МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КУМЕРТАУСКИЙ ФИЛИАЛ

Кафедра ЕНиОТД

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 50

«ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА»

Заведующий кафедрой ЕНиОТД

профессор, к.т.н. Даутов А.И.

Составил: старший преподаватель

Корниенко Л.М.

г. Кумертау

2009

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Приборы и принадлежности:

1. Осциллограф С1-5

2. Звуковой генератор ГЗ-18

3. Специальная приставка

4. Источник питания

Цель работы:

Изучение устройства электронно-лучевого осциллографа типа С1-5 и ознакомление с некоторыми видами наблюдений и измерений, которые можно проводить с его помощью.

Устройство и принцип работы осциллографа. Электронно-лучевая трубка

Осциллографом называется прибор, позволяющий визуально наблюдать быстрые периодические (колебания) процессы: (ascilla - колебание, grafo -пишу). Осциллографы бывают различного типа и назначения. Наиболее распространены магнитоэлектрические («шлейфовые») осциллографы и электронные осциллографы («осцилоскопы»).

Область применения осциллографов чрезвычайно обширна. Возможность преобразования механических, химических, световых, тепловых и других величин в электрические сигналы позволяет применять осциллографы во многих отраслях науки и техники.

Специальные типы осциллографов позволяют наблюдать и фотографировать очень медленные периодические процессы и очень быстрые (вплоть до сверхвысоких частот) колебания, а также одиночные импульсы сложной формы.

С помощью осциллографов можно проводить не только качественные, но и количественные измерения параметров исследуемых сигналов.

Основным узлом осциллографов является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу специальной формы, показанная на рис. 1, с вмонтированной в нее системой электродов. Трубка откачена до давления 10" — 10" мм рт. ст.

Основной узел ЭЛТ - электронно-лучевая пушка, которая формирует электронный луч и направляет его на экран 8, покрытый люминофором, светящимся под ударами электронов.

Пушка состоит из следующих электродов (рис. 1):

Рис. 1.

1. Катод, представляющий собой полый тонкостенный цилиндр с плоским донышком, покрытым активирующим слоем для уменьшения работы выхода электрона;

2. Нить накала - спираль из вольфрама, покрытая керамикой для изоляции от катода. На спираль подается низкое напряжение (6,3 В). Нагреваясь, спираль накаляет катод до температуры t ⁰С, при которой происходит достаточно интенсивная эмиссия с поверхности катода.

3. Управляющий электрод выполняет две функции: предварительную фокусировку электронного луча и регулировку его плотности. На управляющий электрод подается отрицательный потенциал по отношению к катоду (рис. 1). Поэтому электроны, вылетающие из торца катода в различных направлениях, отклоняются полем управляющего электрода и проходят через отверстие в его донышко (рис. 2). Таким образом, управляющий электрод сужает электронный луч, «фокусирует» его.

Изменяя потенциал на управляющем электроде, сопротивлением (рис.1) можно регулировать количество электронов, вылетающих в единицу времени, т.е. регулировать плотность электронного луча и тем самым менять яркость свечения экрана. В этом случае управляющий электрод играет роль аналогичную управляющей сетке в триоде.

4. Система из двух анодов: 4 - первый анод и 5 - второй анод (рис. 1,2). Эти электроды предназначены для ускорения электронного тока и его точной фокусировке.

Для получения свечения экрана ЭЛТ необходимо ускорить электроны до значительных энергий. Поэтому на 2-й анод подается высокое напряжение около 800 В. 1-й анод имеет более низкий потенциал. В результате между 1-м и 2-м анодами образуется электростатическое поле, эквипотенциалы которого имеют форму двояковыпуклой линзы (рис. 2). В таком поле электроны, удаленные от оси трубки, получают дополнительную поперечную скорость, направленную к оси ЭЛТ,

2 анод

Рис.2

Регулируя величину напряжения между 1-м и 2-м анодами с помощью сопротивления R₂ (рис. 1), можно добиться, чтобы практически все траектории электронов сходились в одной точке, лежащей на поверхности экрана (8). При этом регулируется только потенциал 1-го анода, т.к. потенциал 2-го анода влияет на яркость свечения и чувствительность ЭЛТ.

5. Система отклоняющих пластин. Пара параллельных, горизонтально расположенных пластин 6 (рис. 1) служит для отклонения электронного луча в вертикальном направлении и называется вертикально-отклоняющими пластинами. При подаче на них разности потенциалов, светящееся пятно на экране будет отклоняться в сторону положительно заряженной пластины. Величина смещения луча от оси трубки пропорциональна величине приложенной разности потенциалов: у=jU(1) где: у - величина напряжения; U - разность потенциалов на отклоняющих пластинах; j - чувствительность ЭЛТ.

Получение изображения на экране элт

Периодические во времени процессы изображаются в виде графиков, по оси ординат которых откладываются переменная величина (функция), а по оси абсцисс время (аргумент). На рис. 3 показаны графики некоторых видов периодических сигналов.

Для наблюдения на экране ЭЛТ этих процессов необходимо каким-либо способом преобразовать величину в пропорциональное ей напряжение и подать его на вертикально отклоняющие пластины. Т.к. напряжение будет меняться со временем, светящаяся точка на экране будет смещаться от центра вниз и вверх, так что в каждый момент времени y=jU, где U -мгновенная величина напряжения. При быстрых колебаниях из-за инертности зрения мы увидим на экране вертикальную светящуюся линию, длина которой пропорциональна удвоенной амплитуде переменного напряжения.

Рис. 3

Чтобы увидеть на экране колебания в форме графиков (рис. 3), необходимо одновременно с началом колебаний смещать луч слева на право, равномерно прикладывая к горизонтально отклоняющим пластинам линейно возрастающее со временем напряжение. Однако при некоторой разности потенциалов луч может выйти за пределы экрана. Чтобы этого не произошло, напряжение должно возрастать до некоторой максимальной величины. Это напряжение называется развертывающим напряжением, а затем процесс перемещения луча медленно - слева направо - и быстро - справа налево - называется разверткой. Иногда за его характерную форму это напряжение называют «пилообразным». График такого напряжения показан на рис. 4.

Рис. 4

Так как никакой процесс не может протекать мгновенно, то спад напряжения будет не вертикальным, а наклонным (рис. 4). Кроме того, чтобы использовать всю площадь экрана ЭЛТ, необходимо отклонять луч как влево, так и вправо от центра экрана. Это достигается тем, что напряжение развертки делают симметричным относительно оси абсцисс (рис. 4).

Время движения луча слева направо и обратно называется периодом развертки. Оно складывается из времени прямого луча Т₁ и времени обратного хода Т₂. Напряжение развертки получают с помощью генератора развертки.

Генератор развертки

Упрощенная схема генератора развертки показана на рис. 5.

Схема состоит из цепочки RC, соединенной последовательно с источником питания +А, -А. Параллельно емкости С подключен тиратрон Л. Конструктивно тиратрон близок к обычному триоду, но вместо вакуума имеет в баллоне газ под низким давлением.

На сетку тиратрона подано напряжение синхронизации U_с о назначении которого будет сказано ниже. Тиратрон обладает тем свойством, что при напряжении ниже заданной величины, называемой напряжением зажигания, U_заж, он не проводит ток. Величина U_заж определяется конструкцией тиратрона и напряжением на его управляющей сетке. При достижении внешнего напряжения U=U_заж происходит «зажигание» тиратрона и он начинает проводить ток. В проводящем состоянии тиратрон обладает низким внутренним сопротивлением. Изменение напряжения на сетке «зажженного» тиратрона практически не влияет на его проводимость. Таким образом, сетка тиратрона, в отличии от триода, управляет только моментом зажигания, а затем перестает влиять на работу.

При снижении внешнего напряжения до U_заж тиратрон не гаснет. Чтобы он погас, необходимо снизить внешнее напряжение до U_гаш<U_заж - После гашения тиратрон перестает проводить ток и может зажечься при увеличении внешнего напряжения U=U_заж. В момент подключения источника конденсатор С не имеет заряда. Напряжение на сетке будет считаться равным нулю. После подключения начинается процесс зарядки конденсатора С от источника через сопротивление R. График этого процесса показан на рис. 6 (кривая 1).

Рис.5

Рис.6

Если бы в схеме не было тиратрона, процесс зарядки происходил бы по экспоненте до U=Uo (напряжение источника). Но при достижении U=U_заж происходит зажигание тиратрона. А так как он обладает низким сопротивлением, то конденсатор разряжается через него и напряжение на конденсаторе быстро падает до U_raш при котором тиратрон гаснет (кривая 2 на рис. 6). После этого процесс повторяется, но уже не от нуля, а от U_гаш. В результате напряжение на конденсаторе С будет меняться по кривой, близкой к пилообразному напряжению. Специальными мерами, которые здесь не рассматриваются, можно улучшить форму кривой, сделав ее практически линейной. Для изменения частоты развертывающего напряжения нужно менять величину С и R. При увеличении R и С увеличивается время зарядки конденсатора и частота уменьшается, а при уменьшении - возрастает.