Каналы вертикального и горизонтального отклонения

Электронный осциллограф

(базовый курс)

Учебное пособие

Специальность 15.02.07

«Автоматизация технологических процессов и производств»

Составители:	Хлыбов Александр Борисович кандидат технических наук доцент, преподаватель электротехнических дисциплин
	Шушканов Валерий Петрович преподаватель электротехнических дисциплин

Рекомендовано предметной цикловой комиссией электротехнических дисциплин

Протокол № от 2017г.

Пермь, 2017

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Класс осциллографов сегодня может быть поделен на две сильно различающиеся группы: аналоговые (электронные и светолучевые) и цифровые. Каждая из этих групп имеет свои функциональные возможности, достоинства и недостатки, метрологические и эксплуатационные характеристики, свои области и специфику применения.

Электронный осциллограф (ЭО) как законченный прибор широкого назначения начал применяться в 30-х гг. XX в. (хотя электронно-лучевая трубка появилась еще в конце XIX в.). До настоящего времени ЭО является, пожалуй, одним из основных инструментов изучения различных динамических процессов во временной области. Классический ЭО — это электронный аналоговый измерительный прибор, который используется для исследования, как правило, периодических процессов в реальном времени.

Упрощенно структуру ЭО можно представить тремя основными частями (рис. 1): канал вертикального отклонения луча (канал Y), канал горизонтального отклонения (канал X) и электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Такое название каналов (Y и X) отвечает классическому двухкоординатному представлению различных функций (вертикальная ось — ось ординат Y, горизонтальная ось — ось абсцисс X).

Рис. 1. Упрощенная структура электронного осциллографа

Назначение каналов Y и X— преобразование входных исследуемых и/или вспомогательных напряжений до уровней, необходимых для управления потоком электронов I ЭЛЕКТРОННОЙ трубке. Назначение этой трубки — формирование изображения исследуемого сигнала или изображения, отражающего результат взаимодействия двух или нескольких сигналов.

Рассмотрим подробнее устройство и работу каждой из этих частей.

Каналы вертикального и горизонтального отклонения

Максимально упрощая рассматриваемую структуру ЭО (см. рис.1), представим канал вертикального отклонения (канал Y) содержащим только делитель напряжения (Д), усилитель (У_Y) и переключатель SW1. Делитель Д предназначен для уменьшения входных исследуемых сигналов больших уровней, при этом переключатель SW1 находится в положении 1. Усилитель У_Y служит для усиления малых входных сигналов, при этом переключатель SW1 находится в положении 2. Выходной сигнал усилителя поступает на пластины Y ЭЛТ, а также на вход канала X. Все элементы канала Y обладают достаточно широкой полосой частот пропускания (верхняя граница полосы у обычных моделей ЭО составляет единицы — десятки мегагерц).

Канал горизонтального отклонения (канал X) в упрощенном виде можно представить так: генератор развертки (ГР), усилитель (У_X), два переключателя SW2 и SW3. Вход внешней синхронизации (ВС) предназначен для запуска генератор! развертки внешним вспомогательным сигналом. Генератор развертки формирует линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение, которое через У_X поступает на пластины горизонтального отклонения — пластины X ЭЛТ. Это напряжение в течение интервала времени прямого хода как бы «разворачивает» исследуемый сигнал по горизонтальной оси (т. е. оси X) с постоянной скоростью. Таким образом создается аналогия развертки в текущем времени. Усилитель У_X предназначен для усиления входного сигнала до уровня, необходимого для нормального отклонения луча. В положении 1 переключателя SW2 на вход ГР поступает сигнал с выхода канала Y. Таким образом обеспечивается режим внутреннего запуска генератора развертки исследуемым сигналом. В положении 2 переключателя SW2 на вход ГР поступает сигнал синхронизации от внешнего источника.

С помощью переключателя SW3 выбирается режим развертки: положение 1 — режим линейной развертки (Y — t); положение 2 — режим Y—Х(в частности круговой развертки).

Конечно, реальные структура ЭО и устройство ЭЛТ гораздо сложнее рассмотренных нами.

Электронно-лучевая трубка

Конструктивно электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) — основной элемент ЭО — представляет собой стеклянный баллон с глубоким вакуумом, в который встроены металлические электроды (рис. 2). Внутренняя поверхность экрана ЭЛТ докрыта люминофором — веществом, которое светится в месте удара потока электронов.

Нить накала (НН), находящаяся внутри цилиндра катода (К), нагревает его. С поверхности нагретого Катода вылетают электроны, которые, стремясь к высокому положительному потенциалу анодов А1 и А2, проходят сквозь модулятор («сетку»). Модулятор (М) имеет отрицательный по отношению к катоду потенциал, изменяя который (см. рис. 1), можно менять число проходящих сквозь него электронов и, тем самым, регулировать яркость изображения на экране ЭЛТ. Аноды А1 и А2 образуют своеобразную электронную линзу, благодаря которой осуществляется фокусирование потока электронов (и, следовательно — изображения). Кроме того, аноды обеспечивают значительную скорость движения электронов, достаточную для нормального свечения люминофора экрана в месте удара.

Рассмотренные электроды (НН, К, М, А1 и А2)образуют так называемую электронную пушку, назначение которой — формирование узкого пучка летящих с большой скоростью электронов (луча). Далее поток электронов пролетает между двумя парами

Рис. 2. Устройство ЭЛТ;

НН — нить накала; К — катод; М - модулятор; А1, А2 — аноды; X, Y – пластины; 1 — поток электронов; 2 — экран

Рис.3. Отклонение потока электронов в поле пластин: 1 — поток электронов; 2 — экран; 3 — люминофор

отклоняющих его пластин (Х и Y), расположенных взаимно-перпендикулярно.

Приложенные к пластинам Х и Y напряжения отклоняют луч и, как следствие, определяют положение светящегося пятна на экране. Отклонение потока электронов в электрическом поле пластин (на примере действия одной пары пластин — пластин Y) иллюстрирует рис. 3. Если к пластинам Y приложено некоторое постоянное напряжение U_Y, то между пластинами возникает электрическое поле, напряженность которого E прямо пропорциональна напряжению U_Y и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.

Поток электронов, пролетая в электрическом поле пластин, испытывает действие силы F. Значение этой силы F пропорционально напряженности Е электрического поля. Таким образом, отклонение потока электронов и, следовательно, вертикальное отклонение h светящегося пятна на экране определяются напряжением на пластинах U_Y. Если напряжение на пластинах U_Y меняется, то пропорционально меняется и отклонение пятна на экране h.

Действие другой пары пластин — пластин X — на поток электронов аналогично рассмотренному, но только отклонение потока электронов при подаче напряжения U_X происходит в горизонтальной плоскости и, следовательно, на экране в горизонтальном направлении, т. е. вдоль оси X.

Чувствительность собственно ЭЛТ низка, поэтому для работы с сигналами обычных уровней (доли вольта — единицы вольт) необходимо предварительное усиление исследуемых сигналов. Кроме того, для организации различных режимов работы, возможности измерения сигналов в достаточно широких диапазонах изменения их амплитуд и частот необходимы дополнительные узлы. Для обеспечения этих возможностей и предназначены элементы каналов Y и X.