Цель работы: Изучение физических процессов методом осциллографирования.

Задачи работы:

1. Изучить устройство и работу электронного осциллографа;

2. Определить чувствительность трубки;

3. Получить фигуры Лиссажу;

4. Проверка градуировки звукового генератора по фигурам Лиссажу.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф ЭО-7, звуковой генератор ЗГ, трансформатор, вольтметр переменного тока, делитель напряжения.

Устройство и работа электронного осциллографа

Электронный осциллограф в основном предназначен для исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с помощью осциллографа можно измерять силу тока и напряжение и их изменение во времени, сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т.д. Электронный осциллограф позволяет наблюдать и фотографировать кратковременные процессы длительностью 10^-6 - 10^-7 сек. Регистрировать столь кратковременные процессы можно потому, что в приборе фиксирующей системой служит практически безинерционный электронный луч.

Осциллограф можно приспособить и для наблюдения низкочастотных периодических процессов, например, колебаний биопотенциалов сердца. Такой прибор, называемый электрокардиоскопом, применяется при операциях, т.к. дает возможность непрерывно следить за работой сердца больного по электрокардиограмме, получаемой на экране электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевой осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки, генератора развертки, двух усилителей и блока питания.

Для ознакомления с работой осциллографа разберем назначение каждой его части.

Электронно-лучевая трубка

Важнейшим элементом катодного осциллографа является электронно-лучевая трубка, которая внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы с высоким вакуумом.

Электронно-лучевая трубка дает возможность получить узкий, сфокусированный пучок электронов.

Рисунок 1 - Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевые трубки могут быть двух типов: электростатические и магнитные. В трубках первого типа фокусировка и отклонение луча осуществляются электрическим полем, в трубках второго типа – магнитным.

В данной работе применяется осциллограф с электростатической электронно-лучевой трубкой.

Электронно-лучевая трубка (рис.1) состоит из электронной пушки (на рисунке выделена пунктиром), дающей пучок электронов, двух пар отклоняющих пластин П_х и П_у, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, и флуоресцирующего экрана ФЭ.

Электронная пушка позволяет получить узкий сфокусированный поток электронов. Она состоит из накаливаемого катода К, управляющего электрода УЭ и двух анодов а₁ и а₂ (а₁ – фокусирующий анод, а₂ – ускоряющий анод).

В электронно-лучевых трубках применяется накаливаемый катод с оксидным покрытием для увеличения термоэлектронной эмиссии. Для излучения электронов только в одном направлении катод делается в виде маленького металлического цилиндра с оксидным покрытием с торца.

Рисунок 2 – Действие управляющего электрода

Металлический цилиндр одет на тонкую фарфоровую трубочку, внутри которой помещается нить подогрева. Катод электронно-лучевой трубки окружен металлическим цилиндром (сеткой) с отверстием (диафрагмой) в торце, через которое могут проходить электроны. Этот цилиндр называется управляющим электродом. Управляющий электрод служит для регулировки количества электронов в электронном пучке, т.е. позволяет регулировать яркость пятна на экране. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительного катода.

Действие управляющего электрода на электроны состоит в следующем. Электрон, вылетая из катода в направлении к точке А (рис 2), попадает в электростатическое поле. На рисунке показано направление сил F, действующих на электрон со стороны электрического поля управляющего электрода. Вследствие отрицательного заряда электрона эти силы направлены противоположно вектору напряженности электрического поля управляющего электрода, т.е. от минуса к плюсу.

Под действием сил электростатического поля электрон отклонится от первоначального направления своего движения к центру торца управляющего электрода (точка Б).

Аналогичное явление произойдет с электроном, вылетающим в направлении к точке В. В точке Б пути всех электронов пересекутся, и, следовательно, все электроны будут собраны в узкий пучок.

Если увеличить отрицательный потенциал управляющего электрода, то электростатическое поле будет сильнее отклонять электроны, и часть их уже не сможет пройти через отверстие О управляющего электрода. Таким образом, меняя число электронов в электронном луче, можно регулировать яркость пятна на экране.

При удалении от точки Б электронный луч снова расходится, так как напряженность поля внутри первого анода близка к нулю.

Для получения узкого луча после точки Б требуется дополнительная фокусировка. Эта фокусировка осуществляется с помощью двух цилиндрических анодов а₁ и а₂. Оба анода имеют положительный потенциал относительно катода. Второй анод имеет более высокий потенциал по сравнению с первым, поэтому между анодами создается некоторое ускоряющее электростатическое поле, которое ускоряет электроны и концентрирует их в узкий луч, иными словами, ускоряющее поле препятствует рассеянию электронов.

По выходе из второго анода сфокусированный электронный луч проходит две пары отклоняющих пластин (конденсаторов) П_у и П_х, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Горизонтально расположенные пластины П_у служат для отклонения луча в вертикальном направлении и называются вертикально отклоняющими пластинами. Вторая пара пластин П_х служит для отклонения луча в горизонтальном направлении и называется горизонтально отклоняющими пластинами.

При подведении к двум параллельным пластинам (конденсаторам) постоянного напряжения между пластинами возникает однородное электростатическое поле.

Электронный луч, проходя через электростатическое поле между двумя конденсаторами, отклоняется от своего первоначального пути. Он как бы «притягивается» к пластине с большим потенциалом. Это свойство электростатического поля позволяет перемещать электронный луч по экрану под действием напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки. Величина отклонения электронного луча зависит от скорости движения электронов и от величины напряжения, приложенного к пластинам.

В каждой данной трубке скорость потока электронов и расстояние между пластинами и экраном постоянны, поэтому величина отклонения пятна на экране будет зависеть только от напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам. Если к одной паре отклоняющих пластин подвести постоянное напряжение, то пятно переместится на величину, пропорциональную этому напряжению. Если постоянное напряжение подвести ко второй паре пластин, то пятно переместится на экране в направлении, перпендикулярном направлению первого смещения. Если одновременно подводятся постоянные напряжения к соответствующим отклоняющим пластинам, то пятно окажется в вершине прямоугольника, построенного на перемещениях пятна в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если же одновременно к обоим конденсаторам П_у и П_х подвести переменное синусоидальное напряжение разных частот, то на экране будут получаться так называемые фигуры Лиссажу. Таким образом, одновременное действие обеих пар отклоняющих пластин на электронный луч позволяет наблюдать на экране изменение исследуемого напряжения во времени. Пройдя отклоняющие пластины, электронный луч попадает на экран. Экран электронно-лучевой трубки представляет собой слой флуоресцирующего вещества, нанесенного на внутреннюю сторону трубки. При ударе об экран энергия электрона частично расходуется на выбивание электронов из поверхности, на которую он падает, частично на разогрев этой поверхности, а частично превращается в световую энергию. Электрон, попадая на поверхность, покрытую флуоресцирующим слоем, приводит в возбужденное состояние атомы и молекулы этого слоя. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы и молекулы испускают свет. Это явление носит название люминесценции.

Процессы люминесценции (свечение поверхности при ударе об нее электронов) по длительности свечения разделяются на флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция характеризуется малым временем свечения. Фосфоресценция – это способность вещества продолжать длительное свечение после прекращения действия электронов.

В некоторых электронно-лучевых трубках для наблюдения периодических процессов низкой частоты используются материалы, обладающие способностью длительного свечения. Различные вещества, покрывающие экран, дают свечение того или иного цвета. У трубок для визуального наблюдения свечение зеленое или желтое, а у трубок для фотографирования осциллограмм свечение синее.

Если предположить, что отклоняющие пластины каждого конденсатора параллельны друг другу и разность потенциалов между ними равна нулю, то электроны луча, обладающие по выходе из второго анода скоростью ν, будут двигаться вдоль оси трубки и попадут на экран в точке О (рис. 3). При подведении к отклоняющим пластинам некоторой постоянной разности потенциалов электронный луч уже не попадет в точку О экрана, а будет смещен и попадет в некоторую точку А экрана, отстоящую от начального положения светящегося пятна на расстоянии у.

Теоретические расчеты показывают, что отклонение пятна на экране может быть определено по формуле

                                                                                         (1)

где U_y – напряжение, подведенное к отклоняющим пластинам;

l – длина пластины в направлении оси трубки;

L – расстояние от центра отклоняющих пластин до экрана;

U_a – напряжение на втором аноде относительно катода;

d – расстояние между пластинами.

Рисунок 3 – Движение электронов при выходе из 2 анода

В готовой трубке размеры l, L, d являются постоянными, поэтому, если она работает при фиксированном напряжении на втором аноде, равном U_a, формуле (1) можно придать вид:

                                                                                             (2)

где   - постоянная величина.

Коэффициент пропорциональности h_y называют статической чувствительностью трубки по напряжению. Чувствительность трубки по напряжению при заданном напряжении второго анода представляет собой величину отклонения электронного луча на экране (обычно в миллиметрах), получающегося при изменении напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам, на 1 В.

Генератор развертки

Вторым важным элементом электронно-лучевого осциллографа является генератор развертки. Генератор развертки представляет собой радиотехническое устройство, позволяющее получить напряжение развертки. Генератор развертки позволяет перемещать электронный луч вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью.

Если исследуемое напряжение имеет периодический характер, то для наблюдения на экране формы кривой этого напряжения его подводят к пластинам П_у, а на пластины П_х подают периодическое напряжение, изменяющееся по какому-либо временному (желательно простому) закону. Это последнее напряжение называется напряжением развертки. Обычно напряжение развертки, используемое в осциллографах, изменяется во времени либо по линейному, либо по синусоидальному закону. Наиболее часто используется напряжение развертки, изменяющееся по линейному временному закону.

На рис. 4 в качестве примера линейного развертывающего напряжения изображено так называемое пилообразное напряжение.

Рисунок 4 – Пилообразное напряжение

Пилообразным оно называется потому, что форма его кривой напоминает зубцы пилы. Оно характеризуется тем, что увеличение напряжения пропорционально времени и происходит в течение периода времени Т₁, спадание же напряжения от наибольшего его значения U_m до исходной величины происходит в течение времени T₂. Так как время Т₂ много меньше Т₁, то спадание напряжения происходит практически мгновенно. Под действием такого напряжения электронный луч отклоняется в одном направлении пропорционально времени (так называемый прямой или рабочий ход), а затем практически мгновенно возвращается в исходное положение (обратный ход). Обычно на время обратного хода луч гасится. Таким образом, на экране виден только прямой ход.

Если продолжительность такого перемещения электронного луча по экрану равна одному периоду исследуемого напряжения, приложенного к вертикально отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки, то на экране при одновременном действии обоих напряжений появится кривая, воспроизводящая один период исследуемого напряжения. Если частота исследуемого напряжения равна f, а частота напряжения развертки f : n, то на экране мы получим n периодов исследуемого напряжения. Если деление f на n производится без остатка, т.е. частоты исследуемого напряжения и напряжения развертки кратны друг другу, то на экране мы получим неподвижное изображение. В противном случае изображение на экране осциллографа будет медленно передвигаться.

Перемещение изображения по экрану нежелательно, так как при этом затрудняется наблюдение за изображением. Для устранения этого недостатка применяется синхронизация частоты генератора с частотой какого-либо постороннего стабильного источника напряжения. Благодаря синхронизации генератор развертки вынужден будет работать точно с такой же частотой, как и исследуемый сигнал, что вызовет устойчивость изображения на экране. Синхронизировать генератор развертки можно либо частотой исследуемого напряжения, либо частотой переменного напряжения, взятого от сети, либо частотой какого-нибудь внешнего напряжения. Для этой цели осциллограф снабжен переключателем рода синхронизации (переключатель «Синхронизация») и зажимами для подключения внешнего источника напряжения синхронизирующей частоты («Внешняя синхронизация»).

Блок питания

Блок питания включает в себя ряд устройств, которые обеспечивают питание энергией электронно-лучевую трубку, генератор развертки, вертикальный и горизонтальный усилители и другие части прибора.