• 5

Работа 9. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Принадлежности: учебный макет электронного осциллографа ФП-33, зву­ковой генератор Г3-34, электронный осциллограф С1-1.

Главным элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка. Промышленность выпускает два рода трубок — трубки с электростатическим управлением и трубки с электромагнитным управлением. В первом случае для отклонения электронного луча

 

используется электрическое поле, во втором — магнитное. Фокуси­ровка луча также бывает электростатической или электромагнит­ной. В осциллографах используются в основном трубки с электро­статическим управлением и фокусировкой, описанием которых мы и ограничимся.

Трубка (рис. 36) состоит из откачанной до высокого вакуума стеклянной колбы, внутри которой помещаются подогреватель 1У

 

Рис. 37. Электронная пушка.

катод 2, управляющий электрод <3, первый (фокусирующий) анод 4, второй анод 5, горизонтально отклоняющие пластины 6 и верти­кально отклоняющие пластины 7. Передняя часть колбы — экран 8 — покрыта флюоресцирующим веществом.

Подогреватель, катод, управляющий электрод и оба анода обра­зуют так называемую электронную пушку (рис. 37).

 

V*

Источником электронов служит нагретый катод трубки. Интен­сивность электронного пучка (и яркость светящегося пятна на экране) регулируется путем изменения отрицательного смещения на управляющем электроде (играющем ту же роль, что сетка элек­тронной лампы).

Управляющий электрод и система анодов образуют фокусирую­щую систему. На рис. 37 пунктиром показаны траектории элек­тронов, а сплошными линиями — эквипотенциальные поверхности электрического поля, образующегося при подаче положительного напряжения на аноды трубки. Потенциал первого анода выби­рается обычно в несколько раз меньше потенциала второго анода.

Разность потенциалов второй анод — катод составляет обычно 1 5 кВ.

Фокусирующее действие электриче­ских полей иллюстрируется рис. 38. Движущийся в однородном электриче­ском поле электрон подлетает со скоро­стью v± к эквипотенциальной линии с потенциалом VV Его скорость состав­ляет угол аг с направлением электри­ческого поля (с нормалью к эквипотен­циальной линии). Разложим скорость на компоненты vlx и vly. При этом, очевидно, vlx = V\ cos аъ vly ~ vx sin ax. При переходе к следующей эквипотен­циальной линии V2 составляющая ско­рости vly не претерпевает изменений, поскольку в этом направлении электри­ческие силы не действуют, а составляющая vlx изменится. Пусть для определенности V2 > IV, тогда > vlx и траектория электро­на приблизится к силовой линии. Рассчитаем изменение угла а. Из постоянства поперечной слагающей скорости имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 38. «Преломление» элек тронного луча в электриче ском поле.

ИЛИ

t;1sina1 = y2sinot2

sin a!   у2

sin a2 ~~ vx'

1)

Пусть скорость электрона при нулевом потенциале близка к нулю. Тогда кинетическая энергия электрона mv\!2 на первой эквипотен­циальной линии пропорциональна ее потенциалу Vit а его энергия на второй эквипотенциальной линии пропорциональна V2. Переходя от скоростей к потенциалам, найдем

Формула (2) определяет «преломление» трактории электрона в элек­трическом поле и аналогична закону преломления света.

Вернемся теперь к оптическим свойствам рассматриваемой элек­тронной пушки. Нетрудно видеть, что в ускоряющем электрическом поле действие эквипотенциальных поверхностей, направленных выпуклостью к катоду, равносильно действию собирающей линзы. В самом деле, в этом случае, как и в положительной линзе, траек­тории электронов изгибаются в направлении к оси системы. Действие

 

Рис. 39. Оптический аналог фокусирующей системы.

эквипотенциальных поверхностей, выпуклость которых направлена от катода, равносильно действию рассеивающей линзы. Таким образом, вся система эквивалентна двум выпукло-вогнутым линзам, как это изображено на рис. 39. Размеры электродов и напряжения на них выбраны таким образом, что собирающий эффект преобла­дает, и электроны фокусируются. Меняя напряжения на электродах, можно изменять конфигурацию эквипотенциальных поверхностей, а значит, и фокусное расстояние системы. При правильно выбран­ных напряжениях пучок фокусируется на флюоресцирующий эк­ран.

У.

 

'ИТ h

щ-

Рис. 40. Действие отклоняющих пластин.

Рассмотрим теперь действие отклоняющих пластин (рис. 40). Пусть электрон со скоростью v0 влетает в однородное электрическое поле пары отклоняющих пластин и движется вдоль оси г, т. е. перпендикулярно линиям напряженности электрического поля. Электрическое поле второй пары пластин будем пока считать рав­ным нулю. В нашем случае движение электрона вдоль оси г является равномерным:

г = v01,           (3)

а движение вдоль оси у — равноускоренным:

У = хЫаР.      (4)

Ускорение электрона можно найти с помощью второго закона Ньютона:

а = еЕу/т.       (5)

Подставляя (3) и (5) в (4), найдем

(6)

J 2 mv()          7

Как следует из (6), траектория электрона между отклоняющими пластинами представляет параболу. На выходе из пластин траек­тория отклоняется от первоначального направления на угол ах и смещается на hl9

еЕи

1 2/nu,-t "        ^

сЕ

tg = I

° х tnrt -

mv:

ъ

где /г — длина пластин конденсатора (второе из равенств (7) най­дено путем дифференцирования (6) по г).

Найдем отклонение h электронного пятна на экране осцилло- графической трубки. Обозначая расстояние от экрана до отклоняю­щих пластин через /2, получим

еЕМ / L \

h — hx~\- /2 tg ах =   +1-2j • (8)

Обозначим расстояние от середины пластин до экрана через L. Тогда

eEuLL

h =       (9)

mv,      v '

Скорость электронов v0 определяется напряжением на втором аноде Vo, так что

y2mv\\ = eV2. (10)

Напряженность поля Еу между отклоняющими пластинами равна

Ey=Vyld,         (11)

где Vy — напряжение на пластинах, a d — расстояние между ними.

Подставляя (10) и (11) в (9), получим окончательно

Ь =      (12)

Итак, смещение луча на экране пропорционально отклоняющему

напряжению. Из выражения (12) немедленно вычисляется чувстви­тельность трубки к напряжению

Аналогично вычисляется чувствительность трубки для второй пары пластин.

В реальных трубках края отклоняющих пластин часто несколько изгибаются. Неучтенное при выводе формул рассеянное поле пла­стин и влияние изогнутых концов приводят к усложнению выра­жения (12). Основной результат вычислений — прямая пропорцио­нальность между отклонением луча и напряжением на пластинах — при этом, однако, не меняется.

Для исследования напряжений, изменяющихся во времени, используют обе пары отклоняющих пластин. На вертикально отклоняющие пластины обычно подается исследуе­мое напряжение, а на вто­рую пару пластин — выра­батывающееся в самом ос­циллографе напряжение, Рис. 41. График пилообразного напряжения, изменяющееся пропорцио­нально времени,—так называемое напряжение «развертки».

Для изучения повторяющихся процессов на горизонтально отклоняющие пластины подают периодическое напряжение, изме­няющееся так, что луч смещается слева направо пропорционально времени, а дойдя до правого края экрана, быстро возвращается назад, после чего процесс повторяется. Такое напряжение назы­вается пилообразным (рис. 41). Для улучшения линей­ности пилообразное напряжение делают симметричным относи­тельно нуля, так что при выключенной развертке луч находится в центре экрана.

Для выработки пилообразного напряжения необходим специаль­ный генератор развертки.

При наблюдении периодических и, особенно, быстро протекаю­щих процессов важно получить на экране неподвижное изображе­ние. Как нетрудно сообразить, для этого нужно, чтобы период раз­вертки был кратен периоду изучаемого процесса. Достаточно точное соотношение периодов соблюсти оказывается непросто из-за неста­бильности генератора развертки или самого изучаемого процесса. Для принудительного согласования периодов используют поэтому «синхронизацию», т. е. выбирают схему, при которой изучаемое напряжение «навязывает» свой период генератору развертки.

Если при этом период собственных колебаний генератора раз­вертки почти равей (или почти кратен) периоду колебаний исследуе­мого напряжения, то колебания генератора синхронизуются и

 

происходят в такт с исследуемым напряжением (рис. 42). Естест­венно, что синхронизация оказывается эффективной лишь в том случае, если подается достаточно большой управляющий сигнал, а собственный период генератора близок к требуемому.

Заметим, наконец, что чувствительность электронно-лучевых трубок обычно невелика: для отклонения луча нужны десятки,

Напряжение

на сетке тиратрона

Релаксационные колебания тиратрот

YA%

Рис. 42. Синхронизация генератора развертки внешним сигналом.

если не сотни вольт. При исследовании слабых напряжений сигнал приходится предварительно усиливать. Характеристиками усили­теля — его линейностью и диапазоном пропускаемых частот — во многом определяется качество осциллографа.

Лабораторная модель электронного осциллографа, используемая в данной работе, выполнена в виде единой установки, отдельные

„у"

 

Рис. 43. Блок-схема учебного макета электронно­го осциллографа ФП-33.

элементы которой расположены на прозрачной панели. Все монтаж­ные соединения между деталями схемы можно легко проследить. Блок-схема осциллографа приведена на рис. 43. Принципиальная схема осциллографа, описание конструкции и способа действия отдельных узлов приведены в техническом описании электронного осциллографа ФП-33.

Измерения. 1. Ознакомьтесь со схемой осциллографа, определите назначение всех его ручек управления. Включите питание осцилло­графа и проверьте действие ручек, управляющих электронным лучом (яркость, фокус, установка по горизонтали и вертикали). Осциллограф следует помещать как можно дальше от устройств, содержащих трансформаторы, так как их рассеянные поля могут заметно смещать и размывать электронный луч.

2.         Определите чувствительность трубки к напряжению на пла­стинах вертикального отклонения. Для этого выключите развертку осциллографа (тумблер В-5 в положении «Пласт. *»), выключите усилитель вертикального отклонения (тумблер В-6 в положении «Пласт. £/») и подайте на пластины трубки (клеммы 11 и «Корпус») напряжение с выхода звукового генератора ГЗ-34. Выходное напря­жение измеряется вольтметром генератора. Это напряжение не должно превышать 50 В.

Размах колебаний луча измерьте линейкой. По измеренным данным постройте зависимость отклонения луча от напряжения на пластинах «у». Определите чувствительность трубки к напряжению. При расчете чувствительности следует помнить, что длина видимой на экране световой полоски пропорциональна удвоенному значению амплитуды переменного напряжения, в то время как вольтметр показывает эффективную величину этого напряжения.

Оцените чувствительность трубки по формуле (13) и сопоставьте с измеренной.

3.         Исследуйте характеристики усилителя.

а)         Снимите амплитудную характеристику. Установите на выходе генератора Г3-34 напряжение 50 мВ. На вход осциллографа (клемма 7, «Корпус») подайте напряжение с ГЗ-34. Включите уси­литель (переключите тумблер В-6 в положение «Усил.» и устано­вите максимальное усиление: ручку потенциометра Ru поверните вправо до упора). Изменяя величину входного сигнала от нуля до 150 -г- 200 мВ, измерьте отклонение луча на экране. По получен­ным данным постройте амплитудную характеристику осцилло­графа — зависимость отклонения луча от амплитуды входного напряжения. Определите диапазон напряжений, в котором характе­ристика осциллографа является линейной. Измерения проведите для частот 200 Гц, 2 кГц, 20 кГц. Для визуального наблюдения нелинейных искажений переключите тумблер В-5 в положение «Разв.». Меняя входной сигнал от нуля до 0,5 В и подбирая соот­ветствующую частоту- развертки, «визуально определите область отклонений луча, в которой характеристику усилителя можно считать линейной.

б)         Снимите частотную характеристику осциллографа. Для этого установите на входе усилителя напряжение, лежащее в пределах линейной области. Поддерживая входное напряжение постоянным, определите выходное напряжение усилителя при частотах 50, 100,

200, 400, 800, 1200, 1600, 2000, 3000, 6000, 10 ООО, 15 000, 20 000 Гц. При расчете следует пользоваться измеренной ранее величиной чувствительности трубки к напряжению.

По полученным данным постройте частотную характеристику осциллографа в логарифмическом масштабе по шкале частот и определите его полосу пропускания. Полоса пропускания может измеряться на разных уровнях ослабления сигнала. Если это не оговорено специально, полоса обычно измеряется на уровне 0,7 от максимального значения.

в) Исследуйте характеристики генератора развертки. Для этого выход генератора развертки (клемма 6) подключите ко входу «у» осциллографа С1-1. Используя развертку осциллографа С1-1, исследуйте форму напряжения, вырабатываемого генератором раз­вертки и зарисуйте ее. Посмотрите, как меняется форма пилы при плавной подстройке частоты развертки (ручка «Частота»). Частоту генератора развертки можно измерить с помощью фигур Лиссажу. Для этого на вход <а» осциллографа С1-1 подайте напря­жение от звукового генератора, а собственную развертку С1-1 вы­ключите (тумблер «Диапазон частот» поставьте в положение «Выкл.»). На экране осциллографа С1-1 появляется при этом слож­ная фигура, получающаяся в результате сложения двух взаимно перпендикулярных смещений луча. В нашем случае складывается пилообразное напряжение исследуемого генератора развертки и си­нусоидальное напряжение звукового генератора, подключенное к усилителю горизонтального отклонения. Частоту звукового гене­ратора нужно менять до тех пор, пока на экране не установится наиболее простая фигура без самопересечений. Такая фигура полу­чается при совпадении периодов звукового генератора и исследуе­мого пилообразного напряжения. Измерения частоты проведите на всех диапазонах работы генератора развертки.

Определите нелинейность пилообразного напряжения. С этой целью выход генератора развертки переключите на вход горизон­тального усилителя осциллографа С1-1, а на его вертикальный вход подайте напряжение звукового генератора. Напряжение звукового генератора подайте также на клеммы синхронизации генератора развертки. Собственная развертка осциллографа С1-1 должна быть выключена.

Установите наименьшую частоту генератора развертки и так подберите частоту звукового генератора, чтобы на экране С1-1 укла­дывалось несколько периодов колебаний. Измерьте на экране осцил­лографа длину, занимаемую одним периодом звуковых колебаний на левом и на правом краю экрана. Определить нелинейность разверт­ки. (Под нелинейностью понимают относительное изменение периода при переходе с левой стороны экрана осциллографа на правую.)

Повторите измерения для разных скоростей развертки вплоть до максимальной.

Исследуйте диапазон синхронизации генератора развертки. Для этого нужно измерить минимальную и максимальную частоту Г3-34, при которой картинка на экране С1-1 остается устойчивой и содержит данное число периодов.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я