Электронды-сәулелі түтікше

КІРІСПЕ

 

 

Электронды-сәулелі осциллографтардың, әдетте оларды электронды осциллогрофтар деп атайды, маңызы ен қолдану аясы қазіргі уақытта өте зор. Олардың көмегімен жиілігі жоғары пероидты және ұзақтығы аз, тіпті бір-ақ рет өтетін процестерді зерттеу мүмкіндігі және зерттелетін кернеу көзінен тұтынатын қуатының ескерімсіз аздығы – олардың басты артықшылықтары. Кейбір қазіргі заманғы электронды осциллографтар өзгеру жиілігі 103МГц-ке және ұзақтығы 10-10 с-қа дейінгі процестерді зерттеу мүмкіншілігін туғызды.

Электронды осциллографтардың жұмысы электрондар шоғының қозғалысын зерттелетін кернеудің көмегімен басқаруға негізделген. Өлшеу аспабы ретінде осциллографтардың қателіктері аз болуы тиіс. Бұл үшін оның схемасында сипаттамаларының тұрақтылығын: амплитудалық және фазалық қателіктерін түзетуді, сезгіштігін және уақыттық масштабын мезгіл-мезгіл тексеруді және аспаптың басқа метрологиялық сипаттамаларын жақсартуды көздеген шаралардың орындалуын қамтамасыз ететін құрылғылар қарастырылған.

Электронды-сәулелі түтікше осциллографты басты өлшеу тетігі болып табылады, онда өлшенетін кернеудің мәні электронды сәуленің қозғалысына түрлендіріледі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Электронды-сәулелі түтікше

 

 

 Электронды-сәулелі түтікше (ЭСТ) әрі электронды сәуленің  көзі болып табылады, әрі оның  қозғалысын басқарады.

Электронды-сәулелі түтікше дегеніміз ішінде вакуум жасалған шыны қолба (1.1- сурет). Қыздару жібі (НН) бар катод К, сетка С және анодтар А1, А2-ні электродтар тобы «электронды зеңбірек» деп аталады және электрондардың жіңішке шоғын – электронды сәуле түзеді. Катодтың беті оксид затпен жағылған, ол зат қыздыру жібінің көмегімен қыздырғанда, электрондарын оңай береді.

 

 

1.1-сурет

 

Электронды сәуле қозғалысының аяғында қолбаның кеңейтілген шетінің экран деп аталатын ішкі бетіне келіп түседі. Экран Э арнайы затпен – люминоформен жағылған, бұл зат электрондар келіп соғылғында жарық шығарады, сондықтан, электрондар келіп түскен жерде жарық дақ пайда болады.

Сеткаға катодпен салыстырғанда теріс таңбалы өзгертуге келетін кернеу беріледі. Оның көмегімен сәуледегі электрондар санын өзгертуге, яғни экрандағы дақтың жарықтығын өзгертуге болады. Сондықтан, сетканың потенциалын өзгеретін тұтқа осциллографтың алдыңғы бетіне шығарылады да жанына «Жарықтық» («Яркость») деп жазылады.

Анодтарға катодпен салыстырғанда оң таңбалы кернеу беріледі. Бірінші анодқа берілген кернеудің көмегімен сәуле экранның бір нүктесіне шоғырланады, бұл тұтқаның жанына «фокус» деп жазылады. Екінші анод электрондарға қажетті үдеу береді.

Егер электронды сәулеге оның екінші анод пен экран арасындағы жолында ауытқушы күштер әсер етсе, жарық дақ олардың әсерінен қозғалады. Сонымен, электронды сәуле аспап өлшеу механизмінің қозғалмалы бөлігіне ұқсас, оның ауысулары ауытқытушы пластиналарға келтірілген кернеуге байланысты.

Түтікшенің ауытқытушы жүйесі өзара перпендикуляр жазықтықтарда орналасқан екі жұп пластиналардан тұрады. Горизонталь орналасқан пластиналар сәулені вертикаль бағытта ауытқытады, сондықтан, вертикаль ауытқытушы пластиналар (ВАП) деп аталады және «Ү» деп белгіленеді. Вертикаль орналасқан пластиналар сәулені горизонталь бағытта ауытқытады, сондықтан, горизонталь ауытқытушы пластиналар (ГАП) деп аталады және «Х» деп белгіленеді. Электронды сәуленің ауытқуы пластиналарға келтірілген кернеу жасайтын электр өрісінің әсерінен болады. Электроеды сәуле ауытқушы пластиналардың өрісінен өткен кездегі оның экрандағы жарық дағының бастапқы орнын ауытқуы. (1.2 - сурет)

 

 

 

мұнда U – пластиналарға келтірілген кернеу; L – пластина ортасының экранмен ара қашықтығы; l – пластиналардың электрондардың қозғалу бағытындағы ұзындығы;   - анод А2-нің катодпен салыстырғандағы потенциалы.

 

 

1.2-сурет

 

Электронды сәулелі түтікшенің кернеуді сезгіштігі:

 

 

 

Әмбебап осциллографтарда қолданылатын түтікшелердің сезгіштігі: (0,2-0,5) мм/В сондықтан, жарық дақтың экранда 50мм ауытқуы үшін пластиналарға (100-250)В кернеу беру керек.

Түтікшенің ішкі беті металдың не графиттің өткізгіш қабатымен (акводагпен) жағылады, ол А2-ге қосылады. Бұл қабат электростатикалық экран болып табылады және түтікшені сыртқы электр өрістерінің әсерінен қорғайды. Сыртқы магнит өрістерінен қоғау үшін түтікшені жұмсақ магнитті материалдан, мысалы, пермалойдан жасалған қорап ішіне орналастырады.

Зерттейтін кернеудің экрандағы бейнесі былай жасалады. Зерттелетін кернеу вертикаль ауытқытушы пластиналарға беріледі, яғни сәулені вертикаль бағытта ауытқытады. Егер зерттеуші кернеу ретінде айнымалы кернеу берілсе  экранда оның екі амплитудалық мәніне пропорционал вертикаль түзу кесіндісі пайда болады. Ал зерттелуші кернеудің уақытқа байланысты өзгерісін бақылау үшін дәл осы мезгілде сәуле горизонталь бағытта тұрақты жылдамдықпен жылжуы керек, ол үшін горизонталь ауытқытушы пластиналарға сызықты түрде өзгеретін кернеу беру керек. Яғни, экранда зерттелетін кернеу қисығын тікелей тік бұрышты координаталар жүйесінде бақылау үшін сызықты уақыттық пайдаланылады. Жарық дақты горизонталь бағытта жылжыту үшін падаланылатын сызықты жазба кернеуі периодты бір қалыпты түрде белгілі бір шамаға дейін өседі (1.3 - сурет). Осы өсу уақыты сәуленің тура жүру уақыты tпр

 

 

1.3 – сурет.

 

деп те аталады, содан кейін өте қысқа уақыт мезгілінде бастапқы мәніне қайтып келеді. Сызықты өзгеретін кернеудің азаю уақыты жарық дақтың экранда горизонталь бағытта кері жүруіне сәйкес келеді. Кері жүру уақыты tобр тербелістердің толық Тр периодының ескерімсіз аз бөлігін құрауы керек, яғни tобр<< tпр. Сызықты жазба кернеуі өзгеру қисығының түріне қарай «ара тісі тәрізді» кернеу деп те аталады.

1.4, а – суретте осциллографтың  экранындағы жарық дақтың ВАП-ға  келтірілген зерттелетін сигнал u(t) (1.4, б – сурет) және ГАП-ға  келтірілген жазба кернеуі uр(t) (1.4, в – сурет) әсерінен орын ауыстыру барысы көрсетілген. Жазба кернеуі «ара тісі тәрізді» кернеу болып табылады, тек tобр=0, яғни жазба кернеуінің мәні ең үлкен шамадан ең кіші шамаға дейін лезде өзгереді немесе Тр= tпр деп келісілген. Бастапқы t1 уақыт мезгілінде жарық дақ горизонталь бағытта экран координаталық сеткасының ортасынан х1 қашықтыққа ауысады.

 

Бұл ауысу жазба кернеуінің мәнінен айқындалады, бұл мезгілде х1=Sхuр(t1), 

 

 

1.4 – сурет

 

 мұнда Sх – түтікшенің Х осі бағытындағы сезгіштігі (1.4 – суретте шартты түрде сәуленің экрандағы ауысу масштабы мен кернеу масштабы бірдей етіп алынған). Осы мезгілде сәуле вертикаль бағытта ауыспаған, себебі uр(t1)=0. Сонымен, бұл мезгілде сәуле экранның (1) нүктесіне түсіп тұр.

t2 уақыт мезгілінде сәуленің вертикаль бағытта ауысуы у2=Sуu(t2). Мұндағы Sу – түтікшенің у осі бағытындағы сезгіштігі; х2 – горизонталь бағытта, бұл жарық дақтың экранның 2 нүктесіндегі қалпына сәйкес келеді және т.т. Екінші және одан кейін периодтарда сәуле мен экрандағы дақ өз қозғалыстарын қайталайды. Экран мен көздің жарыққа инерциясы нәтижесінде бейне жыпылықтауы сезілмейді. Қозғалмайтын бейне алудың шарты жазба кернеуі периодының зерттелуші кернеу периодына қатынасы бүтін сан болуы, яғни Тр/Т=N, мұнда N – бүтін сан. Егер N=1, онда экранда зерттелуші кернеудің бір периодының бейнесі көрінеді (1.4,а – сурет). Егер N=2, экранда екі периодтың бейнесі көрінеді және т.т.

 

 

2 Электронды-сәулелі осциллографтың структуралық схемасы

 

 

Осциллографтың құрамында (2.1 – сурет) электронды-сәулелі түтікшеден басқа мынандай негізгі бөліктер бар:

а) вертикаль ауытқытушы канал (Ү канал), оған кернеу бөлгіш (ДН), күшейткіш Уү, кешіктіру линиясы ДЗ жатады;

ә) горизонталь ауытқытушы канал (Х каналы), оған жазба кернеуі генераторы (жазбалау генераторы) ГР, күшейткіш Ух жатады.

Түтікшенің сезгіштігі аз болғандықтан, кішкентай сигналдарды бақылау

 

2.1 – сурет

 

үшін күшейткіштер уү, ух қолданылады, олар күшейткіш коэффициентін үздіксіз өзгертеді. Каналдардың жалпы сезгіштігі кернеу бөлгішінің (ДН) көмегімен секірмелі түрде өзгертіледі. Күшейткіштердің схемасына енгізілген айнымалы резистордың көмегімен сәуленің ауысуын реттеуге болады. Бұл реттеу тетігі осциллографтың алдыңғы панеліне шығарылады, олардың жанына «Ауыстыру ү» («Смещние ү»), «Ауыстыру Х» («Сиещение Х») деп жазылады.

Осциллографтың Х – каналы SА2 ауыстырып қосқышының көмегімен екі режимде жұмыс істейді: «1» қалпында – жазбалау режимі, мұнда жазбалау генераторының ГР кернеуі күшейткіш Ух арқылы горизонталь ауытқытушы пластиналарға (ГАП) беріледі. «2» қалпында – «Х» кірісіне берілген сигналды күшейту режимі.

Егер SА2 ауыстырып қосқышын «2» қалпына қою арқылы жұп пластиналардың екеуіне де айнымалы кернеу берілсе, екі өзара перпендикуляр өрістердің әсерінен электронды сәуле экранда күрделі қисық сызады. Алынатын күрделі қисықтың формасы пластиналарға келтірілген кернеу қисықтарының формасына, фаза ығысу бұрышына және амплитудалары мен жиіліктерінің қатынастарына тәуелді. Егер жиіліктер қатынасы рационалды сан болса, алынатын қисық тұйықталған және экранда қозғалмайтын бейне түрінде көрінеді.

Синхрондау дегеніміз – жазбалау генераторын ГР жиілігі зерттелетін сигналдың жиілігіне тең не еселі жазба кернеуін шығаруға мәжбүр ету процесі. Ол үшін жазбалау генераторының ГР схемасына синхрондаушы сигнал енгізіледі. Осциллографтың алдыңғы бетіне шығарылған ауыстырып қосқыш SА1 жазбалау генераторының жұмысын синхрондайтын сигнал таңдау мүмкіндігін береді. Жазбалау генераторының жұмысын зерттелуші кернеудің көмегімен синхрондау – ішкі синхрондау деп аталады. Жиілігі зерттелуші сигналдың жиілігіне тең не еселі сыртқы кернеудің көмегімен жасалған синхрондау – сыртқы синхрондау деп аталады. Сыртқы синхрондау сигналы ретінде желі кернеуі қолданыла алады.

Жиілігі әр түрлі сигналдарды зерттеу мүмкіндігін қамтамасыз ету үшін жазбалау генераторының ГР жиілігі кең шектерде өзгертілуі тиіс. Әмбебап осциллографтардың көбінде Х осі бойынша масштаб 100мс/см-ден 0,02 мкс/см-ге дейін өзгертіле алады.

Жазбалау генераторы жұмысының негізгі екі режимі бар – үздіксіз және күтуші күтуші жазбалау.

Үздіксіз (периодты) жазбалау режимі үздіксіз периодты сигналдарды зерттеу үшін қолданылады. Бұл жағдайда жазбалау генераторы ГР автотербеліс режимінде істейді, ал синхрондаушы сигнал жазбалау генераторы ГР кернеуінің жиілігін зерттелуші кернеудің жиілігіне тең не еселі етіп жасап және ұстап тұру үшін қолданылады.

Жазбалау генераторының ГР күтуші режимі периодты емес сигналдарды, тығыз емес немесе тіпті жалғыз импульстарды зерттеу үшін қолданылады. Бұл жағдайда жазбалау генераторы ГР «күтуші жағдай» деп аталатын жағдайда болады, ал зерттеуші сигнал келіп түскен кезде жазба кернеуінің тек бір периодын шығарады.

2.2 – суретте ішкі синхрондау  жағдайындағы жазбалау генераторы  жұмысының аталған екі режимі  үшін осциллограф схемасындағы сигналдардың уақыттық диаграммалары келтірілген.

 

 

2.2 – сурет

 

Күшейткіш уү күшейткен, кешіктіру линиясы (ЛЗ) кешіктірген (2.2,б – сурет) зерттелуші сигнал (2.2, а – сурет) вертикаль ауытқытушы пластиналарға келіп түседі. Экранның әжептәуір бөлігін алып тұрған бейне алу үшін жазбалау ұзақтығы Тр импульс ұзақтығы tН -ден біршама артығырақ болуы керек. Егер импульстардың үңгірлігі үлкен болса, онда жазбалау генераторы жұмысының үздіксіз режимінде (2.2, в – сурет) импульс бейнесі горизонталь сызықпен салыстырғанда солғын болады, себебі импульстардың бір периоды өткенше горизонталь сызық көп рет сызылып үлгереді (2.2, г – суретте диаграмманың аяғында көрсетілген көрінетін бейнені жасайтын кадрлар тізбегі келтірілген).

Жазбалау генераторы жұмысының күтуші режимінде (2.2, д – сурет) жарықтығын ұлғайту арқылы зерттелуші импульстің жақсы бейнесін алуға болады. (2.2, е – суретегі диаграммада кадрлар тізбегі мен көрінетін бейне келтірілген).

Бұрын айтылғандай, жазбалау генераторына енгізілетін синхрондаушы сигнал жазбалау генераторы ГР жиілігінің синхрондаушы сигнал жиілігіне тең не еселі болуын қамтамасыз ету үшін қажет. Іс жүзінде жазбалау генераторы шығаратын жазба кернеуі синхрондаушы сигналдан кешігіп басталады. Сондықтан, егер ішкі синхрондау қолданылса және сигнал түтікше пластиналарына жазбалау кернеуінен бұрын келіп түссе№ экркнға сигналдың бастапқы учаскесінің бейнесі түспейді. Кешіктіру линиясының көмегімен сигналды tзап-дан көбірек уақытқа кешіктіру экранда зерттелуші сигналдың толық бейнесін алу мүмкіндігін береді, себебі бұл жағдайда сигнал пластиналарға жазбалау басталғаннан кейін келіп түседі (2.2 – сурет).

 

 

2.1 Осциллографтың техникалық сипаттамалары

 

 

Осциллографтың ең маңызды техникалық сипаттамалары:

а) Ү каналының сезгіштігі (Sү) немесе ауытқу коэффициенті Кү=1/Sү, әдетте Кү= 10мВ/см+20В/см;

ә) Осциллографтың өткізу жолағы, ол Ү каналының АЖС-ның бейқалыптылығы 30% - тен аспайтын жиілік диапазоны;

б) Жазбалау жылдамдықтарының диапазоны;

в) кіру кедергісі (әдетте Rвх=0,5; 1; 10 МОм және Свх=10+50пФ);