Изучение работы электронного осциллографа

Цель работы: ознакомление с принципом действия электронного осциллографа и его основных узлов; определение чувствительности вертикального входа осциллографа к переменному напряжению; изменение величины неизвестного напряжения; наблюдение формы исследуемых сигналов, определение частоты неизвестного сигнала.

Приборы и принадлежности: э лектронный осциллограф, источник исследуемого напряжения, одно- и двухполупериодный выпрямители, релаксационный генератор, трансформатор, звуковой генератор.

ТЕОРИЯ

Электронный осциллограф (ЭО) применяется для исследования и визуального наблюдения быстроизменяющихся процессов электрического характера. Осциллографические устройства применяются в медицине для регистрации биопотенциалов с последующим их анализом, что играет большую роль при специфических исследованиях и диагностике заболеваний.

Достоинствами электронного осциллографа являются высокая чувствительность и безынерционность действия, что позволяет исследовать процессы длительностью до с.

Устройство электронного осциллографа можно представить блок-схемой (рис.1)

 

На рис. 1 введены следующие обозначения:

ЭЛТ - электронно-лучевая трубка, служащая для преобразования электрических сигналов в видимое графическое изображение;

ВУ - вертикальный усилитель, служащий для усиления входного сигнала U _ИССЛ., которое подается на вертикально отклоняющие пластины «YY» (U _ВЕРТ.).

ГУ- горизонтальный усилитель, служащий для усиления сигнала генератора развертки ГР - U _РАЗВ., которое подается на горизонтально отклоняющие пластины «XX» (U _ГОРИЗ,).

ВхУ - входное устройство, служащее для согласования исследуемого U _ИССЛ. сигнала с вертикальным усилителем ВУ.

ГР - генератор развертки, вырабатывающий пилообразное напряжение, равномерно перемещающее электронный луч по экрану ЭЛТ в горизонтальном направлении.

БС - блок синхронизации, осуществляющий процесс согласования периодов напряжения исследуемого сигнала и генератора развертки.

БП - блок питания всех блоков осциллографа.

Рассмотрим принцип действия всех блоков осциллографа.

 

Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка является главным рабочим элементом осциллографа. Она представляет собой электровакуумный прибор, состоящий из баллона, расширенная часть которого заканчивается экраном. Внутри трубки впаян ряд электродов различного назначения, находящихся в условиях высокого вакуума (давление мм рт.ст.)

 

На рис.2 показаны основные элементы электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением. В узкой части трубки находятся электроды, образующие «электронную пушку», в расширенной - система отклоняющих пластин YY и XX, АКВ - аквадаг (суспензия графита в воде, применяемая для образования электропроводящего слоя на внутренней поверхности электронно-лучевой трубки), Э - экран.

Электронная пушка

 

Электронная пушка включает в себя нить накала Н, катод К, модулятор М, аноды А1 и А2. Нить накала нагревается от блока питания и подогревает катод до высокой температуры Т =1000-1100 ⁰К. В результате этого электроны выходят с поверхности катода (термоэлектронная эмиссия) и образуют вблизи катода электронное облако). При подаче на аноды А1 и А2 больших положительных относительно катода потенциалов электроны от катода устремляются к анодам и экрану, образуя рассеянный электронный пучок. Модулятор, потенциал которого отрицателен относительно катода, располагается намного ближе к катоду, чем аноды А1 и А2. На рис.3 графически изображено электрическое поле между катодом и модулятором.

 

 

Рис.3

 

Под действием силы Кулона часть электронов, вылетающих из катода К, возвращается к катоду, а другая часть движется под некоторым углом к силовым линиям электрического поля и вылетает через отверстие в модуляторе.

Помнить!

Сила Кулона для отрицательных частиц направлена против вектора напряженности электрического поля, который касателен к силовой линии! Возможность вылета электрона за пределы модулятора обусловливается тем, что кинетическая энергия электронов, вылетающих из катода, больше работы торможения электронов электрическим полем.

Изменяя потенциал модулятора, можно регулировать число электронов, проходящих через модулятор, то есть плотность электронного пучка, а, следовательно, яркость изображения на экране трубки.

Пройдя модулятор, электронный пучок «прижимается» к оси трубки, собираясь в точку A - это так называемая предварительная фокусировка электронного луча.

За точкой A электронный пучок опять становится расходящимся. Дальнейшее формирование электронного «луча» (фокусировка и ускорение электронов) осуществляется электрическими полями анодов А1 и А2. Действие неоднородного электрического поля между анодами А1 и А2 подобно действию оптической системы (рис.4, в). Рассмотрим это отдельно.

 

Фокусировка и ускорение электронов.

 

Аноды А1 и А2 выполнены в виде полых металлических цилиндров, диаметр анода А1 меньше диаметра анода А2. На анодах создаются большие положительные потенциалы относительно катода (на А1 - сотни вольт, на А2- несколько киловольт) с целью увеличения скорости электронов.

 

Рис.4

 

На рис. 4, а графически изображено электрическое поле между анодами. Силовые линии электрического поля направлены от А2 к А1, так как потенциал второго анода больше потенциала первого анода. На рис.4, б изображена приблизительная траектория движения электрона в поле анодов и одна из силовых линий этого поля. Рассмотрим действие сил электрического поля F и F¢ на движущийся электрон в точкахВ₁ и В₂траектории. Каждую из сил можно разложить на две составляющие - горизонтальную и вертикальную.

Горизонтальные составляющие ускоряют электроны вдоль оси трубки и направляют их к экрану. Вертикальные составляющие отклоняют электроны в направлении, перпендикулярном оси трубки. В поле первого анода вертикальная составляющая силы «прижимает» электроны к оси, в поле же второго анода - старается отклонить электроны от оси трубки. Так как скорость электронов в поле анодаА2 значительно больше их скорости в поле анодаА1 (j_А2»j_А1), то электроны не успевают отклониться от оси трубки и двигаются вдоль оси к экрану. Следовательно, собирающее действие поля анода А1 значительно преобладает над рассеивающим действием поля анода А2. Регулируя величину потенциала на аноде А1, можно получить на экране осциллографа резко очерченное светлое пятно малого диаметра, то есть сфокусировать электронный луч.