Тема 7. Электронно-лучевые осциллографы

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

7.1 Структурная схема ЭЛО

Электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО) широко применяются для наблюдения формы кривых периодических и непериодических напряжений, а также для измерений мгновенных значений напряжений, угла сдвига фаз, частоты, интервалов времени и т.д. ЭЛО обладают малым потреблением мощности от источника исследуемого напряжения и широким частотным ди­апазоном.

Некоторые типы осциллографов позволяют наблюдать два и более исследуемых напряжений, производить запоминание изображений на экранах ЭЛО на значительное время.

В зависимости от точности воспроизведения прямоугольного напряжения, точности измерения интервалов времени и амплиту­ды осциллографы в соответствии с ГОСТом делятся на 4 класса точности. В частности, погрешность измерения временных интервалов и амплитуд для первых трех классов ЭЛО составляет соответственно ±3,±5 и ±10%. Для четвертого класса точность не гарантируется. Структурная схема ЭЛО приведена на (рис.7.1).

Рисунок 7.1 – Структурная схема ЭЛО

Она включает электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), входной делитель на­пряжения(ВДН), усилители вертикального (УВО) и горизонтального (УГО) отклонения, два выходных парофазных усилителя(ВПУ), гене­ратор развертки (ГР), узел синхронизации (УС), калибраторы амплитуды (КА) и длительности (КД). В состав ЭЛО входят узел питания и ряд вспомогательных узлов, которые на схеме не показаны.

7.1.1 Электронно-лучевая трубка

Простейшая ЭЛТ (рис.7.2) представляет собой стеклянный баллон, внутри которого создан высокий вакуум. В баллоне поме­щено устройство для создания фокусированного пучка электронов (электронного луча), которое включает подогревный катод (К), сетку (С), два анода (A₁, А₂). Регулирование фокусировки осуществляется путем изменения напряжения на аноде А₁ (ручка фокуса на лицевой панели ЭЛО), поэтому анод A₁ называют фокуси­рующим. Необходимое ускорение электронов обеспечивается анодом А₂, называемым ускоряющим. Изменением потенциала на сетке ре­гулируется плотность электронов в луче и тем самым меняется яркость изображения на экране.

Рисунок 7.2 – Устройство ЭЛТ

Внутренняя поверхность экрана покрыта люминофором, который светится под действием электронов. Поэтому в месте попадания электронов на экране появляется светящееся пятно. На анод А₂ обычно подается положительное относительно ка­тода напряжение 800 – 3000В, а на анод A₁ - около 20-30% этой величины. Сетка имеет отрицательный потенциал по отношению к потенциалу катода.

Отклоняющая система состоит из двух пар отклоняющих пла­стин (электродов), называемых пластинами горизонтального и вер­тикального отклонения и обозначаемых соответственно X и У.

Практическ-и в достаточно широком диапазоне частот инерцион­ностью электронного луча можно пренебречь. Поэтому координаты X и У светящегося пятна на экране в любой момент времени пропор­циональны мгновенным значениям напряжений u₁(t) и u₂(t), прило­женных соответственно к горизонтально и вертикально отклоняющим пластинам:

x = S_xu₁(t) и y = S_yu₂(t) (7.1)

Коэффициенты S_x и S_y характеризуют чувствительность ЭЛТ. Значения коэффициентов определяются конструктивными особенностями трубки и напряжением на аноде А₂. Чем больше это напряжение, тем сильнее ускоряются электроны и тем меньшее время они находятся в поле отклоняющих пластин. Поэтому чувствительность трубки обрат­но пропорциональна напряжению на аноде А₂.

Начало координат, соответствующее нулевым значениям напря­жений u₁(t) и u₂(t),выбираются обычно в центре экрана. Для этого на отклоняющие пластины подаются дополнительные постоянные на­пряжения, смещающие луч по вертикали и горизонтали.

7.1.2 Каналы вертикального и горизонтального отклонения

Исследуемое напряжение может иметь различную величину (от 1мВ до 500В). Амплитуда же на­пряжений на отклоняющих пластинах должна меняться в небольших пределах. В противном случае изображение может быть слишком малым или выйти за пределы экрана. Для усиления напря­жений служат усилители УВО И УГО, выходы которых через усилители ВПУ соединены с вертикально и горизонтально отклоняющими пластинами ЭЛТ. Для ослабления больших входных напряжений служит делитель напряжения ВДН.

Коэффициенты усиления усилителей могут меняться дискретно (ручка "V") или плавно («V ПЛАВНО»). В качестве усилителей используются усилители с реэистивно-емкостными связями (RC-усилители) либо усилители постоянного напряжения (УПН).

Принципиальное отличие RC-усилителей от УПН состоит в том, что коэффициент усиления по постоянному напряжению RC-усилителя равен нулю, а с помощью УПН можно усиливать напряжение сколь угодно низких частот вплоть до постоянного напряжения. В современных ЭЛО используются только УПН.

Входное сопротивление ЭЛО определяется входным сопротивлением делителя и составляет обычно 1МОм, а входная емкость составляет десятки пФ.

7.1.3 Генератор развертки

При подаче на входа У и X напряжений u_y(t) и u_x(t) коор­динаты светящегося пятна будут определяться системой уравнений

y = S_y u_y(t) (7.2)

x = S_x u_x(t)

Для получения на экране ЭЛО кривой исследуемого напряжения, необходимо, чтобы напряжение u_x(t) изменялось в течение некоторого промежутка времени по линейному закону, т.е.

u_x(t) = R t (7.3)

Из уравнений (7.2) и (7.3) можно получить

y = S_y u_y (x / R S_x) (7.4)

Таким образом, координаты изображения X и У связаны между собой той же функциональной зависимостью, c какой исследуемое напряжение u_y(t) связано со временем t. Постоянные множите­ли S_y, S_x и R определяют масштаб изображения.

Напряжение, вырабатываемое генератором развертки, имеет пилообразную форму (рис.7.3). Отрезок времени t₁ называется временем прямого хода луча. В течение времени t₁ луч движется по экрану слева направо с равномерной скоростью. При этом его тра­ектория отображает зависимость исследуемого напряжения u_y(t) во времени.

Рисунок 7.3 – Напряжение линейной развертки

В течение времени t₂, называемого временем обратного хода, луч движется справа налево в исходное состояние. Во время паузы t₃ горизонтальная координата луча не меняется.

Для того, чтобы на экране была видна только часть траектории, соответствующая прямому ходу, в течение обратного хода используют гашение луча путем подачи на сетку ЭЛТ отрицательного напряжения, которое уменьшает яркость до практически незаметной величины.

Исследуемое напряжение будет неподвижным на экране в том случае, если период напряжения развертки будет равен периоду исследуемого напряжения или больше него в целое число раз.

На практике периоды исследуемого и развертывающего напряжения нестабильны, поэтому изображение на экране будет перемещаться. Для получения неподвижного изображения используется обратная связь (синхронизация) между периодами исследуемого и развертывающего напряжения. Синхронизация осуществляется путем принудительного окончания прямого хода луча при вполне определенном мгновенном значении, а, следовательно, и определенной фазе исследуемого напряжения.

Генератор развертки может работать в двух режимах: непрерывном и ждущем. Ждущий режим используется для исследования коротких импульсов или импульсов, следующих с большими или сильно изменяющимися интервалами. 3апуск генератора развертки осуществляется исследуемым процессом (входным импульсом).

При поступлении запускающего импульса начинается прямой ход развертки с установленной длительностью. Повторение рабочего цикла произойдет только при поступлении запускающего импульса. Синхронизация развертки и исследуемого сигнала, таким образом, происходит автоматически.

7.2 Режимы работы ЭЛО

7.2.1 Измерение мгновенных значений напряжений

Возможность измерения мгновенных значений напряжений - одно из основных преимуществ ЭЛО. Подобные измерения осуществляют обычно одним из двух способов.

Первый способ. Исследуемое напряжение подается на вход У и включается генератор развертки. Регулировкой чувствительности S_y, S_x и частоты запуска генератора развертки (ГР) устанавливается устойчивое изображение исследуемого напряжения на экране. Измеряется отрезок, соответствующий интересующему мгновен­ному значению этого напряжения.

Затем исследуемое напряжение отключается, и на вход У подается образцовое напряжение (обычно прямоугольное или синусоидальное), амплитуду которого можно достаточно плавно менять и измерять каким-либо способом. Не изменяя чувствительность S_y (не меняя положения «V/дел») регулировкой ампли­туды образцового напряжения добиваются того, чтобы на экране от­резок двойной амплитуды соответствовал отрезку, который был изме­рен ранее. Очевидно, что при этом измеряемое мгновенное значение исследуемого напряжения равно двойной амплитуде образцового напряжения.

При измерении напряжения данным способом можно выделить три основных источника погрешностей: точность определения ампли­туды образцового напряжения; ограниченная точность измерения от­резков, соответствующих измеряемому и образцовому напряжениям, что связано с субъективными ошибками наблюдателя, а также конеч­ной шириной светящегося луча ЭЛО (обычно 0,5-0,8мм); наконец зависимость коэффициента усиления УВО от частоты.

Второй способ. В этом случае необходимо предваритель­но осуществить калибровку чувствительности ЭЛО. Затем образцовое напряжение отключается, на вход У подается исследуемое напряжение и устанавливается устойчивое изображение экрана ЭЛО. Чувствительность S_у при этом изменять нельзя. Зная S_у и измерив отрезок У_н ,соответствующий искомому мгновен­ному значению исследуемого напряжения, можно определить его величину.

Для данного способа присущи все источники погрешности первого способа и, кроме того, дополнительная погрешность, связанная с тем, что чувствительность S_у ЭЛТ не является постоянной величиной и зависит от положения изображения на экране ЭЛО.

Для получения высокой точности необходимо использовать доста­точно большие отрезки, но не выходящие за пределы рабочей части экрана ЭЛО.

Часто вместо чувствительности S_у используется обратная величина (1/S_у), которая указывается на передней панели ЭЛО.

7.2.2 Измерение временных интервалов

Для измерения временных параметров исследуемых напряжений (период, длительность импульсов, его фронтов и т.д.) необходимо знать масштаб изображения по оси Х, т.е. скорость движения луча в горизонтальном направлении.

В ряде ЭЛО скорость движения луча регулируется плавно и непосредственно не измеряется. В этом случае для измерения временных интервалов используется калибратор длительности (КД), представляющий собой генератор прямоугольного или синусоидального напряжения, период которого известен и может регулироваться лишь дискретно. Это напряжение подается на катод ЭЛТ. Тогда между сеткой и катодом помимо постоянного напряжения будет приложено дополни­тельное переменное напряжение, период которого известен.

При поступлении положительной полуволны яркость участка изображения уменьшается, а отрицательной увеличивается. Изображение получается состоящим из чередующихся темных и ярких участков (меток). Зная период модулирующего напряжения и подсчитав число меток, можно определить этот временной интервал.

В более совершенных ЭЛО горизонтальная скорость движения луча может принимать лишь несколько фиксированных, заранее известных значений (калиброванная развертка). Любое из этих значений устанавливается переключателями "Длительность развертки" и "Множитель". Каждой комбинации положений этих переключателей соответствует определенная скорость движения луча q, измеряемая в мкс/см или мкс/мм. Измерив горизонтальную прямую между двумя точками изображения исследуемого напряжения, можно вычислить временной интервал

∆t = q ∆x.

Точность измерения определяется точностью, с которой известно значение q, и точностью измерения отрезка ∆x.

7.2.3 Измерение частоты

Для измерения частоты синусоидального напряжения используют более точный метод - метод фигур Лиссажу. В этом случае на вход У подается напряжение неизвестной частоты f, на вход X, при отключенном ГР - напряжение плавно регулируемой известной частоты f₀, снимаемое с выхода генератора синусоидального напряжения. Регулировкой частоты добиваются неподвижного изображения на экране фигуры Лиссажу. Тогда частота f определится из соотношения

(7.5)

где Nг - наибольшее число точек пересечения фигуры Лиссажу горизонтальной секущей, а Nв -вертикальной (рис.7.4). При измерении частоты методом фигур Лиссажу необходимо добиться, чтобы числа Nг и Nв были малы, иначе расшифровка фигуры становится затруднительной.

Рисунок 7.4 – Фигуры Лиссажу для измерения частоты

Точность измерения частоты f данным методом не зависит от свойств осциллографа, а целиком определяется точностью, с которой известна образцовая частота f₀. Это связано о тем, что при измерениях ЭЛО выступает в роли нуль-индикатора, а не самостоятельного измерительного прибора.

7.2.4 Измерение сдвига фаз

Для измерения фаз между двумя синусоидальными напряжениями одинаковой частоты с помощью ЭЛО используют так называемый метод эллипса. На входы X и У подаются напряжения и , сдвиг фаз φ между которыми необходимо измерить. Генератор развертки должен быть отключен.

Рисунок 7.5 – Осциллограмма фазового сдвига при синусоидальной развертке

На экране появится осциллограмма в форме эллипса (рис.7.5), уравнение которого получается путем следующих преобразований:

(7.6)

где a,b – амплитуда отклонения луча в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно. В зависимости от фазового сдвига между U_x и U_y форма и наклон эллипса будут изменяться (рис.7.6).

Рисунок 7.6 – Фигуры Лиссажу для измерения фаз

Из осциллограммы на (рис.7.5) и уравнения эллипса (7.6) следует, что при х=0 получается вертикальный отрезок , а при у=0 – горизонтальный отрезок . Если перед измерением обеспечить равенство максимальных отклонений по горизонтали и вертикали, т.е. обеспечить a=b, то

Тогда

(7.7)

Таким образом, для вычисления фазового сдвига φ достаточно определить по осциллограмме значения отрезков 2х_о (2у_о), 2а (2b) и подставить в формулу (7.7). Знак угла φ данным методом определить нельзя. По наклону эл­липса можно лишь судить о величине разности фаз исследуемых напряжений.

Точность измерений определяется погрешностями измерений соответствующих отрезков, зависимостью чувствительности от положения луча на экране, а также тем, что усилители горизон­тального и вертикального отклонений имеют неодинаковые фазо-частотные характеристики.

Второй способ измерения сдвига фаз между двумя сигналами одной частоты можно осуществить, используя двухлучевые или двухканальные ЭЛО.

При подаче на вход 1 опорного сигнала, а на вход 2 – сравниваемого установить такую скорость развертки, чтобы обеспечи­ть один период сигналов на экране. Измерив период опорного сигнала L₁ и разность по горизонтали между соответствующими точками сигналов L₂ в делениях шкалы, определяется вели­чина фазового сдвига φ: φ = 360^o (L₁/L₂).

7.2.5 Измерение составляющих комплексного сопротивления

Для измерения комплексного сопротивления используется схема, приведенная (на рис.7.7,а). Если ключ S находится в положении 1, то на оба входа У,Х ЭЛО подается одно и то же падение напряжения на известном сопротивлении R_o. В этом случае траектория луча на экране будет представлять наклонный отрезок прямой (рис.7.7,б). Вертикальная проекция этого отрезка будет равна

L_oo = 2U_max = 2 S_y R_o I_m,

где I_m - амплитудное значение тока.

Отсюда

(7.8)

Рисунок 7.7 – Схема измерения полного сопротивления

Затем ключ S устанавливается в положение 2. При этом напря­жение на входе X не изменится, а на вход У подается падение напряжения на измеряемом сопротивлении Z. Появившийся на экране эллипс, описывается следующими уравнениями:

(7.9)

где φ - угол между током I и напряжением U_z.

Из (7.9) при t=0 определяется значение координаты эллипса у_о (рис.7.7,в).

Используя (7.8), реактивная составляющая х полного сопротивления Z равна:

(7.10)

Для расчета активной составляющей R необходимо определить координаты луча в момент , используя уравнения (7.9):

Используя (7.8), активная составляющая R полного сопротивления Z равна:

(7.11)

Эллипс на экране практически всегда несимметричен, поэтому при расчете величины R можно использовать соотношение

(7.12)

Точность измерения данным методом не высока и определяется в основном точностью измерения соответствующих отрезков и искажениями эллипса.