Электронные осциллографы и их использование. Осциллографы. Виды и особенности. Устройство и работа. Применение Из каких блоков состоит электронный осциллограф

Устройство осциллографа

Осцилло́граф (лат. oscillo - качаюсь + греч. γραφω - пишу) - прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи; также измерения) амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране.

По назначению и способу вывода измерительной информации:

Осциллографы с периодической развёрткой для непосредственного наблюдения формы сигнала на экране (электронно-лучевом, жидкокристаллическом и т. д.);

Осциллографы с непрерывной развёрткой для регистрации кривой на фотоленте (шлейфовый осциллограф).

По способу обработки входного сигнала

Аналоговый;

Цифровой

По количеству лучей: однолучевые, двулучевые и т. д. Количество лучей может достигать 16-ти и более (n-лучевой осциллограф имеет nное количество сигнальных входов и может одновременно отображать на экране n графиков входных сигналов).

Осциллографы с периодической развёрткой делятся на: универсальные (обычные), скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные; цифровые осциллографы могут сочетать возможность использования разных функций.

Также существуют осциллографы, совмещенные с другими измерительными приборами (напр. мультиметром).

Осциллограф также может существовать не только в качестве автономного прибора, но и в виде приставки к компьютеру (подключаемой через какой-либо порт: LPT, COM, USB, вход звуковой карты).

С помощью электронного осциллографа можно наблюдать форму электрического сигнала, что делает его незаменимым при наладке и исследовании радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, электронным осциллографом можно измерять напряжение в исследуемых цепях; при этом он практически не потребляет энергии от исследуемый цепи и может работать в широком диапазоне частот. Благодаря этим свойствам прибора его широко применяют не только в радиотехнике, но и в других областях научных исследований.

Несмотря на разнообразие схем электронных осциллографов, они основаны на использовании электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Осциллограф с дисплеем на базе ЭЛТ состоит из электронно-лучевой трубки, блока горизонтальной развертки и входного усилителя (для усиления слабых входных сигналов). Также содержатся вспомогательные блоки: блок управления яркости, блок вертикальной развертки, калибратор длительности, калибратор амплитуды.

Рассмотрим типичную электронно-лучевую трубку с электростатическим управлением. Трубку откачивают до высокого вакуума, чтобы электроны могли двигаться без столкновения с молекулами воздуха (рис. 1).

Накаленный катод является источником электронов. Электроны летят вдоль оси трубки благодаря действию ускоряющего электрода или анода А, потенциал которого поддерживается положительным (несколько сотен или тысяч вольт) по отношению к катоду К.

Анод в простейшем случае представляет собой круглый диск с отверстием, из которого выходит некоторое количество электронов в виде узкого пучка (электронного луча). Пучок, распространяющийся вдоль оси трубки, попадает на флуоресцирующий экран, где часть кинетической энергии электронов превращается в световую энергию, и появляется светящейся пятно.

Катод окружен цилиндрическим электродом G, имеющим отрицательный потенциал по отношению к катоду. Электрод выполняет две функции: собирает электроны вдоль оси трубки и управляет (как и сетка в электронной лампе) количеством электронов, идущих от катода к аноду. В электронно-лучевой трубке количество электронов, зависящее от потенциала управляющего электрода, определяет яркость светящегося пятна на экране трубки. Катод, сетка и анод составляют так называемую "электронную пушку", или "электронный прожектор".

В трубке простого устройства светящееся пятно на экране будет похоже скорее на светящийся диск, чем на точку. Это связано с действием сил взаимного расталкивания электронов в пучке и отклонением их от оси. Поэтому необходимо иметь устройство для превращения расходящегося электронного пучка в сходящийся. По аналогии с оптикой этот процесс называют фокусировкой.

При электростатической фокусировке вводят два или более анода, причем потенциал второго анода более высокий, чем потенциал первого. Электрон, отклонившийся от оси электронной пушки, попадает в поле между двумя анодами, стремясь следовать в направлении линий электрического поля, т. е. он отклоняется внутрь по направлению к оси. Степень сходимости и, следовательно, положение фокуса можно менять изменением потенциала одного из анодов.

Светящееся пятно перемещают по экрану в соответствии с исследуемым напряжением. Электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин, к которым приложено напряжение. Одна пара пластин Х1 и Х2 создает поперечное электрическое поле, вызывающее отклонение луча в горизонтальном направлении. Другая пара пластин Y1 и Y2 создает вертикальное отклонение луча. Чувствительность к отклонению определяется смещением светящегося пятна на экране, вызванным разностью потенциалов между пластинами 1 В. Чувствительность обратно пропорциональна ускоряющему напряжению, поэтому желательно иметь низкое анодное напряжение. Однако существует противоположные требования: яркость пятна увеличивается при возрастании анодного напряжения. Чувствительность типичной осциллографической трубки на среднее напряжение несколько меньше 1 мм/В.

Электронный осциллограф используют для исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с помощью осциллографа можно измерить силу тока и напряжение, рассмотреть их изменение во времени. Можно измерять и сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, периоды колебаний и т. д. Достоинствами электроннолучевого осциллографа является его высокая чувствительность и безинерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длительность которых порядка 10 –6  10 –8 с.

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Схематическое устройство такой трубки показано на рис . 3. Электронно-лучевая трубка состоит из ряда металлических электродов, помещенных в стеклянный баллон. Из баллона выкачан воздух до давления порядка 10 –6 мм рт. ст. На передней части баллона нанесен тонкий слой флуоресцирующего. Под воздействием электронного луча флуоресцирующий экран (8) начинает светиться.

Рассмотрим электроды электронно-лучевой трубки в порядке их следования. Нить накала (1), по которой идет переменный ток, разогревает катод (2). Из катода, вследствие термоэлектронной эмиссии, вылетают электроны.

Термоэлектронная эмиссия - это явление испускания электронов нагретыми телами.

За катодом расположен управляющий электрод (3) в виде сетки или цилиндра с отверстиями. Работа его аналогична работе управляющей сетки в электронной лампе. При изменении потенциала управляющего электрода относительно катода изменяется интенсивность электронного потока, тем самым проводится изменение яркости светового пятна на экране трубки.

Первый и второй аноды (4 и 5), в виде цилиндров с диафрагмами, обеспечивают необходимую скорость движения электронов и создают электрическое поле определенной конфигурации, фокусирующее электронный поток в узкий пучок (луч).

Затем сфокусированный электронный луч проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин. При разных потенциалах на одной из пар отклоняющих пластин луч отклоняется в сторону пластины с большим потенциалом. Отклонение луча пропорционально приложенному напряжению. Вертикальные пластины (7) обеспечивают горизонтальное перемещение электронного луча по экрану, а горизонтальные (6) дают вертикальное перемещение луча.

1 - нить накала, 2 - катод, 3 - управляющий электрод, 4 - первый анод, 5 - второй анод, 6- пластины вертикального отклонения, 7 - пластины горизонтального отклонения, 8 - флуоресцирующий экран

Блок-схема осциллографа представлена на рис. 4. Осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), генератора напряжения развертки и двух усилителей. Один из усилителей, предназначенный для усиления исследуемого напряжения, обычно называют вертикальным усилителем, так как напряжение с него подается на горизонтально расположенные пластины электронно-лучевой трубки, которые обеспечивали вертикальное отклонение луча по экрану. Напряжение от второго усилителя подается на вертикальные пластины, обеспечивающие горизонтальное перемещение луча. Этот усилитель называется горизонтальным. Напряжение генератора развертки подается на пластины через горизонтальный усилитель.

Для исследования характера изменения электрических сигналов во времени используют специально вмонтированное в осциллограф устройство, называемое генератором развертки . Этот генератор вырабатывает пилообразное напряжение (рис .4), которое за время
линейно нарастает от нуля до максимального значения
, а затем за очень малое время
падает до нуля. Частоту пилообразного напряжения можно изменять с помощью рукоятки "частота развертки ". Пилообразное напряжение подается обычно на вертикальные пластины. При этом луч откланяется по горизонтали на величину пропорциональную значению пилообразного напряжения в данный момент. Так как это напряжение линейно возрастает со временем, то по горизонтали луч движется равномерно, что соответствует ходу времени, и, значит, смещение луча по горизонтали пропорционально времени. Поэтому при включенном генераторе развертки горизонталь считают осью времени.

При малых частотах развертки можно увидеть поступательное равномерное движение точки по горизонтали. Если частота развертки большая, то на экране видна только горизонтальная линия. Это происходит в силу инерции зрительного восприятия и послесвечения трубки, т.е. зрительно при больших частотах мы не успеваем отметить последовательное перемещение луча по экрану слева направо при увеличении напряжения. От нуля до максимума и почти мгновенное возвращения луча в исходное положение. На каждом следующем "зубце пилы" луч движется по одному и тому же следу слева направо по горизонтали и обратно, и повторяется это с частотой равной частоте развертки.

Чтобы увидеть, как меняется со временем исследуемое напряжение, надо одновременно подать на"Вход х " напряжение развертки, а на "Вход у " исследуемый сигнал
. Пусть к моменту времениисследуемый сигнал достигает значения
, а напряжение развертки значения
. Луч, участвуя одновременно в двух взаимно перпендикулярных движениях: по горизонтали (под действием напряжения развертки) и по вертикали (под действием исследуемого напряжения
), переместится в точку(рис.5 ). Если исследуемое напряжение меняется по гармоническому закону и его период совпадает с периодом развертки
, то в течение времени
на экране луч "выпишет" один период синусоиды. На каждом следующем зубце пилы при достижении напряжением значений
,
,
и т.д. электронный луч будет попадать соответственно в те же точки,,и т.д. синусоиды, что и на первом "зубце".

Изображение на экране осциллографа будет неподвижным, если период развертки равен или в целое число раз больше периода исследуемого сигнала. При невыполнении этого условия (часто случающегося из-за нестабильности частоты генератора развертки) изображение будет "плыть" по экрану.

Для измерения периода надо на горизонтальные пластины подать исследуемое напряжение и включить генератор развертки "Вход х ", подающий пилообразное напряжение на вертикальные пластины. Вращая ручку "генератор развертки ", получить на экране устойчивую картину – синусоиду. Посчитать количество клеток периода синусоиды и, помножив на цену деления генератора развертки, получить период колебаний.

К осциллографам у меня особая любовь. Кому-то бентли нравятся, а кому-то осциллографы. У каждого свои причуды. Бентли мне тоже нравится, но в отличии от всех других её владельцев, мне еще и осциллографы нравятся! =)

Главная задача осциллографа: регистрировать изменения исследуемого сигнала и выводить его на экран для просмотра. Это самый незаменимый прибор в лаборатории радиолюбителя. Можно и частоту прикинуть и амплитуду посмотреть и, что часто ещё важней, форму сигнала изучить. Решил заниматься электроникой -- обязательно купи.

Краткая история

История осциллографа насчитывает уже 100 с лишним лет. В разное время над усовершенствованием прибора работали такие известные люди как Адре Блондель, Роберт Андреевич Колли, Уильям Крукс, Карл Браун, И. Ценнек, А. Венельт, Леонид Исаакович Мандельштам и многие другие.

Кстати, а вы знали, что первое подобие осциллографа создали в Российской Империи? Это сделал В 1885 году русский физик Роберт Колли . Прибор назывался осциллометр. Осциллографы того времени сильно отличались от тех, что используются сейчас!

Общий принцип работы

Надо сказать, что сейчас существует огромное количество разных осциллографов. Но для нас важен общий принцип работы, который заключается в том, что прибор регистрирует изменение напряжения сигнала и выводит его на экран. Да, именно для этого и нужен осциллограф, и всё. Но это настолько важно для физиков и инженеров, что словами передать сложно. Важность этого прибора сравнима с открытием закона всемирного тяготения.

На картинке выше приведена типичная панель управления осциллографа. Куча всяки регуляторов, кнопочек, разъемов и экран. Ужас, как во всём это разобраться? Да легко. Поехали.

Никто не обидится, если я скажу, что у осциллографа два главных органа управления. Над ними обычно написано "Развертка" или "Длительность", "В/дел". Разберемся!

Сначала про "В/дел". На вход прибора ты можешь подавать сингал разной амплитуды. Захотел подал синусоиду с амплитудой в 1В, а захотел 0.2В или 10В. Как видно на картинке сверху, экран прибора обычно разделен на клеточки. Да, это та самая всем привычная декартова система координат. Так вот "В/дел" позволяет изменять масштаб по оси Y. Другими словами можно менять размер клеточки в вольтах. Если выбрать 0.1В и подать синусоиду амплитудо в 0.2В, тогда вся синусоида займёт на экране 4 клетки.

А при исследовании сигнала в реальной схеме амплитуда сигнала может быть такой, что весь сигнал не сможетпоместиться на экране прибора. Вот тогда ты и будешь крутить ручку регулировки "В/дел", устанавливая необходимый масшатб оси Y таким, чтобы увидеть весь сигнал.

Теперь про "Длительность". Большую часть истории развития электронных осциллографов они были аналоговыми. В качестве экрана использовались ЭЛТ (электронно-лучевые трубки). Те самые, что уже и в телевизорах трудно встретить. Кому интересно, посмотрите видео ниже. Оно прекрасно объясняет принцип рисования исследуемого сигнала на экране ЭЛТ-осциллографа. Либо читаем дальше, если лень смотреть, -- я расскажу о самом главном.

Итак, ручка "длительность" ("разёртка") нужна для того, чтобы задать с какой скоростью будет бегать луч на экране прибор слева на право. (Ты думал, что там рисуется линия целиком? Нет, это в современных цифровых приборах так, но оних позже) Для чего это нужно? Да собственно на этом и строится работа осциллографа. Луч бегает слева-направо, а подаваемый на вход сигнал просто отклоняет его вверх или вниз. В итоге ты и видишь на экране прибора красивую картинку синусоиды или какого-нибудь шума.

Ладно, зачем это нужно теперь понятно. Остался вопрос зачем менять скорость перемещения или, другими словами, частоту пробегания луча по экрану (частоту развертки)?

Может ты замечал сам или видел на каком-нибудь шоу или концерте такой эффект, что когда в темноте вспихивал яркий свет на долю секунды, тогда казалось, что все движение прекратилось, мир замер? Поздравляю ты подметил стробоскопический эффект. Есть даже такое устройство -- стробоскоп. Стробоскоп позволяет разглядывать быстродвижущиеся предметы. В осциллографе тоже самое, он по сути представляет собой "электронный" стробоскоп! Только с помощью изменения частоты развертки мы добиваемся замирания картинки на экране прибора. И если частота развертки будет близка или совпадать с частотой сигнала, то на экране ты увидишь статичную картинку, которая словно нарисована на бумаге.

А иначе будет казаться, что синусоида куда-то бежит. Я не буду рассказывать как это достигается. Главное понять принцип, а детали конкретной реализации уже не столь важны. Все остальные функции осциллографа уже являются дополнением. Их наличие сильно упрощает исследование сигналов. И если каких-то из них нет в твоём приборе, то можно жить спокойно.

Какие бывают осциллографы

Пока что ещё можно выделить три основных вида осциллографов: аналоговые, цифровые и аналогово-цифровые. Цифровых с 80х годов 20 века становится всё больше. Сейчас они представляют самую многочисленную группу. Обладают множеством полезных дополнительных функций, маленьким размером, весом и приличной стоимостью.

На момент написания этих строк, средняя цена за цифровой прибор будет от 15 тысяч за самую корявую модель. Более-менее нормльный прибор можно купить от 25 000. В то время как старый советский прибор с серьезными характеристиками, многократно превосходящими среднюю цифровую модель, можно найти за 3-6 тысяч, но вес, размеры и некоторые другие характеристики могут подойти не каждому =)

Основные характеристики

У осциллографов есть много характеристик. Обо всех радиолюбителю знать бесполезно. Разве что радиолюбитель решил стать профессионалом =) Но есть такие, о которых следует быть в курсе и понимать что они означают.

1. Общее назначение и устройство электронного осциллографа.

2. Устройство и разновидности электронно-лучевых трубок.

3. Измерение параметров электрических сигналов с помощью электронного осциллографа.

8.1. ОБЩЕЕ НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.

Электронный осциллограф (ЭО) – это прибор для наблюдения функциональной связи между двумя или более физическими величинами, преобразованными в электрические параметры и характеризующими какой-либо физический процесс. Структурная схема ЭО показана на рис. 8.1.

Сигналы параметров подают на взаимно перпендикулярные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и наблюдают, измеряют и фотографируют графическое изображение (осциллограмму) исследуемой зависимости на экране трубки.

Рис. 8.1. Структурная схема электронного осциллографа.

При исследовании временной зависимости процесса исследуемый сигнал А поступает на вход усилителя вертикального отклонения Y (рис. 8.1).

Горизонтальное перемещение луча создается генератором развертки, перемещающим луч по оси Х.

Для одновременного исследования двух или более процессов (сигналов) используются многолучевые осциллографы.

Осциллографы делятся на универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные.

Универсальные осциллографы устроены по схеме рис. 8.1.

Запоминающие имеют ЭЛТ с накоплением заряда. Они сохраняют изображение сигнала длительное время (даже при выключении осциллографа) и удобны для исследования однократных и редко повторяющихся процессов.

В стробоскопических осциллографах используется принцип последовательного стробирования (т.е. регистрации в течение очень короткого времени) мгновенных значений сигнала для его преобразования (сжатия или растяжения во времени). При каждом повторении сигнала отбирается мгновенное значение сигнала в одной точке, но точка отбора к приходу следующего сигнала перемещается по сигналу. Стробоскопические осциллографы наиболее широкополосны и позволяют исследовать периодические сигналы длительностью 10 –11 с.

Скоростные осциллографы позволяют исследовать не только периодические, но и однократные быстропротекающие процессы

Специальные осциллографы служат для исследования телевизионных или высоковольтных сигналов и т.п.

8.2. УСТРОЙСТВО И РАЗНОВИДНОСТИИ ЭЛТ.

ЭЛТ называют электровакуумные электронные приборы, у которых баллон имеет форму трубки и в которых используются сфокусированные в виде лучей потоки электронов.

Различают одно-, двух- и многолучевые ЭЛТ. В качестве основного признака классификации для ЭЛТ выбирают их назначение: приемные или передающие ЭЛТ (на телевидении), запоминающие или радиолокационные ЭЛТ, электронно-оптические преобразователи.

В приемных ЭЛТ последовательности электрических сигналов преобразуются в видимое изображение. К таким трубкам относятся индикаторные трубки РЛС, осциллографические трубки, кинескопы, мониторы дисплеев. В передающих трубках, наоборот, оптическое изображение преобразуется в последовательность электрических сигналов. В запоминающих трубках возможны и те, и другие преобразования.

В конструкциях большинства видов ЭЛТ присутствуют следующие основные элементы: электронный прожектор, отклоняющая система, экран для визуального отображения информации.

Для формирования и управления электронными потоками используются как электрические, так и магнитные поля. Электронный прожектор во всех ЭЛТ используется в принципе однотипный. Он состоит из катода (обычно оксидного) и нескольких электродов, формирующих электронный луч: модулятора, ускоряющего электрода, первого и второго анодов (рис. 8.2).

Модулятор находится под небольшим относительно катода регулируемым отрицательным напряжением 5-10 В, и, подобно управляющей сетке электронных ламп, управляет током электронного луча, т.е. в конечном счете – яркостью свечения экрана.

Аксиально-симметричные электрические поля в промежутках между электродами прожектора образуют электрические линзы, отклоняющие электроны к оси трубки, т.е. фокусирующие электронный луч. Ускоряющий электрод, отделяющий модулятор от анодов, предотвращает влияние изменения напряжения на модуляторе на качество фокусировки луча.

Рис. 8.2. Схема электронного прожектора ЭЛТ.

Цвет свечения экрана определяется химическим составом люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность колбы. Применяют силикат цинка Zn 2 SiO 4 (;желто-зеленый цвет свечения), сульфид цинка ZnS с примесью меди (зеленое свечение) или серебра (си

синее свечение). Экраны с длительным послесвечением, необходимые для РЛС, выполняют двухслойными (первый слой возбуждает свечение во втором). Экраны имеют круглую или прямоугольную форму; на них наносят масштабную сетку для отсчета измеряемых величин.

Яркость свечения люминофора зависит от его свойств и от мощности, подводимой к экрану. Увеличение яркости за счет плотности тока ограничено нарушением фокусировки луча и опасностью выгорания люминофора. Основной способ повышения яркости – увеличение ускоряющего напряжения. Однако при увеличении кинетической энергии электронов падает чувствительность трубки к отклоняющему напряжению:

s = h / U откл, т.е. величина отклонения пятна на экране трубки h , приходящейся на 1 В отклоняющего напряжения.

В современных ЭЛТ электронам придается большая энергия лишь после того, как они прошли отклоняющую систему (ЭЛТ с «послеускорением»). Для этого внутреннюю поверхность колбы от экрана до горловины покрывают коллоидным раствором графита – аквадагом, создающим проводящий слой, на который подается положительное напряжение, большее напряжения второго анода. Иногда высокоомный слой наносят на внутреннюю поверхность колбы в виде спирали с малым шагом, чтобы ускоряющее напряжение повышалось постепенно от второго анода до экрана.

Для исследования двух или более одновременно протекающих процессов применяют (2-5) ти -лучевые ЭЛТ, имеющие соответствующее число прожекторов, лучи которых фокусируются и отклоняются независимо.

Запоминающие ЭЛТ отличаются тем, что осциллограмма исследуемого процесса записывается электронным лучом не только в виде светящегося изображения на экране, но и одновременно в виде потенциального рельефа на поверхности помещенного перед экраном диэлектрика, способного длительное время сохранять этот рельеф. Это позволяет в дальнейшем многократно воспроизводить осциллограмму или увеличивать время ее свечения.

В трубках для РЛС сигнал на экране получают в полярных координатах, поэтому ЭЛТ для радиолокаторов имеют радиально-азимутальную развертку луча и работают в режиме яркостной отметки сигнала, подаваемого на модулятор прожектора. Электромагнитная отклоняющая система состоит из пары катушек, вращающихся вокруг горловины трубки синхронно с вращением антенны РЛС. Через катушки протекает ток линейно- пилообразной формы, отклоняющий луч по радиусу к периферии экрана. ЭЛТ должна обладать высокой разрешающей способностью, большой яркостью свечения, высоким контрастом изображения, линейностью отклонения луча и длительным послесвечением, чтобы за время полного оборота антенны на экране сохранялась полная картина отмеченных целей и местных предметов.

В ЭЛТ с электростатическим управлением отклоняющая система состоит из двух пар взаимно перпендикулярных пластин Х и У. Для получения осциллограммы – графика зависимости исследуемой величины от времени, исследуемое напряжение прикладывается к паре вертикально отклоняющих пластин «У», а между горизонтально отклоняющими пластинами «Х» подается пилообразное напряжение развертки. Если период развертки выбран кратным периоду исследуемого напряжения, то на экране наблюдается устойчивое и четкое изображение (график) исследуемого процесса.

Электромагнитные фокусирующие и отклоняющие системы позволяют получить более мощный луч, обеспечивающий высокую яркость экрана, и более высокое качество фокусировки по всей поверхности экрана по сравнению с чисто электростатическими системами.

Фокусирующая катушка, надетая на горловину трубки, создает резко неоднородное магнитное поле. Оно имеет осевую и радиальную составляющие вектора индукции. Если электроны влетают в магнитное поле под углом к вектору индукции, то за счет взаимодействия их с радиальной составляющей B r возникает сила Лоренца, закручивающая электроны вокруг оси трубки и сообщающая им угловую составляющую скорости. Эта составляющая, взаимодействуя с осевой составляющей B z вектора индукции, вызывает появление силы, направленной в сторону оси трубки. Величина этой силы тем больше, чем дальше удален электрон от оси трубки, поэтому при выходе из катушки электроны идут сходящимся пучком с фокусом на экране.

8.3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.

С помощью осциллографа можно наблюдать и регистрировать форму импульсов и измерять все основные параметры периодических процессов: амплитуду напряжений, частоту и фазу. Принцип регистрации и измерения напряжений U (t) ясен из рис. 8.1, а методы измерения частоты и фазы электрических колебаний будут рассмотрены ниже.

Каналы вертикального отклонения луча (лучей) имеют широкополосные усилители. В многолучевых осциллографах число усилителей равно числу лучей.

Для измерения амплитуд и длительностей сигналов на прозрачную пластину, прилегающую к экрану, наносят координатные оси с делениями, проградуированными в единицах напряжения (по оси «Y») или времени (по оси «Х») с помощью специальных калибровочных импульсов, вырабатываемых внутренним генератором.

При наблюдении периодических процессов (особенно – быстропротекающих) важно получить на экране осциллографа неподвижное изображение сигнала в функции времени. Для этого нужно, чтобы период развертки был равен или кратен периоду изучаемого сигнала. Однако. на практике, как правило, это условие соблюсти трудно. Поэтому используют принудительное согласование периодов сигналов по осям Х и Y, т.е. их синхронизацию. Целью синхронизации является обеспечение равенства частот исследуемого сигнала и развертки или их отличия в целое число раз.

Синхронизация заключается в том, что генератор пилообразного напряжения подает на отклоняющие пластины «Х» напряжение в строго определенные моменты времени. Эти моменты задаются либо специальными синхроимпульсами, вырабатываемыми внешним источником (внешняя синхронизация), либо определяются по моменту достижения исследуемым сигналом определенного уровня (внутренняя синхронизация).

Для измерения частоты и фазы гармонических колебаний с помощью электронного осциллографа часто используют так называемые фигуры Лисажу (ФЛ). Это – замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях (впервые изучены французским ученым Ж.Лисажу). Они легко наблюдаются на экране осциллографа, если соответствующие гармонические сигналы подать одновременно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины.

Вид фигур зависит от соотношения между периодами (частотами), фазами и амплитудами обоих колебаний. В простейшем случае равенства обоих периодов ФЛ представляют собой эллипсы, которые при разности фаз j = 0

или j = p вырождаются в отрезки прямых, а при j = p / 2 и равенстве амплитуд превращаются в окружности (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Вид фигур Лисажу при различных соотношениях периодов колебаний (1: 1, 1: 2 и т.д.) и разностях фаз.

Если периоды обоих колебаний не совпадают точно, то их разность фаз все время меняется, вследствие чего эллипс непрерывно деформируется. При существенно разных периодах замкнутые кривые не наблюдаются, однако если периоды относятся как целые числа, получаются ФЛ более сложной формы, некоторые из которых показаны на рис. 8.3.

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА И ОЗНАКОМЛЕНИЕ С НЕКОТОРЫМИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯМИ

Уфа 2009

Ответственный за выпуск: проф. Альмухаметов Р.Ф.

Цель работы : ознакомление с устройством электронного осциллографа и принципом его работы, определение основных характеристик осциллографа, применение осциллографа в качестве измерительного прибора и для изучения некоторых процессов.

Оборудование : электронный осциллограф, звуковой генератор, генератор прямоугольных импульсов, магазин ёмкостей, магазин сопротивлений.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА

Осциллографом называется прибор, предназначенный для изучения электрических сигналов и измерения их параметров. С помощью осциллографа можно наблюдать на экране и изучить форму электрических сигналов, измерить напряжение и ток, определить частоту, измерить промежуток времени и т.д. Существует большое количество различных типов осциллографов. Все осциллографы содержат следующие основные блоки и узлы (рис.1):

1. электронно-лучевую трубку;

2. усилитель вертикального отклонения;

3. усилитель горизонтального отклонения;

4. блок развертки;

5. блок синхронизации;

6. блок питания.

Электронно-лучевая трубка предназначена для визуализации исследуемых сигналов с помощью электронного луча на люминесцирующем экране. Она представляет собой большую стеклянную колбу цилиндрической формы с расширением на одном конце (рис.2). Внутри электронно-лучевой трубки создается высокий вакуум для того, чтобы электроны, движущиеся внутри неё, не рассеивались на молекулах воздуха.

Электронно-лучевая трубка имеет экран Э, покрытый изнутри слоем люминофором. На хвостовой части имеется катод К, который нагревается с помощью нити накала НН путем пропускания через неё электрического тока. В результате нагрева электроны материала катода приобретают большую тепловую энергию и могут легко его покинуть. Это явление называется термо-электронной эмиссией. Для того, что направить электронный пучок в сторону экрана в трубке имеются два анода А 1 и А 2 . К анодам прикладывается положительное напряжение от источника питания относительно катода. Для получения узкого пучка электронов служить модулятор М . Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поэтому электроны, вылетевшие из катода под разными углами к его активной поверхности, сжимаются полем и направляется в отверстие модулятора. Так формируется электронный пучок. Интенсивность пучка, а следовательно, и яркость светящегося пятна на экране электронно-лучевой трубки можно регулировать изменением потенциала модулятора с помощью потенциометра R 1 , так как поле модулятора помимо сжимающего действий на поток оказывает еще и тормозящее действие на электроны.

После модулятора электронный поток попадает в электрическое поле первого анода А 1 . Первый анод выполнен в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью трубки. Внутри цилиндра имеются несколько перегородок-диафрагм с отверстиями в центре, которые служат для ограничения поперечного сечения электронного пучка. На первый анод подается положительное относительно катода напряжение порядка нескольких сот вольт. Это поле ускоряет электроны и благодаря своей конфигурации сжимает электронный пучок. Второй анод А 2 располагаются непосредственно за первым анодом и представляет собой короткий цилиндр, закрытый на конце, обращенном к экрану, диафрагмой с отверстием в центре. На второй анод подаются более высокое положительное напряжение, чем на первый анод (1-5 кВ). Основная фокусировка пучка производится изменением потенциала первого анода с помощью потенциометра R 2 .

Внутреннюю поверхность стеклянного баллона трубки почти вплоть до экрана покрывают проводящим слоем и называют ее третьим анодом (Аз). Третий анод соединяют со вторым. При помощи электрических полей анодов электроны фокусируются на экране трубки и им сообщается необходимая скорость. Система электродов катод-модулятop-первый анод-второй анод образует так называемую электронную пушку .

Для отклонения электронного луча в горизонтальном и вертикальном направлениях служат пластины X и Y. При отсутствии отклоняющих напряжений на пластинах X и Y электронный луч попадает в центр экрана трубки. Если к пластинам Y или Х приложить разность потенциалов, то электронный луч будет отклоняться в вертикальном или горизонтальном направлении. Величина этого отклонения пропорциональна напряжению между пластинами. Если на пару горизонтально расположенных пластин Y 1 Y 2 подать периодически меняющееся напряжение, то электронный луч будет периодически перемещаться на экране в вертикальном направлении и описывать вертикальную линию. Напряжение, поданное между вертикально расположенными пластинами Х 1 Х 2 , заставляет двигаться электронный луч в горизонтальном направлении. При одновременной подаче напряжения между горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами электронный луч претерпевает отклонение под действием обоих полей и описывает на экране сложную фигуру.

Усилители горизонтального и вертикального отклонения служат для предварительного усиления напряжений, подаваемых на пластины X и Y. Это связано с тем, что для заметного отклонения электронного луча на экране на пластины X и Y нужно подавать напряжение порядка нескольких сот вольт. Поэтому слабые сигналы необходимо усиливать до нужного уровня. В случае исследований сигналов с высоким напряжением для предотвращения выхода осциллографа из строя предусматривают схемы ослабления в кратное число раз- аттенюаторы. Часто эти схемы входят в единый блок с усилителем вертикального и горизонтального отклонения.

Подадим на вертикально отклоняющие пластины переменное напряжение U y с периодом T c :

а на горизонтально отклоняющие пластины - напряжение развертки с периодом Т р . В этом случае луч будет одновременно участвовать в двух движениях. В зависимости от соотношения частот исследуемого сигнала и развертки на экране осциллографа можно получить различное число периодов изучаемого напряжения. При равенстве периодов Т р =Т с за время равномерного движения луча от левого края экрана до правого луч успевает совершить одно полное колебание также в вертикальном направлении и на экране получится один период исследуемого напряжения. Через время T p луч вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать синусоиду, которая точно ляжет на первую, и на экране возникнет неподвижная осциллограмма. При T р =nT с (где n – целое число) осциллограмма будет представлять собой кривую из n периодов исследуемого напряжения.

При незначительном нарушении указанного выше условия осциллограмма начнет двигаться либо вправо, либо влево. Для достижения неподвижности осциллограммы на экране необходимо синхронизировать напряжение развертки с исследуемым сигналом. Для этих целей служит блок синхронизации . Синхронизация заключается в том, что начало каждого периода пилообразного напряжения принудительно совмещается с одной и той же фазой исследуемого сигнала. Тогда развертка начинается всегда в одной и той же точке на кривой временной зависимости исследуемого сигнала. Если в качестве напряжения синхронизации в осциллографе используется сам исследуемый сигнал, то говорят о внутренней синхронизации . Если для синхронизации используется какое-либо внешнее напряжение, не связанное с исследуемым сигналом, то говорят о внешней синхронизации . В осциллографах также предусматривается синхронизация от напряжения сети. В современных осциллографах генератор развертки может работать в двух режимах – в режиме непрерывной развертки и в режиме ждущей развертки. В режиме непрерывной развертки генератор развертки работает независимо от наличия сигнала на входе Y. В режиме ждущей развертки генератор развертки приводится в действие только при подаче исследуемого напряжения.

Блок питания предназначен для обеспечения необходимыми напряжениями электроды электронно-лучевой трубки, усилители, генераторы и другие схемы осциллографа.

Чувствительность трубки . Электронно-лучевая трубка характеризуется чувствительностью. Чувствительностью трубки к напряжению называется отклонение луча на экране, вызванное разностью потенциалов в 1 В на отклоняющих пластинах:

где k - чувствительность трубки; Z – отклонение луча на экране трубки; U - разность потенциалов между отклоняющими пласти­нами.