Устройство и принцип действия осциллографа

Электронный осциллограф (ЭО) - прибор, предназначенный для изучения разнообразных переменных электрических процессов. Помимо качественной оценки исследуемых процессов осциллографы дают возможность оценить ряд величин (напряжение сигнала, фазу, частоту и др.) количественно.

Достоинствами электронного осциллографа являются его высокая чувствительность, малая инерционность и большое входное сопротив-ление. Последнее достоинство исключает влияние прибора на режим работы цепей, к которым он подключается. Работает осциллограф, как правило, от переменного тока (220 В).

ЭО состоит из следующих узлов и блоков (функциональная схема ЭО представлена на рис. 1.1): электронно - лучевой трубки (ЭЛТ); блока питания; усилителей сигналов каналов Х и У и аттенюатора (делителя напряжения); генератора развертки (пилообразного напряжения); блока синхронизации; калибратора.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) - основная часть прибора (на экране трубки наблюдается исследуемый сигнал). ЭЛТ представляет собой (рис.1.2) вакуумную колбу 10, внутри которой впаяны электроды различного назначения. Одна группа электродов образует так называемую электронную пушку, создающую электронный луч, направленный вдоль оси ЭЛТ.К этим электродам относятся следующие:

- катод 2, нагреваемый с помощью нити накала 1. Эмиссия электронов происходит с торцевой поверхности катода, покрытого слоем окисла с малой работой выхода электронов;

- управляющий электрод (модулятор) 3, на который подается отрицательный относительно катода потенциал. Величина этого потенциала с помощью потенциометра R₁ может изменяться, что приводит к изменению яркости пятна на экране 8 (чем меньше по абсолютной величине потенциал, тем больше пройдет через модулятор в единицу времени электронов и тем ярче будет пятно);

- первый анод 4, выполненный в виде цилиндра, внутри которого расположено несколько диафрагм с отверстиями в центре;

- второй анод 5 - более короткий цилиндр с отверстием в центре.

На оба анода подаются положительные относительно катода потенциалы (на анод 4» 500 В, на анод 5» 3000 В), а потому они являются ускоряющими элементами (сообщают электронам ускорение и большую скорость). Кроме того, они совместно с модулятором 3 формируют здесь электрическое поле. Результирующее электрическое поле электродов 3, 4 и 5 оказывается таким, что электроны, двигаясь вдоль силовых линий, фокусируются на экране. Регулировка фокусирующего действия осуществляется потенциометром R₃.

К другой группе электродов относятся:

- вертикально отклоняющие пластины 6. Именно на них подается, как правило, после усиления исследуемое напряжение;

- горизонтально отклоняющие пластины 7. На них обычно подается напряжение с генератора развертки (см. ниже);

- третий анод 9, соединенный с электродом 5 и играющий вспомогательную роль.

Для понимания принципа действия осциллографа очень важно понять действие вертикально-отклоняющих пластин (ВОП). Как уже сказано, именно на них подается исследуемое напряжение U. Следовательно, между пластинами имеет место электрическое поле (рис. 1.3), напряженность которого в любой момент времени определяется равенством

E = U / d,

где d - расстояние между пластинами.

Пусть электрон со скоростью v_o влетает в это поле вдоль оси z. Очевидно, что координата z связана с временем соотношением

z = v_o × t. (1.1)

Вдоль оси y электрон будет двигаться с ускорением

(1.2)

где е и m - заряд и масса электрона соответственно. Следовательно,

(1.3)

Исключая из (1.1) и (1.3) время, найдем

(1.4)

Это означает, что электрон между пластинами движется по параболе. При выходе из поля ВОП электрон будет двигаться вдоль прямой МN (касательной к параболе), давая в точке N экрана вспышку. Можно показать, что отклонение h электрона на экране трубки пропорционально подаваемому напряжению U (см. формулы (1.4) и (1.1)), т.е. h = cU, где с - постоянная для данной трубки величина, называемая чувствительностью трубки - отклонение луча при подаче на ВОП напряжения, равного 1 В (с= h / U).

Так как напряжение, подаваемое на ВОП, чаще всего является переменным, то, естественно, под влиянием поля электронный луч отклоняется вертикально на величину 2 h.

Блок питания обеспечивает питающими напряжениями схему осциллографа. В него входят: выпрямители, трансформаторы, стабилизатор и некоторые другие элементы.

Блоки усилителей и аттенюатор. Чувствительность непосредственно ЭЛТ (но не осциллографа) не велика (»2 мм/В), поэтому подаваемые сигналы (особенно вертикальный - Y) часто должны быть предварительно усилены. Это и делается с помощьюусилителей Y и Х (рис.1.1). В случае большой амплитуды исследуемого сигнала его необходимо ослабить. Для этого на входе усилителя Y (ручка “Усиление”) ставят делитель напряжения - аттенюатор (ручка “Вольт/дел.”).

В усилителе Х аттенюатор отсутствует, поэтому подавать на горизонтально отклоняющие пластины большие (> 25 В) напряжения нельзя. Однако коэффициент усиления Х усилителя может быть увеличен в 5 раз (тумблер из положения “´ 1” перевести в положение ”´ 0, 2”).

При помощи потенциометров, входящих в усилители Х и Y, производится управление положением луча по горизонтали (ручки “Плавно” и “Грубо”) и по вертикали (ручка).

Генератор развертки. Для получения на экране ЭЛТ осциллограмм (графика зависимости напряжения исследуемого сигнала от времени) необходимо на вход Х осциллографа (а с него на горизонтально отклоняющие пластины) подать напряжение, пропорциональное времени, т.е. напряжение развертки (U_х). Создается это напряжение генератором (непрерывной) развертки, на выходе которого ста­вится усилитель.

Напряжение раз­вер­т­­ки имеет пило­образ­ный вид (рис.1.4) и может ре­гулироваться по ам­пли­ту­де и частоте. На участке пря­мого хода, где U_x ~ t, электронный луч сме­ща­ет­ся по экрану трубки слева направо. За время обратного хода луч быстро возвращается в крайнее левое положение. Для некоторых специ­аль­ных целей генератор раз­верт­ки можно ввести в режим так называемой ждущей развертки (о принципе действия генераторов развертки можно прочесть в специальной литературе). При непрерывной развертке ручка “Стаб.” должна стоять в положении, когда при отсутствии сигнала, на экране появляется линия развертки (горизонтальная линия).

Блок синхронизации. Для наблюдения периодических быстропро-текающих процессов важно получить на экране ЭО неподвижное изображение сигнала. Для этого нужно, чтобы период развертки был кратен периоду изучаемого сигнала. Обеспечить заранее это условие трудно. Поэтому используют принудительное согласование периодов - синхронизацию. Эту функцию в ЭО и выполняет блок синхронизации. Синхронизация может быть внутренней (ручка “Внутр.”) и внешней (ручка “Внешн”.). Внешняя синхронизация осуществляется от внешнего источника, сигнал которого может быть ослаблен в 10 раз (1: 1; 1: 10). Кроме того, предусмотрено изменение полярности синхронизации (+, -)- сигнал синхронизации совпадает или противоположен по полярности входному сигналу. Возможен и плавный переход от “+” к “-” (ручка “Уровень”), когда добиваются устойчивого положения сигнала. Блок синхронизации осуществляет также выбор типа входа (открытый вход - проходят и постоянная, и переменная составляющие; закрытый вход - проходит только переменный сигнал), а также отключение генератора развертки (ручка переключается в положение “ X ”).

Калибратор. Чтобы измерить величину сигнала и его длительность, нужно сравнить этот сигнал с другим известным по величине и длительности сигналом. Иначе говоря, нужно знать цену деления сетки экрана по вертикали и горизонтали (прокалибровать сетку). Делается это с помощью специального генератора-калибратора, который создает П-образные сигналы частотой 2 кГц и амплитудой 6 В. Калибровка производится, как правило, в заводских условиях, однако при эксплуатации ЭО приходится ее проверять и уточнять.

По вертикали калибровку уточняют при помощи шлица “Чувст.”, расположенного с левой стороны прибора, а по горизонтали - с помощью шлица “Калибровка длительности”, расположенного с правой стороны прибора.

Пользоваться указателями цены деления ручек “Вольт/дел.” и “Время/дел.” можно только при условии уверенности и правильности калибровки.

На рис. 1.5 изображена панель осциллографа С1-67. Здесь же указаны названия ручек управления, по которым (названиям) можно судить об их назначении. Назначения ручек управления указаны также в табл. 1.1.