча
блок развертки
блок синхронизации
блок питания
Электронно-лучевая трубка.
Электронно-лучевые трубки делятся на два типа с электростатическим и электромагнитным управлением электронным лучом. В первом случае управление электронным лучом осуществляется электрическим полем, во второммагнитным. Ниже рассматривается устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением.
Электронно-лучевая трубка (рис.1) представляет собой вакуумированный стеклянный баллон, давление около 10 -6 мм.рт.ст., внутри которого находятся электронная пушка, отклоняющие пластины и экран.
Рис. 1. Электронно-лучевая трубка
Электронная пушка предназначена для получения и фокусировки на экране электронного луча. Она состоит из катода (2), нити накала (1), управляющего электрода– сетки (3) и двух анодов (4,5). Управляющий электрод предназначен для регулировки яркости (интенсивности) электронного луча. С помощью анодов производится фокусировка и ускорение электронного пучка.
Электроны, испускаемые нагретым катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются электрическим полем, создаваемым системой анодов. Первый анод (4) – цилиндрический с двумя или тремя диафрагмами, которые служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условию фокусировки. Второй анод (5) – также цилиндрический, но большего диаметра. Оба анода имеют положительные потенциалы относительно катода, потенциал первого анодаU a 1 1 кВ, потенциал второго анодаU a 2 4 кВ. Работа электрического поля, создаваемого системой анодов, идет на увеличение кинетической энергии электронов в электронном луче:
(1.1)
Под действием электрического поля анодов электроны развивают скорость порядка 10 3 10 4 м/с и быстро достигают экрана. Экран покрыт специальным люминесцирующим составом, который светится под действием ударов электронов. Таким образом, электронный луч прочерчивает видимый глазом след на экране осциллографа.
Управляющий электрод-сетка (3), выполненный в виде цилиндра с отверстием, имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поле этого электрода сжимает электронный пучок, отклоняя его к оси трубки. При увеличении отрицательного потенциала управляющего электрода часть электронов настолько сильно отклонится от оси пучка, что не пройдет через его отверстие. При этом интенсивность электронного пучка, а, следовательно, и яркость луча на экране осциллографа уменьшается.
Электронный луч можно направить в любую точку экрана (8) с помощью двух пар управляющих пластин (6) и (7), на которые подается соответствующее напряжение. Под действием электрического поля отклоняющих пластин пучок электронов смещается в горизонтальном или в вертикальном направлении. Малая масса электронов обеспечивает малую инерционность электронного луча, поэтому электронный луч практически мгновенно реагирует на изменения напряжения на отклоняющих пластинах.
Более подробно с принципом фокусировки электронного пучка и действием отклоняющих пластин на электронный луч можно ознакомиться в приложениях 1 и 2.
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА И ОЗНАКОМЛЕНИЕ С НЕКОТОРЫМИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯМИ
Уфа 2009
Ответственный за выпуск: проф. Альмухаметов Р.Ф.
Цель работы : ознакомление с устройством электронного осциллографа и принципом его работы, определение основных характеристик осциллографа, применение осциллографа в качестве измерительного прибора и для изучения некоторых процессов.
Оборудование : электронный осциллограф, звуковой генератор, генератор прямоугольных импульсов, магазин ёмкостей, магазин сопротивлений.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА
Осциллографом называется прибор, предназначенный для изучения электрических сигналов и измерения их параметров. С помощью осциллографа можно наблюдать на экране и изучить форму электрических сигналов, измерить напряжение и ток, определить частоту, измерить промежуток времени и т.д. Существует большое количество различных типов осциллографов. Все осциллографы содержат следующие основные блоки и узлы (рис.1):
1. электронно-лучевую трубку;
2. усилитель вертикального отклонения;
3. усилитель горизонтального отклонения;
4. блок развертки;
5. блок синхронизации;
6. блок питания.
Электронно-лучевая трубка предназначена для визуализации исследуемых сигналов с помощью электронного луча на люминесцирующем экране. Она представляет собой большую стеклянную колбу цилиндрической формы с расширением на одном конце (рис.2). Внутри электронно-лучевой трубки создается высокий вакуум для того, чтобы электроны, движущиеся внутри неё, не рассеивались на молекулах воздуха.
Электронно-лучевая трубка имеет экран Э, покрытый изнутри слоем люминофором. На хвостовой части имеется катод К, который нагревается с помощью нити накала НН путем пропускания через неё электрического тока. В результате нагрева электроны материала катода приобретают большую тепловую энергию и могут легко его покинуть. Это явление называется термо-электронной эмиссией. Для того, что направить электронный пучок в сторону экрана в трубке имеются два анода А 1 и А 2 . К анодам прикладывается положительное напряжение от источника питания относительно катода. Для получения узкого пучка электронов служить модулятор М . Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поэтому электроны, вылетевшие из катода под разными углами к его активной поверхности, сжимаются полем и направляется в отверстие модулятора. Так формируется электронный пучок. Интенсивность пучка, а следовательно, и яркость светящегося пятна на экране электронно-лучевой трубки можно регулировать изменением потенциала модулятора с помощью потенциометра R 1 , так как поле модулятора помимо сжимающего действий на поток оказывает еще и тормозящее действие на электроны.
После модулятора электронный поток попадает в электрическое поле первого анода А 1 . Первый анод выполнен в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью трубки. Внутри цилиндра имеются несколько перегородок-диафрагм с отверстиями в центре, которые служат для ограничения поперечного сечения электронного пучка. На первый анод подается положительное относительно катода напряжение порядка нескольких сот вольт. Это поле ускоряет электроны и благодаря своей конфигурации сжимает электронный пучок. Второй анод А 2 располагаются непосредственно за первым анодом и представляет собой короткий цилиндр, закрытый на конце, обращенном к экрану, диафрагмой с отверстием в центре. На второй анод подаются более высокое положительное напряжение, чем на первый анод (1-5 кВ). Основная фокусировка пучка производится изменением потенциала первого анода с помощью потенциометра R 2 .
Внутреннюю поверхность стеклянного баллона трубки почти вплоть до экрана покрывают проводящим слоем и называют ее третьим анодом (Аз). Третий анод соединяют со вторым. При помощи электрических полей анодов электроны фокусируются на экране трубки и им сообщается необходимая скорость. Система электродов катод-модулятop-первый анод-второй анод образует так называемую электронную пушку .
Для отклонения электронного луча в горизонтальном и вертикальном направлениях служат пластины X и Y. При отсутствии отклоняющих напряжений на пластинах X и Y электронный луч попадает в центр экрана трубки. Если к пластинам Y или Х приложить разность потенциалов, то электронный луч будет отклоняться в вертикальном или горизонтальном направлении. Величина этого отклонения пропорциональна напряжению между пластинами. Если на пару горизонтально расположенных пластин Y 1 Y 2 подать периодически меняющееся напряжение, то электронный луч будет периодически перемещаться на экране в вертикальном направлении и описывать вертикальную линию. Напряжение, поданное между вертикально расположенными пластинами Х 1 Х 2 , заставляет двигаться электронный луч в горизонтальном направлении. При одновременной подаче напряжения между горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами электронный луч претерпевает отклонение под действием обоих полей и описывает на экране сложную фигуру.
Усилители горизонтального и вертикального отклонения служат для предварительного усиления напряжений, подаваемых на пластины X и Y. Это связано с тем, что для заметного отклонения электронного луча на экране на пластины X и Y нужно подавать напряжение порядка нескольких сот вольт. Поэтому слабые сигналы необходимо усиливать до нужного уровня. В случае исследований сигналов с высоким напряжением для предотвращения выхода осциллографа из строя предусматривают схемы ослабления в кратное число раз- аттенюаторы. Часто эти схемы входят в единый блок с усилителем вертикального и горизонтального отклонения.
 |
Блок развертки . Часто осциллограф используется для изучения временной зависимости различных сигналов. В этом случае необходимо, чтобы электронный луч равномерно перемещался вдоль оси Х от левого края экрана до правого, а затем быстро возвращался в исходное положение. Для этого напряжение, подаваемое на пластины Х , должно линейно нарастать в течение некоторого времени t 1 , а затем достаточно быстро (за время t 2) должно падать до первоначального значения. Такое напряжение называется пилообразным и оно вырабатывается генератором пилообразного напряжения (рис.3). Движение электронного луча во времени по оси Х называется разверткой . Схема, которая вырабатывает напряжение развертки, называется блоком развертки . Если напряжение развертки линейно растет со временем, то развертка называется линейной . Развертка бывает также циклической и более сложной.
Подадим на вертикально отклоняющие пластины переменное напряжение U y с периодом T c :
а на горизонтально отклоняющие пластины - напряжение развертки с периодом Т р . В этом случае луч будет одновременно участвовать в двух движениях. В зависимости от соотношения частот исследуемого сигнала и развертки на экране осциллографа можно получить различное число периодов изучаемого напряжения. При равенстве периодов Т р =Т с за время равномерного движения луча от левого края экрана до правого луч успевает совершить одно полное колебание также в вертикальном направлении и на экране получится один период исследуемого напряжения. Через время T p луч вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать синусоиду, которая точно ляжет на первую, и на экране возникнет неподвижная осциллограмма. При T р =nT с (где n – целое число) осциллограмма будет представлять собой кривую из n периодов исследуемого напряжения.
При незначительном нарушении указанного выше условия осциллограмма начнет двигаться либо вправо, либо влево. Для достижения неподвижности осциллограммы на экране необходимо синхронизировать напряжение развертки с исследуемым сигналом. Для этих целей служит блок синхронизации . Синхронизация заключается в том, что начало каждого периода пилообразного напряжения принудительно совмещается с одной и той же фазой исследуемого сигнала. Тогда развертка начинается всегда в одной и той же точке на кривой временной зависимости исследуемого сигнала. Если в качестве напряжения синхронизации в осциллографе используется сам исследуемый сигнал, то говорят о внутренней синхронизации . Если для синхронизации используется какое-либо внешнее напряжение, не связанное с исследуемым сигналом, то говорят о внешней синхронизации . В осциллографах также предусматривается синхронизация от напряжения сети. В современных осциллографах генератор развертки может работать в двух режимах – в режиме непрерывной развертки и в режиме ждущей развертки. В режиме непрерывной развертки генератор развертки работает независимо от наличия сигнала на входе Y. В режиме ждущей развертки генератор развертки приводится в действие только при подаче исследуемого напряжения.
Блок питания предназначен для обеспечения необходимыми напряжениями электроды электронно-лучевой трубки, усилители, генераторы и другие схемы осциллографа.
Чувствительность трубки . Электронно-лучевая трубка характеризуется чувствительностью. Чувствительностью трубки к напряжению называется отклонение луча на экране, вызванное разностью потенциалов в 1 В на отклоняющих пластинах:
где k - чувствительность трубки; Z – отклонение луча на экране трубки; U - разность потенциалов между отклоняющими пластинами.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Московский государственный технологический
университет "Станкин"
Егорьевский технологический институт (филиал)
Изучение электронного осциллографа
Методические указания
К выполнению лабораторной работы.
ЕТИ.Ф. 01
Егорьевск 2008
Составитель ст. преподаватель Никифоров В.Ю.
Рецензент к.ф-м.н. Бурмистров А.В.
В методических указаниях рассмотрены: физические процессы в электронно-лучевой трубке, эмиссионные явления и их применения, возникновение электрического тока в вакууме, назначение, устройство и принцип действия электронного осциллографа и методы исследования электрических процессов с помощью осциллографа на примере осциллографа типа ОМЛ – 3М, принцип работы цифрового осциллографа.
Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по специальностям: 151001 «Технология машиностроения», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (машиностроение)», 280202 «Инженерная защита окружающей среды» по дисциплине "Физика" при изучении раздела «Электричество и магнетизм».
Методические указания обсуждены на заседании кафедры естественно-научных дисциплин.
Протокол № от
Заведующий кафедрой А.П. Нилов
Методические указания рассмотрены и одобрены методическим советом института
Протокол № от
Председатель совета А.Д.Семенов
Изучение электронного осциллографа типа ОМЛ –3М
1 Цель работы: Ознакомиться с назначением, устройством и принципом действия электронного осциллографа и методами исследования электрических процессов с помощью осциллографа на примере осциллографа типа ОМЛ – 3М.
2 Оборудование: осциллограф электронно-лучевой ОМЛ – 3М, генераторы сигналов звуковой частоты (2 шт.), вольтметр, соединительные провода.
3.1 Изучить теоретический материал.
3.2 Ознакомиться с назначением и расположения органов управления осциллографа
3.3 Включить осциллограф
3.4 Собрать схему, подключив генераторы звуковой частоты к осциллографу.
3.5 Произвести измерения напряжения, частоты с помощью осциллографа при различных параметрах цепи.
3.6 Сравнить результаты измерений с результатами теоретических расчетов.
3.7 Вычислить погрешности.
3.8. Пронаблюдать и зафиксировать фигуры Лиссажу.
3.9 Сделать вывод.
3.10 Оформить отчет.
Теоретические сведения к работе
Назначение осциллографа
Электронный осциллограф – прибор, предназначенный для наблюдения, исследования и регистрации разнообразных быстропеременных электрических процессов путем их графического воспроизведения на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Например, с помощью осциллографа можно измерить силу тока и напряжение, найти изменение их со временем, определить сдвиг фаз между ними, сравнить частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т.д. Осциллограф характеризуется большим входным сопротивлением, высокой чувствительностью и малой инерционностью.
Электронно-лучевые трубки для осциллографирования, т. е. записи быстропеременных электрических явлений, были впервые задействованы в начале прошлого столетия, и одной из первых таких трубок была разработанная проф. Д. А. Рожанским в 1910-1911 гг.
Осциллограф малогабаритный любительский ОМЛ-ЗМ предназначен для наблюдения и исследования формы электрических сигналов в диапазоне частот от постоянного тока до 5МГц путем визуального наблюдения и исследования их временных и амплитудных значений, для настройки низкочастотной и высокочастотной бытовой радиоаппаратуры конструкторами-любителями.
Условное обозначение1У1 на задней панели свидетельствует о том, что изделие не предназначено для промышленных измерений.