Изучение электронного осциллографа

Лабораторная работа № 9

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, выпрямитель, вольтметр электродинамической системы на 75 В, потенциометр на 5000 Ом, двухполосный переключатель, приставка к ЭО для изучения принципа работы генератора развертки, соединительные провода.

Цель работы: изучение принципа действия электронного осцил-лографа (ЭО) и его использование в качестве измерительного и регистрирующего прибора.

Электронный осциллограф — это измерительное устройство для визуального наблюдения или записи временной зависимости переменных электрических и неэлектрических величин, преобразованных с помощью различных датчиков в электрический сигнал. С помощью этого прибора можно проследить за изменением величин (амплитуды, частоты, времени релаксации и т.д.) как в быстротекущих процессах, длящихся тысячные и миллионные доли секунды, так и во многих низкочастотных процессах. На базе ЭО построены сложные медицинские приборы для изучения биопотенциалов сердца, головного мозга и периферических нервных стволов и мышц, необходимых при различных физиологических исследованиях и при диагностике заболеваний. К таким приборам относятся: электрокардиоскопы, вектор-электрокардиоскопы, энцефалографы, ИМ-789 и многие другие низкочастотные электронные индикаторы, широко используемые в медицинской практике.

Блок-схема ЭО приведена на рисунке 1.

Из схемы видно, что ЭО состоит из следующих основных узлов: электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), генератора развертки, двух блоков усилителей и блока питания. Кроме того, в состав современных осциллографов, как правило, входят: делитель входного напряжения и устройство для синхронизации.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), являющаяся основной частью ЭО, служит для преобразования электрических сигналов в видимое графическое изображение на экране. ЭЛТ представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом (рис. 1).

В узком конце вакуумного баллона находится подогревной катод 2, являющийся источником электронов. Он имеет форму цилиндра, внутри которого находится нить накала 1. Катод помещается внутри цилиндрического электрода — модулятора 3, имеющего отверстие (диафрагму) в торце. На модулятор подается отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Изменяя потенциал модулятора с помощью потенциометра R, ручка которого на панели ЭО имеет надпись “яркость”, можно регулировать количество электронов, выходящих из модулятора, и таким образом управлять яркостью изображения.

Далее расположены два цилиндрических анода (электронная линза). Они имеют высокий положительный потенциал относительно катода: первый анод (4) — порядка нескольких сотен, а второй (5) — несколько тысяч вольт. Электрическое поле между анодами и катодом ускоряет электроны вдоль оси трубки, а поле между самими анодами формирует поток электронов так, чтобы он сходился на экране в точку и давал резкое точечное пятно, т.е. осуществляет фокусировку электронного луча. Управление фокусировкой осуществляется путем изменения потенциала анода 4 с помощью потенциометра R_А1, ручка которого на лицевой стороне панели ЭО имеет надпись “фокус”. Со вторым анодом соединяется графитовый слой, нанесенный на стекле расширенной части трубки. Он образует путь утечки электронов, попадающих на экран трубки.

Электронный луч проходит через два отклоняющих конденсатора 6 и 7, пластины которых расположены во взаимно-перпендикулярных плоскостях, и падает на экран 8, покрытый люминесцирующим веществом. В месте падения луча на экране появляется светящееся пятно. Если подать на вертикально отклоняющие пластины 6 постоянное напряжение, то направление электронного луча изменится и светящаяся точка (пятно) сместится вдоль вертикали. В случае переменного напряжения электронный луч будет колебаться в вертикальной плоскости и на экране появится светящаяся вертикальная линия. Нетрудно убедиться, что колебания потенциала на горизонтально отклоняющих пластинах 7 вызовут горизонтальные колебания электронного луча.

Трубка, в которой смещение электронного луча осуществляется за счет изменения электрического поля между управляющими пластинами, называется трубкой с электростатическим управлением. Существуют трубки с электромагнитным управлением. Одной из характеристик ЭЛТ является ее чувствительность по напряжению. Она численно равна отклонению светящегося пятна на экране в миллиметрах при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1 вольт. Так как ЭО имеет две независимые отклоняющие системы, то и соответственно различают две чувствительности S_x и S_y. Опытным путем чувствительности эти определяются по следующим формулам:

, (1)

, (2)

где U_х и U_у — напряжения на отклоняющих пластинах в вольтах, x и y — соответственно смещения светящегося пятна на экране в мм. Если на отклоняющие пластины подается симметричное синусоидальной напряжение, то на экране ЭО появляется светящаяся линия, являющаяся следом удвоенной амплитуды колебаний электронного луча (светящегося пятна). Чувствительность ЭЛТ в этом случае определяется по формулам:

, (3)

, (4)

где l_x и l_y — длины светящихся линий на экране. U_эф — эффективное значение синусоидального напряжения. Исследуемое переменное напряжение, как правило, подается на вертикально отклоняющие пластины, при этом, как мы уже отмечали, на экране появляется вертикальная светящаяся линия. Проследить по этой линии последовательность во времени значений переменного напряжения невозможно, поэтому исследуемое напряжение необходимо развернуть в горизонтальном направлении по времени, подобно тому, как это делается при записи колебаний на движущейся ленте. Для этого на горизонтально отклоняющие пластины подается периодическое напряжение от генератора, называемого генератором развертки. Генератор развертки вырабатывает переменное напряжение пилообразной формы (рис. 2).

Под влиянием такого напряжения светящаяся точка будет равномерно двигаться по горизонтали, например, вправо, затем резким скачком возвращаться в крайнее левое положение. Этот периодически повторяющийся процесс называется горизонтальной разверткой луча.

Если на вертикальное колебание луча, обусловленное исследуемым напряжением, наложить горизонтальную развертку, то луч будет описывать на экране кривую зависимости исследуемого напряжения от времени. Так как это напряжение изменяется периодически, то, подобрав соответствующую частоту горизонтальной развертки, можно получить на экране неподвижный график (осциллограмму) исследуемого напряжения.

На рис. 3 приведена схема простейшего генератора пилообразных колебаний на тиратроне.

Тиратрон — газонаполненный триод. Сетка в тиратроне не регулирует изменение силы анодного тока, а только изменяет потенциал зажигания. Основная особенность тиратрона состоит в том, что напряжение зажигания U₃ больше напряжения гашения U_г. С момента включения анодного напряжения U_а начинается процесс зарядки конденсора С через сопротивление R. Время зарядки конденсатора зависит от его емкости С и сопротивления цепи R. Когда напряжение на конденсаторе становится равным напряжению зажигания тиратрона, лампа зажигается, сопротивление ее резко уменьшается и конденсатор начинает разряжаться через лампу. Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения гашения, лампа отключается, затем процесс повторяется. Таким образом, напряжение на конденсаторе, а следовательно, и на выходе генератора развертки изменяется от U_г до U_з. Недостатком получившегося пилообразного колебания напряжения является его нелинейность. Этот недостаток устраняется в более сложных схемах генератора развертки.

Во время зарядки конденсатора луч движется от одного края экрана до другого. Во время разрядки конденсатора луч возвращается обратно. Так как время t₁ зарядки конденсатора много больше времени t₂ — разрядки, то возвращение луча в исходное положение происходит значительно быстрее. При обратном ходе луч, обычно автоматически, затемняется и не прочеркивает экран. Подбором различных конденсаторов можно осуществить ступенчатое изменение частоты колебаний генератора развертки по диапазонам. Переключатель, включающий тот или иной конденсатор к источнику анодного напряжения и лампе, имеет на панели ЭО надпись “развертка” (“диапазон частот”). Сопротивление R делается переменным, что дает возможность осуществить плавное изменение частоты внутри каждого диапазона частот. Ручка этого сопротивления на панели ЭО снабжена надписью “частота плавно”.

Устройство для синхронизации обеспечивает получение на экране устойчивой неподвижной осциллограммы исследуемого сигнала. Синхронизирующее устройство при развертке исследуемого напряжения позволяет начинать обратный ход луча каждый раз только в момент, соответствующий какой-либо определенной фазе исследуемого напряжения.

Меняя частоту генератора развертки, добиваются синхронизации частот, т.е. такого соотношения частот развертки и сигнала, при котором изображение получается неподвижным. При работе с генератором линейной развертки в практических установках такая настройка осуществляется двумя ступенями — грубой и точной синхронизацией.

Для поддержания стабильности настройки дополнительно применяется принудительная синхронизация путем подачи к схеме развертки в момент, предшествующий началу обратного хода, части усиленного исследуемого напряжения, которая приводит в действие схему в момент, соответствующий какой-либо фазе исследуемого напряжения. Такая синхронизация называется внутренней. Вместо внутренней можно производить внешнюю синхронизацию, при которой к генератору развертки подключается внешнее синхронизирующее напряжение.

Усилители предназначены для увеличения чувствительности ЭЛТ к слабым сигналам. Осциллограф имеет два усилителя, позволяющих усиливать сигналы, поступившие как на вертикальные, так и на горизонтальные отклоняющие пластины.

Усилитель вертикального отклонения усиливает исследуемый сигнал до величины, удобной для рассмотрения. Выход этого усилителя соединен с вертикально отклоняющими пластинами ЭЛТ. Коэффициент усиления К_у регулируется потенциометром R_у, ручка которого на лицевой панели имеет надпись “усиление У”. Усилитель горизонтального отклонения дает значительно меньшее усиление, потому что его основное назначение — усиливать пилообразное напряжение генератора развертки, дающего достаточно большое напряжение. При выключении развертки он может быть использован для усиления слабых переменных сигналов, подаваемых на его вход “Вход Х”. Коэффициент усиления К_х регулируется потенциометром R_х, ручка которого на лицевой панели имеет надпись “усиление Х”.

Делитель входного напряжения представляет собой реостатно-емкостный делитель напряжения и предназначен для ослабления входных сигналов во избежание перегрузки усилителя и появления искажений при их усилении, а также выхода изображения за пределы экрана. Наличие усилителей и входного делителя напряжения позволяет производить изучение сигналов различной величины от весьма малых до очень больших, что значительно расширяет диапазоны применения осциллографа. Переключатель делителя входного сигнала на панели ЭО имеет надпись “ослабление” с отметками “1:1”, “1:10”, “1:100”, что соответствует ослаблению входного сигнала в 1, 10 и 100 раз.

Блок питания служит для получения постоянных и переменных напряжений, необходимых для работы ЭО. Он включает в себя два отдельных выпрямителя: высоковольтный и низковольтный, питающиеся от общего силового трансформатора. Высоковольтный выпрямитель предназначен для питания ЭЛТ, низковольтный — для питания усилителей и генератора развертки. Все промежуточные напряжения получаются от делителей, состоящих из ряда последовательно соединенных постоянных и переменных резисторов.

У всех осциллографов внутри помещен эталон переменного напряжения “контрольный сигнал” (на панель выведена клемма с надписью “контр. сигн.”), с помощью которого можно проградуировать осциллограф как измеритель напряжения.

Дата добавления: 2014-01-04