3.3. Виды осциллографических разверток

Основные определения. Развертывающим напряжением в об­щем случае называют напряжение, определяющее траекторию и скорость перемещения луча ЭЛТ в отсутствие исследуемого сигнала. Траекторию, описываемую лучом, или создаваемый им след на : экране под действием развертывающего напряжения принято на­зывать разверткой.

Различают несколько видов разверток, используемых в осциллографических приборах. В их названии нет единообразия, но имеется определенная система. Если развертки, получаются в ре­зультате подачи развертывающего напряжения на одну пару от­клоняющих пластин (как правило, горизонтально отклоняющих), то ее называют по форме развертывающего напряжения — пило­образная, экспоненциальная, синусоидальная. Когда же разверт­ка создается подачей напряжения на обе пары пластин одновре­менно (и на радиально отклоняющий электрод в специальных трубках), ее название соответствует форме траектории, прочерчи­ваемой лучом: круговая, эллиптическая, спиральная, радиальная. При любой форме развертывающего напряжения, подаваемого на одну пару пластин, след луча, видимый наблюдателю, представля­ет собой прямую линию.

Линейная периодическая развертка. Применяется при иссле­довании периодических сигналов. Для нее характерно непрерывно или периодически повторяющееся через одинаковые интервалы перемещения луча по горизонтали, пропорциональное времени. Эта развертка создается линейно - изменяющимся пилообразным развертывающим напряжением (рис. 3.3). Когда оно равно нулю, луч в центре экрана.

При минимальном значении развертывающего напряжения (точка О на рис. 3.3,а) луч находится в крайнем левом положе­нии на горизонтальной прямой экрана. По мере роста пилообраз­ного напряжения луч перемещается слева направо с постоянной скоростью. Это перемещение, называемое прямым ходом луча, происходит в течение интервала времени tпp, пока развертываю­щее напряжение не достигнет максимума (точка А). При надле­жащем выборе амплитуды пилообразного напряжения Uт луч во время прямого хода переместится в крайнее правое положение экрана. За время tобр напряжение падает от А до Б и луч совер­шает обратный ход — быстро возвращается в исходное положе­ние, чтобы в следующий период повторить цикл, состоящий из прямого и обратного хода.

Если каждый последующий цикл пилообразного напряжения непрерывно следует за предыдущим, то рассматриваемая линей­ная развертка является непрерывной периодической. Когда пило­образные импульсы разделены интервалами времени, развертка получается импульсной периодической.

К основным характеристикам развертывающего напряжения, создающего линейную непрерывную периодическую развертку (рис. 3.3,а), относятся:

период Т_п = t_обр + t_п или частота F_n= l/Tn. Для получения высо­кокачественного изображения в осциллографах выполняется ус­ловие f₀6p- t_обр<< t_пp (кроме того, луч гасят при обратном ходе или под­свечивают при прямом). Практически можно считать, что Т_п=t_пp;

амплитуда (размах), определяющая максимальное горизон­тальное отклонение луча за период;

степень линейности. Пилообразное напряжение не бывает стро­го линейным. Часто оно изменяется по экспоненте, близкой к пря­мой, причем степень линеаризации зависит от схемы источника развертывающего напряжения. Скорость экспоненциальной раз­вертки в отличие от скорости линейной развертки, непостоянна: она убывает от начала к концу развертки.

При нелинейном развертывающем напряжении осциллограмма дает искаженное представление о форме исследуемого сигнала. Количественной мерой нелинейности развертывающего напряже­ния служит коэффициент нелинейности у, выражаемый в про­центах н характеризующий степень непостоянства скорости изме­нения развертывающего напряжения в начале и конце прямого хода луча:

минимальное значение частоты повторения, при котором отсут­ствуют мерцания осциллограммы. Чтобы линия развертки или изображение сигнала не мерцали при наблюдении, луч должен прочерчивать одну и туже траекторию не менее 25-30 рас в секунду. При этом используется инерционная способность человеческого глаза сохранять зрительные впечатления примерно 1/15 с;

синхронность с напряжением исследуемого сигнала. Изобра­жение представляется 'Наблюдателю неподвижным, если луч при каждом прямом ходе прочерчивает одну и ту же кривую, начи­нающуюся в одной и той же фазе. Это достигается тогда-, когда период развертывающего напряжения Т_п (.или период повторения Т) равен или кратен периоду исследуемого сигнала Тн: при Т_П=Т_Н -наблюдается один период сигнала; при Тп = пТ_н — п периодов сигнала.

Напомним, что два сигнала, у которых частоты (периоды) рав­ны или кратны и изменению одной из них соответствует пропор­циональное изменение второй частоты, называются синхронными (одновременными). Таким образом, для получения неподвижного изображения напряжение развертки и исследуемое напряжение должны быть синхронными. Для этого синхронизируют напряже­ние развертки исследуемым сигналом или внешним напряжением с периодом, равным (кратным) периоду исследуемого сигнала.

Импульсную периодическую развертку (рис. 3.3,б) характери­зуют длительностью Т_р = t_пр + t_обр (практически, Т_р= t_пр) и часто­той F или периодом Т следования импульсов (соответственно ус­ловие синхронизации Т=Т_И). Остальные характеристики не отли­чаются от характеристик непрерывной периодической развертки.

В осциллографах, служащих для наблюдения формы напряже­ния, максимально допускаемое значение коэффициента нелиней­ности в зависимости от класса точности прибора лежит в преде­лах от 3% (класс I) до 20% (класс IV), а в осциллографических измерителях интервалов времени оно значительно меньше: состав­ляет десятые или сотые доли процента.

Линейная ждущая развертка. Часто осциллограф используют для исследования различных импульсных процессов, в том числе непериодических. Непрерывная развертка не позволяет наблюдать однократные импульсы, а при исследовании процессов с большой скважностью она оказывается малоэффективной. В последнем слу­чае слишком малая часть периода следования импульсов при­ходится на долю импульса и его вершина наблюдается в виде све­тящейся точки. Иначе говоря, большая часть периода напряжения горизонтальной развертки не используется, а масштаб получается очень мелким.

Задача исследования непериодических импульсов и периодических импульсных процессов с большой скважностью успешно решается с помощью ждущей развертки. Для нее характерно следующее. Разверты­вающее напряжение подается на горизон­тально отклоняющие пластины трубки син­хронно с моментом появления исследуемого импульса на входе осциллографа (рис. 3.4). После того как под действием развертыва­ющего напряжения луч совершает один прямой и один обратный ход, развертка

прекращается и «ждет» прихода импульса, синхронного с исследу­емым сигналом, который вновь запустит генератор развертываю­щего напряжения. При этом длительность пилообразного напряже­ния Т_жд можно выбрать немного большей длительности наблюда­емого импульта т, что позволяет при надлежащей скорости раз­вертки получить изображение импульса почти во весь экран.

Ждущая линейная развертка характеризуется длительностью пилообразного импульса T_жд в милли, микро- или наносекундах (ври этом предполагается, что амплитуда [развертывающего нап­ряжения U_т отклоняет луч на весь экран) или скоростью .раз­вертки ¹

выраженной в миллиметрах на милли-, микро- или наносекунды (А_г — чувствительность трубки к горизонтальному отклонению, в миллиметрах на вольт).

Чтобы при ждущей развертке фронт исследуемого импульса был хорошо виден, необходимо сдвинуть его относительно начала развертки, т. е. сделать так, чтобы момент начала горизонтальной развертки опережал момент прихода фронта исследуемого импуль­са на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

Синусоидальная развертка. Подобная развертка получается при подаче на горизонтально отклоняющие пластины напряжения синусоидальной формы U p . Линия развертки и в этом случае представляется наблюдате­лю прямой, но скорость движения луча неравномерна в различных частях экра­на: она определяется зависимостью

Применение подобной развертки для наблюдения формы исследуемого на­пряжения нецелесообразно из-за непостоянной скорости развертки. Этот вид развертки может быть использован при решении измерительных задач.

Круговая развертка. Для рассмотренных видов разверток ха­рактерно то, что в результате воздействия развертывающего нап­ряжения луч всегда движения вдоль диаметра трубки, какой бы ни была форма этого напряжения. Однако в осциллографической практике нередко используют и развертки с траекторией луча, отличной от прямолинейной.

При круговой развертке траек­тория движения луча — окружность (рис. 3.5,а). Эта развертка являет­ся частным случаем эллиптической (рис. 3.5,6). Последняя получается при одновременной подаче на вхо­ды X и У осциллографа двух синусоидальных

напряжении одной и той же частоты, сдвинутых по фазе на некоторый угол¹ и р). Убедимся в том, что совместное действие двух подобных напряжений заставляет луч описывать эллипс.

Перемещение луча, вызванное напряжением и_х:

(3.1)

где Кг — коэффициент передачи канала горизонтального отклоне­ния; h_r — чувствительность трубки к горизонтальному отклоне­нию.

Перемещение луча, обусловленное напряжением uy:

(3.2)

где Кв — коэффициент передачи канала вертикального отклоне­ния; h_в — чувствительность трубки к вертикальному отклонению.

Выражения (3.1) и (3.2) — это уравнение эллипса в парамет­рической форме. Заменив в (3.2) синус суммы двух углов развер­нутой формулой и подставив в нее значение sin wt из (3.1), а так­же выразив cos wt через sin wt, можно получить уравнение эллип­са в прямоугольных координатах:

уравнение эллипса, оси которого совпадают с ко­ординатными. Соотношение осей эллипса зависит от соотношения амплитуд напряжений U_т1 и U_тг, чувствительностей ЭЛТ h_г и h_в и коэффициентов передачи обоих каналов.

Если отклонения луча по обеим осям ЭЛТ одинаковые, т. е. то траектория движения луча — окруж­ность: х²+у²=R², где R — радиус окружности. Луч совершает один оборот за время, (равное периоду синусоидального разверты­вающего напряжения.

Таким образом, для получения круговой развертки необходи­мо подать на оба входа осциллографа одновременно два синусои­дальных напряжения одной и той же частоты, сдвинутых по фазе на 90°. Амплитуды этих напряжений и коэффициенты передачи ка­налов X и У осциллографа должны быть выбраны так, чтобы от­клонения луча по горизонтали и вертикали были равными.

Круговую развертку применяют при измерении интервалов вре­мени, частоты гармонических сигналов и следования импульсов, фазовых сдвигов и т. п.

Спиральная развертка. Если на обе пары отклоняющих пластин подать два синусоидальных напряжения, необходимых для получения круговой развертки, но отличающихся тем, что их амплитуды изменяются во времени по линейному закону, то луч будет описывать архимедову спираль. Такая развертка называется спиральной. Ее можно получить, например, путем модуляции пилообразным на­пряжением двух синусоидальных напряжений, вызывающих круговую развертку. При этом луч будет двигаться по одной и той же спирали в каждый период Т_n пилообразного напряжения, если период модулирующего напряжения будет кра­тен периоду Гв1п синусоидального напряжения, т. е. при выполнении условия Тн — nТ_sin (n — целое число).

Спиральная развертка применяется в специальных осциллографических приборах для измерения интервалов времени.