> Техника, страница 68 > Осциллограф

Осциллограф

Осциллограф, в общем смысле слова прибор для записи различных колебаний (механич., акустич., электрич. и прочие). Практически О. в большинстве случаев называют приборы для записи электромагнитных колебаний. Применяется при исследовании электрич. явлений преимущественно неперио-дич. характера, а также периодич. явлений высокой частоты; в радиотехнике—также в качестве ваттметров и измерителей сдвига фаз (по снятым осциллограммам). Современные О. могут быть разделены на 4 класса:

1) электромагнитные (петлевые, реже струнные); 2) электростатические; 3) электронные: а) с холодным катодом, б) с горячим катодом, в) с тлеющим разрядом; 4) клайдо-нографы.

0. электромагнитный. Предложенная Блон-делем в 1893 г. [¹] идея и теория электромагнита. осциллографа заключается в следующем. Между двумя полюсами электромагнита постоянного тока (фигура 1) натянута в виде петли тонкая проволока, к которой прикреплено маленькое зеркальце L (размером около 1 миллиметров²). Зеркало сбоку освещается сильным источником света, обыкновенно вольтовой дугой В (луч а) и отражает от своей поверхности световой пучок Ь, к-рый падает на экран Е. Если через петлю (шлейф) начать пропускать какой-либо ток, то в силу взаимодействия между магнитным полем и проводником, несущим ток, произойдет поворот шлейфа на некоторый угол, а вместе с ним повернется и зеркальце. Благодаря этому световой луч а будет падать на зеркало под другим углом, и следовательно отраженный пучок также изменит свое направление; т. о. световое пятно, «зайчик», переместится на экране в нек-рую другую точку. Если ток, протекающий через шлейф, будет беспрерывно меняться совершая наир, периодич. колебания, то в беспрерывном колебательном движении будет находиться и зеркало. Это означает, что на экране будет получаться нек-рая освещенная полоска. Для того чтобы воспроизвести на экране закон изменения тока в шлейфе, необходимо сообщить самому экрану нек-рое движение в направлении, перпендикулярном к перемещению по нему светового зайчика. В результате этих двух движений на экране получится нек-рая кривая, повторяющая кривую изменения силы тока в шлейфе.

Принцип Блонделя выражен в различных конструкциях: одпой из лучших является аппарат, построенный фирмой Сименс и Гальске в Германии. На фигуре 2 изображена принципиальная схема такого электромагнитного О. Он имеет 3 шлейфа, то есть может быть применен для одновременного фотографирования трех явлений. Свет дуговой лампы 1 падает сначала на собирательную линзу 5, перед которой находятся 3 вертикальные щели. Параллельные пучки света, проходящие через эти вырезы, падают на

Фигура 2.

зеркала 2, далее на зеркальца 3, шлейфы

4. Отсюда, благодаря отражению зеркал 7 и 8, через линзу 9 надают на специальный экран. Этот экран А, а также сидящий на одном валу с ним барабан В могут приводиться в равномерное вращение от моторчика. Если зеркала 7 откинуть, то лучи будут проходить через линзу 6 и падать на барабан В, на который надевается светочувствительная бумага для возможности фотографирования явлений. В конструкциях Сименса распространены 3-и 6-шлёйфовые О.; общий вид последнего (переносная модель) дан на фигуре 3.

Основными данными, определяющими работу О., являются его чувствительность и собственное число колебаний шлейфа. Чувствительность характеризуется величиной

тока, протекающего через шлейф, при к-ром зайчик на экране смещается на 1 миллиметров. Ниже в таблице приводятся некоторые величины чувствительности различных шлейфов. Чем меньше период собственных колебаний шлейфа, тем точнее воспроизводит он кривую и тем легче следует за изменениями осцил-

лографируемого тока. Нередко погружают колеблющуюся часть шлейфа в трубку и заливают маслом; при этом увеличиваются

1) момент инерции шлейфа, а вместе с тем и продолжительность колебания, и 2) приблизительно на 30% отброс зеркальца на шкалу вследствие преломления световых лучей в масле. Чем сильнее натянут шлейф тем большей частотой собственных колебаний он обладает и тем меньшей чувствительностью. Вообще частоту собственных колебаний шлейфа возможно повысить до 10 000 — 12 000 пер/ск. и редко — до 20 000 лер/ск. Однако уверенная работа О. достигается при записи колебаний, с частотами, не выше: а) 10 000 пер/ск. для шлейфов без масла, б) 6 000 пер/ск. для шлейфов, погруженных в масло Н.

Струнный электромагнитный О. (с железной плоской ленточкой), предложенный Блонделем, по существу своего действия не отличается значительно от только что описанного петлевого О.

При помощи электромагнитных О. производятся изучения самых разнообразных явлений, протекающих в электрич. цепях. Сюда относятся: исследование форм кривых токов и эдс разнообразных геиераторов, исследование различных реле, измерительных инструментов, машин и проч. О. применяется и в медицине—например для записи эЛс, даваемых сердцем ( ак наз. электро кард и о граф). Осциллографировать можно вообще всякие колебания и движения, которые м. б. переведены в колебания электрич. тока (например запись звука при помощи микрофона, преобразующего звуковые колебания в электрические). Однако диапазон колебаний, которые м. б. воспроизведены электромагнитным О., ограничивается наличием у шлейфа некоторой массы с присущей ей инерцией. При записи колебаний с числом периодов большим числа периодов собственного колебания шлейфа, наступают резонансные явления, и воспроизводимая кривая не повторяет вида изучаемого колебания. Поэтому максимальная изучаемая частота для электромагнитного О. выражается числом порядка десяти тысяч периодов в ск.(см.таблицу) [⁸]. Обыкновенно скорость

Величины чувствительности различных шлейфов.

Tim шлейфа	Ток в шлейфе *	Собств. число пер/ск. шлейфа
1	3 ·10~з А	6 000
2	δ · 10-8 А	12 000
5	7 · 10“Ь А	2 000
• При отклонении зайчика на барабане на 1 миллиметров.

движения светочувствительной бумаги колеблется в пределах 0,3—6 м/ск. Ваттметрич. измерительные шлейфы [⁴], позволяющие делать запись кривых мощности, еще не получили конструктивного оформления, допускающего их практич. применение.

Электростатические О. (менее употребительные, чем электродинамические) используют переменное действие электростатически заряженных тел одно на другое. Действие их понятно из фигура 4, где а—

пластина с окошком для пропуска света, Ь—металлич. нити, изолированные друг от друга и заряженные, с—зеркальце, d — пружинящее закрепление, е—вспомогательная батарея, /—постоянный параллельный конденсатор, д—переменный параллельный конденсатор, h—делитель напряжения. Употребление их рационально там, где имеется уже высокое напряжение и где измерительный прибор не до i жен вызывать расхода энергии. При напряжении вспомогательной батареи е в 400 V, переменное напряжение ~ 2 000 V дает на расстоянии 1 метров от зеркальца кривую с отклонениями порядка 3 см.

0. электронный (катодный) с холодным катодом. Осциллографирование колебаний большей периодичности производится электронным О. Принцип электрон-

Фигура 5.

ного О., предложенный впервые Ф. Брауном, заключается в следующем (*]. Электронный луч подвергается отклонениям по двум взаимно перпендикулярным направлениям, одно из которых дается изучаемым колебанием, а другое производится искусственно и играет роль временной развертки; полученная в результате этих отклонений кривая фиксируется на фотография, пластинке или на флуоресцирующем экране. В отличие от шлейфового О., электронный О. имеет пишущий орган с исчезающе малой инерцией, благодаря чему им легко записываются чрезвычайно быстрые колебания. Отклонение катодного луча м. б. произведено магнитным или электрич. полем. Первое производится соленоидальными катушками, второе конденсаторами. На фигуре 5 изображена принципиальная схема катодного О. Между двумя электродами К и А. находящимися в вакууме (степень разрежения около 0,005 миллиметров Hg), при приложении к ним постоянного тока с напряжением в несколько десятков тысяч V, образуется пучок летящих из катода по направлению анода электронов, т. н. катодный луч. Последний проходит между двумя парами параллельных пластинок, образующих 2 небольших конденсатора, установленных на нек-ром расстоянии друг от друга взаимно перпендикулярно. Одна пара пластинок 0.11. (отклоняющие пластины) присоединена к изучаемому напряжению, другая параВ.Л. (вре

менные пластины) присоединена к нек-рому напряжению, меняющемуся по известному закону,—например увеличиваясь пропорционально времени. Катодный луч, проходя между пластинами, испытывает отклонения от своего первоначального направления, притягиваясь к положительно заряженной пластине, тем значительнее, чем больше ее потенциал; при этом катодный луч будет

Фигура G.

Фигура 7.

получать смещения во взаимно перпендикулярных направлениях; т. о. он будет чертить некоторую кривую на экране Е. Если предположить, что напряжение на пластинах О.П. изменяется по некоторой синусоидальной кривой, а в то же время на пластинах временного отклонения (Б.Л.) напряжение нарастает от нуля до нек-рого значения пропорционально времени, то луч, перемещаясь по флуоресцирующему экрану или по фотографии. пластинке, воспроизведет на них соответствующее синусоидальное колебание. Величина отклонений луча зависит от геометрии, соотношений их расположения и от напряжения, при котором возникает электронный луч. Она определяется по формуле [·]:

(1)

где h, <1, I—величины, указанные на фигуре 5;

—отношение заряда электрона к его массе, Е—сила электрич. поля между пластинами, h—величина отклонения катодного луча на экране, с—скорость полета электрона, выражаемая через напряжение V_a, при к-ром получен катодный луч ф-лой с=5,95 VV_a 10’ см/ск. (2)

Из ф-л 1 и 2 вытекает, что при прочих равных условиях отклонение обратно пропорционально напряжению У_а. В среднем чувствительность отклонения луча выражается порядком десятков V на метров.

В действительности, конструкция катодного О. значительно сложнее схематически изображенной на фигуре 3. Для получения возможности записывать весьма большие частоты порядка сотен млн. пер/ск. или единичные явления, длящиеся стомиллионные и даже миллиардные доли ск., необходимо создать весьма интенсивный электронный пучок, а это требует целого ряда добавочных устройств [⁷,⁸,⁸]. На фигуре 6 дан поперечный разрез катодного О. Дюфура, послужившего прототипом для многих других фирм; с помощью его фотографировались колебания с частотой до 22-10’ пер/ск. На фигуре 6: В— бронзовая камера (снабжена снимающейся крышкой), D—катодная трубка, Е—поверхность катода, F—диафрагма, R—наблюдательное окошечко,×и Z—отклоняющие катушки (вместо конденсаторов), М—приключение молекулярного насоса. И. С текольни и о в.

0. электронный с горячим катодом [ΐο,ιι,ΐί] _ Значительный шаг вперед в развитии О.электронного сделан Венельтом в 1905 году, предложившим пользоваться не газовым разрядом для получения потока свободных электронов, а термоэлектронами, испускаемыми накаленным катодом. Использование накаленного катода позволяло значительно уменьшить напряжение ускоряющего движения электронов поля (порядка сотен V); поэтому [см. ф-лы (1) и (2)] его чувствительность значительно больше, чем у О, с холодным катодом. Среди ряда конструкций таких О. рассмотрим тип завода «Светлана» ВЭО [¹³] (общий вид на фигуре 7), где а — цоколь, Ь—две пары отклоняющих пластин конденсаторов, с — стеклянная капсюля. Внутренняя поверхность дна d покрыта тонким слоем препаратасернистого кадмия (преимущественно в О. для визуального наблюдения) или кремнекислого цинка (гл. образом в О. для фотографирования), дающих яркую флуоресценцию при ударе электронов,

имеющих скорость [см. формулу (2)] не ниже 80 V. В узкой части сосуда впаяна под цоколем стеклянная ножка (фигура 8). Главной частью ножки является маленькая стекляпная капсюля N, в верхний конец которой впаяна платиновая трубочка А, открытая с обеих сторон. Конец трубки А является анодом О. Катодом С служит маленькая спираль из Pt-Ir проволоки, покрытой слоями Ва и Sr. Две пары пластинок отклоняющих конденсаторов Р 1^} и Р₂-Р« имеют: по одной пластинке, соединенной с анодом А через зажимной хомут Д и по одной—имеющей изолированный отдельный вывод в ножку прибора; всего в цоколе пять выводов: два от катодной спирали—FF, один от продольного конденсатора—X, один от поперечного—У и один общий—A XY для анода и обоих конденсаторов. Для большей ясности на фигуре 9 приведена схема соединений внутренних частей трубки вместе со схемой питания прибора. Фокусировка (управление шириной) катодного пучка может производиться как изменением тока, накаливающего спираль (и следовательно изменением магнитного поля), так и специальной (к прибору не прилагаемой) катушкой («фокусирующей»)—помещаемой вокруг шейки О., сужающей поток электронов. При диаметре канала анода в 1 миллиметров получается резко очерченное светящееся пятно диамет-о too 200 maoм soomv_a р_{ОМ от} Qg д₀ j _чм д_ля

_{фиг 10} питания О. применяют ся два источника напряжения постоянного тока; а) для цепи накала катода—аккумулятор 4—6 V, б) 250— 400 V·—аккумуляторы, гальванические элементы или машина постоянного тока—для ускоряющего поля. Кроме того в анодную цепь О. включается балластное сопротивление Z порядка 5 000 Ω для предупреждения возникновения дугового разряда между катодом и анодом при перекале катода. Из ур-ия (1), выражая скорость с через величину ускоряющего поля V_a и принимая во внимание, что mv²=eV_a,

(при обозначениях по фигура 5). Величина отклонения луча изменяется пропорционально измеряемому напряжению (приложенному к пластинам конденсатора). На фигуре 10 даны экспериментальные кривые, указывающие величину h (в миллиметров) в зависимости от действующего значения Е (в V) на пластинках ближней к аноду пары конденсаторных пластин,—для двух значений ускоряющих напряженностей V_a. Чувствительность О. с нагретым катодом колеблется в пределах 0,025—0,1 смIV, то есть напряжение в 1 V на пластинах отклоняющего конденсатора дает отклонение от 0,025 до 0,1 см—в зависимости от конструкции осциллографа; осциллограф реагиует на процессы, длящиеся от 10~^в до 10~⁷ ск.

Фигуры, получаемые в электронных О. Первоначальное применение прототипа электронного О. — трубки Брауна—измерение амплитуд напряжения или силы тока легко осуществляется с помощью описанных типов электронных О. путем использования какой-либо одной пары конденсаторных пластин, с последовательным приложением к ней исследуемого напряжения и известного измерения отклонений (по той или другой оси координат). Если же пучок электронов подвергается воздействию эдс от двух пар конденсаторов

(расположенных перпендикулярно), то в зависимости от соотношения амплитуд, фаз и частот управляющих напряжений получаются на экране электронного О. разнообразные фигуры. На фигуре 11 изображены последние, при предположении равенства амплитуд и частот для различных фазовых соотношений; а—равенство фаз (наклон линии зависит от соотношения амплитуд); б—45°, сдвиг фаз; в—90°, сдвиг фаз (если амплитуды нерав- ¹ ны, получается тоже эллипс, но с осями, совпадающими с координатными); з—135°, сдвиг фаз; д—

180°, сдвиг фаз. В общем случае, ¹ если движение электронного пучка обусловливается двумя воздействиями, имеющими лишь общую частоту, то есть если a;=a cos ωί и у= Ь · cos(cui + φ), уравнение кривой, получающейся на экране:

ж² i у² 2хц .,

ϋ + 6«“βδ ^cos?>=^smiιν·

Если две частоты не точно равны, то путь, описываемый пучком _фпг , электронов, представляется как бы большим семейством концентрических эллипсов, вписанных в один и тот же прямоугольник; можно рассматривать орбиту как вписанный эллипс, вращающийся равномерно со скоростью, равной разности частот. Если частоты находятся в сравнительно простых соотношениях (например 2:1, 3:2, 4:3, 3:1 и т. д.), то получаются сравнительно простые и легко распознаваемые фигуры Лиссажу; пользуясь этим, можно измерять частоту исследуемых колебаний, давая одной паре пластин О. потенциал вполне определенной частоты [“].

Для развертки по времени получаемых фигур (то есть превращения их из полярных координат в ортогональную систему, причем по оси абсцисс должен быть время) предложено много способов, ни один из которых не является вполне удовлетворительным. В качестве примера приводится только диск, применяемый фирмой WesternElectricCo. [¹⁶].Исследуемое напряжение подводится к пластинам

_____ _ О.—A_tjl_t (фигура 12);

в ‘ пластины if, В_г

Фпг. 12. включены к клем мам сопротивления ii; JV—неоновая лампа, параллельно которой расположен переменный конденсатор С. При литании этой цепи батареей В наступает известный колебательный разряд. Неоновая лампа ниже определенного напряжения не пропускает тока, конденсатор С заряжается через сопротивление Д до потенциала зажигания лампы N, после чего происходит снова его частичный разряд, лампа тухнет и т. д. Так. обр. к клеммам R прикладывается эдс, возрастающая прямолинейно с течением некоторого времени, чтобы в следующий период внезапно упасть до меньшего значения; так получают ппопорционалышй по времени сдвиг электронного пучка. Посредством соответствующей установки Дили С настран-

в,

л, L

вают частоту контура лампы N на основную частоту или гармоники ее исследуемого периодич. процесса; при наступлении такого резонанса, форма кривой остается на экране постоянной, неподвижной.

О с тлеющим разрядом. Этот осциллограф, впервые осуществленный Герке [^1в], основан на явлении, открытом Хелем и Вильсоном: в трубке Гейслера су- _{к А}

шествует пропорцио- .-сг== й—.

нальность между си- I ^

лой разрядного тока и »-Л 5

поверхностью свече- ] /л. 5

ния,тлеющего наэлек- | η |~^~| |

тродах. В современной ^L4|,|,i^hT—гОА-

трубке Герке анод А (фигура 13), сделанный ^фиг· 13.

из алюминиевых полос, имеет крестообразную форму, катод К— из двух никелевых пластинок (10x60 жи^г) с расстоянием в 1,5 миллиметров. Катодное свечение возникает между этими пластинками и имеет резко ограниченные края. Для снятия кривой пемеменного тока на переменное напряжение накладывается постоянное такой величины, чтобы оно служило границей

НР„о то, ηοηκιτίΐπ |V I ТЛ KClfi ЖР ПЦИвМ В КЛЯЙ-

Фигура 14.

донографе). Явление катодного свечения разворачивается затем в ашающимся зеркалом и или наблюдается визуально или принимается на фотопластинку. Недостатком такого прибора является требующаяся сравнительно большая сила разрядного тока (30—40 тА), почему их часто применяют с усилителем (смотрите фигура 13); находит применение между прочим в радиотехнике для исследования токов в антенне и в других цепях с предельн. частотой до 300 кц/ск. Пример осциллограм-мы(затухающих колебаний с/, равной ^ф‘^,г· ¹⁵· 300 кц/ск. )приведен на фигура 14.

Клайдонограф. К системе О. можно причислить прибор, который позволяет обнаруживать и (грубо) измерять кратковременные перенапряжения; учет последних (по величине, времени и направлению) производится клайдо но графами. Принцип их основан на получении фигур Лихтенберга (1777г.), получающихся от искры на пластинках, покрытых серной пылыо (Schwefelstaub). Практически эта идея вылилась в технич.

шттм конструкцию в 1924 году (Петерс, фирма Вестингауз К⁰ [¹⁷]). На (риг. 15: D—фотография. пластинка, покрытая нек-рым слоем сверху, расположенным между острием Р и пластинкой В. При напряжении, зависящем от толщины пластинки (не менее 2,5 kV амплитудных), из о три я истекают светящиеся нити различной толщины, длины и формы. Длина их, в предеделах до 18 kV, увеличивается линейно с напряжением.

С помощью емкостного делителя напряжения устанавливают клайдонограф так, чтобы напряжение, на которое пос- ф_Пг. 16. ледний начинает реагировать, было немногим больше нормального рабочего. Наибольшая возможная длина L световых пучков, по Теплеру, при стектянных пластинках толщиной а сантиметров определяется формулой:

U.-4.2 Va

для пучка, исходящего из отрицательного полюса, 1_тах равно 8 V2 для пучка, исходящего из положительного полюса. Часто применяется + включение, понятное из фигура 16; при этом противоположный электрод уже не заземляется, но присоединяется между двумя уравнительными конденсаторами. Описанная конструкция Вестингауза для случая трехфазной сети дана на фигуре 17; передвижение фильмы происходит при помощи часового механизма V. С помощью клайдоиографов (дающих практич. точность ± 25 %) возможно фиксировать следующие величины: 1) время наступления перенапряжения (по отметкам времени на фильме); 2) по-^ лярность перенапря-

же ни я (но характеру фигуры); 3) величину перенапряжения (по длине пучка); 4) фор-

правление движения блуждающей волны и

6) разность времен ме-жду двумя непосредственно следующими разрядами [¹⁸|.

Лит.: 1) В I о n d e 1 А„ «CR», 1893, t. 116, p. 502, 748; 2) «Z. d. VDI», 1930, Ii. 74, Я. p. 239—242; s) S i e-m ens & II а I s k e, Oszillograpli mit drei Messchlei-fen, Brickschrift, MS 8;·*) Strigel, Faclibericht der 32 Jahresversammlung d. Verbandcs Deutscher Elektro-technlker 1927, p. 116. B., 1927; ⁶) R r a u n F., Metlio-de flir Demonstration u. s. w., «Wiedemanns Annalem», 1897, Leipzig, В. 60, p. 552; «)×n о л ь с о н О. Д., Курс физики, т. 5. стр. 310, Берлин, 1923; ⁷) D и-f о и r A., L’oszillograpli cathodique pour I’etude des basses, moycnnes el liautes frequences, Paris, 1923; ⁸) Wood A., The Cathode Ray Oscillograph, «Journal of the Institution Electr. Flngineers», London

Фигура 17.

1925, V. 63, р. 1046; ») G A h о r, Kathodrnoszillo-graph, «Archiv fiir Elektroter.hnik», Sonderheft dt:r Forschungshefte dor Studiengesellschaft fiir Ildclis-spannungsanlagen, Berlin, 1927, Η. 1; i°) George, It. II., A New Type of Hot Cathode Ray Oscillograph, «JAIEE», 1929, p. 534; ^1A) Sommerfeld A., Oher ein Kathodenoszillograph holier Spannungsempfindlich-kelt, «Archiv fur Elektroteclinik», Berlin, 1928, H.5/G, p. 607; i²) R о g о w s к у W. und В a u m g a r t, Ein GlUhkathodenoszillograph fiir Vakuumaufnahmen, ibid., II. 4, p. 521; »s) Ben ш и н с к и il С. А., «Электросвязь», Ленинград, 1927, 3, стр. 9—14;¹⁴) H a ζ e η a. Kenyon, Primary Radio Frequency Standartisa-tion by Cathode Ray Oscillograph, «Bull. Bureau of Standards», 4S9; i^s) «The Electrician», L., 1924, v. 92, p. 631; i*) Г. Π. 162725; ⁱ⁷) Peters J. F., «Electr. World», N. Y., 1924, v. 83, p. 769; ») L e e E. S. a. Foust С. M., «JAIEE», 1927, v. 46, p. 149; M U 1-I e r - II 1 1 1 e b r a n d, «Siemens Zeitschrift», Berlin, 1927, Jg. 4, p. 547,—С текольниковИ. C„ Катодный осциллограф, «Вестник эпспернментальн. и те-оретич. электротехники», М., 1929, т. 2, 3—4 (имеется библиография).