Электронно-лучевая трубка

Способ получения сфокусированного луча и схему управления лучом можно пояснить с помощью схемы, представленной на рис. 6.6. Как уже отмечалось, простейшая однолучевая трубка представляет собой вакуумный стеклянный баллон, в котором расположены: подогревный катод К, модулятор (сетка) М, фокусирующий анод А_и ускоряющий анод А₂ и две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин: X — горизонтальные, Y — вертикальные. Внутренняя поверхность дна баллона (экран) покрыта люминофором, светящимся под действием бомбардировки электронами. Совокупность электродов К, М,А],А₂ называется электронной пушкой, которая излучает узкий пучок электронов. Для этого на электроды подаются напряжения, примерные величины которых показаны на рис. 6.6.

Электронное облако, имеющееся около нагретого катода, под воздействием высокого потенциала ускоряющего анода А₂ ускоряется и устремляется к экрану. Интенсивность луча регулируется потенциалом сетки М, фокусировка — первым анодом А\.

Основные характеристики электронно-лучевой трубки — чувствительность, полоса пропускания, длительность послесвечения, площадь экрана.

Чувствительность трубки S_T = LJU_T, где Lj — отклонение луча на экране трубки под воздействием напряжения £/_т, приложенного к паре отклоняющих пластин. Обычно ^порядка 1 мм/в.

С увеличением частоты исследуемого сигнала чувствительность трубки падает. Верхняя граница полосы пропускания ЭЛТ устанавливается на уровне, где чувствительность составляет примерно 0,7 от номинального значения. Для универсальных осциллографов широкого использования эта частота достигает 100 МГц. В современных осциллографах часто применяются многолучевые трубки, что достигается увеличением количества электродов. Более экономичным оказывается использование однолучевого осциллографа в режиме поочередной подачи двух сигналов на отклоняющие пластины (двухканальные осциллографы). За счет эффекта послесвечения трубки и свойств глаза на экране наблюдается одновременное изображение двух сигналов, хотя они подаются поочередно. \

Один из важных параметров ЭЛТ — площадь рабочей части экрана, в пределах которой искажения осциллограммы минимальны. Для улучшения использования площади экрана современные ЭЛТ имеют экран прямоугольной формы.

К световым параметрам ЭЛТ относятся:

- диаметр светового пятна, который при оптимальной яркости опре­деляет разрешающую способность ЭЛТ;

- максимальная яркость свечения экрана — зависит от плотности электронного пучка и регулируется путем изменения отрицательного напряжения на модуляторе;

- цвет свечения экрана — чаще всего используют зеленый и желтый цвета, обеспечивающие наименьшую утомляемость глаз; для фотографирования с экрана применяют ЭЛТ с голубым свечением, к которому более чувствительны фотоматериалы;

- время послесвечения — для улучшения визуального восприятия осциллограммы время свечения экрана должно превышать время воздействия на него электронов. Если требуется наблюдать процессы с частотой более 10 Гц, используют экраны с послесвечением средней продолжительности до 100 мс. Для фоторегистрации более предпочтителен люминофор с малым (0,01 с) послесвечением. При исследовании медленно меняющихся процессов применяют экраны, имеющие послесвечение более 0,1 с.

Как уже отмечалось, напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе появятся искажения исследуемого сигнала (рис. 6.7, а).

Нелинейность рабочего участка развертки прямого хода луча характеризуется коэффициентом нелинейности

физический смысл которого виден из рис. 6.7, б. Коэффициент нелинейности выражает относительное изменение скорости нарастания напряжения в начале и конце рабочего хода развертки. Величина коэффициента нелинейности рабочего участка развертки должна быть не более 1%.

Перечисленным выше требованиям отвечал бы идеальный генератор развертки, упрощенная структурная схема которого показана на рис. 6.8.

т.е. имеет место линейная зависимость.

От источника тока / заряжается бесконечно большая емкость С в течение времени Г_пр, а затем в течение очень малого времени при замкнутом ключе происходит разряд. Время замыкания ключа соответствует времени обратного хода. Тогда напряжение развертки для рабочего участка запишется так:

Однако реальная схема генератора оказывается ближе к схеме, изображенной на рис. 6.9.

Для этой схемы изменение напряжения на конденсаторе в течение рабочего времени определяется формулой

соответствует работе на начальном участке экспоненты, т.е. на линейной части развертки. Это значит, что режим источника напряжения Е должен приближаться к режиму генератора тока.

Практически линейную развертку на экране при ограниченном уровне питающего напряжения Е можно создать в схемах интеграторов на операционном усилителе (рис.

то есть, данное устройство на ОУ будет осуществлять линейное интегрирование напряже­ния развертки.

Запоминающие электронно-лучевые трубки. При исследовании одиночных сигналов и сигналов с большой скважностью используются запоминающие трубки. Эти трубки содержат те же элементы, что и ЭЛТ широкого применения, и дополнительно оснащаются узлом памяти и системой воспроизведения изображения. Узел памяти состоит из двух плоских сеточных электродов, расположенных параллельно экрану (рис. 6.11). Непосредственно у экрана находится мишень, покрытая слоем диэлектрика. Поверх мишени размещен другой электрод в виде сетки с более крупной структурой — коллектор.

Изображение записывается электронным лучом высокой энергии (записывающий луч). Электроны луча оседают на мишени, причем количество заряда пропорционально току луча. При перемещении луча на мишени создается потенциальный рельеф, повторяющий форму осциллограммы. После прекращения действия сигнала потенциальный рельеф мишени сохраняется длительное время. Наблюдать записанное изображение позволяет воспроизводящая система, состоящая из катода К' с подогревателем, анода А₂' и модулятора М' (см. рис. 6.11). Катод трубки создает поток электронов малой энергии, плотность которого регулируется модулятором М'. В результате формируется широкий расфокусированный пучок электронов, равномерно облучающий мишень. Потенциал мишени подобран таким образом, чтобы при отсутствии за­писанного изображения медленные электроны воспроизводящего пучка не могли через нее пройти. При наличии потенциального рельефа в этих точках мишени часть электронов проходит к экрану, вызывая его свечение. На экране появляется осциллограмма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Стирается запись путем подачи на коллектор отрицательного импульса, выравнивающего потенциал мишени.

Можно выделить три режима работы такой ЭЛТ:

• наблюдение сигнала без записи — на коллекторе небольшое положительное напряжение и_кол = +50 В, на мишени нулевой потенциал и_шш= 0, мишень прозрачна для быстролетящих электронов;

• режим записи — £/_кол = + 50 В, на мишень подается положительный потенциал £/_миш = 30 В, и мишень становится менее прозрачна, в результате быстро летящие электроны выбивают вторичные электроны и создают на мишени зарядный положительный рельеф, который может оста-ваться длительное время;

• режим воспроизведения — потенциал мишени снова становится нулевым и„_иш = О, кроме тех мест, где записан рельеф; мишень облучается широким потоком медленно летящих электронов с воспроизводящей I системы, для этого потока мишень прозрачна только в местах рельефа, где записан сигнал.

Запоминающие ЭЛТ характеризуют следующие параметры:

• яркость свечения экрана в режиме воспроизведения — она регулируется напряжением модулятора системы воспроизведения и может быть I высока, так как воспроизведение производится непрерывно;

• время воспроизведения изображения — это время в основном ограничивается устойчивостью потенциального рельефа к ионной бомбардировке; в современных ЭЛТ время воспроизведения может достигать десятков минут;

• время сохранения записи — оно определяется при снятом напряжении с ЭЛТ;

• скорость записи — характеризует быстродействие ЭЛТ в режиме запоминания; определяется временем, необходимым для создания потенциального рельефа достаточной величины.

Современные запоминающие ЭЛТ имеют скорость записи сигналов от 2,5 до 4000 км/с.

Матричная индикаторная панель. Новейшим типом отображающего устройства, применяемого в современных осциллографах с аналого-цифровым и цифровым преобразованием исследуемого сигнала, является матричная индикаторная панель. Она представляет собой совокупность расположенных определенным образом отдельных дискретных излучателей (газоразрядных, жидкокристаллических, твердотельных и т.д.). На рис. 6.12 изображена конструкция матричной газоразрядной панели.

Данное матричное устройство содержит две стеклянные пластины 1, на внешних поверхностях которых напылены тонкие проводящие полоски — аноды 2 и катоды 3. Аноды располагаются на лицевой пластине, через которую проходит световое излучение, поэтому их делают прозрачными. Между пластинами помещается диэлектрическая матрица 4 с отверстиями, образующими газоразрядные (или другие) ячейки в точках перекрестия электродов. Панель заполняют гелий-неоновой смесью и герметизируют. Изображение исследуемого сигнала воспроизводится поочередным свечением газоразрядных ячеек. Для этого со схемы управления панелью в каждый момент времени на аноды и катоды пластин подают соответственно положительный и отрицательный импульсы напряжений поджига. Номер анода, на который подается импульс напряжения поджига, определяет строку развертки, а номер катода — столбец; на их перекрестии располагается светящаяся ячейка панели. Такой принцип управления лучом развертки называют матричным, на практике его реализуют цифровыми методами и устройствами.

Преимуществами матричных индикаторных панелей являются малые габариты и вес, низкие напряжения питания. В них отсутствуют геометрические искажения, светящаяся точка стабильна. Разработаны панели с внутренней памятью, способные не только воспроизводить, но и запоминать изображение сигнала. Цифровой принцип управления позволяет достаточно просто совместить изображение сигнала с цифробуквенной индикацией его параметров на одном экране. К недостаткам матричных индикаторных панелей следует отнести сложность схемы управления, сравнительно невысокую разрешающую способность и низкое быстродействие.

Запоминающие цифровые осциллографы. В последние годы широкое применение в измерительной технике находят запоминающие цифровые осциллографы (ЗЦО). Упрощенная структурная схема запоминающего цифрового осциллографа приведена на рис. 6.13.

Такой осциллограф может работать в двух режимах. Когда сдвоенный переключатель П находится в положении 1, то схема представляет собой обычный универсальный осциллограф, а когда в положении 2 — то схема работает как ЗЦО. Упрощенно принцип его действия можно описать следующим образом.

Исследуемый сигнал u_c(t) со входа Y подается через аттенюатор на информационный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Из контроллера (управляющего устройства) на АЦП поступают также тактовые импульсы U_T с периодом следования Т. При поступлении в не­который момент времени г, одного из них АЦП преобразует амплитуду

сигнала w_c(r,) в двоичный код £/(/,), т.е. набор уровней 0 и 1. В конце такого преобразования АЦП выдает на контроллер соответствующий сигнал. При этом цифровой код передается в определенную ячейку запоминающего устройства (ЗУ).

За время исследования сигнала U(t) в ЗУ накапливаются коды его амплитуд [/(/(), U(tj+T), U(t)+2T) и т.д.; там они могут храниться любое время, поскольку ЗУ, как известно, — энергонезависимое устройство. Для воспроизведения хранимой информации по команде контроллера из памяти ЗУ выбираются (считываются) коды в требуемой последовательности и заданном темпе и подаются на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП каждый код преобразует в соответствующее ему напряжение. Эти напряжения передаются через усилитель на пластины У. Осциллограмма представляет собой набор светящихся точек. Для получения непрерывной осциллограммы после ЗУ устанавливают блок сглаживания (на рис. 6.13 не показан).

Достоинства ЗЦО — неограниченное время хранения информации; широкие пределы скорости ее считывания; возможность замедленного воспроизведения отдельных участков запомненного сигнала; яркие и четкие осциллограммы; возможность обработки информации в цифровом виде на ЭВМ или внутри самого осциллографа.

Основной недостаток ЗЦО — из-за сравнительно невысокого быстродействия АЦП большинство ЗЦО могут запоминать сигналы, имеющие частоту до 1 или 10 МГц.

ЭЛТ как устройство отображения запоминающего осциллографа имеет ряд недостатков: большие габариты (длина), высокие питающие напряжения, сравнительно малая долговечность, невысокая механическая прочность. Поэтому в последние годы в ряде ЗЦО стали использоваться плоские матричные газоразрядные и жидкокристаллические панели.

Двухканальные и двухлучевые осциллографы. Двухканальные осциллографы имеют два идентичных канала вертикального отклонения (вход первого — Y1, второго — Y2) и электронный переключатель (ЭК), который может поочередно подавать выходные сигна­лы каналов на одни и те же пластины Y. В зависимости от управления работой ЭК можно реализовать следующие основные режимы работы осциллографа: одноканальный (на экране виден один сигнал, подаваемый на Y1 или Y2); поочередный (на экране видно оба сигнала за счет переключения ЭК во время каждого обратного хода развертки). На основе двухканального принципа строят многоканальные осциллографы с числом каналов до восьми.

Двухлучевые осциллографы имеют два канала Y и специальную двухлучевую ЭЛТ, в которой есть две электронные независимые пушки и две системы отклоняющих пластин. Горизонтальная развертка лучей общая (от генератора развертки), а вертикальная — каждая от «своего» канала Y, что позволяет наблюдать на экране осциллограммы двух сигналов (без их периодического прерывания, как в двухканальных). Такие осциллографы намного сложнее схемотехнически и дороже двухканальных.

Скоростные и стробоскопические осциллографы

При наблюдении и исследовании коротких импульсов (сигналов наносекундного диапазона) и колебаний СВЧ-диапазона возникает ряд сложностей, которые делают применение обычных осциллографов затруднительным. Можно выделить шесть основных факторов, осложняющих применение для этих целей универсальных осциллографов:

1. Паразитные резонансы, возникающие в цепях, образуемых емкостью пластин и индуктивностью подводящих проводов, включая вводы пластин. Паразитная резонансная частота должна быть намного больше высшей гармоники исследуемого сигнала.

2. Влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта исследуемого сигнала.

3. Влияние конечного времени пролета электронов между пластинами ЭЛТ, которое должно составлять 1...10 не. Если за время нахождения электрона между пластинами сигнал изменится, то отклонение электронного луча будет непредсказуемо.

4. Необходимо иметь очень широкую полосу пропускания канала Y. Полоса пропускания для передачи прямоугольного импульса приближенно может быть рассчитана по формуле А/» 2/т_и. Тогда при длительности импульса т_и = 1 не полоса пропускания Af- 2 ГГц.

5. Для наблюдения наносекундных импульсов и колебаний СВЧ требуются высокие скорости движения луча по экрану. Так, например, для получения изображения импульса длительностью т„ = 5 не на экране ЭЛТ шириной L - 100 мм скорость движения луча должна быть порядка v = 20000 км/с (v = Z./x„ — скорость движения луча, L — размер изображения на экране).

6. Изображение на экране может оказаться очень бледным, поскольку луч вычерчивает осциллограмму с огромной скоростью.

При конструировании скоростных осциллографов требуется учитывать все вышеизложенное. В скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяются специальные ЭЛТ бегущей волны, что в результате не позволяет получить высокую чувствительность канала вертикального отклонения (S_y& 1 мм/В). Создание высокоскоростных разверток также встречает трудности; необходимо поднимать напряжение развертки до нескольких сотен вольт. Существующие серийные скоростные осциллографы имеют верхнюю граничную частоту меньше 10 ГГц.

При исследовании быстротекущих процессов с малой амплитудой напряжения описанные выше скоростные осциллографы не пригодны из-за низкой чувствительности. Эта проблема решается с помощью стробоскопической приставки (преобразователя) к универсальному осциллографу.

Стробоскопический метод осциллографирования позволяет существенно уменьшить скорость развертки по сравнению с той, которая требуется при непосредственном наблюдении исследуемого сигнала на скоростном осциллографе. Стробоскопические осциллографы позволяют наблюдать очень короткие периодические импульсы и высокочастотные колебания. Они обладают большой чувствительностью, т.е. входные сигналы могут иметь малую амплитуду.

Стробоскопическим называют электронный осциллограф, в котором для получения на экране ЭЛТ формы сигнала используется отбор его мгновенных значений (выборки сигнала) и выполняется его временное преобразование, т.е. изображение сигнала дается в увеличенном масштабе времени.

Скорость развертки уменьшают путем трансформации масштаба времени. На экране осциллографа появляется изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличенном временном масштабе. Стробоскопический метод реализуют с помощью амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) исследуемого сигнала.

Принципиальная схема и временные диаграммы стробоскопического осциллографа приведены на рис. 6.14.

Исследуемые импульсы U_c, длительностью т и периодом повторения Г_с, подаются вместе со специальными (очень короткими) строб-импульсами U₂ (они играют роль переносчиков информации о сигнале) на стробоскопический смеситель преобразователя (рис. 6.14, а). Период следования строб-импульсов 7^ = Т_с + At, где At называется шагом считывания. Длительность At выбирается из условия At = т/л (л — целое число). В результате этого преобразования оказывается, что первый строб-импульс совпадает с началом первого импульса U_c (1), 2-й — сдви­нут от начала 2-го (2) импульса С/с на At, 3-й сдвинут от начала 3-го (3) импульса U_c на 2At и т.д. (рис. 6.14, б).

На выходе смесителя появляются короткие импульсы £/₃ (жирные ли­нии с точкой), совпадающие по времени со строб-импульсами (U₂), но имеющие амплитуду, равную амплитуде исследуемых импульсов U_c в момент поступления строб-импульсов U₂. Поэтому импульсы £/₃ называют строб-импульсами, промодулированными по амплитуде исследуемым сигналом U_c (рис. 6.14,6).

Как видно из диаграммы сигнала £/з, огибающая промодулированных строб-импульсов (жирная штриховая линия на рис. 6.14, б) практически ' повторяет форму исследуемых импульсов U_c, но по сравнению с ними растянута во времени. Импульсы £/₃ усиливают, затем расширяют до длительности, меньшей Т_с, и подают через усилитель канала Y на отклоняющие пластины стробоскопического осциллографа. При этом на экране осциллографа с обычными ЭЛТ и пилообразной разверткой наб­людают форму импульсов U_c.

Степень растянутости наблюдаемого импульса во времени (временное преобразование) характеризуется коэффициентом трансформации масштаба времени K_w = лТ^/т, где п — число строб-импульсов, считывающих импульс U_c. Поскольку и = т /At, то

К_гр=Т_арШ. (6.7)

В современных осциллографах K_w достигает десятков тысяч, что позволяет при обычных развертках наблюдать форму наносекундных импульсов.

Полоса пропускания современных стробоскопических осциллогра­фов составляет несколько гигагерц, уровень входного сигнала — от нескольких милливольт до десятков вольт.