Задачи работы
- общее знакомство с устройством и принципом действия электронных осциллографов,
- определение чувствительности осциллографа,
- 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),
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.
На экран электронно-лучевой трубки люминофоры наносятся в виде крошечных точек, причем эти точки собираются по три; в каждой тройке, или триаде, имеются одна красная, одна синяя и одна зеленая точки. На рисунке я вам показал несколько таких триад. Всего на экране трубки имеется около 500 тысяч триад. Картина, которую вы видите в телевизоре, вся состоит из светящихся точек. Там, где детали изображения более светлые, на точки попадает больше электронов, и они светятся ярче. На темные места изображения электронов попадает, соответственно, меньше. Если в цветном изображении имеется белая деталь, то повсюду в пределах этой детали все три точки в каждой триаде светятся с одинаковой яркостью. Наоборот, если в цветном изображении имеется деталь красного цвета, то повсюду в пределах этой детали светятся только красные точки каждой триады, а зеленые и синие не светятся совсем.
Вы поняли, что значит создать цветное изображение на экране телевизора? Это, во-первых, заставить электроны попадать в нужные места, то есть на те люминофорные точки, которые должны светиться, и не попадать в другие места, то есть на те точки, которые светиться не должны. Во-вторых, электроны должны попадать в нужные места в нужное время. Ведь изображение на экране постоянно меняется, и там, где в какой-то момент, например, было ярко-оранжевое пятно, через мгновение должно появиться, скажем, темно-фиолетовое. Наконец, в-третьих, в нужное место и в нужное время должно попадать нужное количество электронов. Больше - туда, где свечение должно быть ярче, и меньше - туда, где свечение темнее.
Поскольку на экране размещается почти полтора миллиона люминофорных точек, задача на первый взгляд представляется исключительно сложной. На самом деле - ничего сложного. Прежде всего в электронно-лучевой трубке имеется не один, а три отдельных нагретых катода. Точно таких, как в обычной электронной лампе. Каждый катод испускает электроны, и вокруг него создается электронное облачко. Около каждого катода находятся сетка и анод. Количество электронов, прошедших сквозь сетку к аноду, зависит от напряжения на сетке. Пока все происходит, как в обычной трехэлектродной лампе - триоде.
Какое отличие? Анод здесь не сплошной, а с отверстием в самом центре. Поэтому большинство электронов, движущихся от катода к аноду, не задерживается на аноде - они вылетают через отверстие наружу в виде круглого пучка. Конструкция, состоящая из катода, сетки и анода, так и называется: электронная пушка. Пушка как бы выстреливает пучком электронов, а количество электронов в пучке зависит от напряжения на сетке.
Нацелены электронные пушки так, чтобы пучок, вылетающий из первой пушки, всегда попадал только в красные точки триад, пучок из второй пушки - только в зеленые точки, а пучок из третьей пушки - только в синие точки. Таким образом решается одна из трех задач по образованию цветного изображения. Подавая нужные напряжения на сетки каждой из трех пушек, устанавливают нужные интенсивности красного, зеленого и синего свечения, а значит, обеспечивают нужную окраску каждой детали изображения.
.
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.
Пожалуй, нет такого человека, который бы в своей жизни не сталкивался с приборами, в конструкцию которых входит электронно-лучевая трубка (или ЭЛТ). Сейчас подобные решения активно вытесняются своими более современными аналогами на основе жидкокристаллических экранов (ЖК). Однако существует ряд областей, в которых электронно-лучевая трубка по-прежнему является незаменимой. Например, в высокоточных осциллографах ЖК использовать нельзя. Тем не менее, очевидно одно - прогресс устройств отображения информации в конечном итоге приведет к полному отказу от ЭЛТ. Это вопрос времени.
История появления
Первооткрывателем можно считать Ю. Плюккера, который в 1859 году, изучая поведение металлов при различных внешних воздействиях, обнаружил явление излучения (эмиссии) элементарных частиц - электронов. Формируемые пучки частиц получили название катодных лучей. Также он обратил внимание на возникновение видимого свечения некоторых веществ (люминофор) при попадании на них электронных лучей. Современная электронно-лучевая трубка способна создавать изображение именно благодаря этим двум открытиям.
Через 20 лет опытным путем было установлено, что направлением движения излучаемых электронов можно управлять воздействием внешнего магнитного поля. Это легко объяснить, если вспомнить, что перемещающиеся носители отрицательного заряда характеризуются магнитным и электрическим полями.
В 1895 году К. Ф. Браун доработал систему управления в трубке и тем самым сумел менять вектор направленности потока частиц не только полем, но и особым зеркалом, способным вращаться, что открыло совершенно новые перспективы использования изобретения. В 1903 году Венельт разместил внутри трубки катод-электрод в виде цилиндра, что дало возможность управлять интенсивностью излучаемого потока.
В 1905 году Эйнштейн сформулировал уравнения расчета фотоэффекта и через 6 лет было продемонстрировано работающее устройство передачи изображений на расстояния. Управление лучом осуществлялось а за величину яркости отвечал конденсатор.
Во время начала производства первых моделей ЭЛТ промышленность была не готова создавать экраны с большим размером диагонали, поэтому в качестве компромисса применялись увеличительные линзы.
Устройство электронно-лучевой трубки
С тех пор устройство было доработано, однако изменения носят эволюционный характер, так как ничего принципиально нового в ход работы добавлено не было.
Стеклянный корпус начинается трубкой с конусообразным расширением, образующим экран. В устройствах цветного изображения внутренняя поверхность с определенным шагом покрыта тремя видами люминофора дающими свой цвет свечения при попадании пучка электронов. Соответственно, есть три катода (пушки). Для того чтобы отсеять расфокусировавшиеся электроны и обеспечить точное попадание нужного луча в нужную точку экрана, между катодной системой и слоем люминофора размещают стальную решетку - маску. Ее можно сравнить с трафаретом, отсекающим все лишнее.
С поверхности подогреваемых катодов начинается эмиссия электронов. Они устремляются в сторону анода (электрод, с положительным зарядом), подключенного к конусной части трубки. Далее пучки фокусируются специальной катушкой и попадают в поле отклоняющей системы. Проходя через решетку, падают на нужные точки экрана, вызывая преобразование своей в свечение.
Мониторы с электронно-лучевой трубкой нашли широкое применение в составе компьютерных систем. Простота конструкции, высокая надежность, точная цветопередача и отсутствие задержек (тех самых миллисекунд реакции матрицы в ЖК) - вот их основные преимущества. Однако в последнее время, как уже указывалось, ЭЛТ вытесняется более экономными и эргономичными ЖК-мониторами.