Лекция 8

Назначение и классификация осциллографов.

Часть III. Осциллографические Измерения

ЛЕКЦИЯ 8

Приборы для исследования формы, спектра и нелинейных искажений сигналов образуют одну из наиболее представительных подгрупп - подгруппу С, внутри которой сконцентрированы осциллографы универсальные (С1), скоростные (С7) и стробоскопические (С7), запоминающие (С8) и специальные (С9).

Электронные осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения, изменяющихся во времени, сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров, наблюдаемых сигналов. Широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление осциллографов обусловили их широкое практическое применение.

С помощью осциллографа можно определить следующие параметры переменных во времени сигналов в виде напряжения:

- величину напряжения (амплитуду, постоянную составляющим напряжения);

- временные параметры (период колебаний, время нарастания процесса, длительность импульса и т. д.);

- измерение фазовых соотношений (фаза сигнала относительно опорного, разность фаз двух сигналов);

- измерение других физических величин косвенным методом (ток, сопротивление, мощность).

Классификация осциллографов и их обозначения.

Осциллографы делятся:

1) По принципу работы: светолучевые (электромеханические- Н); электронно-лучевые (С);

2) По количеству лучей: однолучевые; двухлучевые; многолучевые;

3) Количеству каналов: одноканальные; двухканальные; четырехканальные (однолучевые);

4) По быстродействию: низкочастотные (до 5 МГц); высокочастотные (до 300 МГц); скоростные (от 10 до 100 ГГц);

§2. Принцип работы осциллографа .

Рассмотрим устройство и принцип действия универсальных электронно-лучевых осциллографов. В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране ЭЛТ. Типы ЭЛТ и устройств записи:

1) ЭЛТ с электронно-статическим отклонением (электронный осциллограф);

2) ЭЛТ с электромагнитным отклонением(используется, например, в телевизорах).

Простейшая однолучевая трубка представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и в котором расположены:

Рис. 1. Устройство электронно-лучевой трубки.

К - подогреваемый катод;

М - сетка (модулятор);

А1 - фокусирующий анод;

А2, А3 - ускоряющий анод;

ОПу - вертикально-отклоняющиеся пластины;

ОПх - горизонтально-отклоняющиеся пластины;

ЦУЭЛ - цепь управления электронным лучом;

Э-экран.

Внутренняя поверхность экрана (Э) покрыта люминофором. Совокупность электродов К, М, Al, A2 называется электронной пушкой, которая излучает тонкий электронный луч. Для этого на электроды пушки подают напряжение по схеме, изображенной на рис. 1. Интенсивность луча регулируют путем изменения отрицательного относительно катода напряжения на модуляторе, что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Напряжение на А1 фокусирует поток электронов в узкий луч, позволяющий получить на экране трубки светящееся пятно малого размера.

Для ускорения электронов до скорости, необходимой для свечения люминофора, на А2 подается высокое положительное напряжение. Сформированный электронный луч проходит между парами отклоняющихся пластин ОПх и ОПу и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется, соответственно, по осям координат Х и Y, вызывая смещение светящегося пятна на экране трубки.

Формирование изображения на экране.

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие получение

осциллограмм при линейной развертке.

U x (t), U y (t) напряжения, подаваемые на пластины ОПх и ОПу. Цифрами 1-4 и 1’-4’ обозначены точки кривых в соответствующие моменты времени. Из рис. 2 видно, что при равенстве периодов напряжений U x и U y на экране получается неподвижное изображение одного периода исследуемого сигнала. На рис. 2 показана идеализированная форма пилообразного напряжения, не имеющая обратного хода, т. е. tобр. =0. А реальная кривая напряжения развертки имеет время прямого t пр. и время обратного t обр. хода - время возвращения луча в исходное положение (рис. 3).

Рис. 3. Форма напряжения линейной развертки.

Способы гашения обратного хода луча:

1) Подача отрицательного импульса на модулятор (М);

2) Отклонение луча за экран на время обратного хода путем подачи достаточно большой амплитуды на бланкирующие пластины.

Упрощенная блок-схема электронного осциллографа.

Канал Y служит для наблюдения измерения входного сигнала, осуществляет масштабирование, усиление входного сигнала напряжения, преобразование его в симметричные (противофазные) напряжения, для передачи исследуемого сигнала от его источника на пластины ОПу. Обеспечивает регулирование чувствительности и переключение режима входа (закрытый, открытый, заземленный) и включение режима калибровки, перемещение изображения по экрану.

Канал Х предназначен для создания и подачи на пластины ОПх напряжения развертки, усиления и преобразования (при необходимости) сигналов синхронизации и запуска развертки, а так же для усиления и подачи на пластины ОПх внешнего сигнала с входа Х. Вход канала Х используется для подачи напряжения синхронизации или подачи напряжения для управления лучом по координате Х в режиме "X-Y". Благодаря калиброванной развертке осуществляется измерение временных интервалов.

Канал Z служит для модуляции яркости луча на экране и имеет два входа:

- внешний - используется для модуляции яркости луча внешнего сигнала;

- внутренний - используется для гашения обратного хода луча.

Калибратор - это устройство, вырабатывающее эталонные значения напряжения с нормированными амплитудой и периодом, что позволяет калибровать осциллограф перед началом измерения.

§3. Уравнение преобразования электронно-лучевой трубки .

Предположим, что электроны находятся в достаточно разряжённом пространстве, где взаимодействием между молекулами и движущимися электронами можно пренебречь. В электрическом поле с напряженностью Е на

электрон действует сила

F = e Е (1);

под действием которой электрон будет перемещаться из области с низким потенциалом в область с более высоким потенциалом, работа этого перемещения определяется следующим образом:

W=eU_а (2);

Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии

, (3)

Пиравнивая (2) и (3) получим

V=, (4)

где V - скорость на участке между двумя точками, разность потенциалов которых равна U. Найдем уравнение движения электрона. Предположим, что он влетает в однородное электростатическое поле, образованное двумя вертикальными пластинами, расстояние между которыми равно a и разность потенциалов U. Согласно выражению (1) сила, действующая на электрон вдоль оси х, будет иметь значение

F x = e E=

В направлении оси X электрон движется по закону .

На основании второго закона Ньютона можно написать:

.

С учетом (1) получим (5).

Правая часть данного уравнения имеет постоянное значение. Это означает, что электрон движется равноускоренно. Уравнение равноускоренного движения и (5) позволяют записать

(6)

Кроме движения вдоль оси х, электрон движется еще и в направлении оси у по закону

. (7)

Откуда

. (8)

Подставив выражение (8) в (6), получим окончательно

(9)

Отсюда видно, что траектория движения электрона в однородном электростатическом поле является параболой и не зависит ни от заряда, ни от массы электрона. После выхода из поля отклоняющих пластин, электроны будут двигаться к экрану по прямой линии, поскольку на их пути отсутствуют электрическое и магнитное поля.

Тогда общее отклонение пятна на экране ЭЛТ от его центрального положения можно определить как h =h 1 + h 2, где h1, - отклонение луча от оси на выходе из отклоняющих пластин ОП_х.

; (10)

. (11)

Тангенс угла α можно представить как производную уравнения траектории движения электрона в электростатическом поле, т. е.

(12)

Используя (10) и (12), получим

. (13)

Так как >>, то . (14)

-Уравнение (14)-представляет собой уравнение преобразования шкалы ЭЛТ.

В ЭЛТ с электростатическим отклонением желательно получить большое отклонение пятна при как можно меньшем отклоняющем напряжении U. Поэтому качество отклоняющей системы характеризуется особым параметром, называемым чувствительностью к отклонению. Чувствительность - это отношение отклонения пятна на экране трубки к величине напряжения на пластинах. Она определяется как

Чем больше чувствительность, тем с меньшим напряжением на пластинах можно получить полный размах луча.

Таким образом ЭЛТ - это преобразователь электрических напряжений в механическую величину h.

Дата добавления: 2014-01-04