Светолучевой осциллограф. Электронно-лучевой осциллограф

СВЕТОЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ.

СВЕТОЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ (СЛО) состоит из таких основных блоков: блока осциллографических гальванометров, оптической системы, устройства для визуального наблюдения, фото приставки, лентопротяжного механизма и отметчика времени.

Осциллографический гальванометр (вибратор) является основным элементом СЛО. Он представляет собой малоинерционный миниатюрный магнитоэлектрический механизм (рис. 11.20). Многовитковая рамка  закреплена в узком воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита 3 с помощью двух металлических растяжек 1 и пружинки 5. Растяжки служат также для создания противодействующего момента. Их концы проводятся к зажимам 6, через которые ток подается в рамку. На растяжках укреплено зеркальце2, на которое подается световой луч для регистрации поворота рамки. Использование этого измерителя ограничивает верхний частотный диапазон СЛО (15 кГц).

Оптическая система СЛО представлена на рис. 11.21, . Измеряемый ток подается в рамку осциллографического гальванометра ОГ. Под действием поля постоянного магнита рамки вместе с укрепленным на ее растяжках зеркальцем 3, поворачивается. Луч света от лампы , проходя через линзу и отражаясь от призмы , попадает на зеркальце. Часть отраженного луча через призму  попадает на зеркальный барабан , с поверхностей которого отражается на матовое стекло , что обеспечивает визуальное наблюдение кривой тока.

Рис.11.20                               Рис. 11.21.

Рис. 11.20. Устройство рамочного осциллографического гальванометра:

1-  растяжка; 2- зеркальце; 3- постоянный магнит; 4- подвижная измерительная рамка; 6- зажим.

Рис. 11.21. Устройство светолучевого осциллографа (а) и осциллограмма (б).  

Другая часть луча, отражаясь от зеркальца ОГ, через цилиндрическую линзу  попадает на барабан с фотобумагой  и обеспечивает фоторегистрацию кривой тока.

Сфотографированная запись кривой (рис. 11.21, ) называется осциллограммой. Зная чувствительность гальванометра, выраженную в , измеряют ординаты кривой на осциллограмме и определяют значение измеряемого тока для момента времени.

Масштаб по оси абсцисс на осциллограмме определяют с помощью отметчика времени. Он выписывает под осциллограммой (см. рис. 11.21, ) синусоиду определенной частоты (обычно 500 ). Нулевая линия на осциллограмме выписывается обесточенным гальванометром, на зеркальце которого тоже направляется луч света.

Набор гальванометров, приданный к осциллографу, обычно содержит несколько гальванометров (6,8,12 и более) различной чувствительности и различной частоты собственных колебаний.

СЛО применяют для измерений и записи мгновенных значений токов и напряжений. Для расширения пределов измерения осциллографические гальванометры включают в цепи, подобно амперметрам и вольтметрам, с помощью шунтов и добавочных резисторов. Преимуществами СЛО является возможность одновременного наблюдения и записи нескольких процессов (до 50), а также записи непериодических и однократных процессов. К недостаткам СЛО относятся ограниченный частотный диапазон (до 15 ), сложность подготовки к работе и громоздкость.

СЛО используют при научных исследованиях, для регистрации технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства, медицине и др.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ.                      

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) является универсальным регистрирующим прибором широкого назначения. С его помощью можно наблюдать и документально фиксировать непрерывные, импульсные, непериодические, случайные и мгновенные одиночные электрические сигналы.

Рис.11.21. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа.

Широко применяют ЭЛО для измерения напряжений, частоты, фазового сдвига, временных интервалов, сопротивления и других физических величин, предварительно преобразованных в электрические.

Несмотря на большое разнообразие типов ЭЛО структурные схемы их можно свести к одной (рис. 11.22). В общем случае ЭЛО состоит из электронно- лучевой трубки (ЭЛТ) и трех электрических каналов , , . По каналу  поступает исследуемое напряжение  , вызывающее вертикальное отклонение луча в ЭЛТ, по каналу - напряжение , вызывающее горизонтальное отклонение луча. Одновременное воздействие  и  дает на ЭЛТ осциллограмму, отображающую зависимость . По каналу  подают напряжение для управления яркостью луча. Электронно- лучевая трубка представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом, внутри которого расположены: электронная пушка, состоящая из нити накала , катода  , модулятора  , фокусирующего  и ускоряющего  анодов, две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин  и . На тыльную широкую часть баллона нанесен слой люминофора, образующий экран трубки. Последний способен светиться при попадании на него электронов.

Канал вертикального отклонения  предназначен для передачи исследуемого электронного сигнала на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. В канал входят: делитель напряжения. Усилитель и калибратор амплитуды как вспомогательное устройство.

Делитель напряжения позволяет расширить пределы измеряемых входных напряжений и обеспечить необходимое входное сопротивление ЭЛО. Усилитель осуществляет преобразование измеряемого сигнала до значения, достаточного для отклонения луча по вертикали на весь экран. Калибратор амплитуды используется для калибровки коэффициента усиления усилителя вертикального отклонения и представляет собой генератор прямоугольных импульсов определенного значения и частоты следования. Обычно значение калиброванного сигнала составляет 0,1 и 1 , следующих с частотой 1 или 2 .

Канал горизонтального отклонения  предназначен для формирования линейно изменяющего напряжения, вызывающего отклонения луча ЭЛТ по горизонтали. Он включает в себя генератор развертки, усилитель и блок синхронизации.

Генератор развертки служит для формирования пилообразного напряжения, обеспечивающего постоянную скорость горизонтального перемещения луча. Усилитель обеспечивает значение пилообразного напряжения, достаточного для отклонения луча по горизонтали на весь экран. Блок синхронизации предназначен для принудительного генерирования генераторов развертки напряжения  с частотой, равной или кратной частоте исследуемого сигнала. Только в этом случае может быть получено неподвижное изображение исследуемого сигнала. Управление блоком синхронизации может осуществляться от сети, исследуемым сигналом (внутренняя синхронизация .) и от внешнего источника сигналов (внешняя синхронизация .).

Канал управления яркостью луча  предназначен для формирования и подачи прямоугольных импульсов напряжения в цепь модулятора. Этот канал служит в основном в качестве калибратора длительности для определения времени действия исследуемых периодических и апериодических электрических сигналов, т.е. для расшифровки осциллограммы по горизонтальной оси.

С помощью канала  яркость луча можно отрегулировать так, чтобы при отрицательных значениях прямоугольных импульсов свечения на экране ЭЛТ не было. При этом получается штриховое изображение осциллограммы. Расстояние между началами светлых штрихов пропорционально периоду калиброванного сигнала. Так, если частота калиброванного сигнала составляет 2 , то расстояние между штрихами соответствует 0,5 .

Для обеспечения точности измерения временных интервалов необходима стабильность частоты следования импульсов в цепь модулятора, что достигается использованием генераторов с кварцевой стабилизацией.

Конкретные примеры использования ЭЛО в качестве измерительного прибора достаточно полно рассмотрены в [25].