Краткая теория. ЭО – электроизмерительный прибор, предназначенный для наблюдения и исследования электрических процессов

ЭО – электроизмерительный прибор, предназначенный для наблюдения и исследования электрических процессов. С помощью ЭО можно исследовать форму кривых, описывающих процесс, сравнивать амплитуду и частоту различных переменных напряжений и т.д. Применяя, специальные преобразователи, с помощью ЭО можно также исследовать быстрые неэлектрические процессы, например, механические колебания.

Достоинством ЭО является его высокая чувствительность, что позволяет исследовать процессы, длительность которых порядка 10^-6-10^-8 с.

Целью настоящей работы является ознакомление с принципом действия ЭО, с функционированием его структурных блоков и с их взаимодействием, ознакомление с некоторыми областями применения ЭО. Блок-схема ЭО представлена на рисунке 17.1.

ЭО имеет два входа. Сигнал, поданный на вход 1, поступает на усилитель, Ү₁ а затем подается на вертикально отклоняющую систему электронно-лучевой трубки. Сигнал, поданный на вход 2, поступает на усилитель Ỵ₂, а затем подается на горизонтально отклоняющую систему электронно-лучевой трубки. В дальнейшем вход 1 будем называть Ỵ-входом, вход 2 – X-входом.

Электронно-лучевая трубка

Основной блок ЭО – электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), в которой возникает и форсируется электронный луч. Там же расположены системы, с помощью которых можно управлять движением луча, отклоняя его в вертикальном и горизонтальном направлениях. Движущийся луч оставляет на экране трубки, покрытом специальным составом, светящийся след. Промышленность выпускает два вида трубок: трубки с электростати ческим и трубки с электромагнитным управлением. В первом случае для отклонения электронного луча используют электрическое поле, во втором – магнитное. Фокусировка луча также бывает электростатической и электромагнитной. В ЭО используются трубки с электростатическим отклонением и фокусировкой. Их описанием мы и ограничимся. Схематически трубка изображена на рисунке 17.2.

ЭЛТ состоит из стеклянной колбы и впаянных в нее электродов. Источником электронов служит катод (2), подогреваемый спиралью (1). Электрод (3), выполненный в виде цилиндра, имеет отрицательный потенциал относительно катода и является управляющим яркостью изображения электродом (модулятор). Изменением потенциала модулятора можно регулировать плотность электронов в пучке и тем самым менять яркость светящегося пятна на экране трубки (9).

Первый (фокусирующий) анод (4), потенциал которого ниже катода (2), служит для фокусирования электронного луча. Регулируя потенциал первого анода, можно получить на экране трубки четкое изображение ярко светящейся точки. Выйдя из 2-го анода (ускоряющего), электронный луч проходит между двумя парами горизонтально-отклоняющих (6) и вертикально-отклоняющих (7) пластин. Если на любую пару пластин подать напряжение, то электронный луч отклонится от своего первоначального направления, так как электроны будут притягиваться к пластине, заряженной положительно и отталкиваться от пластины, заряженной отрицательно.

В некоторых трубках имеется третий анод (8) – ускоритель, представляющий собой проводящий слой на боковой поверхности колбы вблизи экрана.

Подогреватель, катод, управляющий электрод и первые два анода образуют так называемую пушку (рис. 17.3).

Управляющий электрод и система анодов образуют фокусирующую систему. На рисунке 17.3 штрихованными линиями показаны траектории электронов, а сплошными – эквипотенциальные линии электрического поля, образующегося при подаче напряжения на аноды трубки. Потенциал первого анода относительно катода обычно в несколько раз меньше потенциала второго анода (относительно катода).

Фокусирующее действие однородных электрических полей поясняет рисунок 17.4.

Движущийся в однородном электрическом поле электрон подлетает со скоростью к эквипотенциальной линии с потенциалом . Его скорость составляет угол , с направлением электрического поля (с нормалью к эквипотенциальной линии). Разложим скорость на компоненты и , где , . При переходе к следующей эквипотенциальной линии с потенциалом составляющая скорости не претерпевает изменений, так как в этом направлении электрическое поле не действует, а изменяется.

Пусть , тогда и траектория электрона приближается к силовой линии электрического поля. Из соотношения следует, что или

. (17.1)

Пусть скорость электрона при нулевом потенциале близка к нулю, тогда кинетическая энергия электрона на первой эквипотенциальной линии пропорциональна ее потенциалу , а кинетическая энергия на второй эквипотенциальной линии пропорциональна . Замечая, что скорость пропорциональна корню из энергии, получим

. (17.2)

Формула (17.2) определяет «преломление» траектории электрона в электрическом поле и аналогична закону преломления света. Рассмотрим этот аналог.

В ускоряющем электрическом поле действие эквипотенциальных поверхностей, направленных выпуклостью к катоду, равносильно действию собирающей линзы: траектории электронов изгибаются в направлении к оси системы. Действие эквипотенциальных поверхностей, выпуклость которых направлена от катода, равносильно действию эквивалента двум выпуклым линзам, как это изображено на рисунке 17.5.

Размеры электродов и напряжения на них выбраны таким образом, что собирающий эффект преобладает, и электроны фокусируются на экран. Меняя напряжение на первом аноде, можно изменить конфигурацию эквипотенциальных поверхностей, а значит и фокусное расстояние системы.

Развертка

Различают два основных режима работы осциллографа. В первом режиме на - и - входы подаются два внешних сигнала. Переключатель S (рис.1) установлен в положение 1. В результате сложения двух этих сигналов, действующим по двум взаимно перпендикулярным направлениям, на экране ЭЛТ появляется линия. Во втором режиме на - вход подается один внешний сигнал. Переключатель S поставлен в положение 2. На усилитель подается выходное напряжение генератора развертки, обеспечивающего перемещение луча в горизонтальном направлении по линейному закону. На экране ЭЛТ возникает линия, характеризующая изменение внешнего сигнала во времени. График изменения во времени напряжения развертки изображен на рисунке 17.6.

Напряжение изменяется пропорционально времени лишь на участке прямого хода луча. За это время электронный луч смещается по экрану трубки слева направо. За время обратного хода луч возвращается в крайнее левое положение. В это время на управляющий электрод подается отрицательное напряжение, гасящее луч. Для улучшения линейности пилообразное напряжение делают симметричным относительно нуля, так что при выключенной развертке луч находится в центре экрана.

Синхронизация

При наблюдении периодических и, особенно, быстропротекающих процессов важно получать на экране осциллографа неподвижное изображение сигнала. Для этого нужно, чтобы период развертки был кратен периоду изучаемого сигнала. Однако, как правило, точное соотношение периодов соблюсти трудно из-за нестабильности генератора развертки или самого изучаемого процесса. Поэтому используют принудительное согласование периодов – синхронизацию, при которой изучаемое напряжение «навязывает» свой период генератору развертки.

Методика измерения чувствительности трубки к напряжению

Рассмотрим действие отклоняющихся пластин на движущиеся заряды (рис. 17.7).Пусть электрон со скоростью - влетает в однородное электрическое поле пары пластин и движение вдоль оси , т.е. перпендикулярно к линиям напряженности электрического поля. Электрическое поле второй пары пластин будем пока считать равным нулю. Движение электрона вдоль оси – равномерное, а вдоль оси – равноускоренное:

, . (17.3)

Ускорение, а можно найти с помощью второго закона Ньютона:

. (17.4)

Из (17.1) и (17.2) найдем смещение электрона вдоль оси :

. (17.5)

Как следует из (17.5), траектория электрона между отклоняющими пластинами представляет собой параболу. На выходе из пластин траектория отклоняется от первоначального направления на расстояние h₁ и на угол :

, , (17.6)

где – длина пластин.

Выйдя из пластин, электрон движется по прямой. Отклонение h электронного пятна на экране осциллографа получим на рисунках:

(17.7)

Обозначим расстояние от середины пластин до экрана через L. Тогда

(17.8)

Скорость , которую имеют электроны, проходящие через пластины, определяется напряжением между катодом и вторым анодом:

(17.9)

Напряженность поля между отклоняющими пластинами

, (17.10)

где – разность потенциалов между пластинами,

– расстояние между ними.

Окончательно из (17.10) получим:

. (17.11)

Таким образом, смещение луча, пропорционально отклоняющему напряжению. Коэффициент пропорциональности в (17.11) называется чувствительностью трубки к напряжению:

(17.12)

Аналогично вычисляется чувствительность трубки к напряжению на второй паре пластин.