№8 Электронды осциллограф және оның көмегімен

Периодтық, импульстік сигналдарды зерттеу

8.1. Жұмыстың мақсаты: Электронды-сәулелі трубка мен электрoнды осциллографтың құрылысы және жұмыс істеу принциптерімен танысу. Осциллографиялық өлшеу жүргізу әдістерімен танысу. Осциллографтың көмегімен периодты және импульсті сигналдардың сипаттамаларын анықтау.

8.2. Қысқаша теориялық мәліметтер

Электронды-сәулелі осциллограф (ЭО) әмбебап өлшеуіш прибор, ол электр сигналдарын графикалық түрде бақылау және олардың параметрлерін өлшеу үшін қолданылады.

Осциллографтың басқа прибордан артықшылығы – сезгіштігі жоғары, кіру кедергісі үлкен, инерттілігі азғантай. Оның көмегімен кернеуді, токты өлшеуге, электрондық схемалардың жиіліктік және фазалық сипаттамаларын алуға, транзистордың статикалық сипаттамаларының жиынтығын бақылауға болады; арнаулы датчиктерді (түрлендіргіштерді) қолданып электрлік емес шамаларды да өлшеуге болады.

Қазіргі осциллографтар жиіліктер диапазоны тұрақты токтан бастап бірнеше гигагерцке дейінгі электр кернеулерін зерттеуге, және де зерттелінетін сигналдардың амплитудасы мен ұзақтығын өлшеуге мүмкіндік береді. Осциллографтардың периодты жаймасы және күтілетін жаймасы (развертка) бар; осының арқасында периодты және бір мәрте өтетін электр процестерін зерттеуге болады.

Электронды-сәулелік трубка. Кезкелген ЭО-тың негізгі элементі – электронды-сәулелі трубка (ЭСТ). ЭСТ зерттелетін сигналды 8 экранда көрінетін бейнеге айналдырады (1–суретті қара). Қыздырылатын (1) оксидті катод электрондардың шығатын көзі болып табылады. Катод басқарушы электродтың (модулятор 2) ішінде орналасқан. Модулятор экрандағы жарық дақтың жарықталынуын R (9) потенциометрдің көмегімен өзіне берілетін теріс (катодпен салыстырғанда) U кернеуді реттеу арқылы басқарады. Өйткені модулятордың өрісі электрондар ағынын әлсіретумен қатар электрондарды тежейді.

Экранда электрон шоғын фокустау R (10) потенциометрмен (3 және 4) анодтардың арасындағы потенциалдар айырымын өзгерту арқылы іске асырылады. Бұл жағдайда анодтардың арасында арнаулы конфигурациялы өріс пайда болады (2-сурет); ол шашыраған электрондар шоғын қысып электронды сәулеге айналдырады.Өрістің мұндай әсерін былайша түсіндіруге болады. Бірінші анодтың (3) потенциалы бірнеше вольт, ал екінші анодтың (4) потенциалы- бірнеше киловольт. 2-суретте жіңішке сызықтармен бірінші және екінші анодтардың арасындағы электр өрісінің кернеуліктерінің сызықтары, ал жуан сызықтармен - осы өрістегі электрондардың траекториялары бейнеленген.

1-сурет. Электронды-сәулелі трубканың құрылысы (ЭСТ).

2-сурет. ЭСТ-дағы бірінші анод (фокустаушы электрод) пен екінші анодтың арасындағы электр өрісінің кернеулік сызықтары және электрондардың траекториялары.

Кернеулік сызықтары екінші анодтан бірінші анодқа бағытталған. Өрістің әрбір нүктесінде электронға, берілген нүктеде, кернеулік сызықтарына жанама бағытталған күш әсер ететіні белгілі. Осы күштің әсерінен анодтар осінің бойымен өріске ұшып кірген электрон жылдамдығының бағытын өзгертпестен үдемелі қозғалады.

Егер электрон өріске анодтар осіне қайсыбір бұрышпен ұшып кірсе, онда күшінің вертикаль құраушысы пайда болады. Соңғы күш электронды анодтардың осіне зорлап жақындатады. Бірінші және екінші анодтардың өрісін көбінесе электрондық линза деп атайды. Мұнымен оптикалық линзадағы жарық шоғының тәртібімен белгілі конфигурациялы электр өрісіндегі электрон шоғының тәртібіндегі ұқсастықты көрсетеді.

Электрондар шоғын жайлап бір қалыпты фокустау R (10) (1–сурет) потенциометрдің көмегімен екінші анодтағы потенциал тұрақты болған жағдайда бірінші анодтағы потенциалды өзгертумен жүргізіледі. Сондықтан да бірінші анодты, басқаша, фокустаушы электрод деп те атайды, ал іс жүзінде, фокустау, негізінде, анодтардың аралығындағы өріс арқылы іске асырылады.

күш екінші анодқа жақындаған сайын өзінің бағытын кері өзгертеді. Бірақ та бұл жағдайда шоқтың фокусировкасы бұзылмайды, себебі үдеу беретін потенциалдар айырымынан (10 кВ) өткен электрондар бұл аралықты өте қысқа уақыт интервалында өтіп кететіндіктен бұлардың траекторялары іс жүзінде өзгермейді.

(1-2-3-4) электродтар жүйесін электрондық пушка немесе электрондық прожектор деуге болады. Электрондық прожектордан электрондардың ұшқан кездегі ақырғы жылдамдығы екінші анодтың катодқа қатысты потенциалымен анықталады. Электрондық пушкадан шыққан электрондар ұйтқытатын өрістері жоқ кеңістікте болуы тиіс. Сондықтан трубканы металдан жасалған экранға (қорапқа) орналастырады, ал жермен қосылған экран мен екінші анодтың арасында өріс пайда болмас үшін, соңғысын да жермен қосады.

Трубканың ішкі бетінде жинақталған электрондар ұйтқытушы өріс туғызуы мүмкін. Осы зарядтарды жою үшін трубканың ішкі бетін өткізгіш коллоидты графит (аквадага) қабатымен қаптайды да, оны үдеткіш анодпен жалғап қояды.

Электрондар шоғы 5 және 6 екі ауытқушы қос пластиналардың арасынан өтеді. Сәуленің ауытқуы пластиналарға түсірілген кернеуге және электрондардың жылдамдығына тәуелді. Осының нәтижесінде жарқыраған экранда шоқтың жарығы ауытқытушы өрістердің кернеуліктері арасындағы функционалды тәуелділікті бейнелейтін қисық сызады.

Электронды-сәулелі трубканың экранын әдетте күкіртті цинкпен қаптайды; ол экранға келіп түскен электрондардың әсерінен спектрдің жасыл алқабында люминесценциялық сәулеленеді.

ЭСТ-нің негізгі сипаттамаларының бірі - оның сезгіштігі. Трубканың кернеуге сезгіштігі деп, ауытқытушы пластиналарға берілген 1 В кернеудің әсерінен экрандағы жарық дақтың (сәуленің) ауытқу шамасын айтады. Өте сапалы ЭСТ-да оның мәні 0.1 см/В жетеді.

Жалпы жағдайда өлшеуіш прибордың абсолюттік сезгіштігі (S) деп өлшеуіш прибордан шыққандағы сигналдың өзгеруінің (L) осы өзгерісті тудырған, өлшенетін шаманың өзгерісіне (X) қатынасын айтады:

(1)

ЭО экранында зерттелінетін сигналдың уақыт бойынша жазылған (созылған) кескінін алу принципі 3-суретте көрсетілген. Зерттелінетін сигнал ЭСТ-ның, сәуленің тік ауытқу каналы арқылы, тік (вертикаль) ауытқытушы пластиналарына беріледі. Егер көлденең горизонталь ауытқытушы пластиналарға сәуленің көлденең ауытқу каналы арқылы кернеу берілмесе, онда электронды сәуле тік сызық сызады. Сәуле көлденең бағытта қозғалып орын ауыстыруы үшін, осы пластиналарға жазба генераторынан (генератор развертки) сызықты түрде өсетін кернеу беріледі.

Жазба генераторы периодты және күтетін режимдерде жұмыс істейді.

Сызықтық үзіліссіз жазба. Жазба генераторы сызықты - өспелі (ара тістері пішіндес) кернеу шығарады (3-cуретті қара). Жазба кернеуінің минимал мәні жағдайында (3-сурет, А нүкте) сәуле осциллограф экранының сол жақ шетінде () болады. Кернеу А-дан В-ға дейін өскен сайын сәуле көлденең түзу (уақыт осі) бойымен, тұрақты жылдамдықпен, солдан оңға қарай қозғалып орын ауыстырады. Ал кернеу -дан -ға дейін төмендегенде сәуле кері қарай қозғалады. Сызықтық жазбаның периоды былай анықталады:

T=t_тура +t_кері (t_кері<<t_тура)

Сәуленің кері қарай қозғалысы экранда көрінбейді, себебі осциллографтың ішінде сәулені кері қайту кезінде өшіретін арнаулы жүйе бар.

Күтілетін жазба. Бұл жағдайда жазбаланатын ара тістері пішіндес кернеу көлденен ауытқытушы пластиналарға тек зерттелінетін импульс осциллографқа келіп түскенде ғана беріледі. Жазба кернеуінің әсерінен сәуле тура және кері қарай бір жүріс циклін жасағаннан кейін жазбалау процесі тиылады. Жазба енді өзін іске қосатын жаңа импульстың келуін “күтеді” (3б- сурет).

3-сурет. Ара тісі тәріздес кернеудің көмегімен уақыт бойынша зерттелетін сигналдың жазылуы: а) - периодты жазылу; б) – күтілетін жазылу.

Синхронизация (бір мезгілділікке қол жеткізу). Трубканың экранында анық айқын кескінді алу үшін жазбаның синхронизациясын (бір мезгілде өтуін) дұрыс таңдап алу керек. Синхронизация процесінің мәні мынада: жазба генераторына сыртқы сигналмен мәжбірлеп әсер ету. Осының нәтижесінде жазба генераторы әсер еткен кернеу жиілігіне тең жиілікпен немесе оған еселі жиілікпен генерация жасай бастайды. Осциллографтарда екі түрлі ішкі және сыртқы синхронизация болады. Бірінші жағдайда синхронизация зерттелінетін сигналмен жасалынады. Ал екінші жағдайда - сыртқы электр көзінің кернеуімен; мұнда синхронизация синусоидалы (сызықты үздіксіз жазба режимі) немесе импульсты (күтетін жазба режимі) сыртқы сигналмен іске асырылады. Сонымен қатар, әрине, синхронизацияланатын сигналдың деңгейін қолмен де, автоматты түрде де реттеп, таңдап алатын мүмкіндіктер бар.

4-сурет. Осциллографтың “Y” каналына ашық (а) және жабық (б) түрде кіру.

Ауытқу коэффициенті. Кезкелген өлшеу құралының, соның ішінде ЭСТ-ның да, негізгі сипаттамасы - оның сезгіштігі. Сезгіштік ЭСТ-ның экрандағы электронды сәуленің ауытқуының осы ауытқуды тудырған сигналдың кернеуіне қатынасымен анықталады. Сезгіштікке кері шама:

ауытқу коэффициенті деп аталады; мұндағы - сәуленің ауытқуы, см.

Осциллографты амплитудалары кең ауқымда өзгеретін сигналдарды зерттеуге қолдану үшін ауытқу коэффициетін өзгертіп отыруға мүмкіндік болу керек. Бұл “Y” каналының көмегімен жасалынады; әдетте баспалдақты түрде өзгертіледі, ал таңдап алған ауытқу коэффициентінің мәндерін осциллографтың беткі панелінен оқып алуға болады. “Y” каналының (тік ауытқу каналы) кіруі ашық және жабық болуы мүмкін (4-сурет). Суретте көрсетілгендей кіру ашық болған жағдайда тұрақты да, айнымалы да токтың өтуіне болады; ал жабық кезінде - сигналдың тек айнымалы құрамы ғана өтеді (себебі неде?). Бұл кірулер 4-суретте көрсетілгендей схема түрінде немесе символ түрінде белгіленеді: “  ” – ашық және жабық, “” –ашық, “” –жабық, ал ортаңғы позиция кірісті жермен қосу (немесе өшіру) ( ““ символы). Бұл жағдай “Y” күшейткішті тепе-теңдікке келтіргенде (балансировка жасағанда) немесе сигналды нольдік деңгейге келтіргенде қолданылады.

Сигналдың ұзақтығын (период) өлшеу. Кейбір ЭО-та сигналдың ұзақтығын өлшеу үшін калибрлік уақыт белгілері арқылы электрондық сәулені жарықтылығы бойынша модуляциялау керек. Маркерлік белгінің ұзақтығын және олардың сигналдағы кеми түсетін санын біле отырып оларға сәйкес келетін уақытты анықтайды. Осциллографтардың кейбір басқа түрлерінде сигналдың ұзақтығын трубканың экранындағы оның кескінінің ұзындығы бойынша анықтайды.

Сигналдың ұзақтығы “X” осі бойынша өлшенеді. Ол экранда көлденең бағыттағы (сантиметрмен немесе шкала бөлігімен) өлшенетін уақыт интервалына сәйкес келетін экрандағы кескінді жазбалау коэффициентіне [Уақыт/бөл.] көбейткенге тең.

Сигналдың амплитудасын өлшеу. ЭО-тардың кейбір түрлерінде сигналдың амплитудасын өлшеу үшін кернеуі белгілі калибрленген сигнал қолданылады; сонда соңғы кернеудің тік бағытта ауытқуымен зерттелетін сигналдың ауытқуы салыстырылады. Осциллографтың басқа түрлерінде сигналдың амплитудасы оның трубка экранындағы тік бағытта ауытқуы бойынша тікелей өлшенеді.

Қазіргі кездегі электронды осциллографтарда сигналдардың амплитудасы мен ұзақтығын өлшеу үшін амплитуда және ұзақтылық калибраторлары деп аталатын қондырмалар болады. Бұл қондырмалар нақты жиілігі және амплитудасының міндері өте дәл анықталған, пішіні белгілі импульстардың (мысалы, тік бұрышты, “меандр” деп аталатын) генераторлары болып табылады. Сигналдың амплитудасы және оның уақытқа байланысты сипаттамалары жоғарыда айтылғандай, прибордың экранындағы шкала бойынша тікелей өлшенеді. Бірақ алдын ала прибордың ішіндегі қондырманың - калибратордың сигналдары бойынша осциллограф жазбасының сезгіштігі мен ұзақтығын алдын-ала калибрлеу қажет.

Сигналдың амплитудасын өлшеу былайша жүргізіледі: зерттелінетін сигнал тік “Y” ауытқитын калибрленген күшейткішке беріледі және сантиметрмен немесе шкаланың бөлігімен тік бағыт бойынша оның тербелу өрісі өлшенеді. Сигналдың амплитудасы сантиметрмен (шкаланың бөлігімен) өлшенген тербелу өрісін кіру бөлгішінің аударғыш тетік арқылы қойылған сезгіштіктің [Вольт/бөл.] цифрлық белгісіне көбейткенге тең.

Қателікті сәуле таңбасының қалыңдығы есебінен кеміту үшін өлшеу кескін сызығының төменгі (жоғарғы) шетінен бастап жүргізіледі.

Импульстердің параметрлері. 5a-суретте жеке тікбұрышты импульс кескінделіп, оның параметрлері көрсетілген (тік бұрышты импульс деп төбесінің жазық бөлігінің ұзақтығы импульсының ұзақтығының 0.7-нен кем емес импульсты айтады; мұнда U_m амплитудасының 0.5 деңгейі бойымен өлшенеді);

- тікбұрышты импульстың биіктігі (амплитудасы); ол импульс төбесінің жазық бөлігін тікбұрышты импульс фронтымен қиылысқанға дейін созу арқылы анықталады. - амплитуданың 0.5 деңгейі бойынша есептелінетін тікбұрышты импульстың ұзақтығы; - амплитуданың 0.1-0.9 интервалындағы тікбұрышты импульстың кесіндісінің ұзақтығы; - амплитуданың 0.1-0.9 интервалындағы тік бұрышты импульс фронтының ұзақтығы.

Импульстардың қайталану периоды деп көршілес екі бірполярлы импульстардың басталуларының арасындағы уақыт мерзімі (5б - сурет). қатынасты импульстердің төменділігі (скважность) деп, ал қатынасын толтыру коэффициенті деп атайды.

5-сурет. Тік бұрышты импульстың негізгі параметрлері