29) Электронно-лучевой осциллограф

Электронно-лучевой осциллограф – универсальный измерительный прибор, применяемый для визуального наблюдения на экране электрических сигналов и измерения их параметров. Основная функция осциллографа заключается в воспроизведении в графическом виде электрических колебаний (осциллограмм) в прямоугольной системе координат. Чаще всего с помощью осциллографа наблюдают зависимость напряжения от времени, причем, как правило, осью времени является ось абсцисс, а по оси ординат откладывается напряжение сигнала. С помощью осциллографа можно наблюдать периодические непрерывные и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, а также одиночные импульсы. По осциллограммам, получаемым на экране осциллографа, можно измерить частоту и фазовый сдвиг, величину напряжения и длительность временного интервала. В зависимости от назначения электронно-лучевые осциллографы подразделяются на универсальные, скоростные, запоминающие, стробоскопические и специальные. Наибольшее распространение получили универсальные осциллографы.

Упрощенная структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа приведена на рис. 2.33.

Р ис. 2.33. Структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа

Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой стеклянную вакуумированную колбу, внутри которой размещен электронно-оптический прожектор и отклоняющие пластины, а плоская торцевая часть (экран) покрыта изнутри люминофором. Электронно-оптический прожектор излучает узкий электронный луч, при попадании которого на люминофор на экране возникает светящаяся точка. Электронный луч проходит между двумя взаимно перпендикулярными парами металлических отклоняющих пластин. Одна пара пластин (Y) предназначена для отклонения луча во вертикали, а другая (Х) – по горизонтали. Если к отклоняющим пластинам, составляющим пару, приложить электрическое напряжение, то между ними образуется электрическое поле, которое вызывает отклонение луча. Если к пластинам Y приложить исследуемое напряжение, например u(t) = U_m sin t, а к пластинам Х пилообразное напряжение, то под совместным воздействием двух напряжений луч вычертит на экране синусоиду (рис. 2.34).

Р ис. 2.34. Формирование осциллограммы при линейной развертке

Кроме ЭЛТ структурная схема осциллографа (см. рис. 2.33) содержит канал вертикального отклонения луча (канал Y), канал горизонтального отклонения луча (канал Х), канал управления яркостью луча (канал Z) и калибратор амплитуды и длительности.

Канал Y состоит из аттенюатора (Атт.Y), предварительного усилителя (У_Y), линии задержки (ЛЗ) и усилителя вертикального отклонения (УВО). Аттенюатор предназначен для ослабления больших сигналов; предварительный усилитель (У_Y) для усиления слабых сигналов; линия задержки обеспечивает небольшую задержку сигнала относительно начала сигнала горизонтальной развертки; усилитель УВО обеспечивает подачу противофазного напряжения на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

По каналу Х на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ поступает напряжение развертки. Основным узлом этого канала является генератор развертки (ГР), вырабатывающий линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение, поступающее на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ через усилитель горизонтального отклонения (УГО). Напряжение развертки может быть синхронизировано с исследуемым сигналом, либо с напряжением сети, либо с сигналом от внешнего источника. Кроме того есть возможность подать на отклоняющие пластины Х (через Атт.Х и УГО) исследуемый сигнал со входа Х осциллографа.

Канал Z служит для создания на осциллограмме яркостных меток и гашения луча на время обратного хода развертки и в режиме ожидания при ждущей развертке. Внешний сигнал для управления яркостью подводят ко входу Z. Канал содержит усилитель-ограничитель (У_z) и устройство управления яркостью луча (УУЯ), выходное напряжение которого поступает на управляющий электрод ЭЛТ.

Калибратор амплитуды и длительности представляет собой генератор образцовых сигналов, например прямоугольных импульсов с заданными амплитудой и частотой повторения.

30) Развертка и синхронизация. Развертка – это линия, которую чертит луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала. Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая пилообразным напряжением генератора развертки. В зависимости от режима работы генератора развертки выделяют несколько видов развертки.

Автоколебательная развертка (также применяется термин «непрерывная») – это развертка, при которой генератор развертки вырабатывает периодически повто ряющееся пилообразное напряжение даже при отсутствии сигнала запуска на его входе.

Ждущая развертка – развертка при которой генератор развертки запускается только по приходу сигнала запуска (синхронизации).

Однократная развертка – когда генератор развертки запускается сигналом запуска и вырабатывает единственный пилообразный импульс. Этот вид развертки применяется при фотографировании с экрана осциллографа неповторяющихся сигналов.

Автоколебательная развертка применяется для исследования периодических сигналов, а также импульсных сигналов с небольшой скважностью. По каждому импульсу развертки луч вычерчивает на экране изображение исследуемого сигнала. Если траектории луча в каждом цикле развертки совпадают, то на экране наблюдается устойчивое неподвижное изображение. Данное условие обеспечивается применением синхронизации, когда период развертки Т_р кратен периоду исследуемого сигнала Т. На рис. 2.33 изображен случай, когда Т_р = Т, при этом на экране осциллографа отображается один период исследуемого сигнала. Если Т_р = пТ, то на экране отобразится п периодов исследуемого сигнала. Для того, чтобы исключить влияние даже небольших изменений Т или Т_р на стабильность осциллограммы применяется синхронизация. Синхронизация может быть внутренней, когда начало цикла развертки привязывается к началу периода исследуемого сигнала и внешней, когда генератор развертки запускается внешним сигналом, связанным с исследуемым сигналом.

При исследовании периодических импульсов с большой скважностью, у которых период повторения много больше длительности импульса применение автоколебательной развертки нерационально.

Если период развертки установить равным периоду повторения импульсов, то изображение импульса будет слишком узким, непригодным для измерения. Если же период развертки будет близок к длительности импульса, то изображение импульса на экране будет бледным и неустойчивым, потому что за период исследуемого сигнала луч много раз вычертит на экране линию нулевого уровня напряжения и только один раз – изображение импульса. Непериодические, случайные и однократные сигналы наблюдать в режиме автоколебательной развертки принципиально невозможно. В этих случаях используют ждущую развертку.

В режиме ждущей развертки при отсутствии сигнала на входе Y линия развертки на экране осциллографа также отсутствует. Генератор развертки запускается только при появлении исследуемого сигнала. При этом передний фронт исследуемого сигнала может не отобразиться на осциллограмме. Для того, чтобы наблюдать сигнал без потерь, его задерживают в канале Y с помощью линии задержки. Таким образом сигнал достигнет отклоняющих пластин Y через некоторое время после начала развертки и отобразится полностью.