Изучение работы электронного осциллографа

Цель работы: определить чувствительность осциллографа и получить фигуры Лиссажу.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, звуковой генератор, вольт­метр.

Электронный осциллограф предназначен для наблюдения функциональной зави­симости величин, преобразованных в электрический сигнал. Наиболее часто осцилло­графы используются для изучения временной зависимости переменных величин.

Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Генератор развертки, блок синхронизации, усилитель вертикального и горизонтального каналов отклонения, блок питания.

Электронно-лучевая трубка является основной частью осциллографа. Она пред­ставляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух, с находящимися внутри электродами. С одного конца стеклянный баллон имеет расширение, на торцевую часть которого (экран) нанесен слой вещества, светящегося под ударами электронов. На рис.1 показано схематическое изображение ЭЛТ с электростатическим отклонением луча.

Катод (К) ЭЛТ аналогичен като­ду радиолампы и имеет такое же назна­чение – испускать электроны. Подогревный катод имеет форму цилиндра, внутри которого находится нить накала (НН). Около катода расположен управ­ляющий электрод (УЭ) тоже цилиндри­ческой формы (по назначению он ана­логичен сетке триода). Этот электрод называется модулятором или сеткой. На него подается отрицательное, относительно ка­тода, напряжение в несколько десятков вольт. Изменяя напряжение, поданное на моду­лятор, можно регулировать количество электронов, выходящих из модулятора и, таким образом, управлять яркостью изображения.

Далее расположены два анода А₁ и А₂, выполненные в виде полых металлических цилиндров. Диаметр первого анода меньше диаметра второго. Они имеют высокий по­ложительный потенциал относительно катода: первый анод – порядка нескольких сотен, а второй – нескольких тысяч вольт. Так как потенциал второго анода выше потенциала первого, то напряженность электрического поля между нами направлена от второго анода к первому. Под действием этого поля электроны ускоряются, а также фокусиру­ются в точке, лежащей на оси трубки. Меняя напряжение на первом аноде, можно изме­нить напряженность электрического поля между анодами и тем самым перемещать точ­ку фокуса вдоль оси, добиваясь ее совмещения с поверхностью экрана.

Вся система, состоящая из катода, управляющего электрода и двух анодов, создает узкий направленный поток электронов – электронный луч. На пути электронного луча стоят две пары взаимно перпендикулярных пластин П_х и П_у, называемых отклоняющи­ми. Если между этими пластинами нет электрического поля, то они не влияют на элек­тронный луч. Если же на какую-либо пару пластин подано напряжение, то между пла­стинами образуется электрическое поле, которое отклоняет электронный луч. Чем выше разность потенциалов между пластинами, тем сильнее отклоняется в их поле электрон­ный луч, а следовательно, и светящееся пятно на экране осциллографа. Пластины П_у отклоняют луч в вертикальной плоскости и называются вертикально отклоняющими пластинами. Пластины П_х, отклоняют луч в горизонтальной плоскости и называются го­ризонтально отклоняющими пластинами.

Если при отсутствии напряжения на горизонтально отклоняющих пластинах на вертикально отклоняющие пластины подать переменное напряжение, например сину­соидальное, то на экране возникнет вертикальная прямая, так как электронный луч бу­дет отклоняться все время в сторону положительно заряженной пластины, а заряд на пластинах будет изменяться с частотой поданных колебаний. На экране получится изо­бражение синусоиды или другого периодического сигнала, если луч кроме колебатель­ного движения вдаль вертикальной оси совершает еще равномерное движение вдоль го­ризонтальной оси. Это происходит в том случае, когда на горизонтально отклоняющие пластины подается разность потенциалов, линейно зависящая от времени. Для получе­ния устойчивой картины на экране осциллографа необходимо, чтобы электронный луч, пройдя по горизонтали путь от одного края экрана до другого и быстро возвращаясь в первоначальное положение, повторял свою траекторию на экране. Такому условию удовлетворяет пилообразное напряжение u_p (рис.2), которое подается на горизонтально отклоняющие пластины от генератора развертки.

Простейшим генератором пило­образного напряжения является гене­ратор релаксационных колебаний на тиратроне.

Для получения на экране ЭЛТ устойчивого изображения необходи­мо, чтобы электронный луч начинал свое повторение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если пери­од пилообразных колебаний равен или кратен периоду исследуемых колебаний. Процесс согласования фаз называется синхронизацией развертки и осуществляется с помощью блока синхронизации.

Усилители вертикального и горизонтального каналов отклонения позволяют из­менять напряжение, подаваемое на горизонтальные и вертикальные пластины ЭЛТ, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему на­правлению.

Блок питания обеспечивает подачу необходимых напряжений на ЭЛТ, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа.

С помощью электронного осциллографа можно измерять амплитуду исследуемо­го напряжения. Для этого необходимо знать чувствительность осциллографа – от­клонение светового пятна при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1В.

Используя осциллограф, можно также определить частоту исследуемого сигнала. Один из способов состоит в следующем. На пластины Х подают напряжение известной частоты (обычно 50 Гц) от сети (или «контрольного сигнала»), а на пластины Y – на­пряжение неизвестной частоты. Генератор развертки при этом не используется. В дан­ном случае электронный луч участвует в двух взаимно перпендикулярных колебатель­ных движениях.

При сложении двух синусоидальных колебаний, совершающихся во взаимно перпендикулярных направлениях по осям Х и Y, получаются фигуры, форма которых зави­сит от соотношения частот, фаз и амплитуды суммируемых колебаний. На рис.3 изо­бражены фигуры Лиссажу, получающиеся при различных соотношениях частот и фаз. По форме фигуры можно судить о частоте исследуемого сигнала.