- •Электронный осциллограф
- •2.2. Электронно-лучевая трубка.
- •2.4. Устройство управления лучом
- •2.5. Применение электронных осциллографов
- •3 .3.Измерить разность фаз методом линейной развертки между напряжениями входа и выхода фазовращателя (фв) установки к32.
- •3.7.2. Измерение переменного напряжения
- •Контрольные вопросы
Новосибирский государственный технический университет
Электронный осциллограф
Лабораторная работа № 2
для студентов 2-3 курсов всех факультетов
и всех форм обучения
Новосибирск - 2000
I. Цель работы
Изучить устройство электронного осциллографа и приобрести практические навыки работы с ним.
2. Сведения из теории
2.1. Назначение осциллографа
Электронный осциллограф /ЭО/ представляет электрический сигнал, поданный на его вход, в виде графика на своем экране. Этот график очень нагляден, т.к. позволяет видеть форму сигнала - сигнал как функцию времени. Просматривая форму сигналов в различных точках электрической цепи, можно судить о состоянии и свойствах цепи. Ясно, что способность визуализировать сигналы чрезвычайно важное качество осциллографа, позволяющее оперативно проводить контроль и диагностику электрических цепей. Поэтому обеспечение возможности визуального наблюдения формы электрических сигналов следует считать основным назначением ЭО.
2.2. Электронно-лучевая трубка.
Упрощенная функциональная схема осциллографа (рис.1) включает в себя электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и устройства управления лучом (канала Y и канала Х). Питание ЭЛТ и всех электронных узлов схемы, осуществляется от источника стабилизированного напряжения, на схеме непоказанного.
ЭЛТ представляет собой стеклянный баллон, в котором размещены электронная пушка (ЭП), люминесцирующий экран (Э) и две пары отклоняющих пластин (" Y" и " X"). В баллоне создан вакуум. Электронная пушка создает поток электронов и формирует его в узкий электронный луч. Внутренняя поверхность баллона, на которую направлен луч покрывается люминофором - специальным составом, обладающим свойством светиться под действием ударов электронов. В месте попадания электронов на люминесцирующий экран появляется светящееся пятно. Напряжения, подаваемые на отклоняющие пластины, отклоняют луч от оси трубки и изменяют по двум координатам положение пятна на экране.
Р ассмотрим подробнее устройство электронной пушки. Основные детали ее показаны на рис.2: подогреватель (I), катод (К), модулятор (М), первый и второй аноды (AI и А2).
Подогреватель представляет собой спираль из тугоплавкого материала, через которую пропускается электрический ток.
Выделяющаяся энергия разогревает спираль до высокой температуры. Подогреватель, в свою очередь, разогревает катод, торцевая поверхность которого покрыта специальным составом, облегчающим выход электронов из материала катода. Таким образом, разогретый катод испускает электроны, вблизи катода создается электронное облако. Напряжения, поданные на модулятор и аноды, создают у поверхности катода электрическое поле, ускоряющее электроны в направлении экрана. Поскольку модулятор, первый и второй аноды расположены на различных расстояниях от катода, то каждый из этих электродов оказывает свое специфическое действие на формируемый электронный луч. Изменяя напряжение на модуляторе, можно изменить количество электронов, проходящих от катода в направлении экрана и, тем самым ,регулировать яркость светящегося пятна на экране.
Напряжение на первом аноде оказывает фокусирующее действие на электронный луч. При определенном его значении электронный луч будет сфокусирован на экране.
Люминесценция экрана под действием электронной бомбардировки имеет место только при достаточно высокой кинетической энергии электронов, бомбардирующих экран. Назначение второго анода - увеличить скорость электронов до необходимой. Для этой цели на второй анод подают высокое положительное напряжение относительно катода (от 600 до 2000 В).
Во всех ЭО на переднюю панель выведены ручки переменных резисторов, с помощью которых регулируются напряжения на модуляторе ("Яркость") и на первом аноде ("Фокус").
Отклоняющие пластины ЭЛТ представляют собой две пары плоско-параллельных пластин, расположенных взаимно перпендикулярно. Если, например, на пластины "Y " подать постоянное напряжение, то между пластинами будет образовано электрическое поле. Вектор напряженности этого поля Е будет перпендикулярен оси ЭЛТ и параллелен оси у (рис.3). Под действием электрического поля электроны отклоняются от оси трубки и соответственно изменяется положение светящегося пятна на экране. Как видно из рис.3, отклонение его произойдет в вертикальном направлении, т.е. по координате Y. Аналогично отклоняют луч пластины "X", но в горизонтальном направлении.
Смещение луча на экране пропорционально приложенным к пластинам напряжениям, т.е.
y= Sy * Uy (1)
x= Sx * Ux (2)
где у, х - смещение луча по вертикали и горизонтали;
Uy, Ux- напряжения на пластинах " Y " и " X"; Sy,Sx-коэффициенты пропорциональности, называемые чувствительностью ЭЛТ по вертикали ( Sy ) и горизонтали ( Sx ).
Для удобства оператора при считываний координат светящегося пятна экран ЭЛТ снабжен координатной сеткой.
2.3. Получение изображения сигнала на экране.
Если напряжения Ux и Uy переменные, то луч на экране будет описывать более или менее сложную траекторию. Существует простой графический способ нахождения этой траектории, опирающийся на тот факт, что отклонения луча по координатам Y и Х пропорциональны напряжениям на пластинах" Y "и” Х", как это следует из соотношений (I) , (2). Рассмотрим этот способ на одном примере.
П усть на пластины поданы синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе (рис. 4)
В озьмем моменты времени t0 , t1 , … , t8. В каждый из них по графикам находим значения напряжений. Обозначим эти напряжения в момент t0 как Uy0 и Ux0, в момент t1-Uy1, Ux1 и т.д. В момент t0 светящееся пятно на экране будет иметь координату y0 , пропорциональную Uy0, и координату х , пропорциональную Ux0 . Заметим, что для получения чисто качественного представления об искомой траектории не требуется знания чувствительностей ЭЛТ Sy и Sх. От значений Sy и Sх зависят только масштабы по осям координат. Поэтому координаты у и х, пропорциональные Uy0 и Ux0, наносим на координатную плоскость в произвольном масштабе, который, однако, в дальнейшем должен выдерживаться и для других точек. На рис.5 эта точка обозначена t0. Аналогично наносятся координаты луча в моменты t1 , t2 , … , t8 . Соединив точки плавной кривой, получим искомую траекторию.
Обращает на себя внимание совпадение координат в моменты t0 и t8 . Это не случайное совпадение, а вытекающее из периодичности напряжений, подаваемых на пластины. Каждый период луч описывает замкнутую фигуру. Если частота подаваемых напряжений более нескольких десятков герц, то из-за инерционности глаза оператор видит на экране не последовательное перемещение луча по траектории, а целиком всю траекторию . В нашем случае это будет эллипс. Если частоты сигналов Uy и Ux неодинаковы , но относятся как целые числа, то на экране будут видны более сложные фигуры (фигуры Лиссажу). Эллипс - одна из самых простых фигур Лиссажу. Возможность получения этих фигур на экране осциллографа иногда используется для измерения сдвига фаз и частоты
Если частоты напряжений Uy и Ux не кратны, то, очевидно луч на экране не будет перемещаться по замкнутой траектории и из-за инерционности зрения оператор увидит слабо светящийся экран (или некоторую его часть). Информативность такой картины, конечно минимальна .
Перейдем к практически чрезвычайно важному вопросу - получению изображения сигнала на экране ЭЛТ. Наиболее наглядное представление временного процесса - представление его в виде графика, по оси абсцисс которого откладывается время, а по оси ординат - интересующий параметр процесса. Подобный график и было бы желательно получать на экране ЭЛТ. Если, например, исследуется напряжение, то по оси ординат стремятся иметь значения этого напряжения, а по оси абсцисс – время. Поэтому, естественно, на пластины " Y " подать исследуемое напряжение. Возникает вопрос - какой сигнал подать на пластины "X". Если на них ничего не подавать, т.е. Ux = 0, то луч по экрану перемещается только в вертикальном направлении. Из-за инерционности зрения оператор увидит на экране вертикальную полоску. Если на "X" подать тот же сигнал, что и на " Y ", то цель все равно не достигается, из сказанного ранее следует - на экране будет фигура Лиссажу.
Оказывается, для получения искомого графика необходимо иметь в распоряжении некоторое вспомогательное напряжение, называемое напряжением развертки. Поскольку отклонение луча по оси Х должно быть пропорционально времени, то на пластины "X", вероятно, и следует подать напряжение, линейно зависящее от времени. Действительно, отклонение по оси Y пропорционально Uy(t) :
Y= Sy * Uy(t) (3)
Если выполняется уравнение :
X= Sx * Ux(t)= Sx * k * t (4)
где k- коэффициент пропорциональности, то подставляя в (3) значение t из (4) получим:
y= Sy * Uy * ( x / k * Sx )
Таким образом, на экране будет изображение временного процесса Uy(t). Масштабы по осям графика определяются Sy и Sx. Практически невозможно получить линейно - возрастающее напряжение в течение неограниченного времени. К тому же, в этом нет необходимости. Достаточно иметь такое напряжение в течение хотя бы одного периода исследуемого напряжения Uy(t) . Тогда на экране электронный луч воспроизведет один период сигнала Uy(t) . Если многократно и достаточно часто воспроизводить один период сигнала, причем, так, чтобы траектория луча была одной и той же, а не смещалась от периода к периоду, то из-за инерционности зрения оператор увидит на экране непрерывный график одного периода процесса.
Добиться такого положения, чтобы луч на экране от периода к. периоду
перемещался по одной и той же траектории, значит получить на экране устойчивое изображение. Для этого необходима синхронность напряжения развертки и исследуемого напряжения. Для осуществления синхронизации на переднюю панель осциллографа выведены соответствующие органы управления.
Если напряжение развертки линейно нарастает в течение нескольких периодов исследуемого сигнала, то на экране получаем изображение нескольких периодов (естественно, при наличии синхронности Ux и Uy ).
Если сигнал непериодический, точнее, неповторяющийся, то наблюдать его на обычных осциллографах не представляется возможным. Для этой цели существуют специальные запоминающие осциллографы.
При исследовании низкочастотных процессов (частота менее 10 Гц) инерционность зрения уже трудно использовать. При подобных исследованиях применяют специальные осциллографы, ЭЛТ которых имеют длительное после свечение люминофора.