Электронный осциллограф

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Знакомство с осциллографом и подготовка его к включению.

Градуировка вертикального участка осциллографа при различных условиях.

Измерение амплитудного значения напряжения на разомкнутых вторичных зажимах тр-ра тока.

Измерение угла сдвига фаз.

Определение частоты по форме фигур Лиссажу.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электронный осциллограф (осциллоскоп) – это один из наиболее распространенных в настоящее время приборов. Он предназначен для наблюдения форм кривой исследуемого напряжения в зависимости от времени, а также может быть использован для измерения частоты, фазы, напряжения, коротких промежутков времени и пр.

Принцип действия электронного осциллографа основан на использовании свойств электронно-лучевой трубки.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).

Электронно-лучевая трубка (рисунок 1) представляет собой стеклянный баллон с откаченным воздухом, внутри которого расположены металлические электроды.

Основными частями трубки являются:

а) электронная пушка;

б) отклоняющая система.

в) флюоресцирующий экран;

ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА

Электронно-лучевая пушка создает поток электронов и формирует этот поток в электронный луч.

Электронный луч, состоящий из быстро летящих электронов, направляется на экран.

Основными деталями электронной пушки являются: нить накала, катод, управляющая сетка, первый и второй аноды. Нить накала служит для подогрева катода К.

Катод К представляет собой небольшой металлический цилиндр, передний торец, которого покрывается тонкой пленкой специального состава, хорошо имитирующего электроды при нагревании. На управляющую сетку С подается отрицательный по отношению к катоду потенциал, который влияет на количество электронов в луче, так как электроны имеют отрицательный заряд и отталкиваются сеткой обратно к катоду. Потенциал изменяют потенциометром R_1.Таким образом, меняется яркость точки на экране. Конструктивно сетка представляет собой металлический цилиндр с отверстием для прохода электронов.

Первый и второй аноды а 1 и а 2 имеют положительный потенциал относительно катода. Потенциал а 2 делается выше (от 600 до 20000 В), чем потенциал а 2 (от 150 до 400 В). Конфигурация и взаимное расположение анодов подбирается таким образом, что электрическое поле, действующее на электроны, ускоряет их и собирает в тонкий луч, который проходит через отверстия в анодах. Действие электрического поля на поток электронов аналогично фокусированию светового потока оптической линзой.

Существуют трубки, в которых фокусировка потока электронов в луч осуществляется с помощью магнитного поля. Фокусирующие катушки располагают снаружи горловины трубки. Чаще применяются трубки с электростатической фокусировкой.

ФЛЮОРЕСЦИРУЮЩИЙ ЭКРАН.

Электронный пучок в конце своего пути попадает на внутреннюю торцевую сторону расширенного конца колбы, называемую экраном. Эта поверхность покрыта специальным составом (вольфрамокислый кальций, сернистый цинк и др.), обладающим свойством светиться под действием ударов электронов. Такие составы называют люминофорами.

В месте попадания электронов получается светящееся точка.

Свечение длится до тех пор, пока существует луч. Иногда экраны имеют покрытие, которое светится некоторое время и после исчезновения луча. Они называются экранами с длительным послесвечением.

ОТКЛОНЯЮЩИЕ ПЛАСТИНЫ.

Отклоняющие пластины представляют собой две пары плоско параллельных (иногда более сложной формы) пластин, расположенных взаимно перпендикулярно. Пластины одной пары х 1 и х 2 расположены горизонтально, пластины другой пары у 1 и у 2 – вертикально. Если к паре пластин приложить разность потенциалов, то электронный луч, проходя между пластинами, попадает в их электрическое поле. Под воздействием этого поля траектория электронов изменяет свое положение, и луч отклоняется на угол α от прямолинейного движения. Это позволяет направлять луч в любую точку экрана.

По существу, отклоняющие пластины представляют собой плоский конденсатор, к которому приложено напряжение.

Зависимость отклонения электронного луча от приложенного напряжения может быть выведена с некоторым приближением на основании законов воздействия на отдельный электрон электрического поля, перпендикулярного к направлению движения электрона.

Электрон, обладая скоростью , перемещается в поле плоского конденсатора параллельно отклоняющим пластинам (рис.2). На него воздействует сила, перпендикулярная направлению движения и равная

,

где e – заряд электрона

E – напряженность электрического поля.

Так как поле плоского конденсатора равномерно, то ,

где u – мгновенное значение напряжения приложенного к пластинам кон- денсатора. Действующее значение этого напряжения обозначено на рис.2 буквой U;

d – расстояние между пластинами.

Следовательно, .

Эта сила сообщает электрону, имеющему массу m, поперечное ускорение

,

которое будет действовать на электрон в течение времени

где - продольная скорость движения электрона;

l – продольный размер пластины.

В течение этого времени ускорение остается постоянным по величине и направлению. Таким образом, к моменту выхода из электрического поля, кроме продольной скорости электрон будет обладать также поперечной составляющей скорости , которая равна

. (1)

При выходе из пластин электрон будет перемещаться под углом к оси трубки, определяемым отношением скоростей.

(2)

Так как направление луча совпадает с направлением движения электрона, то с достаточной точностью можно считать, что смещение пятна на экране равно

, (3)

где L- расстояние от края пластины до экрана.

То есть, луч расположен так, как будто он направлен из центра отклоняющего поля под углом к оси трубки.

Подставляя в выражение (3) значения из (2) и из (1), получаем

. (4)

Работа, совершаемая электрическим полем, созданным анодным напряжением U_a2, при перемещении электрона между катодом и анодом превращается в кинетическую энергию движущегося электрона

. (5)

Подставляя (5) в (4), окончательно получаем

. (6)

Таким образом, смещение пятна на экране прямо пропорционально мгновенному значению напряжения на пластинах u и обратно пропорционально анодному напряжению U_a2.

Первая пара пластин, расположенная горизонтально, отклоняет луч на экране в вертикальном направлении, вверх или вниз в зависимости от полярности напряжения. Поэтому эти пластины называют «вертикальными», хотя сами они расположены в горизонтальных плоскостях. Вторая пара пластин, расположенная вертикально, смещает луч на экране в горизонтальном направлении, вправо или влево. Эти пластины называют «горизонтальными».

Существуют трубки с магнитным отклонением луча. В них вместо пластин имеются специальные катушки отклонения. В этих трубках луч отклоняется магнитным полем, создаваемым током в катушках, причем, это отклонение пропорционально мгновенному значению тока, протекающего через катушку.

РАЗВЕРТКА КРИВЫХ ВО ВРЕМЕНИ.

Если исследуемое переменное напряжение подать на пластины вертикального отклонения, а на пластины горизонтального отклонения ничего не подавать, то на экране мы увидим вертикальный отрезок. Что бы увидеть изменение напряжения во времени необходимо на пластины горизонтального отклонения подать напряжение, изменяющееся линейно во времени, которое преобразует время в пропорциональное ему напряжение. Такой процесс называют разверткой во времени исследуемого напряжения.

Линейно изменяющееся напряжение называют напряжением развертки. Оно имеет пилообразную форму, представленную на рисунке 3.

Если период пилообразного развертывающего напряжения Т_Р равен периоду исследуемого напряжения Т_С, то на экране имеет место неподвижное изображение, соответствующее одному периоду исследуемого напряжения, рисунок 4. Равенство периодов достигают изменением частоты генератора развертки (f_p =1/T_p). Если период развертывающего напряжения в n (n-целое число) раз больше периода исследуемого напряжения, то на экране появится кривая, соответствующая n периодам исследуемого напряжения.

Блок электронного осциллографа, служащий для создания пилообразного напряжения, называют блоком развертки, который представляет собой электронный генератор. Частоту этого генератора можно изменять в широких пределах.

СИНХРОНИЗАЦИЯ

Для принудительного установления и поддержания необходимой кратности частот (n) развертывающего и исследуемого напряжений осуществляется синхронизация, которая заключается в том, чтобы начала периодов развертывающего и исследуемого напряжений совпадали. Это обеспечивается электрической связью между усилителем исследуемого напряжения и генератором развертки. Генератор в этом случае работает в режиме «ждущей развертки». Он запускается по командам, поступающим от начала периода исследуемого напряжения.

Когда исследуют сигналы электрической сети, осциллограф переводят в режим синхронизации «от сети».

В специальных случаях, например при исследовании переходных процессов, синхронизацию можно осуществлять от внешнего источника

ФИГУРЫ ЛИССАЖУ

Если разные переменные напряжения приложить одновременно к обеим парам отклоняющих пластин, то электронный луч под действием двух взаимно перпендикулярных полей будет прочерчивать на экране некоторую сложную кривую. Форма получаемой сложной кривой зависит от формы кривых, сдвига фаз, отношения амплитуд и частот напряжений, приложенных к пластинам. При отношении частот, выражающемся рациональным числом, результирующая кривая замкнута и представляется на экране в виде неподвижного изображения. Все эти результирующие кривые носят название фигур Лиссажу. На рисунке 5 показаны фигуры Лиссажу для нескольких простых случаев соотношения частот и углов сдвига фаз.

Для двух синусоидальных напряжений, совпадающих по фазе и имеющих одинаковую частоту и амплитуду при одинаковой чувствительности осциллографа по вертикальной и горизонтальной схеме, наблюдаемая фигура изображается прямой линией, составляющей с горизонтальной осью угол .

В случае неравенства амплитуд угол наклона прямой приобретает другие значения, лежащие в пределах от 0 до . При наличии сдвига фаз напряжениями на экране появляется эллипс, который расширяется с увеличением сдвига фаз и превращается в окружность, когда угол становится равным .

Рис. 5 Фигуры Лиссажу для разного соотношения частот и различных углов сдвига фаз .

Фигуры Лиссажу позволяют определить частоту и угол сдвига фаз исследуемого напряжения, относительно другого напряжения известной частоты. Для этого исследуемое напряжение подают на одну пару отклоняющих пластин, а на другую пару подают известное напряжение от генератора стандартных частот. Изменяя частоту генератора, получают какую либо фигуру и по ней определяют частоту и угол сдвига фаз исследуемого напряжения, так как каждая фигура соответствует конкретному отношению частот и углу сдвига фаз.

УСИЛИТЕЛИ

Для повышения чувствительности электронные осциллографы обычно имеют два усилителя. Один усиливает исследуемое напряжение. Так как это напряжение подается на пластины, смещающие луч в вертикальном направлении, то этот усилитель называется вертикальным усилителем. Второй усилитель усиливает напряжение, подаваемое на «горизонтальные» пластины» и называется горизонтальным усилителем.

БЛОК ПИТАНИЯ

Для работы электронно-лучевой трубки требуется довольно высокое постоянное напряжение. Кроме того, постоянное напряжение необходимо для работы усилителей и генератора развертки, а низковольтное переменное необходимо для питания нити накала ЭЛТ. Назначение блока питания заключается в обеспечении осциллографа постоянным напряжением требуемой величины.

Блок питания содержит выпрямитель и фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. На выходе обычно включается делитель напряжения, с которого снимаются требуемые напряжения.

Напряжение на сетке всегда отрицательно и имеет величину порядка нескольких десятков вольт.

Дата добавления: 2015-10-23