Основным узлом осциллографа, выполняющим функцию индикатора, является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Рассмотрим устройство современной электронно-лучевой осциллографической трубки с электростатическим отклонением луча (рисунок 5.5.1).
Рис. 5.5.1 ЭЛТ с электростатическим отклонением
ЭЛТ представляет стеклянную вакуумированную колбу. Экран трубки изнутри покрыт люминофором - веществом, способным светиться под ударами потока электронов. Чем интенсивней поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда он попадает.
Электронный луч создается электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала), катода, модулятора и системы анодов.
При подогреве катода под действием теплового движения с его поверхности вылетают свободные электроны, это явление называется термоэлектронной эмиссией. Электронное облако попадает под воздействие ускоряющего поля, созданного анодами, и устремляется к экрану.
Между катодом и анодами размещается модулятор. Изменяя напряжение на модуляторе можно регулировать плотность потока электронов, летящих к экрану, тем самым регулируется кинетическая энергия электронов, что приводит к изменению яркости свечения люминофора и изображения в целом. Напряжение на модуляторе должно быть отрицательным по отношению к катоду. При некотором напряжении запирания ток электронного луча падает до нуля и пятно на экране трубки исчезает (трубка оказывается запертой).
Распределение потенциала электрические поля, созданного анодами, образует электронные линзы. Благодаря этому пучок электронов довольно большого диаметра (несколько миллиметров), пройдя электронные линзы, фокусируется и принимает форму конуса с острием у экрана трубки. В результате, размеры изображения точки на экране удается довести до долей миллиметра.
Кроме того, анодами обеспечивается нужное ускорение электронов в пучке, благодаря чему достигается необходимая интенсивность бомбардировки люминофора. Для создания достаточного ускорения на ускоряющий анод 2 подается высокое напряжение, которое достигает сотен вольт у малогабаритных трубок и тысяч вольт у большинства трубок умеренных размеров. Для питания ЭЛТ, соответственно, используются высоковольтные источники. Внутреннюю поверхность экрана часто покрывается токопроводящим слоем, в этом случае он играет роль дополнительного анода, ускоряющего электроны уже после отклонения. Такое решение повышает яркость изображения и графическую скорость записи.
Перемещение луча по экрану достигается его смещением относительно оси ЭЛТ. В трубках с электростатическим отклонением луч отклоняется с помощью пары двойных металлических отклоняющих пластин. Если подать на пластины постоянное напряжение, то электронный луч с отрицательным зарядом будет отталкиваться от пластины с отрицательным напряжением и притягиваться к пластине с положительным напряжением. Он будет испытывать отклонение и попадет уже в новую точку экрана. Симметричность подачи отклоняющих напряжений на пару пластин нужна для сохранения хорошей фокусировки луча осциллографической трубки. В этом случае потенциал областей пространства между пластинами не меняется и не влияет на фокусировку луча, как в случае подачи отклоняющих напряжений на одну пластину (при заземленной другой). Для получения парафазных отклоняющих напряжений используются специальные схемы каскадов усиления с симметричным выходом или схемы фазоинверторов.
При подаче напряжения на горизонтально расположенные пластины создается вертикально отклоняющее электрическое поле, световое пятно на экране перемещается параллельно вертикальной оси, соответственно, пластины получили название «Y». При подаче напряжения на вертикально расположенные пластины создается горизонтально отклоняющее электрическое поле, световое пятно смещается по горизонтали, соответственно, пластины называются «X».
Для получения на экране изображения формы сигнала в декартовой системе координат, необходимо обеспечить линейную зависимость между величиной смещающего напряжения и смещением луча по осям «Y» и «Х»:
где hy и Lx– размер отрезка смещения луча вдоль осей «Y» и «Х» при воздействии соответственно напряжений u(y) и u(x),
Кво – коэффициент вертикального отклонения луча,
Кр – коэффициент развертки.
Кво и Кр должны быть Const.
Из данных выражений видно, что задав первоначальное напряжение на пластинах «Y» и «X», можно установить необходимое первоначальное положение луча на экране. Данные напряжения Uy и Ux называются напряжения смещения, на лицевой панели ЭЛТ им соответствуют регуляторы ↔ и ↕ .
Рис. 5.5.2 Схема управления лучом ЭЛТ
В соответствии с ранее сказанным на рисунке 5.5.2 представлена схема управления лучом ЭЛТ. На нить накала обычно подают переменное напряжение, на управляющий электрод (модулятор), постоянное, отрицательной полярности по отношению к катоду. Изменяя напряжение на управляющем электроде (регулятор «Яркость»), можно изменять интенсивность электронного луча от максимальной или рабочей до нулевой.
На аноды подается положительное напряжение, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины, а также «рисующее» на экране форму исследуемых колебаний.
В универсальных осциллографах применяются серийно выпускаемые осциллографические (индикаторные) ЭЛТ. Их параметры нельзя изменять, но некоторые из них надо учитывать при оценке возможности использования конкретного типа ЭО. Отметим некоторые характерные особенности современных осциллографических ЭЛТ:
- колба трубки имеет плоскую или выпуклую область экрана, плоская область дает меньшие геометрические искажения, но худшую фокусировку, чем выпуклая;
- катод имеет нить подогрева, питающуюся чаще всего стандартным напряжением 6,3 В при токе в доли А;
- максимальный ток катода составляет несколько мА, но ток луча у экрана не превышает 0,1 мА (часть электронов потока поглощается анодами и до экрана не доходит);
- для полного запирания трубки на управляющий электрод достаточно подать отрицательное напряжение (относительно катода) порядка десятков В;
- на аноды трубки подаются ускоряющие напряжения в сотни В, меньшее подается на первый анод (вблизи катода);
- угол отклонения луча обычно не превышает 15о, т. к. в противном случае ухудшается фокусировка и чувствительность трубки;
- для уменьшения бликов от внутренней поверхности колбы она выполняется со специальным изгибом и покрывается слоем графита.
Наиболее важными параметрами осциллографических ЭЛТ являются их геометрические размеры, в частности размеры экрана и параметры отклоняющих систем.
Размер трубки принято указывать цифрами в ее названии. Например, 13ЛО37И – это индикаторная трубка с диаметром экрана 13 см и с номером разработки 37. Трубки делаются, как с круглым так и прямоугольным экраном. Прямоугольный экран позволяет сделать трубки меньшего размера и лучше использовать площадь экрана. Однако для повышения прочности у таких трубок приходится увеличивать толщину стекла у экрана, и они получаются более тяжелыми. Современная ЭЛТ с размером экрана 13 см имеет длину до полуметра, что и объясняет большие размеры ЭО с такими трубками.
