Электронный осциллограф.

Электронный осциллограф предназначен для изучения переменных во времени электрических процессов. Принципиальное

устройство осциллографа показано на рис. 1. Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянную колбу, в которой создано настолько высокое разрежение, что электроны могут пролететь длину трубки практически без столкновений между собой и с другими частицами. В стеклянной колбе находятся элементы электронно-оптической системы. Источник электронов 1 с накалённым катодом создаёт узкий пучок электронов (электронная пушка, электронный прожектор), сходящийся в малое пятнышко на экране 3, изнутри покрытом люминофором. При попадании электрона на экран на нём в течение некоторого достаточно малого времени образуется светящаяся точка (вспышка). При последовательном достаточно частом попадании отдельных электронов в малую окрестность рассматриваемой точки экрана наблюдается постоянное свечение этой области экрана (светящееся пятнышко). Система управления электронным осциллографом позволяет следить за интенсивностью (яркость свечения) и качеством фокусировки (размеры пятна) электронного пучка. Отклоняющие пластины 2 представляют собой два плоских конденсатора, ориентированные таким образом, что одна пара пластин отклоняет электронный луч в горизонтальном, а вторая – в вертикальном направлении. Поскольку тангенс угла отклонения электронного луча пропорционален напряжению на обкладках

конденсатора, горизонтальное и вертикальное смещение светящейся точки на экране тоже пропорционально напряжению на обкладках соответствующих конденсаторов. Электроны обладают очень малой инерцией, поэтому электронный луч успевает отследить быстропротекающие процессы. Электронный осциллограф является быстродействующим вольтметром с двухкоординатным входом.

На рис. 2 показана принципиальная схема электронной пушки, используемой в качестве источника электронного пучка в осциллографе. На схеме электронной пушки можно видеть устройство электронно-оптической системы фокусировки электронного пучка, характерную конфигурацию эквипотенциальных поверхностей электростатического поля и принципиальную картину траекторий электронов. Катод 1 представляет собой цилиндр с торцевой поверхностью, на которую нанесена тонкая плёнка материала с малой работой выхода электронов. При нагревании катода до достаточно большой температуры из его торцевой поверхности вылетают электроны – явление термоэлектронной эмиссии. Температуру катода можно регулировать, изменяя ток в нити накала катода. Плотность потока электронов экспоненциально зависит от температуры: с ростом температуры растёт и величина плотности потока вылетающих электронов. Модулирующий электрод 2 имеет отрицательный по отношению к катоду потенциал. Поток электронов, пролетающих через отверстие модулирующего электрода, сильно зависит от величины упомянутого потенциала, что позволяет регулировать величину потока электронов и в конечном итоге – яркость пятнышка на экране осциллографа. В типовых электронно-лучевых трубках потенциал на первом аноде 3 составляет величину U₁ =+(250 -:-500) В по отношению к катоду, а потенциал второго анода 4 - U₂ =+(1000 -:- 2000) В. Изменяя значения U₁ и U₂, можно добиться наилучшей фокусировки электронного пучка на экране осциллографа.

При прохождении электроном разности потенциалов U=1 B он получает приращение скорости на 594 км/с. Скорость электронов в электронно-лучевых трубках колеблется от 10 000 до 20 000 км/с. Расстояние от катода до экрана не более 0,5 м. Время пролёта электроном этого расстояния составляет величину не более с. Помимо этого следует иметь в виду, что мгновенное изменение напряжения на обкладках управляющего конденсатора невозможно. Характерным временем процесса установления нового состояния системы с ёмкостью С и сопротивлением R является произведение T=RC. Если ёмкость измерена в фарадах, а сопротивление в Омах, величина постоянной времени Т имеет размерность секунды. При сопротивлении подводящих проводов в 1 Ом и ёмкости конденсатора в 1мкФ постоянная времени составляет 10^-6 с. Подобные оценки важны для определения области возможного использования электронного осциллографа.

Изучение переменных во времени сигналов с помощью осциллографа можно осуществить, подавая переменный сигнал на «вертикальные» управляющие пластины и пропорциональный времени потенциал на «горизонтальные» управляющие пластины. Светящаяся точка на экране осциллографа опишет при этом некоторую траекторию, мгновенная вертикальная координата светящейся точки пропорциональна величине изучаемого сигнала, а мгновенная горизонтальная координата - пропорциональна текущему времени. Безупречная теоретически организация эксперимента неудобна из-за того, что с ростом времени светящаяся точка покидает экран осциллографа, а траектория перемещения светящейся точки никак не фиксируется. Если изучаемый сигнал является периодическим, что наиболее часто встречается в технических приложениях, или

возможно искусственное повторение одного и того же процесса через фиксированный промежуток времени, то на «горизонтальные» пластины подают пилообразное напряжение от встроенного в осциллограф генератора, период которого совпадает или кратен периоду изучаемого сигнала, а на «вертикальные» пластины – изучаемый переменный сигнал.

Пилообразное напряжение развёртки заставляет светящуюся точку раз за разом проходить один тот же отрезок горизонтальной оси на экране осциллографа (рис. 3). Если период развёртки совпадает с периодом изучаемого сигнала, то светящаяся точка раз за разом пробегает одну и туже кривую. Если при этом период развёртки меньше постоянной времени глаза экспериментатора, на экране осциллографа целиком видна траектория движения светящейся точки. Нечто аналогичное происходит и при демонстрации кинофильма: зритель воспринимает последовательность отдельных кадров как непрерывно меняющееся изображение.

Управление изображением периодического сигнала сводится к регулировке величины максимального напряжения развёртки при фиксированном значении периода, при этом изображение на экране либо «растягивается», либо «сжимается» по горизонтальной оси. Изменение величины изображения по вертикальной оси достигается регулировкой степени усиления изучаемого сигнала.

Если период развёртки составляет целое число m периодов изучаемого сигнала (на рис. пунктирной линией показан случай, когда период развёртки равен двум периодам изучаемого сигнала), то на экране осциллографа реализуется изображение сразу m периодов изучаемого сигнала.

При необходимости определить частоту изучаемого гармонического сигнала

А б в

можно воспользоваться генератором звуковых колебаний, гармоническое напряжение на выходе которого подать на одну пару управляющих пластин, а изучаемый гармонический сигнал с неизвестной частотой подать на вторую пару управляющих пластин осциллографа. Параметрические уравнения движения светящейся точки можно представить в форме:

Если отношение m/n является рациональным, то исключение параметра t из этих уравнений приводит к зависимости y=f(x), которая описывает замкнутую траекторию светящейся точки. Частные случаи таких траекторий - фигур Лиссажу – приведены на рис. 4 . Изменяя частоту сигнала от генератора звуковых колебаний, добиваются появления на экране осциллографа замкнутой фигуры в форме эллипса, при этом частоты изучаемого сигнала и сигнала генератора звуковых колебаний совпадают, а форма эллипса зависит от величины сдвига фаз колебаний и отношения амплитуд.