Электронно-лучевой осциллограф

ВВЕДЕНИЕ

В методических указаниях описан цикл лабораторных работ, которые выполняются студентами (в том числе иностранными студентами) факультета электроники в соответствии с учебным планом дисциплины «Ведение к технике измерений», который входит в вариативную часть программы подготовки бакалавров.

Описанные лабораторные работы включают: измерение напряжения, тока (постоянного и переменного) и сопротивления аналоговыми и цифровыми электронными приборами; проведение осциллографических измерений периодических гармонических и импульсных сигналов, обработку многократных равноточных измерений.

Описания лабораторных работ содержат основные теоретические сведения о явлениях и процессах, которые исследуются, методики эксперимента и рабочие задания, контрольные вопросы и рекомендованную литературу.

Для успешного выполнения лабораторных работ студенту необходимо познакомиться с их целью и объектом исследования. Кроме того, выполнение работы возможно только после освоения метода исследования, ознакомлением с конструкцией лабораторного макета и измерительными приборами.

Заключительным этапом работы является итоговый отчет, в котором самая важная творческая часть – выводы по результатам измерений.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Цель работы: изучить работу электронно-лучевого осциллографа; научиться получать осциллограммы и измерять параметры периодических сигналов

Электронно-лучевой осциллограф (от латинского слова «осциллум» – колебание и греческого «графо» – пишу) или осциллоскоп (греч. «скопео» – вижу) – прибор, предназначенный для наблюдения формы электрических сигналов в координатах х, у и измерения их амплитудных и временных параметров (характеристик) в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до десятков гигагерц. Основным элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), в которой сфокусированный пучок электронов (луч) используется как «карандаш», рисующий на экране с напыленным химическим соединением (люминофором) светящееся изображение.

Для различных сигналов (периодически повторяющихся и однократных, медленно изменяющихся и быстропротекающих) используют различные осциллографы. Осциллографы для периодически повторяющихся сигналов называют универсальными и обозначают С1–. Для визуализации медленно изменяющихся сигналов используют ЭЛТ с люминофором длительного послесвечения, а для быстроизменяющихся сигналов – ЭЛТ с люминофором короткого послесвечения.

Универсальный электронно-лучевой осциллограф имеет следующие блоки (узлы) (рис. 1.1): блок ЭЛТ с органами управления и регулировки; блок управления лучом, включающий: канал Y (сигнальный) – для управления перемещением луча вдоль оси y исследуемым сигналом U(t); канал X (развертки) – для управления перемещением луча вдоль оси x с выбраной оператором скоростью υ_x; канал Z (яркости) – для управления током луча.

ЭЛТ состоит из источника электронов, системы формирования сфокусированного электронного пучка, системы его отклонения в направлении оси х и у и люминесцирующего экрана. Все системы электродов размещены в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух. Источником электронов является нагреваемый катод. Подогрев катода осуществляется с помощью переменного тока 0,1…1А при напряжении 6,3В.

Для управления величиной тока электронного пучка рядом с катодом располагается модулятор (диск с малым отверстием). На модулятор подается отрицательный, относительно катода, потенциал. Изменением разности потенциалов в промежутке пространства модулятор – катод (U_MK – единицы-десятки вольт) регулируют количество электронов в луче (регулировка «Яркость»). При достаточно большом отрицательном потенциале модулятора электронный луч можно полностью запереть.

Тонкий электронный луч формируется электронным прожектором, состоящим из катода, модулятора, анодов А₁, А₂ с высокими положительными потенциалами в несколько сотен вольт. Между электродами прожектора создается сильно неоднородное электрическое поле, которое сжимает электронный пучок в тонкий луч. Фокусировку луча изменяют, регулируя напряжение (регулировка «Фокус»). Сформированный электронный луч, двигаясь вдоль оси трубки, попадает в отклоняющее поле, создаваемое двумя парами отклоняющих пластин Х и Y, и достигает люминесцирующего экрана. Простейшая конструкция отклоняющих пластин соответствует плоскому конденсатору. Одна пара пластин служит для отклонения электронного луча в вертикальном направлении, а другая – в горизонтальном.

Процесс отклонения электронного луча в электростатическом поле иллюстрируется на рис. 1.2. Напряженность поперечного электрического поля определяется величиной отклоняющего напряжения и расстоянием между пластинами d:

.

Величина отклонения пятна на экране h определяется с помощью формулы:

~ ,

где – напряжение второго анода;

l – длина пластин;

L – расстояние от центра пластины до экрана;

d – расстояние между пластинами.

Важным параметром ЭЛТ является чувствительность по отклонению ε, мм/В:

.

h

d

+ U_откл

-

E_y

l

L

Рисунок 1.2 – Блок схема электронно лучевой трубки

Яркость В изображения на экране определяется током луча i_л (регулировка «Яркость»: , U_м – напряжение на модуляторе ЭЛТ), скоростью электронов при бомбардировке люминофора , скоростью движения луча по экрану и химическим составом люминофора

B = f (i_л,υ_z, υ_э).

Участки быстрых изменений сигнала U(t) на экране имеют меньшую яркость. Усиление яркости свечения можно достичь увеличением либо ускоряющего напряжения , либо плотности электронного пучка j. Однако увеличение приводит к снижению чувствительности по отклонению ε. Чтобы разрешить это противоречие, в ЭЛТ применяется принцип послеускорения электронов. Как известно, скорость электрона в электростатическом поле определятся потенциалом той точки пространства, в которой он находится:

.

Подобрав надлежащим образом потенциалы электродов, можно отклонять луч при малой скорости υ (менее высокое значение потенциала ) и этим обеспечить большое значение чувствительности по отклонению ε, а ускорить электроны можно за пределами отклоняющей системы. Для этого на стенки баллона ЭЛТ наносятся проводящее покрытие (графит), которое служит третьим анодом ( > ).

Для исключения расфокусировки луча в процессе его отклонения между пластинами Х и Y отклоняющие напряжения на одноименные пластины Х ₁, Х ₂ и Y₁, Y₂ подают в противофазе так, чтобы сумма напряжений на одноименных пластинах не изменялась и равнялась нулю.

Начальное положение луча на экране вдоль оси Y устанавливается напряжением «Смещение Y» (или « ↕»), а начальное положение луча вдоль оси х устанавливается напряжением «смещение Х» (или «↕»).

Дата добавления: 2014-12-24