2.2. Конструкция и принцип действия электронного осциллографа

Электронный (электронно-лучевой) осциллограф – прибор, предназначенный для записи или наблюдения на экране электронно-лучевой трубки изменений электрических сигналов во времени, а также для измерения различных электрических величин: напряжения, тока, частоты, сдвига фаз, параметров импульсов и т.д.

Слово “осциллограф” образовано от “осциллум” - колебания и “графо”-пишу. Отсюда и назначение этого измерительного прибора - отображать на экране кривые тока или напряжения как функции времени. Встречается и другое название этого прибора - осциллоскоп (от того же осциллум, и скопео-смотрю) – прибор для наблюдения формы колебаний. И хотя второе название более точное, в литературе на русском языке принято все же первое - осциллограф.

Осциллограф представляет собой весьма сложный электронный прибор, поэтому успешная работа с ним требует хорошего знания его устройства и принципа работы основных узлов.

Функциональная схема осциллографа

На рис.1 приведена функциональная схема электронно-лучевого осциллографа. Черными точками возле функциональных блоков обозначены регуляторы, вынесенные на лицевую панель прибора. Основные блоки осциллографа и их названия приведены на схеме.

Элементом, преобразующим электрические сигналы в визуальное изображение, является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой вакуумированный стеклянный баллон, в котором размещены:

– электронный прожектор, создающий узкий электронный луч, направленный вдоль оси трубки;

– отклоняющая система, назначением которой является изменение направления электронного луча;

– экран, обладающий способностью светиться при бомбардировке его электронами луча.

Рассмотрим назначение и устройство отдельных элементов ЭЛТ в соответствии с рис. 1.

Электронный прожектор. Электронным прожектором, или электронной пушкой, называется система электродов, позволяющая получить направленный поток электронов (электронный луч). Помещается она в узкой удлиненной части колбы 1 и состоит из подогревного катода, управляющего электрода и двух анодов. Катод 3 представляет собой никелевый цилиндр, внутри которого расположен вольфрамовый подогреватель 2.

Н а торцовой части катода с наружной стороны нанесен оксидный слой, что обеспечивает получение потока электронов в одну сторону. Катод окружен управляющим электродом (модулятором) 4, представляющим собой металлический цилиндр с отверстием (диафрагмой) в торце. Модулятор предназначен для регулирования количества электронов в луче и для начального его формирования. Он имеет некоторый отрицательный потенциал относительно катода, и электроны, вылетевшие из катода и направляющиеся в сторону модулятора, под действием электрического поля между катодом и модулятором изменяют направление своего движения, отклоняясь к оси луча. Благодаря этому осуществляется предварительная фокусировка электронного луча. Кроме того, электрическое поле между катодом и управляющим электродом, являясь тормозящим для электронов, отталкивает некоторые из них обратно на катод. Следовательно, регулируя величину отрицательного потенциала на модуляторе, с помощью потенциометра “Яркость” можно изменить количество электронов, пролетающих через его диафрагму, то есть изменить плотность электронного луча. Такая регулировка приводит к изменению яркости светящегося пятна на экране трубки. Пройдя модулятор, электроны вновь могут отклоняться от оси луча. Для последующей фокусировки луча служат аноды 5 и 6. Оба анода цилиндрические, с диафрагмой для ограничения поперечного сечения луча. Первый анод 5 – фокусирующий, выполняется меньшего диаметра, чем второй, и имеет положительный потенциал относительно катода +(300…1000) В. Второй анод 6 – ускоряющий, отстоящий на некотором расстоянии от первого вдоль оси трубки, находится под положительным потенциалом +(1000…5000) В относительно катода.

Меняя величину напряжения на первом аноде, с помощью потенциометра “Фокус” можно изменять электрическое поле между анодами и тем самым перемещать точку фокуса вдоль оси трубки, добиваясь совмещения ее с поверхностью экрана. При этом на экране трубки получается резко очерченное светящееся пятно малого диаметра.

Отклоняющая система. На пути к экрану электронный луч 9 проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин X и Y , называемых электростатической отклоняющей системой. Первая пара пластин 7 предназначена для отклонения электронного луча в вертикальной плоскости и называется вертикально отклоняющей (пластины Y), а вторая пара пластин 8 – для отклонения луча в горизонтальной плоскости и называется горизонтально отклоняющей (пластины X). Электрическое поле, возникающее между отклоняющими пластинами, воздействует на электронный луч, отклоняя его. Допустим, что электронный луч совпадает с осью трубки и светящееся пятно находится в центре экрана. Если приложить к вертикальным отклоняющим пластинам постоянное напряжение, то между ними возникнет электрическое поле, которое вызовет отклонение луча, и он встретится с экраном в другой точке, выше или ниже начальной. Под действием электрического поля отклоняющих пластин электроны и электронный луч откланяются в сторону пластины, имеющей положительный потенциал.

Изменяя напряжение и его полярность на вертикально отклоняющих пластинах, можно менять угол наклона траектории и направление смещения луча. При этом точка свечения экрана будет перемещаться по вертикали.

Аналогичные изменения напряжения и его полярности на горизонтально отклоняющих пластинах будет вызывать отклонение луча и свечение экрана по горизонтали.

Экран. Экран ЭЛТ 11 покрыт специальным составом (люминофором), способным светиться при бомбардировке его электронами. К таким веществам относятся виллемид (сульфид цинка), волъфрамово-кислый кальций и другие. В зависимости от состава люминофора может быть получено свечение различного цвета.

Электронный луч, попадая на экран, отдает ему свою энергию. Люминофор преобразует кинетическую энергию электронов в световую и экран светится.

Оседая на экране, электроны создают на нем отрицательный заряд, который может возрасти до большой величины и нарушить нормальную работу трубки. Для предотвращения этого внутренняя поверхность колбы покрывается электропроводящим графитовым слоем (аквадагом) 10, соединенным с общим проводом. К этому слою притягиваются вторичные электроны, испускаемые экраном 11 под действием бомбардировки первичными электронами, чем и достигается отвод зарядов от экрана.