Приборы индукционной системы. Конструкция. Принцип работы.(методичка)

10. Электронно-лучевой осциллограф. Структурная схема. Назначение структурных элементов. (лекция + методичка)

Для наблюдения и регистрации, изменяющихся во времени напряжений, токов и ряда связанных с ними физических величин широко используются электронно­лучевые светолучевые осциллографы. К достоинствам ЭЛО следует отнести широ­кий частотный диапазон, большое входное сопротивление, возможность применения специальных видов развертки, внешней синхронизации и т. д. Светолучевые осциллографы удобны для одновременной регистрации нескольких процессов при необходимости гальванического разделения между каналами. Упрощенная структурная схема электронно-лучевого осциллографа (ЭЛО) представлена на рис.1

Рис.1. Упрощенная структурная схема электронно-лучевого осциллографа.

Она состоит из электронно-лучевой трубки ЭЛТ, делителя напряжения Д, усилителей вертикального и горизонтального отклонения Y_c, Y и Y_c, X и блока развертки БР.

Простейшая электронно-лучевая трубка (рис.2) представляет собой тщательно откачанный стеклянный баллон с электродами. Катод К, подогреваемый с помощью нити накала H, эмитирует элек­троны, которые под действием поля положительно заряженных анодов A и A устремляются в направление экрана Э. Конфигурация, взаимное расположение анодов и напряжения на них выбираются так, чтобы электрическое поле ускоряло и фокусировало поток электронов.

Забиваем Сайты В ТОП КУВАЛДОЙ - Уникальные возможности от SeoHammer

Каждая ссылка анализируется по трем пакетам оценки: SEO, Трафик и SMM. SeoHammer делает продвижение сайта прозрачным и простым занятием. Ссылки, вечные ссылки, статьи, упоминания, пресс-релизы - используйте по максимуму потенциал SeoHammer для продвижения вашего сайта.

Что умеет делать SeoHammer

— Продвижение в один клик, интеллектуальный подбор запросов, покупка самых лучших ссылок с высокой степенью качества у лучших бирж ссылок.
— Регулярная проверка качества ссылок по более чем 100 показателям и ежедневный пересчет показателей качества проекта.
— Все известные форматы ссылок: арендные ссылки, вечные ссылки, публикации (упоминания, мнения, отзывы, статьи, пресс-релизы).
— SeoHammer покажет, где рост или падение, а также запросы, на которые нужно обратить внимание.

SeoHammer еще предоставляет технологию Буст, она ускоряет продвижение в десятки раз, а первые результаты появляются уже в течение первых 7 дней.

Зарегистрироваться и Начать продвижение

Внутренняя поверхность экрана, на которую направляется электронный луч, покрыта специальным составом, светящимся под действием электронов. Для уда­ления с экрана электрического заряда на внутренней поверхности баллона, вблизи экрана, наносится проводящее покрытие П, электрически соединенное с анодом А.

Рис. 3. Напряжение развертки.

Управляющая сетка (модулятор) С, на которую подается отрицательное, относи­тельно катода, напряжения для регулировки яркости изображения. При достаточ­но большом отрицательном напряжении на сетке трубка может быть полностью «заперта».

На пути к экрану электронный луч проходит в поле двух пар отклоня­ющихся пластин П₂ и П₂’, расположенных горизонтально, и П₁ и П₁’расположен­ных вертикально. Если на пластины П₁ и П₁’ подать электрическое напряжение, то их поле будет смещать луч вертикальной плоскости, поэтому пластины П₁ и П₁’ называются вертикально отклоняющими. Поле пластин П₂ и П₂’ смещает луч в горизонтальной плоскости и поэтому эти пластины называются горизонтально отклоняющими.

Практически в достаточно широком диапазоне частот можно считать электрон­ный луч безинерционным. Поэтому координаты х₁ и y₂ светящегося пятна на экране в любой момент времени пропорциональны мгновенным значениям напряжений U и U₁, приложенным соответственно к горизонтально отклоняющим и вертикально отклоняющим пластинам.

Сервис онлайн-записи на собственном Telegram-боте

Попробуйте сервис онлайн-записи VisitTime на основе вашего собственного Telegram-бота:
— Разгрузит мастера, специалиста или компанию;
— Позволит гибко управлять расписанием и загрузкой;
— Разошлет оповещения о новых услугах или акциях;
— Позволит принять оплату на карту/кошелек/счет;
— Позволит записываться на групповые и персональные посещения;
— Поможет получить от клиента отзывы о визите к вам;
— Включает в себя сервис чаевых.

Для новых пользователей первый месяц бесплатно.

Зарегистрироваться в сервисе

Начало координат, соответствующее нулевым значениям напряжений U и U₁ выбирают обычно в центре экрана. Для этого на отклоняющие пластины подаются дополнительные постоянные напряжения того или иного знака, смещающие на экране по вертикали и горизонтали.

Для ослабления или усиления входных напряжений служат Д и усилители Y_c, Y и Y_c, X, выходы которых соединены соответственно с вертикально отклоняющи­ми пластинами. В рабочем диапазоне частот коэффициенты мало зависят от часто­ты.

Если на вход Y подано исследуемое напряжение U_y(t), то координата y светящегося на экране пятна в любой момент времени пропорциональна мгновенному значению исследуемого напряжения

Y=S_yU_y(t) (3-1)

Величину S_y, зависящую от коэффициентов передачи Д и Y_c, Y и от чувстви­тельности трубки, называют чувствительностью осциллографа по входу Y.

Если на вход Х подать напряжение U_x(t), то для координаты X светящегося пятна аналогично получим:

x=S_xU_x(t) (3-2)

Система уравнений (3-1) и (3-2) полностью описывает движение светящегося пятна на экране осциллографа для любых U_x(t) и U_y(t) действующих одновременно.

Для получения на экране кривой исследуемого напряжения U_y(t)в прямоугольной системе координат необходимо, чтобы напряжение U_x(t) изменялось в течении некоторого промежутка времени по линейному закону. Поэтому напряжение раз­вертки U_x(t), вырабатываемое БР, имеет телообразную форму (рис. 3).

Отрезок времени t₁ называют временем прямого (рабочего) хода луча. В течении t₁ под действием линейно нарастающего напряжения U_x(t) светящееся пятно движется по экрану слева направо с равномерной скоростью.

В течение t₂ - времени обратного хода луча - луч движения справа налево в исходное состояние. Время t₂ стремятся сделать, возможно, меньше (t₂ < < t₁). Во время паузы t₃ горизонтальная координата светящегося пятна не меняется.

В некоторых осциллографах в течение времени t₁ на сетку электронно-лучевой трубки подают допол­нительное напряжение, увеличивающее яркость. При отсутствии этого напряжения яркость настолько мала, что части изображения, соответствующие отрезкам времени t₂ и t₃ на экране незаметны.

При исследовании периодического напряжения изображение на экране будет неподвижным и удобным для наблюдения лишь в том случае, когда период напряжения развертки Т (рис.3) равен или в целое число раз больше периода исследуемого напряжения U_y(t).

При заданных напряжениях U_y(t) и U_x(t) нетрудно построить изображения y=f(x), получающееся на экране осциллографа, если учесть, что система уравнений (3-1) и (3-2) представляет собой уравнение, изображенное в параметри­ческой форме. На рис.4 приведен пример такого построения. Тонкими линиями показана невидимая часть изображения, соответствующая интервалам времени t₂ и t₃. Стрелки указывают направление движения светящегося пятна.

Обычно БР может работать в двух режимах: непрерывном и ждущем. В режи­ме непрерывной развертки, предназначенном для исследования только периоди­ческих напряжений пауза t₃ отсутствует (t₃=0). Регулируя время рабочего хода t₁, можно менять период Т и следовательно добиваться неподвижности изображения (время обратного хода луча t₂ не регулируется). Если период Т напряжения развертки в n раз больше периода исследуемого напряжения.

В режиме ждущей развертки момент начала прямого хода луча соответствует определенному уровню (определенному мгновенному значению) исследуемого напряжения. При этом время прямого хода луча можно устанавливать произвольным. После окончания обратного хода луча БР «ждет» (время t3) до тех пор, пока исследуемое напряжение вновь не достигнет уровня запуска. Режим ждущей развертки может применяться при исследовании как периодических, так и непериодических напряжений.

Измерение мгновенных значений напряжений производятся обычно следующи­ми двумя способами:

Первый способ. Исследуемое напряжение дается на вход и устанавливается устойчивое и достаточно большое изображение на экране осциллографа. Измеряет­ся отрезок, соответствующий интересующему нас мгновенному значению этого напряжения. Затем исследуемое напряжение отключается и на вход Y подается образцовое напряжение. Не изменяя чувствительности S_y плавной регулировкой амплитуды образцового напряжения, добиваются того, чтобы отрезок на экране, соответствующий, например, двойной амплитуде образцового напряжения, был бы равен отрезку, измеренному ранее. Очевидно, что при этом измеряемое мгновен­ное значение исследуемого напряжения равно двойной амплитуде образцового на­пряжения.

Второй способ. На вход Y подается образцовое напряжение (обычно с калибра­тора амплитуды осциллографа), амплитуда которого известна. Регулировкой чув­ствительности S_y добиваются того, чтобы этой амплитуде соответствовал определенный отрезок у на экране осциллографа, и вычисляют, S_y пользуясь соотношением (3-1). Затем на вход Y подается исследуемое напряжение и устанавливается устой­чивое изображение на экране. Зная S_y и измерив отрезок, соответствующий иско­мому мгновенному значению исследуемого напряжения, можно определить это напряжение.

Для измерения временных интервалов между различными значениями исследуемых напряжений необходимо знать масштаб изображения по оси x, т. е. ско­рость движения светящегося пятна в горизонтальном направлении. В осциллогра­фах с «калиброванной разверткой» масштаб k может принимать лишь несколько фиксированных, заранее известных значений. В этом случае, горизонтальную проекцию ∆ x между двумя точками изображения можно вычислить соответствую­щий временной интервал

∆ t=k∆ x (3-3)

Если масштаб k в осциллографе регулируется плавно, то для его измерения используется вспомогательный генератор напряжения известной частоты (обычно этот генератор - калибратор длительности - встраивается в осциллограф). Это напряжение подается на сетку электронно-лучевой трубки и вызывает модуляцию изображения по яркости - изображение оказывается состоящим из последователь­ности чередующихся ярких и темных участков (меток). Подсчитав число меток, соответствующие измеряемому временному интервалу, и зная период напряжения калибратора длительности, можно найти временной интервал.

Измерение частоты исследуемого напряжения обычно сводят к измерению вре­менного интервала - периода. Подобное измерение возможно при произвольной форме исследуемого напряжения.

При измерении частоты синусоидального напряжения часто используют метод фигур Лиссажу. При этом на вход Y подают напряжение неизвестной частоты f, а на вход Х (предварительно отключив ВР) - напряжение плавно регулируемой известной частоты f_o. Регулировкой частоты f_o добиваются неподвижного изобра­жения на экране фигуры Лиссажу. Частоту f находят из соотношения:

(3-4)

где - наибольшее число точек пересечения фигуры Лиссажу горизонтальной секущей, а - вертикальной.

Если напряжение неизвестной частоты f подавать на вход Х, а f₀ – на вход Y, то фигура повернется на 90 градусов. Для расчета частоты f в этом случае следует в (3-4) поменять местами N_r и N_b.

Одним из распространенных методов измерения фаз между двумя синусоидальными напряжения­ми с помощью электронно-лучевого осциллографа является метод эллипса. Измерение производится при отключенном блоке развертки.

Установив предварительно светящиеся пятно в центре экрана, подают на входы X и Y два напряжения, сдвиг фаз между которыми измеряются. Можно показать, что на экране осциллографа появится эллипс и что искомый угол можно найти из соотношения

(3-5)

где - длины отрезков, показанного на рис. 5

Рис. 5. К измерению сдвига фаз между синусоидальными напряжениями.

С помощью электронно-лучевого осциллографа можно измерять составляющие комплексного сопротивления z по схеме рис. 6. Перед началом измерений необхо­димо отключить блок развертки и установить светящееся пятно в центре экрана.

Переключатель П устанавливают в положение 1. При этом на оба входа осцил­лографа подается одно и тоже падение напряжения, на известном сопротивлении и на экране появляется наклонный отрезок прямой (рис. 7 а). Измеряют про­екцию полученного отрезка.

Рис. 6. Схема для измерения комплексного сопротивления

Рис. 7. К измерению составляющих комплексного сопротивления

Затем переключатель П устанавливают в положение 2. При этом напряжение на входе Х не изменяется, а на вход Y подается напряжение на измеряемое со­противление z. На экране осциллографа появляется эллипс (рис.7.б). Измерив отрезки и можно найти активную (r) и реактивную (x), составляющие комплексного сопротивления z из уравнения

(9-6)

Светолучевой осциллограф представляет собой электромеханический регистрирующий прибор [Д5]. Измеряемый ток, проходя через осциллографический гальванометр, вызывает колебание его подвижной части и соответственно светового луча, отраженного от зеркальца гальванометра. Теория движения подвижной части гальванометра изложена в лаб. 1. Луч света прочерчивает на экране, фотопленке или фотобумаге световую линию по оси ординат с удвоенной амплитудой.

Для развертки изображения фотопленку с равномерной скоростью перемещают в направлении, перпендикулярном направлению перемещения светового луча, т.е. по оси абсцисс. Для визуального наблюдения исследуемого процесса используется зеркальный многогранник. При вращении зеркального многогранника отраженный от его грани луч перемещается по экрану вдоль оси абсцисс из одного крайнего положения в другое. Каждая следующая грань повторяет процесс перемещения луча в том же направлении и на то же расстояние по экрану. При числе оборотов зеркального многогранника в секунду, равном , и числе его граней частота развертки , а период развертки , где – период исследуемого процесса, а – целое число. Для выполнения указанного выше условия необходимо регулировать частоту вращения двигателя, вращающего зеркальный многогранник. В современных осциллографах применяется фотобумага, чувствительная к ультрафиолетовым лучам, что обеспечивает получение осциллограмм без предварительного проявления.

Светолучевые осциллографы снабжены осциллографическими гальванометрами разных типов, имеющими различные чувствительности и рабочие полосы частот. В качестве примера в приложении 1 приведены характеристики магнитоэлектрических гальванометров двенадцатиканального осциллографа Н115. Рабочая полоса частот, указанная в приложении 5, определяется как диапазон частот, в котором постоянная гальванометра по току отличается от его постоянной на нулевой частоте не более чем на +/- 5 или +/-10%. Нужно отметить, что некоторые осциллографические гальванометры должны включаться в цепи с определенным выходным сопротивлением. В противном случаи их рабочие полосы частот не будут соответствовать данным таблицы.

Расшифровка осциллограмм, полученных с помощью светолучевого осциллографа, возможна в случае, когда известны масштабы по вертикали и горизонтали. Масштаб по вертикали определяется чувствительностью (или постоянной) осциллографического гальванометра. Нужно лишь учесть, что обычно даются чувствительности, приведенные к длине луча, равной 1 м, от зеркала гальванометра до экрана или до поверхности светочувствительной бумаги, в то время как действительная длина луча может быть иной. Например, для осциллографа Н115 она равна 0, 3 м.

Масштаб по горизонтали (по оси времени) в некоторых светолучевых осциллографах задается с помощью отметчика времени, представляющего собой генератор механических колебаний определенной частоты. Эти колебания записываются на светочувствительную бумагу одновременно с исследуемым процессом.

Для получения масштаба по оси времени в осциллографе Н115 используется оптико-механический щелевой отметчик времени линующего типа с интервалами времени между отметками 2; 0, 2; 0, 02 и 0, 002 с.