Лабораторна робота №1 осциллографические измерения
Цель работы: изучить работу электронно-лучевого осциллографа; научиться получать осциллограммы и измерять параметры периодических сигналов
1.1 .Электронно-лучевой осциллограф
Электронно-лучевой осциллограф (от латинского слова «осциллум» – колебание и греческого «графо» – пишу) или осциллоскоп (греч. «скопео» – вижу) – прибор, предназначенный для наблюдения формы электрических сигналов в координатах х, у и измерения их амплитудных и временных параметров (характеристик) в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до десятков гигагерц. Основным элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), в которой сфокусированный пучок электронов (луч) используется как «карандаш», рисующий на экране с напыленным химическим соединением (люминофором) светящееся изображение.
Для различных сигналов (периодически повторяющихся и однократных, медленно изменяющихся и быстропротекающих) используют различные осциллографы. Осциллографы для периодически повторяющихся сигналов называют универсальными и обозначают С1–. Для визуализации медленно изменяющихся сигналов используют ЭЛТ с люминофором длительного послесвечения, а для быстроизменяющихся сигналов – ЭЛТ с люминофором короткого послесвечения.
Универсальный электронно-лучевой осциллограф имеет следующие блоки (узлы) (рис. 1.1): блок ЭЛТ с органами управления и регулировки; блок управления лучом, включающий: канал Y (сигнальный) – для управления перемещением луча вдоль оси y исследуемым сигналом U(t); канал X (развертки) – для управления перемещением луча вдоль оси x с выбраной оператором скоростью υx; канал Z (яркости) – для управления током луча.
«Блок
управления лучом» Кy «Вольт/дел.» П1 Вход
Y МП1 «Синхронизация» ЛЗ МПу «Внутр.» «Внешн.» «Сеть» П2 П3 «~» «~» «Уровень» П4 «+» «-
» «стаб.» ИП СС «Время/дел.» Кх «Вход
Х» П5 МПz МПx Y1 Y2 Z X1 X2 Y1 Y2 Z X1 X2 «Блок
ЭЛТ» «смещение
Y» + Uy - люминофор экран Vz K M A1 A2 A3 «яркость» «фокус» + Ux - «смещение
Х» Рис.1.
Функциональная схема однолучевого
электронного осциллографа
ЭЛТ состоит из источника электронов, системы формирования сфокусированного электронного пучка, системы его отклонения в направлении оси х и у и люминесцирующего экрана. Все системы электродов размещены в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух. Источником электронов является нагреваемый катод. Подогрев катода осуществляется с помощью переменного тока 0,1…1А при напряжении 6,3В.
Для управления величиной тока электронного пучка рядом с катодом располагается модулятор (диск с малым отверстием). На модулятор подается отрицательный, относительно катода, потенциал. Изменением разности потенциалов в промежутке пространства модулятор – катод (UMK – единицы-десятки вольт) регулируют количество электронов в луче (регулировка «Яркость»). При достаточно большом отрицательном потенциале модулятора электронный луч можно полностью запереть.
Тонкий
электронный луч формируется электронным
прожектором, состоящим из катода,
модулятора, анодов А1,
А2
с высокими положительными потенциалами
в несколько сотен вольт. Между электродами
прожектора создается сильно неоднородное
электрическое поле, которое сжимает
электронный пучок в тонкий луч. Фокусировку
луча изменяют, регулируя напряжение
(регулировка
«Фокус»). Сформированный электронный
луч, двигаясь вдоль оси трубки, попадает
в отклоняющее поле, создаваемое двумя
парами отклоняющих пластин Х
и Y,
и достигает люминесцирующего экрана.
Простейшая конструкция отклоняющих
пластин соответствует плоскому
конденсатору. Одна пара пластин служит
для отклонения электронного луча в
вертикальном направлении, а другая –
в горизонтальном.
Процесс отклонения электронного луча в электростатическом поле иллюстрируется на рис. 1.2. Напряженность поперечного электрического поля определяется величиной отклоняющего напряжения и расстоянием между пластинами d:
.
Величина отклонения пятна на экране h определяется с помощью формулы:
~
,
где
–
напряжение второго анода;
l – длина пластин;
L – расстояние от центра пластины до экрана;
d – расстояние между пластинами.
Важным параметром ЭЛТ является чувствительность по отклонению ε, мм/В:
.
Рисунок 1.2 – Блок схема электронно лучевой трубки
Яркость
В
изображения на экране определяется
током луча iл
(регулировка
«Яркость»:
,Uм
–
напряжение на модуляторе ЭЛТ), скоростью
электронов при бомбардировке люминофора
,
скоростью движения луча по экрану
и химическим составом люминофора
B = f(iл,υz, υэ).
Участки
быстрых изменений сигнала U(t)
на экране имеют меньшую яркость. Усиление
яркости свечения можно достичь увеличением
либо ускоряющего напряжения
,
либо плотности электронного пучкаj.
Однако увеличение
приводит
к снижению чувствительности по отклонению
ε.
Чтобы разрешить это противоречие, в ЭЛТ
применяется принцип послеускорения
электронов. Как известно, скорость
электрона в электростатическом поле
определятся потенциалом той точки
пространства, в которой он находится:
.
Подобрав
надлежащим образом потенциалы электродов,
можно отклонять луч при малой скорости
υ
(менее высокое значение потенциала
)
и этим обеспечить большое значение
чувствительности по отклонениюε,
а ускорить электроны можно за пределами
отклоняющей системы. Для этого на стенки
баллона ЭЛТ наносятся проводящее
покрытие (графит), которое служит третьим
анодом (
>
).
Для исключения расфокусировки луча в процессе его отклонения между пластинами Х и Y отклоняющие напряжения на одноименные пластины Х1, Х2 и Y1, Y2 подают в противофазе так, чтобы сумма напряжений на одноименных пластинах не изменялась и равнялась нулю.
Начальное
положение луча на экране вдоль оси Y
устанавливается напряжением «Смещение
Y» (или «
↕
»), а начальное положение луча вдоль
оси х устанавливается напряжением
«смещение Х» (или « ↕ »).