Електронно-променева трубка

Як вимірювальний прилад

ЛЕКЦІЯ №5.

ТЕМА ЛЕКЦІЇ:

електронно-променевий осцилограф,

Електронно-променеві осцилографи призначені для спостерігання і вимірювання параметрів різних електричних сигналів, характеристик і параметрів окремих компонент, вузлів і електронних систем в цілому. Їх використовують і як окремі прилади, і в складі різноманітних контрольно-вимірювальних систем і комплексів, постійно вдосконалюють і покращують метрологічні характеристики завдяки введенню мікропроцесорної обробки сигналів. Сучасні цифрові осцилографи є малогабаритними, універсальними, автоматизованими приладами з гнучкою програмною обробкою сигналів в мікро-ЕОМ і відображенням (монохромним і кольоровим) сигналів і результатів обробки на рідинно-кристалічних індикаторах, запам'ятовуванням і документуванням результатів вимірювання, а також з можливістю передачі даних в ПК та на стандартні периферійні пристрої.

За специфікою використання електронно-променеві осцилографи поділяють на:

- осцилографи загального призначення (універсальні багатофункціональні осцилографи із змінними блоками);

- багатоканальні і багатопроменеві осцилографи, в яких можна одночасно спостерігати і вимірювати декілька сигналів;

- запам'ятовуючі осцилографи, які мають можливість запам'ятати однократні сигнали і в подальшому зберігати або відображати їх необхідний час;

- широкосмугові (швидкісні) осцилографи, які вимірюють параметри сигналів, що мають наносекундну тривалість;

- стробоскопічні осцилографи для вимірювання періодичних сигналів в частотному діапазоні до кількох терагерц;

- спеціальні осцилографи для телевізійних вимірювань, для систем автоматизованого контролю і керування, для сумісної роботи з ЕОМ і т.д.

- осцилографи для вимірювання коефіцієнта амплітудної модуляції, нелінійних спотворень, девіації частоти, частотного спектру сигналів.

Електронно-променева трубка (далі, скорочено, ЕПТ, будова якої схематично показана на рис. 5.1) слугує в осцилографах для відображення форми електричних сигналів на її катодолюмінесцентному екрані. Катодолюмінесценція - холодне світіння спеціальних кристалічних матеріалів – катодолюмінофорів - при бомбардуванні їх прискореними електронами. Хорошим прикладом катодолюмінофору може слугувати сульфід цинку (ZnS), що дає інтенсивне зелене світіння. Електрони, для збудження катодолюмінофору, формуються в ЕПТ в умовах високого вакууму у вигляді вузького електронного променя. Для цього слугує спеціальна система електродів, які утворюють електростатичну фокусувальну лінзу і електронний прожектор. Джерелом електронів слугує розжарений катод ЕПТ, в якому реалізується явище термоелектронної емісії - виходу електронів за межі металу під дією теплової енергії, яка надходить до катоду від підігрівача - нитки розжарювання.

Поперечний розмір круглого в перерізі електронного променя регулюється в площині екрану напругою на фокусувальному електроді і може складати десяті долі міліметра, а його поздовжні розміри (від катоду до екрану) можуть сягати кількох десятків сантиметрів. Енергія електронів у промені визначається напругою на останньому (другому) аноді яка сягає кількох одиниць кіловольт. Величина струму електронного променя, що регулюється напругою на модуляторі прожектора, визначає яскравість світіння екрану. На ділянці між фокусувальною лінзою і екраном електронний промінь проходить послідовно між двома парами пластин: сигнальними, або пластинами вертикального відхилення, та розміщеними перпендикулярно до них часовими, або пластинами горизонтального відхилення. Якщо до сигнальних або часових пластин (відповідно, Y - пластин та X - пластин) прикласти напругу, то утворювані між пластинами електричні поля, відхиляють електронний промінь, що призводить до зміщення світної плями на екрані ЕПТ відносно центру екрана. Таке змі щення буде вертикальним (вздовж координати Y), якщо напругу прикладати до сигнальних пластин і горизонтальним (вздовж координати X), якщо прикладати напругу до часових пластин.

В ЕПТ відхилення світної плями від центру екрана (з яким пов‘язується початок координат XOY) пропорційне напругам U_X, і U_Y, що прикладаються, відповідно, до X - та Y - пластин. Коефіцієнти пропорційності а_Y, а_X мають розмірності мм/В і чисельно дорівнюють величині відхилення світної плями (вираженому в міліметрах) при зміні величини напруги на пластинах, що дорівнює 1В. Координати світної плями на екрані визначаються виразами:

Y = a_Y*U_Y; X = a_X*U_X, (5.1.1)

де величини U_Y і а_Y та U_X і a_X стосуються, відповідно, сигнальних і часових пластин.

Якщо подати одночасно вимірюваний сигнал на пластини вертикального відхилення і напругу; що змінюється по лінійному закону, на пластини горизонтального відхилення, то на екрані ЕПТ можна буде спостерігати форму вимірюваного сигналу. Нанесена на екран координатна сітка (клітинки та поділки вздовж осей Y і X) дозволяє для відомих a_Y і a_X виз-

начити за виразами (5.1.1) відлікові значення сигналу по напрузі і часу, тобто виміряти необхідні параметри сигналу.

В осцилографах вхідний сигнал U_BX подають не безпосередньо на пластини вертикального відхилення, а на вхід каналу вертикального відхилення, що виконує функцію масштабування і нормування сигналу, і дозволяє отримати оптимальний (щодо розмірів екрану) розмір зображення сигналу вхідної напруги. Вертикальний розмір зображення сигналу на екрані ЕПТ пов’язаний з величиною напруги вхідного сигналу виразом:

Y = a_Y*K_YМП*U_BX, (5.1.2)

де K_YМП - коефіцієнт масштабного перетворення вхідного сигналу в каналі Y. Вираз (5.1.2) дає можливість безпосереднього визначення відлікових значень напруги сигналу у В чи мВ:

U_BX = Y / (K_YМП* a_Y ) = А_*Y, (5.1.3)

де А = (K_{YМП *} a_Y)^{- 1} чутливість каналу вертикального відхилення, яка вимірюється в В/см або мВ/см і може дискретно або плавно змінюватися у вхідному вузлі каналу Y. В технічній літературі величину А в (5.1.3) називають ще коефіцієнтом відхилення.

Зміна напруги на пластинах горизонтального відхилення повинна забезпечувати рівномірний рух світної плями вздовж координати X (розгортка по координаті X) і для повного використання площі екрану рух електронного променя потрібно починати не від центру екрана, а з його крайньої лівої точки. Крім того, для вимірювання сигналів різної тривалості (періоду) необхідно змінювати тривалість часу розгортки T_P, що досягається дискретною або плавною зміною крутизни наростання напруги відхилення. Напруга горизонтального відхилення повинна лінійно зростати з часом, а її розмах U_XMAX повинен забезпечувати відхилення електронного променя на весь горизонтальний розмір екрану b; вона повинна бути симетричною відносно нуля і мати можливість бути контрольовано змінюваною в широкому діапазоні тривалості часу розгортки.

Така напруга формується генератором лінійної напруги і підсилювачем в каналі горизонтального відхилення осцилографа, для якої:

b = a_X*U_XMAX, U_XMAX = b / a_X (5.1.4)

U_X = U_XMAX*t/T_P; X = a_X*U_X = b_*t/T_P; t =X_*T_P/b = B_*X, (5.1.5)

де B = T_P / b = T_P /(a_X* U_XMAX) – чутливість каналу горизонтального відхилення, що має розмірність с/см, мс/см, мкс/см і визначає ціну часової поділки і задається в осцилографі ступінчатим вибором T_P.

Приклад відображення вхідного гармонічного сигналу U_BX(t) на екрані осцилографа для трьох тривалостей часу розгортки показаний на рис.5.2: тривалість розгортки дорівнює періоду гармонічного сигналу (T_P = Т, осцилограма 1); його половині (T_P = 0,5T, осцилограма 2) і його четвертій частині (T_P = 0,25T, осцилограма 3).

Прив'язка початку подачі напруги на пластини горизонтального відхилення до вхідного сигналу досягається синхронізацією генератора горизонтального відхилення вхідним сигналом (режим внутрішньої синхронізації розгортки).

Дата добавления: 2014-01-07