Тема: Электронно-лучевые осциллографы

Уроки 37-38

1. Общие сведения

2. Устройство электронно-лучевого осциллографа

3. Универсальные электронно-лучевые осциллографы

стр. 297-316/1/

1. Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) — это измерительный прибор, предназначенный для наблюдения и исследования электрических процессов, воспроизводимых на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Помимо качественной оценки исследуемых процессов электронно-лучевые осциллографы позволяют измерять ряд их параметров: максимальное и мгновенное значения напряжений и токов, длительность импульсов, частоту и фазу периодических колебаний и другие параметры.

Электронно-лучевые осциллографы пригодны для исследования периодических колебании, а также непериодических и редко повторяющихся сигналов, например одиночных импульсов. Высокая чувствительность определяет возможность исследования очень слабых сигналов, а большое входное сопротивление, малые входные емкости и индуктивность обусловливают возможность их использования измерений в высокоомных цепях и в широком диапазоне частот.

В соответствии с ГОСТ 15094-69 ЭЛО разделяются на универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные.

Наибольшее распространение имеют универсальные ЭЛО, позволяющие исследовать электрические сигналы в широком диапазоне амплитуд, длительностей и частот повторения. Полоса пропускания таких ЭЛО достигает 250 МГц. Их можно использовать для наблюдения и измерения сигналов с амплитудами от долей милливольта до сотен вольт и длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд.

Скоростные ЭЛО предназначены для исследования быстро протекающих процессов. Развертывание сигнала по времени и усиление осуществляются в них с помощью специальной электронно-лучевой трубки — трубки бегущий волны. Верхний предел полосы пропускания таких осциллографов приближается к 1 ГГц.

В стробоскопических осциллографах высокое быстродействие обусловлено преобразованием сигналов с трансформацией масштаба времени. Изображение сигнала на экране электронно-лучевой трубки осциллографа при этом формируется в течение нескольких периодов повторения из выборок мгновенных значений каждого сигнала, взятых с определенным временным сдвигом. Поэтому стробоскопические осциллографы можно использовать только для исследования периодических сигналов. Эти приборы отличаются большими чувствительностью и полосой пропускания, чем скоростные, и позволяют исследовать сигналы милливольтового уровня в полосе частот от 0 до 10 ГГц.

Запоминающие ЭЛО благодаря применению специальных электронно-лучевых трубок обладают способностью сохранять и воспроизводить в течение длительного времени изображение сигнала на экране после его отключения от входа осциллографа. Они имеют примерно такие же характеристики, как и универсальные осциллографы.

К числу специальных в настоящее время относятся телевизионные ЭЛО, предназначенные для исследования тeлевизионных сигналов и снабженные для этого специальными устройствами (блоком выделения строки, устройством восстановления постоянной составляющей и т. д.).

По числу одновременно наблюдаемых на экране электронно-лучевой трубки электрических сигналов осциллографы разделяются на однолучевые, многолучевые и многоканальные. В зависимости от времени послесвечения экранов электронно-лучевых трубок осциллографы разделяются на приборы с малым и большим послесвечением.

Электронно-лучевые осциллографы применяются как и виде отдельных приборов, так и в качестве компонентом измерительных установок, позволяющих воспроизводить на экране электронно-лучевой трубки вольт-амперные, частотные, амплитудные, фазовые, переходные и другие характеристики исследуемых цепей.

Электронно-лучевые осциллографы облегчают проверку, регулирование и отыскание неисправностей в электронной аппаратуре; они позволяют по форме кривой колебаний судить о качестве работы генераторных и усилительных устройств, обнаруживать появление искажений при прохождении сигналов через электрические цепи. Осциллографические методы измерения весьма эффективны при измерении динамических параметров различных неэлектрических процессов с использованием соответствующих датчиков-преобразователей неэлектрических сигналов в электрические.

2. Электронно-лучевые осциллографы выполняются по различным схемам и отличаются компоновкой, системой управления, степенью универсальности и сложности.

На рис. 27.1 представлена структурная схема простейшего ЭЛО, предназначенного для воспроизведения на экране электронно-лучевой трубки кривых периодических колебаний, подводимые к входу У канала вертикального отклонения (канал У). Осциллограф содержит также генератор развертки Г и блок питания.

Рис. 27.1. Структурная схема простейшего электронно-лучевого осциллографа.

В качестве индикатора в ЭЛО используется электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатической фокусировкой и отклонением электронного луча. Электронно-лучевая трубка представляет собой электровакуумный прибор, состоящий из электронной пушки, отклоняющей системы Х1, Х2 и У1, У 2 и экрана. Электронная пушка состоит из подогревного оксидного катода К, модулятора М и двух анодов А1 и А2. Оксидный катод выполнен в виде небольшого никелевого цилиндра, на дно которого нанесен активированный слой, эмитирующий при нагревании электроны. Вокруг катода располагается управляющий электрод (модулятор), выполненный в виде никелевого цилиндра с небольшим отверстием в донышке. На модулятор подается отрицательное относительно катода напряжение около нескольких десятков вольт, под действием которого создается электрическое поле, прижимающее электроны к оси трубки, благодаря чему осуществляется предварительная фокусировка электронного луча. Кроме того, электрическое поле модулятора, являясь тормозящим для электронов, отталкивает некоторые из них обратно на катод. Следовательно, регулируя значение отрицательного потенциала на модуляторе регулятором R1, можно изменять количеств электронов, движущихся к экрану ЭЛТ, и, следовательно, яркость его свечения.

Ускорение электронов и дальнейшая фокусировка их в узкий пучок обеспечивается системой двух анодов, выполненных в виде полых металлических цилиндров. Чтобы получить достаточные скорости движения электронов, на аноды подаются большие положительные напряжения (на первый анод около нескольких сотен вольт, а на втором несколько киловольт).

Качество фокусировки зависит от потенциала первого анода, необходимое значение которого устанавливается с помощью регулятора R2 (фокусировка). На рис. 27.1 обозначено U_H, U_M, U_а1, U_а2 — напряжения, формируемые блоком питания для накала катода и управления потенциалами М, A1 и А2 соответственно.

На пути к экрану электронный луч проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин XI, Х2 и У1, У2, называемых электростатической отклоняющей системой. Пластины XI, Х2, расположенные вертикально, отклоняют луч в горизонтальном направлении и называются горизонтально отклоняющими. Пластины У1, У2, расположенные горизонтально, отклоняют луч ввертикальном направлении и называются вертикально отклоняющими.

Экран ЭЛТ представляет собой тонкий слой вещества (люминофора), способного светиться при бомбардировке электронами. К таким веществам относятся сульфид цинка (виллемит), вольфрамово-кислый кальций и др. В зависимости от состава люминофора может быть получено свечение различного цвета. Попадая на экран, электроны создают на нем отрицательный заряд, который может возрасти до большого значения и нарушить нормальную работу трубки. Для предотвращения накопления заряда экрана внутренняя поверхности конусной части баллона трубки покрывается электропроводящим графитовым слоем (аквадагом), соединенным со вторым анодом. К этому слою притягиваются также вторичные электроны, выбитые из люминофора при бомбардировке его первичными электронами.

По каналу вертикального отклонения (канал У) поступает исследуемый сигнал, вызывающий вертикальное отклонение луча в ЭЛТ. В канал У входят аттенюатор для ослабления больших сигналов; предварительный усилитель для усиления малых сигналов; линия задержки для небольшой временной задержки сигнала; оконечный усилитель, на выходе которого вырабатывается симметричный противофазный сигнал, поступающий на вертикально отклоняющие пластины.

Основным узлом канала горизонтального отклонения (канала X) является генератор развертки Г, формирующий напряжение пилообразной формы. Перемещение луча к горизонтали обеспечивается подачей на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ с генератора развертки пилообразного напряжения, под воздействием которого электронный луч перемещается во времени слева направо по экрану. Время, в течение которого происходит это перемещение, называется временем прямого хода. Дойдя до края экрана, луч быстро возвращается в исходное положение. Время, в течение которого это происходит, называется временем обратного хода.

3. Большинство универсальных ЭЛО построено по структурной схеме, приведенной на рис. 27.3, в состав которой входят следующие основные части: ЭЛТ, содержащая системы формирования и отклонения электронного луча; канал вертикального отклонения (канал У), включающим входной делитель, предварительный усилитель ПУ, линию задержки 3 и оконечный усилитель ОУ; канал горизонтального отклонения (канал X), включающий селектор синхронизации СС, формирующее устройство ФУ, генератор развертки ГР и оконечный усилитель У_х; канал управления яркостью(канал Z), содержащий усилитель яркостного сигнала, калибратор амплитуды и длительности К, блок питания БП.

Рис. 27.3. Структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа