Теоретична частина. Електронно-променевий осцилограф – прилад для візуального спостереження електричних сигналів та вимірювання їх параметрів – амплітуди і періоду

Електронно-променевий осцилограф – прилад для візуального спостереження електричних сигналів та вимірювання їх параметрів – амплітуди і періоду. Наявність в осцилографі періодичної та чекаючої розгортки дає можливість досліджувати періодичні та одноразові процеси.

Осцилограф складається з таких основних вузлів (блоків): електронно-променевої трубки (ЕПТ), блоку розгортки (БР-1), блоку попереднього підсилення (БПП-1) та блоку живлення.

Електронно-променева трубка.Основний вузол осцилографа – електронно-променева трубка (ЕПТ). За допомогою ЕПТ отримують видиме зображення сигналу, що досліджується. На рис.5.1 схематично показано будову ЕПТ.

Основний елемент ЕПТ – електронна гармата, яка створює пучок електронів. Джерелом електронів є нагрівальний оксидний катод, розташований в середині циліндру 2. Цей циліндр разом з катодом називають керуючим електродом або модулятором. Для регулювання інтенсивності електронного пучка на модулятор подають негативний потенціал U_кер. Змінюючи величину потенціалу, змінюють яскравість зображення на екрані.

Електронний пучок фокусується першим анодом 3, на який подається позитивна відносно катоду напруга U_а1.

Рисунок 5.1

Для того, щоб електрони досягли екрану, їх швидкість збільшують за допомогою другого аноду 4. На нього подається позитивна напруга U_а2. Пучок електронів з заданою швидкістю проходить між двома парами пластин 5 і 6. За допомогою цих пластин пучок електронів відхиляють по вертикалі і по горизонталі. Кут відхилення променя залежить від напруги, поданої на пластини, та швидкості електронів.

Однією з характеристик ЕПТ є її чутливість – зміщення променя на екрані трубки по вертикалі або горизонталі при напрузі 1В на відповідній парі пластин. Чутливість виміряють в мм/В.

Розгортка. Зазвичай досліджувана змінна напруга подається на вертикально-відхиляючі пластини ЕПТ (канал Y). Якщо на горизонтально-відхиляючі пластини ЕПТ (канал Х) не подано напругу, промінь на екрані буде переміщуватись почергово вгору-вниз і креслити вертикальну лінію.

Аби розвернути коливання електронного променя в часі, потрібно змусити його одночасно з рухом по вертикалі рухатися рівномірно в горизонтальному напрямі від лівого краю екрану до правого. При цьому промінь, дійшовши до правого краю екрану, повинен (практично миттєво) повернутися до лівого краю і знову почати рівномірний рух до правого краю. Такий рух променя називається розгорткою. Аби отримати розгортку, на горизонтально - відхиляючі пластини подають так звану пилкоподібну напругу з генератора розгортки (рис. 5.2). По осі ординат відкладена напруга, по осі абсцис – час.

При мінімальному значенні напруги розгортки (точка А) промінь знаходиться на екрані осцилографа в крайньому лівому положенні. З підвищенням напруги промінь пересувається з постійною швидкістю зліва направо. Коли напруга знижується від В до А, промінь здійснює зворотний хід. Зворотного ходу на екрані не видно, тому що в осцилографі є пристрій, що гасить промінь під час зворотного ходу. Період розгортки визначають як T = t_пр + t_зв

Рисунок 5.2

Синхронізація.Для отримання на екрані чіткого зображення, необхідно правильно вибрати синхронізацію розгортки. Процес синхронізації уявляє собою примусовий вплив зовнішньої напруги на генератор розгортки, внаслідок чого він починає генерувати напругу розгортки з частотою, яка дорівнює або є кратною до частоти зовнішньої напруги. У більшості випадків зручно синхронізувати розгортку тим самим сигналом, що досліджують, тобто скористатися внутрішньою синхронізацією.

Фігури Лісажу.Якщо до обох пар відхиляючих пластин ЕПТ підвести синусоїдальні напруги, то промінь буде креслити на екрані лінію у відповідності до законів додавання взаємно перпендикулярних коливань.

Нехай коливання напруги на входах X і Y описуються співвідношеннями x = x₀ sin(ω₁ t), y = y₀ sin(ω₂ t + φ₀), де x₀ , y₀ , ω₁ , ω₂ – це, відповідно, амплітуди і частоти коливань, φ₀ – це різниця фаз. Додавання коливань на екрані має результат, аналогічний графіку залежності y(x) двох параметрично заданих функцій x(t) та y(t), t – параметр.

На екрані спостерігаються фігури, які швидко змінюються з часом, але при умові ω₁ /ω₂ = n – цілому (або напівцілому) числу, фігури нерухомі. В залежності від значення n ці фігури (фігури Лісажу) характеризуються певною кількістю точок перетину осей координат, а в залежності від φ₀ – певним кутом нахилу відносно осей. Якщо, наприклад, n = 1 (ω₁ = ω₂), то на екрані спостерігаємо еліпс (в окремих випадках, в залежності від значення φ₀, це може бути коло або відрізок прямої лінії). Цей і інші приклади наведені на рис. 5.3.

Рисунок 5.3

Підсилювач. Часто досліджувана напруга дуже мала, щоб викликати помітне вертикальне відхилення, тому в осцилографі є підсилювач, який попередньо збільшує досліджуваний сигнал.

Проте, буває і так, що сигнал, навпаки, слід послабити. В осцилографі є пристрій, званий дільником напруги, що дозволяє ослабити сигнал на вході в 3, 10, 30, 100, 300 або 1000 разів. Для цього користуються ручкою "дільник вертикального підсилення".

Блок живлення. Блок живлення складається з трансформатора і лампового випрямляча, які забезпечують відповідною напругою всі високовольтні кола осцилографа. Живлення низьковольтних кіл здійснюється від напівпровідникового випрямляча.

Блок-схема осцилографа.Блок - схема осцилографа наведена на рис. 5.4. Досліджуваний сигнал поступає на вхід підсилювача, а після нього подається на вертикально-відхиляючі пластини електронно-променевої трубки. З генератора розгортки на горизонтально-відхиляючі пластини одночасно подається пилкоподібна напруга, що забезпечує розгортку досліджуваного сигналу.

Для отримання нерухомого зображення на екрані за допомогою блоку синхронізації можна змінювати період пилкоподібної напруги генератора розгортки (ручки "діапазон частот" і "частота плавно"). Діапазон частот розбитий на 8 інтервалів, що покривають смугу від 20 Гц до 150 кГц. У кожному з цих інтервалів точне налаштування виконується ручкою "частота плавно".

Рисунок 5.4