Лінійний електронний осцилограф | CRO

Що таке катодний лінійний осцилограф

Катодний лінійний осцилограф (CRO) — це прилад, який загалом використовується в лабораторії для відображення, вимірювання та аналізу різних форм сигналів електричних кіл. Катодний лінійний осцилограф — це дуже швидкий X-Y графопобудовник, який може відображати вхідний сигнал у залежності від часу або іншого сигналу.

Катодні лінійні осцилографи використовують світлячі точки, які створюються за допомогою удару електронного пучка, і ця світляча точка рухається відповідно на зміни вхідної величини. В цей момент у нас може виникнути питання, чому ми використовуємо лише електронний пучок? Причиною є низькі ефекти електронного пучка, які можна використовувати для відстеження змін миттєвих значень швидко змінювої вхідної величини. Загальні форми катодних лінійних осцилографів працюють на напругах.

Таким чином, вхідна величина, про яку ми говорили вище, — це напруга. Зараз, завдяки перетворювачам, можливо перетворити різні фізичні величини, такі як стрімкість, тиск, прискорення тощо, на напругу, що дозволяє нам мати візуальні представлення цих різних величин на катодному лінійному осцилографі. Тепер давайте подивимось на конструктивні деталі катодного лінійного осцилографа.

Конструкція катодного лінійного осцилографа

Основною частиною катодного лінійного осцилографа є катодний лінійний трубка, яка також відома як серце катодного лінійного осцилографа.

Давайте обговоримо конструкцію катодної лінійної трубки, щоб зрозуміти конструкцію катодного лінійного осцилографа. Основною частинами катодної лінійної трубки є п'ять основних частин:

1. Електронний пушка

2. Система відхилення пластин

3. Флюоресцентний екран

4. Стікло оболонка

5. Основа

Вам потрібні всі ці 5 компонентів, щоб побудувати свій власний DIY осцилограф. Тепер обговоримо ці 5 компонентів детально:

Електронна пушка:
Це джерело прискореного, енергетизованого та фокусованого пучка електронів. Вона складається з шести частин, а саме нагрівач, катод, сітка, попередній анод, фокусувальний анод і прискорювальний анод. Для отримання високої емісії електронів шар оксиду барію (який нанесений на кінець катода) опосередковано нагрівається до середньої температури. Електрони потім проходять через маленьку дірку, яка називається контрольною сіткою, яка виготовлена ​​з нікелю. Як видно з назви, контрольна сітка зі своїм негативним зсувом контролює кількість електронів, або, іншими словами, інтенсивність емітованих електронів з катода. Після проходження через контрольну сітку ці електрони прискорюються за допомогою попереднього та прискорювального анодів. Попередній та прискорювальний аноди підключені до спільного позитивного потенціалу 1500 вольт.

Тепер після цього функцією фокусувального анода є фокусування утвореного пучка електронів. Фокусувальний анод підключений до регульованого напруги 500 вольт. Існують два методи фокусування пучка електронів, які наведені нижче:

1. Електростатичне фокусування.

2. Електромагнітне фокусування.

Тут ми розглянемо метод електростатичного фокусування детально.

Електростатичне фокусування
Ми знаємо, що сила, що діє на електрон, визначається формулою – qE, де q — заряд електрона (q = 1,6 × 10-19 К), E — інтенсивність електричного поля, а знак мінус показує, що напрямок сили протилежний напрямку електричного поля. Тепер ми будемо використовувати цю силу для відхилення пучка електронів, що виходять з електронної пушки. Розглянемо два випадки:

Випадок один
У цьому випадку у нас є дві пластини A і B, як показано на малюнку.

Пластина A знаходиться на потенціалі +E, а пластина B — на потенціалі –E. Напрямок електричного поля від пластини A до пластини B перпендикулярний поверхням пластин. На діаграмі також показані еквіпотенціальні поверхні, які перпендикулярні напрямку електричного поля. Коли пучок електронів проходить через цю систему пластин, він відхиляється в протилежному напрямку електричного поля. Кут відхилення можна легко змінювати, змінюючи потенціали пластин.

Випадок другий
Тут ми маємо два концентричні циліндри з різницею потенціалів, яка прикладена між ними, як показано на рисунку.

Напрямок електричного поля та поверхні рівного потенціалу також показані на рисунку. Поверхні рівного потенціалу позначені пунктирними лініями, які мають вигнуту форму. Тепер нас цікавить обчислення кута відхилення електронного пучка, коли він проходить через цю вигнуту поверхню рівного потенціалу. Розглянемо вигнуту поверхню рівного потенціалу S, яка показана нижче. Потенціал праворуч від поверхні становить +E, а ліворуч – -E. Коли пучок електронів падає під кутом A до нормалі, то він відхиляється на кут B після проходження поверхні S, як показано на рисунку нижче. Нормальна компонента швидкості пучка збільшиться, оскільки сила діє в напрямку, перпендикулярному поверхні. Це означає, що дотичні швидкості залишаться такими самими, тому, прирівнюючи дотичні компоненти, ми отримуємо V1sin (A) = V2sin(B), де V1 — початкова швидкість електронів, V2 — швидкість після проходження поверхні. Тепер у нас є співвідношення sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
З вищенаведеного рівняння можна побачити, що після проходження поверхні рівного потенціалу відбувається згинання електронного пучка. Тому ця система також називається фокусуючою системою.

Електростатичне відхилення
Щоб знайти вираз для відхилення, розглянемо систему, показану нижче:


У цій системі ми маємо дві пластини A і B, які знаходяться на потенціалах +E і 0 відповідно. Ці пластина також називаються пластинами відхилення. Поле, створене цими пластинами, спрямоване в напрямку додатньої осі y, і немає сили вздовж осі x. Після пластин відхилення ми маємо екран, через який можемо виміряти загальне відхилення електронного пучка. Тепер розглянемо пучок електронів, що приходить вздовж осі x, як показано на малюнку. Пучок відхиляється на кут A через присутність електричного поля, і відхилення відбувається в додатному напрямку осі y, як показано на малюнку. Тепер давайте отримаємо вираз для відхилення цього пучка. За законом збереження енергії, ми маємо втрату потенціальної енергії, коли електрон переміщується від катоду до пришвидшувального аноду, повинна дорівнювати зростанню кінетичної енергії електрона. Математично ми можемо записати,

Де e - заряд електрона,
E - розподіл потенціалу між двома пластинами,
m - маса електрона,
v - швидкість електрона.
Таким чином, eE - це втрата потенціальної енергії, а 1/2mv1/2 - це зростання кінетичної енергії.
З рівняння (1) ми маємо швидкість v = (2eE/m)1/2.
Тепер ми маємо інтенсивність електричного поля вздовж осі y E/d, тому сила, що діє вздовж осі y, визначається як F = eE/d, де d - відстань між двома пластинами відхилення.
За допомогою цієї сили електрон буде відхилятися вздовж осі y, і нехай відхилення вздовж осі y дорівнює D, яке виділено на екрані, як показано на малюнку. Через силу F є загальне прискорення електрона вздовж додатної осі y, і це прискорення визначається як Ee/(d × m). Оскільки початкова швидкість вздовж додатної осі y дорівнює нулю, то за рівнянням руху ми можемо записати вираз для переміщення вздовж осі y як,

Оскільки швидкість вздовж осі x є сталою, то ми можемо записати переміщення як,

Де u - швидкість електрона вздовж осі x.
З рівнянь 2 і 3 ми маємо,

Це рівняння траєкторії електрона. Тепер, продиференціювавши рівняння 4, ми отримаємо нахил, тобто

Де l - довжина пластины.
Відхилення на екрані можна обчислити як,

Відстань L показана на малюнку вище. Кінцевий вираз для D можна записати як,

З виразу для відхилення, ми обчислюємо чутливість відхилення як,

Сітка: Це сітка ліній, функція якої полягає у службі як шкали, коли катодний стрілоковий осцилограф використовується для вимірювання амплітуди. Існує три типи сіток, і вони наведені нижче:

1. Внутрішня сітка:
   Внутрішня сітка, як підказує назва, нанесена на внутрішню поверхню екрана електронно-променевої трубки. Проблеми паралаксних помилок відсутні, але ми не можемо змінювати внутрішні сітки, оскільки вони є фіксованими.

2. Зовнішня сітка:

Нижче наведено схему катодно-променевого осцилографа:

Основна схема катодно-променевого осцилографа

Тепер ми розглянемо основну схему катодно-променевого осцилографа за такими основними частинами.

1. Система вертикального відхилення:
   Вхідний сигнал для дослідження подається на пластини системи вертикального відхилення за допомогою вхідного атенюатора та кількох каскадів підсилювачів. Основною функцією цих підсилювачів є підсилення слабких сигналів, щоб підсилений сигнал міг створити бажане відображення.

2. Система горизонтального відхилення:
   Як і у вертикальній системі, горизонтальна система також складається з горизонтальних підсилювачів для підсилення слабких вхідних напруг, але на відміну від системи вертикального відхилення, пластини горизонтального відхилення живляться від напруги розгортки, яка забезпечує часову основу, як показано вище. Як видно з принципової схеми, генератор пилоподібної напруги запускається синхронізуючим підсилювачем, коли перемикач вибору розгортки знаходиться у внутрішньому положенні, і таким чином запускається генератор пилоподібної напруги, який подає сигнал на горизонтальний підсилювач через цей механізм. Тепер існує чотири типи розгортки:

   
   

1. Вільно працююча або повторювана розгортка
   Як підказує назва, пилоподібна форма сигналу є повторюваною, тобто нова розгортка починається одразу після завершення попередньої.

2. Синхронізована розгортка
   Іноді сигнал, який потрібно спостерігати, може бути неперіодичним, тому бажано, щоб ланцюг розгортки залишався неактивним, а розгортка ініціювалася саме сигналом, що досліджується. У таких випадках використовується синхронізована розгортка.

3. Керована розгортка
   Зазвичай керовану розгортку використовують там, де розгортка працює вільно, але запускається сигналом, що перевіряється.

4. Розгортка, що не має пилоподібної форми
   Це використовується для визначення різниці фаз між двома напругами. Іншим важливим застосуванням є можливість порівняти частоту вхідних напруг, використовуючи розгортку, що не має пилоподібної форми.

3. Синхронізація:
   Має бути синхронізація між розгорткою та сигналом, що вимірюється. Синхронізація проводиться для отримання нерухомого зображення. Існують три джерела синхронізації, які можна вибрати за допомогою перемикача синхронізації, і вони перераховані нижче:

   
   

1. Внутрішня
   У цьому випадку сигнал запуску отримується від вимірюваного сигналу через вертикальний підсилювач.

2. Зовнішня
   У цьому випадку потрібне зовнішнє джерело запуску.

3. Мережа
   У цьому методі сигнал запуску отримується від мережі живлення.

4. Модуляція яскравості
   Модуляцію яскравості можна здійснити, вставивши сигнал між землею та катодом. Модуляція яскравості призводить до збільшення яскравості зображення.

5. Керування позицією
   Позицію можна контролювати за допомогою маленьких незалежних внутрішніх джерел напруги, які застосовуються до відхиляючих пластин, а також за допомогою потенціометра (використовуючи його як дільник напруги) ми можемо керувати позицією сигналу.

6. Керування фокусом
   Фокус можна контролювати, змінюючи фокусну відстань електрода фокусування, який діє як лінза, і фокусну відстань можна змінювати, змінюючи потенціал аноду фокусування.

7. Керування інтенсивністю
   Інтенсивність можна змінювати, змінюючи потенціал решітки відносно катоду.

8. Калібрувальний контур
   Напруга калібрування має прямокутну форму, яка зазвичай генерується внутрішньо з відомою амплітудою.

9. Астигматизм
   Застосовуючи налаштування фокусу, точку можна зробити чіткою, щоб уникнути проблеми астигматизму.

Заява: Поважайте оригінал, добрий матеріал вартій поширення, якщо є порушення авторських прав, будь ласка, зверніться для видалення.