Osciloscop tub catodic

Un tub catodic pentru osciloscop este un tub cu raze catodice (CRT) conceput pentru a afișa semnale electrice pe un ecran fluorescent. Imaginea de pe ecran servește nu numai pentru evaluarea vizuală a formei semnalului, ci și pentru măsurarea parametrilor acestuia și, în unele cazuri, pentru fixarea acestuia pe film.

Principii fizice de funcționare și caracteristici de proiectare

Un osciloscop CRT este un bec de sticlă evacuat care conține un tun cu electroni , un sistem de deviere și un ecran fluorescent . Tunul de electroni este proiectat să formeze un fascicul de electroni îngust și să-l concentreze pe ecran. Electronii sunt emiși de un catod încălzit indirect cu un încălzitor datorită fenomenului de emisie termoionică . Intensitatea fasciculului de electroni și, în consecință, luminozitatea spotului de pe ecran este reglată de o tensiune negativă în raport cu catodul de pe electrodul de control - un modulator realizat sub forma unui cilindru Wehnelt . Primul anod este folosit pentru a pre-accelera fasciculul de electroni, al doilea și al treilea anod sunt utilizați pentru accelerarea și focalizarea ulterioară a electronilor. Electrodul de control și sistemul anod formează un sistem de focalizare , acest sistem accelerat de formare a fasciculului de electroni este de obicei numit tun de electroni . Ultimul dintre anozi este conectat electric la un strat conductiv depus pe partea conică interioară a cilindrului de sticlă CRT - aquadag . Aquadag este conceput pentru a colecta electronii secundari scoși din ecran și ecranarea electrostatică a fasciculului de electroni din câmpurile electrostatice externe.

Sistemul de deflectare constă din două perechi de plăci orientate reciproc perpendicular situate orizontal și vertical în raport cu fasciculul de electroni. Tensiunea testată se aplică plăcilor orientate orizontal, care se numesc plăci de deviere verticale , iar pentru a crește sensibilitatea deflexiunii, această pereche de plăci este plasată mai aproape de tunul de electroni. Plăcilor verticale, numite plăci de deviere orizontale , într-o aplicație comună, se aplică o tensiune dinți de ferăstrău de la un generator de măturare pentru a afișa procesele în funcție de timp . Sub influența câmpului electric dintre plăcile de deviație, fasciculul de electroni se abate de la traiectoria sa inițială proporțional cu tensiunea aplicată. Punctul luminos de pe ecranul CRT este deplasat de-a lungul a două coordonate reciproc perpendiculare și afișează forma semnalului studiat. Deoarece tensiunea dinților de ferăstrău pe cursa înainte variază liniar în timp, punctul luminos de pe ecran se mișcă, de asemenea, cu o viteză constantă pe ecran, de obicei de la stânga la dreapta pentru ușurință de observare. Acest mod de abatere se numește time sweep .

Dacă două semnale sinusoidale diferite sunt aplicate plăcilor de deviere verticale și orizontale, atunci cifrele Lissajous sunt observate pe ecran , utilizate pentru a compara frecvențele.

Prin schimbarea naturii tensiunilor de deviație, pe ecranul CRT pot fi observate diferite dependențe funcționale, de exemplu, caracteristica curent-tensiune a unei rețele cu două terminale , dacă unui semnal proporțional cu tensiunea de schimbare aplicată acesteia este aplicat unuia. a perechilor de plăci de deviație, iar celeilalte perechi de plăci de deviație se aplică un semnal proporțional cu tensiunea care curge prin cealaltă pereche de plăci de deviație. Această metodă este utilizată în dispozitive speciale - caracterografii .

CRT-urile osciloscopului utilizează deviația fasciculului electrostatic, deoarece semnalele investigate pot avea o formă arbitrară și un spectru larg de frecvență , iar utilizarea deviației electromagnetice în CRT-urile osciloscopului nu este posibilă din cauza dependenței de frecvență a impedanței bobinei de deviere , care limitează deviația. viteză.

CRT-urile osciloscopului folosesc de obicei focalizarea electrostatică a fasciculului de electroni, dar CRT-urile specializate ale osciloscopului folosesc uneori focalizarea magnetică a fasciculului de electroni pentru a obține o focalizare mai bună a fasciculului de electroni pe ecran. (Pentru mai multe detalii, vezi articolul Electron gun ) .

Gama de „frecvență joasă” CRT (până la 100 MHz)

Când se observă semnale cu o lățime a spectrului de frecvență mai mică de 100 MHz, timpul de zbor al electronilor prin sistemul de deviere poate fi neglijat. Timpul de zbor al electronilor este estimat prin formula:

t\aprox l{\sqrt {\frac {m}{2eU_{a}}))),

unde și sunt sarcina și respectiv masa electronului;

e

m

l

este lungimea plăcilor de-a lungul fasciculului de electroni;

U_{a}

este tensiunea anodului.

Deviația fasciculului în planul ecranului este proporțională cu tensiunea aplicată plăcilor (presupunând că tensiunea de pe plăci rămâne constantă în timpul zborului electronilor în câmpul plăcilor deflectante): $\Delta$ $U_{OT}$

\Delta ={\frac {U_{OT}lD}{2U_{a}d)),

unde este distanța de la centrul de abatere al plăcilor la ecran;

D

d

este distanța dintre plăci.

Pentru a reduce inductanța parazitară a conductoarelor plăcilor de deviație, conductoarele electrice ale acestora sunt adesea scoase la iveală nu pe baza tubului, ci în imediata apropiere a plăcilor.

În CRT-urile utilizate pentru a observa semnale rar repetate și unice, se folosesc fosfori cu un timp lung de luminozitate.

CRT peste 100 MHz

Pentru formele de undă sinusoidale care se schimbă rapid, sensibilitatea la deformare începe să scadă și, pe măsură ce perioada sinusoidei se apropie de timpul zborului, sensibilitatea la deviație scade la zero. În special, atunci când se observă semnale pulsate cu un spectru larg (frecvența componentelor spectrale de înaltă frecvență este egală cu sau depășește reciproca timpului de zbor), acest efect duce la o distorsiune a formei semnalului observat din cauza sensibilității diferite a abaterea la diferite componente spectrale. Creșterea tensiunii anodului sau reducerea lungimii plăcilor poate reduce timpul de zbor și reduce aceste distorsiuni, dar acest lucru reduce sensibilitatea la deformare. Prin urmare, pentru oscilografia semnalelor al căror spectru de frecvență depășește 100 MHz, sistemele de deflectare sunt realizate sub forma unei linii de undă de călătorie, de obicei de tip spirală. Semnalul este aplicat la început de-a lungul cursului fasciculului de electroni al spiralei și, sub forma unei unde electromagnetice, se deplasează de-a lungul sistemului de deviere cu o viteză de fază : $v_{f}$

v_{f}={\frac {ch_{c}}{l_{c}}},

unde este viteza luminii, este pasul helixului, este lungimea spirei helixului. Ca rezultat, efectul timpului de zbor poate fi eliminat dacă viteza electronilor este aleasă să fie egală cu viteza de fază a undei în direcția axei sistemului.

c

h_{c}

l_{c}

Pentru a reduce pierderile de putere a semnalului, concluziile sistemului de deviere a unor astfel de CRT-uri sunt făcute coaxiale . Geometria bucșelor coaxiale este selectată astfel încât rezistența la undă a acestora să corespundă rezistenței la undă a sistemului de deflectare spirală.

Tuburi cu post-accelerare

Pentru a crește sensibilitatea la deflexie, este necesar să existe o viteză scăzută a electronilor în fascicul, adică o tensiune anodică scăzută; cu toate acestea, aceasta duce la o scădere a luminozității imaginii din cauza scăderii energiei electronilor și a focalizării slabe.

Prin urmare, în CRT-urile oscilografice, este utilizat un sistem de post-accelerare. Este un sistem de electrozi situati intre sistemul de deviere si ecran, sub forma unui invelis conductor depus pe suprafata interioara a recipientului de sticla CRT. Sistemul de electrozi (anozi) poate consta dintr-unul (opțiunea a din figură) sau mai mulți anozi (opțiunea b din figură), tensiuni crescătoare pe care sunt alimentate de la un divizor de tensiune rezistiv extern . Deseori se folosesc electrozi după accelerare, realizați sub forma unei benzi conductoare elicoidale de înaltă rezistență depuse pe suprafața interioară a cilindrului în apropierea ecranului. Când utilizați un anod spiralat după accelerare, nu este nevoie de un divizor rezistiv extern (opțiunea c din figură).

Tuburi amplificatoare

În CRT-urile de bandă largă care funcționează în intervalul de câțiva gigaherți, amplificatoarele de luminozitate sunt folosite pentru a crește luminozitatea fără pierderea sensibilității. Amplificatorul de luminozitate este o placă cu microcanal situată în interiorul CRT în fața ecranului fluorescent. Placa este realizată din sticlă semiconductoare specială cu un factor de emisie secundar ridicat. Fascicul de electroni, care cad în canale (al căror diametru este mult mai mic decât lungimea lor), scot electronii din pereții lor, accelerați de câmpul electric creat de învelișul metalic de la capetele plăcii, între care este o tensiune înaltă. aplicat și, căzând pe pereții microcanalului, elimină electronii secundari , care sunt accelerați, la rândul lor, elimină noi electroni secundari și are loc o multiplicare avalanșă a fluxului de electroni. Câștigul total al curentului electronic al amplificatorului cu microcanal poate ajunge la 10 5 ... 10 6 . Cu toate acestea, datorită acumulării de sarcini pe pereții microcanalelor, amplificatorul cu microcanal este eficient doar pentru impulsuri în nanosecunde, simple sau urmând cu o rată de repetiție scăzută.

Scala

Pentru a măsura parametrii semnalului reprodus pe ecranul CRT, citirea trebuie făcută pe o scară cu diviziuni. Când se aplică scara pe suprafața exterioară a ecranului CRT, precizia măsurării este redusă din cauza paralaxei vizuale , cauzată de faptul că grila de scară și imaginea de pe fosfor sunt în planuri diferite. Prin urmare, în CRT-urile moderne, scara este aplicată direct pe suprafața interioară a ecranului, adică este practic aliniată cu imaginea semnalului de pe fosfor.

CRT-uri specializate pentru înregistrarea foto de contact

Pentru a îmbunătăți calitatea fotografiei de contact a semnalului, ecranul este realizat sub forma unui disc din fibră de sticlă. Această soluție vă permite să transferați imaginea de pe suprafața interioară pe cea exterioară, păstrând claritatea acesteia. Neclaritatea imaginii este limitată de diametrul filamentelor din fibră de sticlă, care de obicei nu depășește 20 µm. În CRT-urile destinate înregistrării fotografice, se folosesc fosfori , al căror spectru de emisie este în concordanță cu sensibilitatea spectrală a materialului fotografic.

Note

↑ Dispozitive pentru afișarea informațiilor despre tuburile catodice

Literatură

Vukolov N. I., Gerbin A. I., Kotovshchikov G. S. Recepția tuburilor catodice: un manual .. - M . : Radio și comunicare, 1993. - 576 p. - ISBN 5-256-00694-0 .
Zhigarev A. A., Shamaeva G. T. Dispozitive cu fascicul de electroni și fotoelectronice: manual pentru universități. - M . : Şcoala superioară, 1982. - 463 p.
Tub catodic oscilografic / G. I. Semenik, M. V. Tsekhonovich // Nikko — Otoliths. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1974. - ( Marea Enciclopedie Sovietică : [în 30 de volume] / redactor-șef A. M. Prokhorov ; 1969-1978, vol. 18).

dispozitive cu fascicul de electroni
Transmițătoare	Disector Iconoscop supericonoscop Orticon superorticon Vidicon Monoscop	Tub Crookes
plasament	Tub osciloscop Cinescop laser Eidofor Tub indicator catodic CRT de imprimare a semnelor Kadroscop
amintindu-şi	tub Williams Tub de memorie bistabil cu vizualizare directă Skiatron Potentialoscop graphecon Typotron
Microscop electronic	Raster Translucid Raster translucid Voltaj scazut
Alte	Trohotron Tub Crookes Tub funcțional cu raze catodice Polytron
Părți principale	tun cu electroni Încălzitor Catod Fotocatod Modulator electrod de accelerare Electrod / bobină de focalizare sistem de deviere Ţintă Masca grila de deschidere masca de umbra Aquadag Getter soclu placă cu microcanal
Concepte	fascicul de electroni convergența razelor Arderea fosforului Scanează