5.1. Принцип действия электронно-лучевой трубки

Основным элементом электронно-лучевого осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), внутри которой создается узкий пучок электронов («электронный луч»), падающий на люминесцирующий экран трубки, состоящий из одного или нескольких слоев материала, называемого люминофором (силикаты и др.). Состав люминофора определяет окраску свечения и продолжительность после свечения экранов.

Электроны, излучаемые катодом под действием ускоряющих потенциалов и системы фокусирующих электродов («электронной линзы») определенной конфигурации, формируются в узкий луч. Регулировка потенциалов, подаваемых на электроды, позволяет изменять поперечное сечение электронного луча и скорость электронов в момент их попадания на экран. Этим путем достигается регулировка фокусировки и яркость изображения на экране трубки.

Электронный пучок обладает ничтожно малой инерционностью и поэтому мгновенно изменяет свое направление под действием электрического и магнитного полей. Для отключения электронных пучков применяется электростатическое или электромагнитное управление.

При электростатическом управлении электронный луч проходит через две пары взаимно перпендикулярных пластин. К одной паре подводят развертывающее напряжение, которое отклоняет луч в одном направлении и создает ось времени; к другой паре подводят исследуемое напряжение. Если оба подводимых напряжения изменяются синхронно, то на экране получается устойчивое изображение в виде кривой. Конструкция такой трубки показана на рис. 4.1.

Для лучшей фокусировки электронного пучка и для получения большой яркости изображения на электроды подают высокое напряжение, получаемое от выпрямительных устройств, питаемых от сети переменного тока. Качество фокусирования электронного пучка определяет толщину линии развертки: чем тоньше линия развертки, тем острее фокусировка.

Фокусировка производится изменением потенциала анодов трубки. Яркость изображения регулируется изменением потенциала на управляющем электроде, при некоторых отрицательных значениях которого электронный пучок полностью запирается и изображение на экране пропадает. Для создания линии развертки применяют специальные генераторы, создающие пикообразное напряжение.

Основные характеристики электронно-лучевой трубки:

• чувствительность;

• полоса пропускания;

• длительность послесвечения;

• площадь экрана.

Чувствительность трубки S_T = L_T/U_T, где L_T – отклонение луча на экране трубки под воздействием напряжения U_T, приложенного к паре отклоняющих пластин. Обычно S_T порядка 1мм/В.

С увеличением частоты исследуемого сигнала чувствительность трубки падает. Верхняя граница полосы пропускания ЭЛТ устанавливается на уровне, где чувствительность составляет примерно 0,7 от номинального значения. Для универсальных осциллографов эта частота достигает 350… 500 МГц. Иногда применяются многолучевые трубки, что достигается увеличением количества электродов, но чаще для исследования нескольких сигналов одновременно используется однолучевая трубка с коммутатором на входе, осуществляющим поочередную подачу сигналов на отклоняющие пластины.

Рабочей частью экрана называется площадь экрана, в пределах которой погрешности коэффициентов отклонения (КО) и развертки (КР) не выходят за пределы установленных значений.

К параметрам ЭЛТ относят:

• диаметр светового пятна при оптимальной яркости, который определяет разрешающую способность ЭЛТ;

• максимальную яркость свечения экрана;

• цвет свечения экрана;

• время послесвечения (средняя продолжительность около 100мс);

• геометрические искажения

Рис. 4.6 Расположение электродов электронно-лучевой трубки.

При исследовании одиночных сигналов и сигналов с большой скважностью используются запоминающие трубки. Эти трубки содержат те же элементы, что и ЭЛТ широкого применения, и дополнительно, оснащаются узлом памяти и системой воспроизведения изображения.

Рис. 4.7 Упрощенная схема запоминающей ЭЛТ:

А₂', М', К' – воспроизводящая система

Узел памяти состоит из двух плоских сеточных Электродов, расположенных параллельно экрану (рис. 4.2.). Непосредственно у экрана находится мишень, покрытая слоем диэлектрика. Поверх мишени размещен другой электрод в виде сетки с более крупной структурой — коллектор.

Изображение записывается электронным лучом высокой энергии (записывающий луч). Электроны луча оседают на мишени, причем количество заряда пропорционально току луча. При перемещении луча на мишени создается потенциальный рельеф, повторяющий форму осциллограммы. После прекращения действия сигнала потенциальный рельеф мишени сохраняется длительное время. Наблюдать записанное изображение позволяет воспроизводящая система, состоящая из катода К' с подогревателем, анода А₂' и модулятора М'. Катод трубки создает поток электронов малой энергии, плотность которого регулируется модулятором М'. В результате формируется широкий расфокусированный пучок электронов, равномерно облучающий мишень. Потенциал мишени подобран таким образом, чтобы при отсутствии записанного изображения медленные электроны воспроизводящего пучка не могли через нее пройти. При наличии потенциального рельефа в этих точках мишени часть электронов проходит к экрану, вызывая его свечение. На экране появляется осциллограмма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Стирается запись путем подачи на коллектор отрицательного импульса, выравнивающего потенциал мишени. Можно выделить три режима работы такой ЭЛТ:

наблюдение сигнала без записи — на коллекторе небольшое положительное напряжение U_КОЛ = +50 В, на мишени нулевой потенциал U_миш=0, мишень прозрачна для быстролетящих электронов;

режим записи — U_КОЛ = +50 В, на мишень подается положительный потенциал Uмиш = 30 В, и мишень становится менее прозрачна, в результате быстро летящие электроны выбивают вторичные электроны и создают на мишени зарядный положительный рельеф, который может оставаться длительное время;

режим воспроизведения — потенциал мишени снова становится нулевым Uмиш = 0, кроме тех мест, где записан рельеф; мишень облучается широким потоком медленно летящих электронов с воспроизводящей системы, для этого потока мишень прозрачна только в местах рельефа, где записан сигнал.

Запоминающие ЭЛТ характеризуют следующие параметры:

• яркость свечения экрана в режиме воспроизведения — она регулируется напряжением модулятора системы воспроизведения и может быть высока, так как воспроизведение производится непрерывно;

• время воспроизведения изображения — это время в основном ограничивается устойчивостью потенциального рельефа к ионной бомбардировке; в современных ЭЛТ время воспроизведения может достигать десятков минут;

• время сохранения записи — оно определяется при снятом напряжении с ЭЛТ;

• скорость записи — характеризует быстродействие ЭЛТ в режиме запоминания; определяется временем, необходимым для создания потенциального рельефа достаточной величины.

Современные запоминающие ЭЛТ имеют скорость записи сигналов от 2,5 до 4000 км/с.