12.17. Электронно-лучевой осциллограф

Область применения электронно-лучевого осциллографа весьма обширна. Основное его назначение — визуальное наблюдение на люминесцирующем экране и фотографирование кривых быстро протекающих процессов, но осциллограф легко может быть приспособлен, например, для измерения частоты или снятия различных динамических характеристик {петли гистерезиса (см. рис. 7.10), характеристик электронных ламп и полупроводниковых приборов и т. п.].

Электронно-лучевая трубка — важнейшая часть электронного осциллографа — состоит из электронного прожектора, отклоняющей системы и экрана. Электронный прожектор создает узкий электронный луч. Посредством отклоняющего устройства измеряемая величина управляет движением луча, который играет роль практически безынерционной подвижной части осциллографа. Экран покрыт слоем люминофора, и на нем под действием электронного луча образуется светящееся пятно. При отклонениях луча это пятно движется по экрану и дает изображение кривой исследуемого процесса.

Стеклянная колба трубки имеет форму конуса, переходящего в цилиндр (рис. 12.40). Электронный луч возбуждается и формируется в цилиндрической части трубки, где размещен электронный прожектор («электронная пушка»), состоящий из подогревного катода, управляющего электродаС — модулятора и двух анодов А₁ и A₂.

Катод помещен внутри стаканчика модулятора, который имеет в середине дна отверстие (диафрагму) для электронов, эмиттируемых катодом. На модулятор в осциллографе должно быть подано отрицательное напряжение 20—50 В. Электроны, пролетающие сквозь отверстие модулятора, отталкиваются его отрицательным зарядом, что дает первоначальную фокусировку потока электронов для получения узкого луча. Вместе с тем отрицательный потенциал модулятора отталкивает некоторую часть электронов обратно к катоду; следовательно, регулированием напряжения между модулятором и катодом можно изменять количество электронов в луче и тем самым регулировать яркость светящегося пятна на экране трубки.

Электрическое поле, необходимое для ускорения электронов, обеспечивается высокими положительными потенциалами двух анодов

А₁ и A₂ — полых цилиндров с одной или более диафрагмами, помещенных на пути электронного луча. Последние служат для задержания электронов, сильно уклонившихся от оси луча.

Напряжение между первым анодом А₁ и катодом составляет от одной десятой до одной трети напряжения между вторым анодом A₂ и катодом, равного 600—5000 В.

Для отклонения электронного луча в горизонтальном и вертикальном направлениях в осциллографах есть две пары отклоняющих пластин. Исследуемое периодическое напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины, вследствие чего происходит отклонение луча в вертикальном направлении (по оси ординат). Горизонтально отклоняющие пластины необходимы для развертки исследуемого напряжения во времени (по оси абсцисс). Для этого в большинстве случаев на эти пластины подается периодическое пилообразное напряжение.

Структурная схема осциллографа (рис. 12.41) состоит из ряда блоков и ключей, при помощи которых можно получить различные режимы работы осциллографа.

Электронный осциллограф может работать в следующих основных режимах: в режиме внутренней синхронизации, в режиме внешней синхронизации, в автоматическом режиме и режиме специальной развертки.

Входной блок электронного осциллографа — аттенюатор — представляет собой калиброванный делитель напряжения, при помощи которого можно уменьшить напряжение входного сигнала, а также напряжение синхронизирующих импульсов в нужное число раз.

Врежиме внутренней синхронизации Включены ключи К₁, К₄ и напряжение входного сигнала и_вх через аттенюатор поступает на вход усилителя и вход генератора линейно изменяющихся напряжений — ГЛИН. Напряжение с выхода ГЛИНа поступает на горизонтально отклоняющие пластины х — х осциллографа, и изображение электронного луча на экране начинает двигаться в горизонтальном направлении. Для того чтобы входной сигнал, поступающий после усиления на вертикально отклоняющие пластины у — у, был расположен в центре экрана, его необходимо, прежде чем подавать на эти пластины, задержать на некоторое время t при помощи линии задержки ЛЗ (рис. 12.42 а).

Рис. 12.42

В автоматическом режиме включены ключи К₂, К₄ и на выходе ГЛИНа получается пилообразное напряжение с частотой f_г. Если частота f. совпадает с частотой периодического напряжения на входе осциллографа или кратна ей, то на экране осциллографа наблюдается неподвижное изображение (рис. 12.42, б).

В режиме специальной развертки включены ключи К₂, К5 и на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается какое-либо специальное периодическое напряжение и_х. Поэтому при помощи

осциллографа можно проводить некоторые специальные измерения. Например, если на пластиных — х подано синусоидальное напряжение

то можно измерить угловую частоту входного напряжения, если оно также синусоидальное с угловой частотой ω_вх, кратной угловой частоте ω_вх. В зависимости от кратности отношения угловых частот ω_вх/ω_х на экране осциллографа наблюдаются различные фигуры (рис. 12.43). Чувствительностью осциллографа называется отношение вертикального отклонения светового пятна на экране в миллиметрах к значению входного напряжения в вольтах. Чувствительность самой трубки без усилителя относительно низкая, порядка 0,5—1 мм/В. Однако применение усиления повышает чувствительность до 1-2 мм/мВ. Для фотографирования кривых с экрана осциллограф снабжается приставками.