Электронно-лучевые осциллографические трубки

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) рис.1. Она состоит из источников электронов, системы формирования узкого электронного пучка, системы его отклонения в направлении осей X и Y и люминесцирующего экрана 1. Источником электронов является нагретый катод. Оксидный катод 3 с подогревателем 4, модулятором 2 и первым анодом 5 составляет катодный узел. Такая триодная конструкция позволяет не только получить электронный пучок, но и осуществить его предварительную фокусировку и модуляцию интенсивности. Катод представляет собой никелевый цилиндр, на дно которого нанесен слой активной массы, состоящей из окиси бария, стронция и т.п. Внутри цилиндра расположен подогреватель–спираль, свернутая из вольфрамовой проволоки, покрытая изолирующим слоем. Ток, проходящий через подогреватель, накаляет его. Тепло передается никелевому цилиндру и разогревает активный слой, который выделяет атомарный слой металлического бария, являющегося источником свободных электронов. Максимальный ток эмиссии, который может отдать катод, зависит от его температуры, свойств активного слоя и площади. Обычно активная площадь катода составляет 2...5 мм². Она обеспечивает ток эмиссии 5...10 мкА. Подогрев катода осуществляется с помощью переменного тока 0,1...1 А при напряжении 6,3 В. Для управления интенсивностью электронного пучка рядом с катодом располагается модулятор 2, представляющий собой диск с малым отверстием. Модулятор ограничивает расходящийся электронный пучок. Регулируя разность потенциалов между катодом и модулятором, можно изменять количество электронов, проходящих через отверстие модулятора в единицу времени. При достаточно большом отрицательном (относительно катода) потенциале модулятора электронный пучок можно полностью запереть.

Ограничения поперечного сечения электронного пучка, осуществляемого модулятором, еще не достаточно для формирования осциллограммы. Необходима дальнейшая фокусировка электронного пучка, которая осуществляется с помощью первого анода 5, высокий положительный потенциал которого ускоряет электроны, фокусирующего электрода 6, регулируемый потенциал которого позволяет создать такую конфигурацию поля, что электронный пучок сжимается в тонкий луч.

Сформированный электронный луч, двигаясь вдоль оси трубки, попадает в отклоняющее поле, создаваемое двумя парами отклоняющих пластин 7 и 8, и достигает люминесцирующего экрана 1. Простейшая конструкция отклоняющих пластин соответствует плоскому конденсатору, электрическое поле которого, создается при подаче соответствующего напряжения на выводы. Одна пара пластин служит для отклонения электронного луча в вертикальном направлении, а другая – в горизонтальном. Векторы напряженности электрических полей должны быть взаимно перпендикулярны, что достигается соответствующим расположением отклоняющих пластин.

Процесс отклонения электронного луча в электростатическом поле иллюстрируется рис. 2. Напряжение, управляющее отклонением электронного луча Uоткл, приложено к двум плоскопараллельным пластинам, расположенным перпендикулярно плоскости чертежа. Пластины расположены на расстоянии d, следовательно, напряженность электрического поля, (В/м): Е_у=U_откл/d, причем вектор напряженности поля параллелен оси Y. Первоначально электроны движутся вдоль оси. Попав в область электрического поля (точка а), электроны начинают удаляться от оси. Решение уравнений движения электронов в электрическом поле показывает, что их траектория на участке aб параболическая. Правее точки б электроны снова движутся прямолинейно, достигая экрана в точке с и вызывая его свечение. Таким образом, под действием отклоняющего напряжения электронный луч отклонился в плоскости экрана на расстояние h от центра. Изменяя отклоняющее напряжение, можно управлять положением светящегося пятна на экране. При изменении полярности, а следовательно, и направления вектора Е_у луч будет находиться ниже точки О. Положение отклоненного пятна h можно определить с помощью формулы

(1)

где L — расстояние от центра пластин до экрана; l — длина пластин; U_a2 – напряжение второго анода 9 (рис. 1) относительно катода.

Из формулы (1) следует, что имеется линейная зависимость между величиной отклонения луча на экране h и приложенным к пластинам напряжением U_откл. Это существенно, поскольку такая зависимость позволяет получить неискаженное воспроизведение осциллограммы. Отметим, что зависимость между U_откл и отклонением пятна h будет линейной, если экран плоский. Это создает удобства при измерении размера осциллограмм на экране, а также при их фотографировании. Данные свойства обусловили исключительное использование электрического способа отклонения в осциллографических ЭЛТ. При отклонении луча магнитным полем нет линейной зависимости между отклонением луча и током в отклоняющих катушках, особенно при плоском экране. По этой причине электрический метод отклонения применяется в осциллографах, а магнитный – в телевизионных приемниках.

Применение электрического отклонения электронного луча в осциллографических ЭЛТ предпочтительнее еще из-за его хороших частотных свойств, обеспечивающих воспроизведение осциллограмм при частотах сигнала, измеряемых десятками МГц. К сожалению, электрический метод отклонения не позволяет получить большой угол отклонения луча относительно оси z, что вынуждает увеличивать расстояние от пластин до экрана L для получения нужного отклонения. Поэтому при небольшом экране осциллографические ЭЛТ имеют большую длину. Формула (1) позволяет определить такой важный параметр ЭЛТ, как чувствительность по отклонению e, мм/В:

(2)

показывающий, какое напряжение U_откл надо приложить к пластинам для отклонения луча на 1 мм. Чем выше чувствительность по отклонению e, тем легче управлять лучом. Обычно чувствительность по вертикали и горизонтали e_у, и e_х у осциллографических ЭЛТ разная, что вызвано различием расстояния от пластин до экрана. Трудности, с которыми сталкиваются конструкторы осциллографов, можно проиллюстрировать следующими примерами.

Одним из основных элементов ЭЛТ является люминесцирующий экран. Основные свойства экрана определяются применяемым люминофором. Главным свойством экрана является эффективность преобразования энергии электронов в световое излучение, которая характеризуется световой отдачей

(3)

где J_св —сила света, излучаемого экраном; Р_эл–мощность электронного луча. На практике для потребителя более важным показателем является яркость свечения экрана, определяемая как сила света. Яркость свечения экрана определяется из следующего соотношения

(4)

Структурная схема осциллографа

Рассмотрим принцип действия осциллографа. Для получения осциллограммы исследуемого сигнала необходимо управлять движением светового пятна на экране ЭЛТ в горизонтальном и вертикальном направлениях. Смещение пятна в вертикальном направлении осуществляется сигналом, а в горизонтальном – напряжением развертки. Генератор развертки вырабатывает колебания пилообразной формы, показанные на рис. 4. На участке ас напряжение развертки U_р линейно нарастает. Время Т_пр, в течение которого U_р изменяется от минимального значения до максимального, называется временем прямого хода развертки.

Участок cd соответствует обратному ходу развертки. Время Т_пр и T_обр составляет период развертки Т_Р. Если приложить напряжение U_р к горизонтальным отклоняющим пластинам, отключив сигнал от пластин вертикального отклонения, электронный пучок ЭЛТ будет отклоняться только в горизонтальной плоскости. При этом светящееся пятно на экране будет занимать следующие положения. При максимальном отрицательном значении U_р (точка а на рис. 5) светящееся пятно находится в крайнем левом положении (точка а') на экране. При линейном нарастании U_р пятно постепенно переместится в точку b` и после изменения полярности U_р в точку с'. На участке а'с' скорость движения пятна будет постоянной, так как U_p нарастает по линейному закону и, согласно формуле (1), имеется линейная зависимость между смещением пятна на экране и напряжением, приложенным к пластинам. После достижения точки с' светящееся пятно начнет движение в обратном направлении (обратный ход). В исходное состояние луч возвращается за время Т_обр<<Т_пр, поэтому скорость движения пятна в обратном направлении значительно выше. Траектория движения пятна во время обратного хода показана на рис. 5 штриховой линией (для наглядности эта линия несколько смещена вниз относительно линии прямого хода). Для получения осциллограммы необходимо, чтобы напряжение U_р в течение всего периода Т_пр изменялось линейно, форма напряжения U_р во время обратного хода cd не имеет принципиального значения. Важно только, чтобы длительность обратного хода была минимальной. Таким образом, при подаче U_р на горизонтальные (х) пластины, ось х является одновременно осью времени t, причем при постоянной скорости движения светящегося пятна на участке а'с' масштаб вдоль оси t является постоянным. Искажение формы U_р на интервале прямого хода вызывает нелинейность развертки, проявляющуюся в неравномерной скорости движения пятна по экрану и в искажении осциллограмм. Неравномерность скорости вызывает неравномерность масштаба вдоль оси х, что затрудняет оценку параметров сигнала.

Образование изображения на экране ЭЛТ при воздействии напряжения развертки U_р и напряжения сигнала U_с (соответственно на X и Y пластины) показано на рис. 6. При построении осциллограммы примем, что период пилообразного напряжения развертки равен периоду сигнала, а Т_обр=0. Период развертки условно разделен на четыре равных интервала с границами t₀, t₁,t₂,t₃,t₄. В момент t₀ U_с=0, а U_р имеет максимальное отрицательное значение и световое пятно находится в точке а. В момент t₁ напряжение сигнала имеет максимальное положительное значение, а U_р=1/4U_Pm, и пятно находится в точке b. Аналогично можно найти положение точек с, d и е на экране ЭЛТ. По окончании развертки световое пятно по прямой линии еа мгновенно возвращается в исходное положение. Направление движения пятна во время прямого и обратного хода показано стрелками. Последующие циклы развертки осциллограммы получаются так же, причем все ее точки совпадут с аналогичными точками осциллограммы, изображенной на рис. 6. Таким образом, оператор видит изображение, образованное наложением на одни и те же места экрана целой серии осциллограмм. Число таких первичных изображений, зафиксированных в зрительном образе, зависит от периода развертки, длительности послесвечения люминофора и зрительной памяти человека. Наложение осциллограмм с образованием неподвижного изображения возможно при выполнении условия, принятого при построении (см. рис. 6), т.е., когда Т_с=Т_р, периодический сигнал делится на временные интервалы, в пределах которых «отрезки» сигнала полностью идентичны и при наложении осциллограмм образуют неподвижное изображение. Так же образуется изображение осциллограммы, когда Т_Р = nТ_с. Если n – целое число, то в одном периоде напряжения развертки укладывается ровно n периодов сигнала. Осциллограмма будет отличаться от изображенной на рис. 6 числом периодов сигнала (2,3...), отложенных вдоль оси х. Выполнение условия Т_р =nТ_с требует, чтобы период развертки Т_р был равен или кратен периоду сигнала.

Рис. 7

Формирование изображения на экране осциллографа при нарушении кратности частот развертки и сигнала показано на рис. 7. Пусть период сигнала синусоидальной формы (рис. 7, а) Т_с>Т_р. При первом цикле развертки (рис. 7, б) на экране отображается осциллограмма в виде отрезка синусоиды между точками 0-1, при втором – отрезок 1-2, при третьем 2-3 и т д. Последовательное появление осциллограмм I….IV создает ощущение движения изображения

Дата добавления: 2014-01-04