Електронно-променевий осцилограф

Електронно-променеві осцилографи призначені для спостереження за формою електричних сигналів та вимірювання їх параметрів. Вони використовуються як окремі прилади, а також у складі різноманітних контрольно-вимірювальних систем і комплексів. Найбільше розповсюдження отримали універсальні осцилографи. Вони дозволяють досліджувати сигнали в діапазоні частот від нуля (постійного струму) до десятків гігагерц із похибкою 5…10%.

Основним вимірювальним елементом електронного осцилографа є електронно-променева трубка, конструкція якої схематично показана на рис. 1.

Електронно-променева трубка загального призначення являє собою скляний балон з високим вакуумом, в середині якого розташовані електронний прожектор і дві пари взаємно перпендикулярних відхильних пластин. На дно балона нанесено шар люмінофора, який створює екран трубки.

Електричний сигнал відображається на екрані внаслідок явища катодолюмінісценції (свічення люмінофору при бомбардуванні його поверхні електронами з певною енергією). Електрони, що збуджують люмінофор, сформовані у вигляді тонкого електронного променя електронним прожектором. Електронний прожектор складається з підігрівного катода К (джерела електронів), модулятора М (діафрагма з отвором), анодів А₁, А₂ (циліндри, на які подаються високі позитивні потенціали відносно катода). Фокусування променя здійснюється сильно неоднорідним електричним полем між електродами прожектора. Змінити фокусування можна, регулюючи напругу – «фокус», а струм променя, а отже, яскравість світної точки на екрані регулюють зміною від’ємної відносно катода напруги на модуляторі U _М – «яскравість». Поперечні розміри електронного променя у площині екрана – десяті долі міліметра.

Рисунок 1. Функціональна схема однопроменевого електронного осцилографа.

На шляху до екрана електронний промінь проходить між двома парами відхильних пластин X та Y. Наявність напруги між відхильними пластинами кожної пари створює між ними електростатичне поле, яке викликає відхилення електронного променя. Одна пара пластин відхиляє промінь у горизонтальному напрямі (пластини X), а інша – у вертикальному (пластини Y).

Відхилення світної плями відносно центра екрана h_x, h_y пропорційне напругам U_x, U_y, прикладеним до відхильних пластин, а коефіцієнти пропорційності e _x, e _y мають розмірність [мм/В] і називаються чутливістю пластин: , (див. рис. 2)

Рисунок 2. Відхилення світлової плями на екрані.

Досліджувана напруга U_y (t) подається на пластини вертикального відхилення Y, а на пластини горизонтального відхилення X – лінійно наростаюча напруга розгортки U_x (t). Напруга розгортки U_x (t) виробляється блоком розгортки і має пилкоподібну форму (рис. 3).

Рисунок 3. Напруга розгортки.

Проміжок часу t ₁ називають часом прямого (робочого) ходу променя. Протягом цього часу під дією напруги U_x (t) світна точка переміщується екраном зліва направо з рівномірною швидкістю і створює на ньому суцільну лінію. Протягом часу t ₂ (зворотного ходу) промінь повертається справа наліво у початкове положення, щоб у наступний період повторити прямий хід і т.д. Щоб протягом часу t ₂ світної точки на екрані не було видно, на цей час вимикають електронний промінь, подаючи на модулятор трубки запірну напругу. А протягом прямого ходу розгортки t ₁ електронний промінь відпирають спеціальними прямокутними імпульсами позитивної полярності, які формуються в генераторі розгортки і після підсилення в каналі Z подаються на модулятор трубки.

Якщо подати на пластини Y вимірюваний сигнал і одночасно на пластини X лінійно наростаючу напругу, то на екрані осцилографічної трубки будемо спостерігати форму вхідного сигналу.

На екрані нанесена координатна сітка (клітинки і поділки на осях X і Y), що дозволяє визначати відлікові значення сигналу за напругою і часом.

Приклад відображення вхідного гармонічного сигналу U _вх (t) на екрані осцилографа для трьох тривалостей розгорток наведений на рис. 4. Тривалість розгортки вибрана рівною періоду синусоїдального сигналу (осцилограма 1), його половині (, осцилограма 2) і четвертій частині (, осцилограма 3).

Рисунок 4. Вхідний сигнал (а), напруга горизонтальних відхильних пластин (б), осцилограми вхідного сигналу (в).

Структурна та метрологічна схема осцилографа (рис. 5)

В осцилографах вхідних сигнал U _вх (t) подається на канал вертикального відхилення Y. Цей канал містить масштабний перетворювач амплітуди сигналу МП _Y, що виконує роль атенюатора А (K_U < 1) великих сигналів або підсилювача П (K_U > 1) слабких сигналів.

Рисунок 5. Метрологічна схема осцилографа.

Відхиляючі пластини Y реалізують функцію вимірювального перетворювача ВП y, який перетворює напругу K_UU _вх у вертикальне відхилення електронного променя:

де e _y – чутливість пластин вертикального відхилення, що показує, на яку відстань переміщується промінь на екрані при зміні відхиляючої напруги на 1В; зазвичай e _y ~ (1…5) мм/В.

Таким чином, величина U _вх пропорційна відхиленню h_y:

де K_y – коефіцієнт вертикального відхилення променя при вимірюванні амплітуди.

В каналі горизонтального відхилення променя X формується лінійно-наростаюча напруга:

Функцію вимірювального перетворювача ВП _X виконують пластини X, які викликають горизонтальне відхилення (розгорнення) променя h_x:

де e _x ~ (0,5…1) мм/В – чутливість горизонтальних відхиляючих пластин Х;

K_x [час/поділ (см)] – коефіцієнт масштабування часових інтервалів (розгортки), який визначає час, необхідний для проходження променем горизонтального відрізку в 1 поділку (см).

Одночасний вплив двох напруг U_X, U_Y на електронний промінь викликає появу на екрані осцилограми вимірюваної напруги U _вх.

На канал Z подається сигнал керування яскравістю зображення. Вимірювальний перетворювач ВП _Z керує струмом променя I _п (див. рис. 6).

Модуляційна характеристика цього перетворювача має вигляд:

Рисунок 6. Залежність струму променя від напруги на модуляторі.

де U М зап – напруга запирання променя. Промінь запирається на час t 1 робочого ходу розгортки при подачі на модулятор імпульсної напруги Uz > 0.

Яскравість свічення екрана описується формулою:

де а – коефіцієнт, що характеризує матеріал люмінофора;

U _а – прискорювальна напруга, U _пор ~ 30…300 В – найменша напруга, при якій починає світитись екран.

При великих струмах променя I _п > I _гр наступає насичення яскравості (рис. 7).

Рисунок 7. Залежність яскравості зображення
від напруги між анодом і катодом а) від струму променя б)

Перед початком вимірювань осцилограф потрібно відкалібрувати. Калібрування полягає в перевірці та встановлення коефіцієнтів K_x і K_y за допомогою нерегульованої міри напруги і часу (калібратора).

Сигнал калібратора має строго прямокутну форму з частотою 1…2 кГц і шпаруватістю Q = 2 (меандр, див. рис. 8). Основна похибка калібрування напруги і часу складає ~ 1 %.

Рисунок 8. Калібровочний сигнал.

де t – тривалість імпульсу; Т – період імпульсу.

Блок розгортки може працювати в двох режимах: неперервному (автоколивальному) і очікувальному. В режимі неперервної розгортки пауза t ₃ відсутня (t ₃ = 0), див. рис. 3. Однак в цьому режимі зображення на екрані буде довільно рухатись, що незручно для спостереження. Воно стане нерухомим, якщо період напруги розгортки T _p буде дорівнювати або буде кратним періоду досліджуваної напруги T: T _p = nT.

В режимі очікувальної розгортки момент початку прямого ходу променя синхронізується з початком досліджуваного сигналу. Після закінчення зворотного ходу променя блок розгортки «очікує» доти (час t ₃), поки досліджувана напруга знову не досягне початкового рівня запуску.

Примусова генерація генератором розгортки напруги з частотою, яка дорівнює або кратна частоті досліджуваного сигналу, називається синхронізацією. Для здійснення синхронізації до генератора розгортки (ГР) подається синхронізуючий сигнал. Ним може бути досліджуваний сигнал, що подається з каналу Y (внутрішня синхронізація). При зовнішній синхронізації до ГР підводиться зовнішня синхронізуюча напруга. Як зовнішня синхронізуюча може бути використана напруга мережі 220 В, 50 Гц.

Досягають синхронізації розгорток регуляторами «Рівень» і «Стабільність».

Процес здійснення внутрішньої синхронізації показано на рис. 1. Частина вхідного сигналу U_y подається в блок СС (селектор синхронізації), де вона порівнюється з напругою «Рівень», яку можна змінити регулятором «Рівень».

Перемикачем П4 вибираємо полярність напруги « Рівень». В момент t ₀₁ в блоці СС генерується короткий синхроімпульс, який запускає генератор розгортки ГР. Одночасно запускається генератор прямокутних імпульсів U_z, які відкривають електронний промінь. На екрані створюється зображення сигналів.

В електронному осцилографі є затримка початку горизонтальної розгортки через деяку інерційність як блоків синхронізації і підсилення, так і генератора розгортки. Ця затримка становить десятки наносекунд. Для узгодження досліджуваного сигналу з початком горизонтальної розгортки в каналі Y передбачена лінія затримки (ЛЗ). Вона затримує вхідний сигнал і компенсує, таким чином, затримку появи розгортки в каналі X. При відсутності лінії затримки на осцилограмі не буде спостерігатись початок вхідного сигналу (наприклад, передні фронти імпульсних сигналів).

Як вже було показано раніше, величина відхилення променя на екрані h_y залежить від чутливості пластин e _y, яка в свою чергу визначається напругою на останньому аноді: . Яскравість зображення на екрані також залежить від напруги на другому аноді . Ця напруга визначає швидкість електронів, а значить їх кінетичну енергію, з якою вони бомбардують екран:

Для підвищення яскравості зображення напругу треба збільшувати, але при цьому зменшиться чутливість пластин . Тому використовують післяприскорення електронів за допомогою третього анода, на який подають напругу, що значно перевищує . Третій анод розташований між відхильними пластинами і екраном і являє собою кільце з аквадагу (провідний шар графіту), нанесене на внутрішню поверхню балона трубки. Використовують і кільки післяприскорюючих анодів, при цьому напруга на кожному наступному кільці більша, ніж на попередньому.

Позитивний полюс випрямляча високої напруги і другий анод ЕПТ заземлені для безпеки оператора при його контакті з пластинами. Другий анод і пластини з’єднані між собою за допомогою резисторів з великими опорами, через які подається постійна напруга для встановлення і переміщення осцилограм в положення, зручне для спостереження і вимірювання (регулятори «зміщення X» або ««» та «зміщення Y» або «»).

Пара фазний підсилювач МП y підсилює сигнал і має два виходи, на яких сигнали протифазні (рис. 1). Один з виходів з’єднаний з нижньою Y ₁, а другий з верхньою Y ₂ сигнальними пластинами. При пара фазних напругах напруга сигналу не впливає повздовжній рух електронів в межах сигнальних пластин, тому відсутні нелінійні спотворення відхилення. Фокусування по всій площі екрану буде однаковим. Аналогічно діє пара фазний підсилювач МП _Х.

Дата добавления: 2014-01-07