Основные узлы электронно-лучевых осциллографов

1. Лекция № 11 Тема 3.2. Основные узлы электронно-лучевых осциллографов 3.2.1.Электронно-лучевая осциллографическая трубка 3.2.2.

Канал вертикального отклонения и канал
горизонтального отклонения. Линия задержки
3.2.3. Генератор развёртки и блок синхронизации
3.2.4. Калибраторы амплитуды и длительности
сигналов
3.2.5. Метрологические характеристики осциллографов

2. 3.2.1.Электронно-лучевая осциллографическая трубка

19
1 - люминесцирующий экран
Катодный узел:
2
1
Рис. 2
4 - подогреватель
3 - оксидный катод
2 - модулятор
5 - первый анод
6 - фокусирующий электрод
7,8 – отклоняющие пластины
ЭЛТ состоит из источников электронов, системы формирования
узкого электронного пучка, системы его отклонения в направлении
осей X и Y и люминесцирующего экрана 1.
Источником электронов является нагретый катод. Триодная
конструкция катодного узла позволяет не только получить
электронный пучок, но и осуществить его предварительную
фокусировку и модуляцию интенсивности

3. 3.2.1.Электронно-лучевая осциллографическая трубка

18
Катод - никелевый цилиндр, на дно которого нанесен слой активной
массы (окись бария и стронция). Внутри цилиндра расположен
подогреватель – спираль, свернутая из вольфрамовой проволоки,
покрытая изолирующим слоем, предназначенный для накаливания
цилиндра. Тепло передается никелевому цилиндру и разогревает
активный слой, который выделяет атомарный слой металлического
бария, являющегося источником свободных электронов.
Подогрев катода осуществляется с помощью переменного тока
0,1...1 А при напряжении 6,3 В. Для управления интенсивностью
электронного пучка рядом с катодом располагается модулятор 2,
представляющий собой диск с малым отверстием.
Регулируя разность потенциалов между катодом и модулятором,
можно изменять количество электронов, проходящих через
отверстие модулятора в единицу времени. При достаточно большом
отрицательном (относительно катода) потенциале модулятора
электронный пучок можно полностью запереть.

4. 3.2.1.Электронно-лучевая осциллографическая трубка

17
После модулятора дальнейшая
фокусировка электронного пучка
осуществляется с помощью первого
анода 5, высокий положительный
потенциал которого ускоряет
электроны, фокусирующего электрода 6, регулируемый потенциал
которого создает такую конфигуРис. 2
рацию поля, что электронный пучок
сжимается в тонкий луч.
Сформированный электронный луч, двигаясь вдоль оси трубки,
попадает в отклоняющее поле, создаваемое двумя парами
отклоняющих пластин 7 и 8, и достигает люминесцирующего экрана 1.
Конструкция отклоняющих пластин – плоский конденсатор,
электрическое поле которого, создается при подаче соответствующего
напряжения на выводы. Одна пара пластин служит для отклонения
электронного луча в вертикальном направлении, а другая – в
горизонтальном. Векторы напряженности электрических полей
должны быть взаимно перпендикулярны, что достигается
соответствующим расположением отклоняющих пластин.

5. 3.2.1.Электронно-лучевая осциллографическая трубка

16
Попав в область электрического поля (точка а), электроны
начинают удаляться от оси. Решение уравнений движения
электронов в электрическом поле показывает, что их траектория на
участке aб параболическая. Правее точки б электроны снова
движутся прямолинейно, достигая экрана в точке с и вызывая его
свечение. Таким образом, под действием отклоняющего
напряжения электронный луч отклонился в плоскости экрана на
расстояние h от центра. Изменяя отклоняющее напряжение, можно
управлять положением светящегося пятна на экране.

6. 3.2.1.Электронно-лучевая осциллографическая трубка

15
При изменении полярности, а следовательно, и направления вектора
Еу луч будет находиться ниже точки 0. Положение отклоненного пятна h
можно определить с помощью формулы
l L U откл l L E y
h
2 d Ua2
2 Ua2
(1)
L — расстояние от центра пластин до экрана; l — длина пластин;
Ua2 – напряжение второго анода относительно катода.

7. 3.2.1.Электронно-лучевая осциллографическая трубка

14
Между величиной отклонения луча на экране h и приложенным к
пластинам напряжением Uоткл линейная зависимость. Это позволяет
получить неискаженное воспроизведение осциллограммы.
Зависимость между Uоткл и отклонением пятна h будет линейной,
если экран плоский. Это создает удобства при измерении размера
осциллограмм на экране, а также при их фотографировании.
Электрический метод отклонения не позволяет получить большой
угол отклонения луча относительно оси z, что вынуждает
увеличивать расстояние от пластин до экрана L для получения
нужного отклонения. Поэтому при небольшом экране
осциллографические ЭЛТ имеют большую длину. Формула (1)
позволяет определить такой важный параметр ЭЛТ, как
чувствительность по отклонению , показывающий, какое
напряжение Uоткл надо приложить к пластинам для отклонения луча
на 1 мм (0,2-2,5 мм/В)
l L
ε
U откл 2 d U a 2
h
Разрешающая способность – диаметр светового пятна – 0,5 – 1 мм

8. 3.2.2. Канал вертикального отклонения и канал горизонтального отклонения. Линия задержки

13
Канал вертикального отклонения. Предназначен для усиления
(ослабления) исследуемых электрических сигналов до необходимого
значения. Состоит из входного устройства (входная цепь и
аттенюатор) и усилителя с линейной задержкой.
Входное устройство
аттенюатор
открытый
закрытый
С помощью входных цепей осуществляется коммутация режима
входа Y (открытый или закрытый), расширение пределов
измерения входных напряжений, а аттенюатор обеспечивает
регулирование коэффициента отклонения К0 по вертикали в
требуемых пределах. В целом ВУ осциллографов аналогичны ВУ
вольтметров.

9. Канал вертикального отклонения

12
Усилитель вертикального отклонения не только усиливает входные
сигналы в необходимое число раз, но и преобразует их в симметричные
(противофазные) напряжения, подаваемые на пластины Y. Это
является обязательным условием получения высококачественных
осциллограмм (обеспечиваются оптимальные условия для фокусировки
луча во всей рабочей части экрана). УВО состоит из предварительного
и оконечного усилителей. Это необходимо для включения линии
задержки (ЛЗ), а также позволяет сосредоточить в предварительном
УВО все необходимые регулировки и образовать сигнал, управляющий
запуском генератора развертки (ГР) при внутренней синхронизации.
С помощью ЛЗ обеспечивается неискаженное воспроизведение
фронта сигнала в режиме ждущей развертки ( з=0,12...0,25 мкс).
Также ЛЗ используется и при наблюдении формы сигналов в режиме
автоколебательной развертки, т.е. практически является
неотъемлемой частью УВО (отсутствует в низкочастотных
осциллографах). ЛЗ реализуется с помощью искусственной длинной
линии, спиральных и радиочастотных кабелей задержки.

10. Канал горизонтального отклонения

11
Состоит из переключателя входа, генератора развертки (ГР),
устройство синхронизации и запуска развертки, а также УГО и
усилителя подсвета.
Переключатель входа позволяет выбрать вид синхронизации
развертки осциллографа: внутреннюю или внешнюю. При
необходимости могут осуществляться также коммутация режима
входа X (открытый или закрытый) и дискретное изменение уровня
входного сигнала.
Дополнительной функцией УГО является обеспечение растяжки
развертки, характеризующей изменение в определенное число раз
масштаба развертки с целью увеличения изображения по
горизонтали. Растяжка достигается дискретным увеличением
коэффициента усиления УГО, что пропорционально повышению
скорости развертки.

11. Канал горизонтального отклонения

11
Вход Х. Вырабатываемое генератором развертки пилообразное
напряжение поступает на горизонтально отклоняющие пластины
трубки, усиленное усилителем горизонтального отклонения луча.
Регулирование усиления этого усилителя позволяет изменять
масштаб изображения по горизонтали и калибровать коэффициент
развертки.

12. 3.2.3. Генератор развёртки и блок синхронизации

10
Генераторы развертки современных осциллографов представляют
собой достаточно сложный функциональный узел, включающий
устройство управления и формирователь пилообразных
импульсов запуска (ФПИ), который переводит электронную
переключающую схему из исходного состояния в рабочее.
Переключающая схема вырабатывает прямоугольный импульс
длительностью tи, определяющей время прямого хода луча tпр.
Этот импульс поступает на вход формирователя развертывающего
пилообразного напряжения up(t), т. е. на вход интегратора.
В качестве УУ, как
правило,
используется триггер
с устройством
сравнения и
блокировки.

13. Генератор развёртки

9
Генератор развёртки – основной узел канала X. Он формирует
пилообразное напряжение. которое предназначено для
равномерного перемещения луча вдоль оси Х от левого до правого
края экрана, а затем быстрого возвращения его в крайнее левое
положение. Обратный ход луча на экране соответствует участкам
быстрого изменения пилообразного напряжения. Генератор может
работать в автоколебательном или ждущем режиме.
В автоколебательном режиме генератор непрерывно
вырабатывает пилообразное напряжение. Этот режим используется
для наблюдения гармонических, а также периодических импульсных
сигналов с небольшой скважностью (т.е. когда импульс занимает
значительную часть периода).
В ждущем режиме генератор вырабатывает однократную "пилу"
только когда приходит сигнал запуска (сигнал синхронизации). Запуск
следующей "пилы" осуществляется следующим импульсом
синхронизации, но только после того, как закончился ранее начатый
ход развертки.

14. Генератор развёртки

Генератор развертки, кроме пилообразного напряжения
для отклонения луча, вырабатывает отрицательный гасящий
импульс, который подается на модулятор ЭЛТ и запирает ее на
время обратного хода луча, чтобы на экране не прочерчивалась
линия возврата луча.
Частоту напряжения, вырабатываемого генератором
развертки, можно ступенчато и плавно менять в достаточно
больших пределах (как правило, от 10 Гц до 1 МГц и более).
Если напряжение на входе “Y” равно нулю, но включен
генератор развертки G, на экране будет видна горизонтальная
линия. При наличии двух напряжений одновременно (входного и с
генератора развертки G) на экране будет видна осциллограмма
исследуемого сигнала.
8

15. Блок синхронизации

7
Состоит из устройства синхронизации и запуска развертки
и предназначен для преобразования различных по амплитуде и
форме сигналов синхронизации или запуска в стандартные
импульсы, воздействующие на ГР. Устройство обеспечивает также
выбор момента времени запуска развертки, соответствующего
определенному уровню исследуемого сигнала (регулировка
уровня синхронизации или запуска развертки).
Синхронизация — процесс, при котором развертка
становится зависимой от исследуемого сигнала для получения
неподвижного изображения на экране. Исследуемый сигнал и
напряжение генератора развертки создаются разными
источниками, их параметры независимы, но изменение частоты
одного из этих сигналов приводит к нарушению условий
неподвижности, поэтому для выполнения условия
синхронизации ГР принудительно генерирует развертывающее
напряжение с частотой, равной или кратной частоте
исследуемого сигнала.

16. Блок синхронизации

6
Устройство
синхронизации и запуска
развертки формирует
импульс запуска, форма и
амплитуда которого не
зависят от формы и
амплитуды исследуемого
сигнала.
Импульс запуска в ждущем режиме осуществляет запуск
развертки, в автоколебательном – ее синхронизацию. Причем в
автоколебательном режиме развертка вырабатывается непрерывно,
даже при отсутствии импульса запуска, однако изображение в этом
случае получается неустойчивое ввиду несоответствия периодов
сигнала и развертки.

17. Блок синхронизации

Для осуществления процесса синхронизации в схему ГР
вводится синхронизирующий (запускающий) сигнал из схемы
синхронизации и запуска. Уровень синхронизирующего сигнала,
при котором срабатывает схема синхронизации, плавно
регулируется от десятых долей до десятков вольт.
Внутренняя синхронизация — процесс, при котором
сигнал, управляющий запуском ГР, подается из внутренней цепи
ЭО, на которую воздействует исследуемый сигнал.
Внешняя синхронизация — процесс, при котором сигнал,
управляющий запуском ГР, подается извне
5

18. 3.2.4. Калибраторы амплитуды и длительности сигналов

4
Калибраторы амплитуды и длительности являются
встроенными мерами сигналов. С их помощью перед измерениями
устанавливаются требуемые значения коэффициента отклонения и
коэффициента развертки. В зависимости от функциональных
возможностей и класса точности осциллографа требования к
калибраторам амплитуды и длительности могут быть различными.
Обычно калибраторы представляют собой генератор меандра,
уровень которого используется в качестве калибровочного
напряжения при установке коэффициента развертки, a период
повторения – в качестве калибровочного интервала при установке
коэффициента отклонения.

19. 3.2.4. Калибраторы амплитуды и длительности сигналов

3
При калибровке выходной сигнал калибратора подается на
вход Y осциллографа, и на экране ЭЛТ наблюдается изображение
калибровочного сигнала. Регулируя усиление предварительного УВО
при нулевом ослаблении аттенюатора, совмещают размеры
изображения этого сигнала по вертикали с краями шкалы экрана
ЭЛТ. Изображение по горизонтали должно быть таким, чтобы на
развертке, также совмещенной с краями шкалы, укладывалось
требуемое целое число периодов (интервалов) калибровочного
сигнала. Если это не наблюдается, корректируют длительность
развертки, устанавливая, таким образом, требуемое значение
коэффициента развертки.

20. 3.2.5. Метрологические характеристики осциллографов

2
1. размеры экрана (мм, см, деления);
2. толщина луча (мм);
3. входное сопротивление и входная емкость;
4. полоса пропускания канала вертикального отклонения;
5. чувствительность (значения калиброванных коэффициентов
отклонения по вертикали «В/дел.»);
6. нелинейность и длительность развертки (значения калиброванных
коэффициентов развертки «Время/дел.»);
7. коэффициент отклонения канала горизонтального отклонения
«В/дел.»;
8. погрешности калибратора амплитуды и калибратора временных
интервалов (параметры калиброванного сигнала);
9. отклонения напряжения и частоты питающие осциллограф от сети
переменного тока

21. 3.2.5. Метрологические характеристики осциллографов

1
1. Полоса пропускания или параметры переходной
характеристики. Полоса пропускания – диапазон частот, в
котором АЧХ имеет спад не более 3 дБ относительно значения на
опорной частоте. Опорная частота – частота, на которой спад АЧХ
отсутствует. Значение спада АЧХ в дБ находит из соотношения:
где lfоп - значение изображения на опорной частоте,
lfизм - размер изображения на частоте, для которой измеряется
спад АЧХ.