Задачи работы

1. общее знакомство с устройством и принципом действия электронных осциллографов,
2. определение чувствительности осциллографа,
3. проведение некоторых измерений в цепи переменного тока при помощи осциллографа.

Общие сведения об устройстве и работе электронного осциллографа

С помощью катода электронно-лучевой трубки осциллографа создается электронный поток, который формируется в трубке в узкий пучок, направленный к экрану. Сфокусированный на экране трубки электронный пучок вызывает в месте падения светящееся пятно, яркость которого зависит от энергии пучка (экран покрыт специальным люминесцирующим составом, светящимся под воздействием пучка электронов). Электронный луч является практически безынерционным, поэтому световое пятно можно практически мгновенно перемещать в любом направлении по экрану, если воздействовать на электронный пучок электрическим полем. Поле создается с помощью двух пар плоскопараллельных пластин, называемых отклоняющими пластинами. Малая инерционность луча обуславливает возможность наблюдения быстропеременных процессов с частотой 10 9 Гц и более.

Рассматривая существующие осциллографы, разнообразные по конструкции и назначению, можно увидеть, что функциональная схема их примерно одинакова. Основными и обязательными узлами должны быть:

Электронно-лучевая трубка для визуального наблюдения исследуемого процесса;

Источники питания для получения необходимых напряжений, подаваемых на электроды трубки;

Устройство для регулировки яркости, фокусировки и смещения луча;

Генератор развертки для перемещения электронного луча (и соответственно, светящегося пятна) по экрану трубки с определенной скоростью;

Усилители (и аттенюаторы), используемые для усиления или ослабления напряжения исследуемого сигнала, если оно недостаточно для заметного отклонения луча на экране трубки или, напротив, слишком велико.

Устройство электронно-лучевой трубки

Прежде всего, рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки (рис. 36.1). Обычно это стеклянная колба 3, откачанная до высокого вакуума. В узкой ее части расположен нагреваемый катод 4, из которого вылетают электроны за счет термоэлектронной эмиссии Система цилиндрических электродов 5, 6, 7 фокусирует электроны в узкий пучок 12 и управляет его интенсивностью. Далее следуют две пары отклоняющих пластин 8 и 9 (горизонтальные и вертикальные) и, наконец, экран 10 – дно колбы 3, покрытое люминесцирующим составом, благодаря которому становится видимым след электронного луча.

В состав катода входит вольфрамовая нить – нагреватель 2, расположенная в узкой трубке, торец которой (для уменьшения работы выхода электронов) покрыт слоем окиси бария или стронция и собственно является источником потока электронов.

Процесс формирования электронов в узкий луч с помощью электростатических полей во многом напоминает действие оптических линз на световой луч. Поэтому система электродов 5,6,7 носит название электронно-оптического устройства.

Электрод 5 (модулятор) в виде закрытого цилиндра с узким отверстием находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода и выполняет функции, аналогичные управляющей сетке электронной лампы. Изменяя величину отрицательного напряжения на модулирующем или управляющем электроде, можно изменять количество электронов, проходящих через его отверстие. Следовательно, с помощью модулирующего электрода можно управлять яркостью луча на экране. Потенциометр, управляющий величиной отрицательного напряжения на модуляторе, выведен на переднюю панель осциллографа с надписью ”яркость”.

Система из двух коаксиальных цилиндров 6 и 7, называемых первым и вторым анодами, служит для ускорения и фокусировки пучка. Электростатическое поле в промежутке между первым и вторым анодами направлено таким образом, что отклоняет расходящиеся траектории электронов снова к оси цилиндра, подобно тому, как оптическая система из двух линз действует на расходящийся пучок света. При этом катод 4 и модулятор 5 составляют первую электронную линзу, а первому и второму анодам соответствует другая электронная линза.

В итоге пучок электронов фокусируется в точке, которая должна лежать в плоскости экрана, что оказывается возможным при соответствующем выборе разности потенциалов между первым и вторым анодами. Ручка потенциометра, регулирующего это напряжение, выведена на переднюю панель осциллограф с надписью ”фокус”.

При попадании электронного луча на экран на нем образуется резко очерченное светящееся пятно (соответствующее сечению пучка), яркость которого зависит от количества и скорости электронов в пучке. Большая часть энергии пучка при бомбардировке экрана превращается в тепловую. Во избежание прожога люминесцирующего покрытия не допустима большая яркость при неподвижном электронном луче. Отклонение луча осуществляется с помощью двух пар плоскопараллельных пластин 8 и 9, расположенных под прямым углом друг к другу.

При наличии разности потенциалов на пластинах одной пары однородное электрическое поле между ними отклоняет траекторию пучка электронов в зависимости от величины и знака этого поля. Расчеты показывают, что величина отклонения луча на экране трубки D (в миллиметрах) связана с напряжением на пластинах U D и напряжением на втором аноде Ua 2 (в вольтах) следующим образом:

(36.1),

.
Электронно-лучевые трубки, действие которых основано на формировании и управлении по интенсивности и положению одним или более электронными пучками, классифицируют по назначению и способу управления электронным пучком. В зависимости от назначения ЭЛТ подразделяют на приемные, передающие, запоминающие и др. В качестве индикаторных приборов используют приемные трубки. По способу управления электронным пучком ЭЛТ подразделяют на трубки с электростатическим и магнитным управлением. В первых для управления пучком электронов применяют электрическое поле, а во вторых - магнитное.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением обеспечивают более высокие частотные свойства, поэтому их широко используют в качестве индикаторов электронных осциллографов. Рассмотрим работу электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением, конструкция которой схематически показана на рисунке ниже.

Она представляет собой стеклянную колбу, в узкой части которой расположены электронный прожектор (ЭП) и отклоняющая система (ОС). В торцевой части колбы находится экран (Э), покрытый специальным составом - люминофором, способным светиться при бомбардировке электронным пучком. Электронный прожектор состоит из подогреваемого нитью накала (Н), катода (К), модулятора (М) и двух анодов (А, и А2).

Электроны, покинувшие катод, образуют электронное облако, которое под действием поля анодов движется в сторону экрана, формируясь в электронный пучок. Этот пучок проходит модулятор, выполненный в виде пологого цилиндра с отверстием и донной части. К модулятору прикладывается отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Это напряжение создает тормозящее поле, предварительно фокусирующее электронный пучок и изменяющее яркость свечения экрана. Для получения требуемой энергии (скорости) электронного пучка на аноды подается положительное относительно катода напряжение: на анод A1 - порядка нескольких сотен, а на анод А2- нескольким тысяч вольт. Значение напряжения для анода А2 выбирают из условия установки фокуса второй электростатической линзы в плоскости экрана.

Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар взаимно перпендикулярных пластин, расположенных симметрично относительно оси колбы. Напряжение, прикладываемое к пластинам, искривляет траекторию электронного пучка, вызывая тем самым откло­нение светового пятна на экране. Значение этого отклонения прямо пропорционально напряжению на пластинах ОС и обратно пропорционально напряжению Uа на втором аноде.

(рисунок ниже), как и ЭЛТ с электростатическим управлением, включает в себя ЭП и ОС. Конструкции ЭП обеих трубок аналогичны.

Предварительная фокусировка электронного пучка в трубке с магнитным управлением также осуществляется двумя электростатическими линзами, образованными соответственно электрическими полями между модулятором и первым анодом и между первым и вторым анодами. В функции первого анода, называемого иногда ускоряющим электродом, дополнительно входит экранировка модулятора от второго анода, что почти полностью исключает зависимость яркости свечения экрана от напряжения второго анода.

Внутри ЭЛТ расположен еще один электрод, называемый аквадагом (АК). Аквадаг электрически соединен с вторым анодом. Основная фокусировка электронного пучка производится неоднородным магнитным полем фокусирующей катушки (ФК), конструктивно расположенной на горловине колбы ЭЛТ. Это поле, возникающее при протекании по ФК постоянного тока, придает электронам вращательное движение вокруг оси пучка, фокусируя его в плоскости экрана.

Магнитная ОС содержит две пары последовательно включенных взаимно перпендикулярных обмоток, конструктивно выполненных в виде единого блока. Результирующее поле, создаваемое этими обмотками, заставляет электроны двигаться по окружности, радиус которой обратно пропорционален напряженности магнитного поля. Покидая поле, электроны пучка двигаются по касательной к исходной траектории, отклоняясь от геометрической оси колбы.

При этом отклонение электронного пучка в ЭЛТ с магнитным управлением меньше зависит от значения ускоряющего напряжения на аноде А2, чем отклонение пучка в ЭЛТ с электростатическим управлением. Поэтому при заданном значении напряжения на втором аноде ЭЛТ с магнитным управлением обеспечивает больший угол отклонения электронного пучка, чем ЭЛТ с электростатическим управлением, что позволяет значительно уменьшить ее размеры. Типовое значение максимального угла отклонения в ЭЛТ с магнитным управлением составляет 110°, а в ЭЛТ с электростатическим управлением - не превышает 30°.

Соответственно при заданных значениях отклонения электронного пучка ЭЛТ с магнитным управлением работает с большими значениями напряжения второго анода, чем ЭЛТ с электростатическим управлением, что позволяет повысить яркость получаемого изображения. К сказанному следует добавить, что ЭЛТ с магнитным управлением обеспечивает лучшую фокусировку электронного пучка, а следовательно, и лучшее качество изображения, что и предопределило их широкое распространение в качестве индикаторных устройств дисплеев ЭВМ. Рассмотренные ЭЛТ обеспечивают монохроматический режим отображения информации. В настоящее время все большее распространение находят ЭЛТ с цветным изображением.

(рисунок ниже) реализует принцип получения цветных образов как сумму изображений красного, зеленого и синего цветов.

Изменяя относительную яркость каждого из них, можно изменять цвет воспринимаемого изображения. Поэтому конструктивно ЭЛТ содержит три самостоятельных ЭП, пучки которых сфокусированы на некотором расстоянии от экрана. В плоскости пересечения лучей расположена цветоотделительная маска - тонкая металлическая пластина с большим числом отверстий, диаметр которых не превышает 0,25 мм. Экран цветной ЭЛТ неоднороден и состоит из множества люминесцирующих ячеек, число которых равно числу отверстий маски. Ячейка составлена из трех круглых элементов люминофора, светящихся красным, зеленым или синим цветом.

Например, цветной кинескоп с размером экрана по диагонали 59 см имеет маску с более чем полумиллионом отверстий, а общее число люминесцирующих элементов экрана превышает 1,5 млн. Пройдя через отверстия маски, электронные пучки расходятся. Расстояние между маской и экраном подобрано так, чтобы после прохождения отверстия маски электроны каждого пучка попадали на элементы экрана, люминесцирующие определенным цветом. Из-за малых размеров светящихся элементов экрана глаз человека уже на небольшом удалении не способен различать их и воспринимает суммарное свечение всех ячеек, интегральные цвета которых зависят от интенсивности электронного пучка каждого ЭП.

Если на модуляторы всех трех ЭП подать равные напряжения, то световые элементы экрана будут светиться одинаково и результирующий цвет будет восприниматься как белый. При синхронном изменении напряжении на модуляторах яркость белого цвета изменяется. Следовательно, подавая на модуляторы равные напряжения, можно получить все градации свечения экрана - от ярко-белого до черного. Таким образом, цветные кинескопы могут без искажений воспроизводить и черно-белое изображение.

Ю.Ф.Опадчий, Аналоговая и цифровая электроника, 2000 г.

Cтраница 1

Работа электронно-лучевой трубки основана на двух физических явлениях. Первое - это свечение некоторых веществ, называемых люминофорами, при их бомбардировке потоком электронов, причем свечение остается видимым в течение некоторого времени и после прекращения бомбардировки. Второе явление заключается во влиянии электрического поля на траекторию полета электронов, что позволяет разогнать пучок электронов до высокой скорости, сфокусировать его до очень тонкого луча и перемешать луч по полю экрана для получения на экране видимого следа.  

Работа электронно-лучевой трубки опирается на три физических явления.  

Для изучения принципа работы электронно-лучевых трубок с магнитным управлением необходимо предварительно ознакомиться с законом движения электрона в магнитном поле.  

Потенциал ускоряющего анода в процессе работы электронно-лучевой трубки обычно поддерживается неизменным.  

Итак, мой любезный Незнайкин, я должен объяснить тебе устройство и принципы работы электронно-лучевой трубки, так как она применяется в телевизионных передатчиках и приемниках.  

Большие успехи в технике высокого вакуума, достигнутые в последнее время, а именно разработка мощных вакуумных насосов и цельнометаллических конструкций для катодного возбуждения образцов (типа электронных микроскопов) в значительной степени устранили трудности, связанные с работой высоковакуумных разборных электронно-лучевых трубок. Смена образцов в таких конструкциях, снабженных смотровыми окнами для наблюдения катодолюминесценции, производится без нарушения вакуума во всей системе через специальные металлические дверцы. Вместе с промежуточной откачкой объема, занимаемого образцами, эта операция занимает не более нескольких минут.  

Сложное сочетание электродов - катода, сеток и анодов - образует своего рода электронную пушку или электронный прожектор, создающий узкий пучок быстро летящих заряженных частиц. Но работа электронно-лучевой трубки на этом не Кончается. Ведь надо еще, чтобы электронный луч двигался по экрану - по широкому дну лучевой трубки и одну за другой прочерчивал на нем строчки светящегося изображения. Для этого необходимо сообщить лучу два движения: горизонтальное, вдоль каждой строчки, и вертикальное, от одной строчки к другой.  

Основной задачей оконечного или выходного каскада видеоусилителя является управление работой трубки индикатора. Как уже указывалось, для управления работой электронно-лучевой трубки (кинескопов телевизионных приемников осциллографических, индикаторных) и других оконечных устройств требуются импульсные сигналы от 10 до 100 В.  

Ионный ток образуется также в газах: в неоновых лампах, газотронах и пр. В электронных лампах основной ток - электронный, но здесь могут параллельно существовать и ионные токи, потому что оставшиеся в колбе лампы атомы и молекулы газа могут ионизироваться в результате столкновения с электронами, летящими с большой скоростью. Например, работа электронно-лучевых трубок основана на использовании тонкого пучка электронов (электронного луча), но наряду с этим в трубках образуются и ионы.  

Электронно-лучевыми трубками называют электронные приборы, у которых электронный поток, выходящий из катода, фокусируется электрическим или магнитным полем в узкий пучок - электронный луч. По способу фокусировки и отклонения электронного луча электронно-лучевые трубки подразделяют на три типа: 1) с электростатическими фокусировкой и отклонением луча; 2) с электромагнитными фокусировкой и отклонением луча; 3) с фокусировкой электростатическим полем и отклонением луча магнитным полем. Рассмотрим принцип работы электронно-лучевой трубки первого типа.  

Принцип работы электронно-лучевой трубки построен на испускании электронов отрицательно заряженным термокатодом, которые затем при­тягиваются положительно заряженным анодом и собираются на нем. Это принцип работы старой электронной лампы с термокатодом.

В ЭЛТ высокоскоростные электроны испускаются электронной пуш­кой (рис. 17.1). Они фокусируются электронной линзой и направляют­ся к экрану, который ведет себя как положительно заряженный анод. Экран покрыт изнутри флуоресцирующим порошком, который начинает светиться под ударами быстрых электронов. Электронный пучок (луч), испускаемый электронной пушкой, создает неподвижное пятно на экра­не. Для того чтобы электронный пучок оставил след (линию) на экране, его нужно отклонять как в горизонтальном, так и в вертикальном напра­влениях - Х и Y.

Рис. 17.1.

Методы отклонения пучка

Существует два метода отклонения пучка электронов в ЭЛТ. В электростатическом методе используются две параллельные пластины, между которыми создается разность электрических потенциалов (рис. 17.2(а)). Электростатическое поле, возникающее между пластинами, отклоняет электроны, попадающие в область действия поля. В электромагнитном методе пучок электронов управляется магнитным полем, создаваемым электрическим током, протекающим через катушку. При этом, как по­казано на рис. 17.2(б), применяются два набора управляющих катушек (в телевизорах они называются отклоняющими катушками). Оба метода обеспечивают линейное отклонение.

Рис. 17.2. Электростатический (а) и электромагнитный (б)

методы отклонения электронного пучка.

Однако метод электростатического отклонения имеет более широкий частотный диапазон, именно поэтому его применяют в осциллографах. Электромагнитное отклонение лучше подходит для высоковольтных трубок (кинескопов), работающих в те­левизорах, и к тому же более компактно в реализации, поскольку обе катушки располагаются в одном и том же месте вдоль горловины теле­визионной трубки.

Конструкция ЭЛТ

На рис. 17.3 дано схематическое представление внутреннего устройства электронно-лучевой трубки с электростатической отклоняющей систе­мой. Показаны различные электроды и соответствующие им потенциалы. Электроны, испускаемые катодом (или электронной пушкой), проходят через небольшое отверстие (апертуру) в сетке. Сетка, потенциал которой отрицателен по отношению к потенциалу катода, определяет интен­сивность или число испускаемых электронов и, таким образом, яркость пятна на экране.

Рис. 17.3.

Рис. 17.4.

Затем электронный пучок проходит сквозь электрон­ную линзу, фокусирующую пучок на экран. Конечный анод А 3 имеет потенциал в несколько киловольт (по отношению к катоду), что соот­ветствует диапазону сверхвысоких напряжений (СВН). Две пары откло­няющих пластин D 1 и D 2 обеспечивают электростатическое отклонение пучка электронов в вертикальном и горизонтальном направлениях соот­ветственно.

Вертикальное отклонение обеспечивают Y-пластины (пластины верти­кального отклонения), а горизонтальное - Х-пластины (пластины гори­зонтального отклонения). Входной сигнал подается на Y-пластины, кото­рые отклоняют электронный пучок вверх и вниз в соответствии с ампли­тудой сигнала.

X-пластины заставляют пучок перемещаться по горизонтали от одно­го края экрана к другому (развертка) с постоянной скоростью и затем очень быстро возвращаться в исходное положение (обратный ход). На Х- пластины подается сигнал пилообразной формы (рис. 17.4), вырабатывае­мый генератором. Этот сигнал называют сигналом временной развертки.

Подавая соответствующим образом сигналы на Х- и Y-пластины, можно получить такое смещение электронного пучка, при котором на экране ЭЛТ будет «прорисовываться» точная форма входного сигнала.

В этом видео рассказывается об основных принципах работы электронно-лучевой трубки:

Совсем недавно электронно-лучевая трубка была распространена в самых различных устройствах, например, аналоговых осциллографах, а также в отраслях радиотехники – телевидении и радиолокации. Но прогресс не стоит на месте, и электронно-лучевые трубки начали постепенно вытесняться более современными решениями. Стоит отметить, что в некоторых устройствах их все же применяют, поэтому давайте рассмотрим, что это такое.

В качестве источника заряженных частиц в электронно-лучевых трубках используют накаленный катод, который в следствии термоэлектронной эмиссии испускает электроны. Внутрь управляющего электрода, имеющего цилиндрическую форму, помещают катод. Если изменять отрицательный потенциал управляющего электрода, можно менять яркость светового пятна на экране. Это связано с тем, что изменении отрицательного потенциала электрода влияет на величину электронного потока. За управляющим электродом располагают два цилиндрических анода, внутри которых установлены диафрагмы (перегородки с небольшими отверстиями). Ускоряющее поле, создаваемое анодами, обеспечивает направленное движение электронов в сторону экрана и одновременно «собирает» в узкий поток (луч) электронный поток. Помимо фокусировки, которая реализуется с помощью электростатического поля, в электронно-лучевой трубке применяют и магнитную фокусировку луча. Чтоб это реализовать, на горловину трубки одевают фокусирующую катушку. , которая действует на электроны в магнитном поле, создаваемом катушкой, прижимает их к оси трубки, формируя тем самым тонкий луч. Для перемещения или отклонения электронного луча на экране, точно также как и для фокусировки, применяют электрические и магнитные поля.

Из двух пар пластин состоит электростатическая система отклонения луча: горизонтальной и вертикальной. Пролетая между пластинами, электроны будут отклоняться в сторону положительно заряженной пластины (рисунок а)):

Две взаимно перпендикулярные пары пластин позволяют отклонять электронный луч как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Магнитная система отклонения состоит из двух пар катушек 1 – 1 / и 2 – 2 / , расположенных на баллоне трубки под прямым углом друг к другу (рисунок б)). В магнитном поле, создаваемом данными катушками, на пролетающие электроны будет действовать сила Лоренца.

По вертикалям перемещение потока электронов будет вызывать магнитное поле горизонтально расположенных катушек. Поле вертикально расположенных катушек – по горизонтали. Полупрозрачным слоем специального вещества, которое способно светиться при бомбардировке его электронами, покрывается экран электронно-лучевой трубки. К таким веществам можно отнести некоторые полупроводники – вольфрамовокислый кальций, виллемит и другие.

Основная группа электронно-лучевых трубок – осциллографические трубки, основным назначением которых является исследование быстрых изменений тока и напряжения. В таком случае исследуемый ток подается на отклоняющую систему, результатом чего станет отклонение луча на экране пропорционально силе этого тока (напряжения).