11. Синхронизация развертки

Синхронизация ждущей развертки. В самой сущности ждущей развертки заложена необходимость синхронизации: генератор ждущей развертки не работает до тех пор, пока не приходит за­пускающий, т. е. синхронизирующий, импульс.

Основная забота при исследовании одиночного импульса или периодической последовательности импульсов, характеризуемой большой скважностью, — получить неискаженное изображение фронта импульса.

Запускать генератор ждущей развертки можно исследуемым импульсом (внутренняя синхронизация) ли импульсом, выраба­тываемым внешним по

отношению к осциллографу с источником (внешняя синхронизация).

Принцип внутренней синхронизации состоит в том, что исследуемый импульс дифференцируют и полученным в результате дифференцирования коротким импульсом, соот­ветствующим фронту исследуемого сигна­ла, возбуждают генератор развертки. Однако если не принять необходимых мер, то в изображении исследуемого импульса мо­жет отсутствовать фронт (рис. 3.11).

При синхронизации ждущей развертки необходимо создать условие наблюдения неискаженного фронта исследуемого им­пульса — сделать так, чтобы начало на­пряжения развертки, отклоняющего луч по горизонтали, несколько опережало момент прихода фронта исследуемого им­пульса на вертикально отклоняющие пла­стины. Такая задача решается двумя основными способами:

Включением линии задержки в канал вертикального откло­нения. В режиме внутренней синхронизации (рис. 3.12,а) генера­тор ждущей развертки запускается коротким импульсом 2. Он соответствует фронту продифференцированного исследуемого им­пульса 1, поступающего из цепи, предшествующей линии задерж­ки. На вертикально отклоняющие пластины фронт задержанного импульса 4 приходит с запаздыванием относительно начала дей­ствия напряжения развертки 3 на интервал времени ٦₃, определяе­мый линией задержки. Возможности использования этого спосо­ба ограничены, поскольку задержка импульса, создаваемая ли­нией задержки, фиксирована — она не регулируется. Следует так­же иметь в виду, что наличие линии задержки в канале верти­кального отклонения приводит к некоторым искажениям наблю­даемого импульса. В осциллографах высокого класса используют линии задержки, вносящие малозаметные искажения.

12. Запуском одним синхронизирующим импульсом и генерато­ра ждущей развертки и устройства, импульс которого подлежит наблюдению (режим внешней синхронизации). При этом иссле­дуемый импульс 1 не задерживают в канале вертикального откло­нения (рис. 3.12,6), а строят систему запуска так, чтобы либо генератор развертки запускался коротким импульсом 2 немного раньше, чем исследуемое устройство, либо при одновременном запуске использовалась задержка исследуемого импульса 1 отно­сительно момента запуска в самом устройстве. В обоих случаях начало действия развертывающего напряжения 3 будет опережать на время ٦₀п момент прихода фронта исследуемого импульса на вертикально отклоняющие пластины (импульса 4 на рис. 3.12,6).

Второй способ позволяет осуществить надежную синхрониза­цию и в случае, когда исследуемый импульс подается непосред­ственно на вертикально отклоняющие пластины (амплитуда ис­следуемого импульса достаточна для значительного отклонения луча).

На рис. 3.13 изображена схема для исследования выходного сигнала усилителя, на вход которого подается импульс от изме­рительного генератора импульсных сигналов. Исследуемый им­пульс подводится непосредственно к вертикально отклоняющим пластинам ЭЛТ осциллографа. Так как импульсы, появляющиеся ка основном выходе 2 измерительного генератора при включенной внутри генератора схеме задержки, запаздывают относительно синхронизирующих импульсов, снимаемых с выхода 1, то синхро­низирующие импульсы, поступающие на специальный вход осцил­лографа для запуска генератора ждущей развертки в режиме внешней синхронизации, опережают сигналы, подаваемые на вер­тикально отклоняющие пластины трубки.

Иногда синхронизирующие импульсы могут быть поданы из первых каскадов исследуемого устройства.

При синхронизации генератора ждущей развертки следует учитывать, что для его запуска требуются короткие импульсы с крутым фронтом. Поэтому в усилителе синхронизации исследуе­мый импульс усиливается и дифференцируется. Возможна синхро­низация ждущей развертки импульсами любой полярности, так как предусмотрен специальный каскад схемы синхронизации, ко­торый в зависимости от положения переключателя рода разверт­ки передает запускающие импульсы либо с той же полярностью, либо с измененной на противоположную.

Синхронизация периодической (непрерывной) развертки. При

исследовании периодических напряжений для получения непод­вижного изображения на экране трубки необходимо, чтобы перио­ды развертывающего напряжения и исследуемого сигнала были равны или кратны. Выполнение этого условия требует специаль­ных мер, так как частота сигналов релаксационных генераторов вообще и генераторов пилообразного напряжения в частности не­стабильна по различным причинам: из-за колебаний питающих напряжений, нестабильности параметров схемы, флуктуационных явлений и т. п. Да и частота исследуемого сигнала не всегда дос­таточно стабильна.

Получить неподвижное изображение периодического сигнала можно в том случае, если создан принудительный режим работы генератора развертки, такой, что развертывающее напряжение и напряжение исследуемого сигнала синхронны. Чаще всего исполь­зуют синхронизацию напряжением исследуемого сигнала, пере­даваемым из канала вертикального отклонения в усилитель син­хронизации. Там оно усиливается, ограничивается и дифференци­руется, т. е. из него формируются короткие однополярные импуль­сы с периодом следования, равным или кратным периоду иссле­дуемого напряжения (иногда для этого включают специальные формирующие каскады). Полученные импульсы в моменты при­хода на мультивибратор генератора периодической развертки (ре­жим автоколебаний) опрокидывают его. Таким образом, момент скачка — начала цикла (периода) работы мультивибратора—сог­ласован с моментом появления синхронизирующего импульса. Следовательно, период колебаний мультивибратора, а значит, и период развертывающего напряжения равен периоду исследуемо­го сигнала.

Известно, что работу мультивибратора можно синхронизиро­вать импульсами и так, чтобы частота синхронизированного сиг­нала была в целое число раз меньше частоты следования синхро­низирующих импульсов. В этом случае период развертывающего напряжения оказывается кратным периоду исследуемого напря­жения.

В осциллографах предусматривают три вида синхронизации: внутреннюю, т. е. напряжением исследуемого сигнала, внешнюю, осуществляемую с помощью внешнего источника, .и от сети (нап­ряжением питающей сети).

6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИССЛЕДУЕМЫХ СИГНАЛОВ

Как отмечалось в § 3.2, в зависимости от встроенных средств измерения параметров исследуемых сигналов различают осцилло­графы, содержащие калибраторы чувствительности и длительности, со встроенными цифровыми измерителями этих параметров и мик­ропроцессорные с программным управлением, которые автомати­чески измеряют много параметров сигналов по заданной про­грамме. В данном параграфе излагаются методики измерений осуществляемых с помощью первых двух разновидностей осцилло­графов. О третьей разновидности речь пойдет в гл. 12.

Калибраторы и методики измерений параметров. Калибратора­ми называют средства измерения, входящие в состав осциллогра­фа и представляющие собой меры, с помощью которых градуиру­ют или поверяют градуировочные характеристики осей экрана ос­циллографа: вертикальной — в единицах напряжения, горизон­тальной — в единицах времени. После выполнения градуировки осей (шкал) создается возможность измерения, с одной стороны, амплитуды напряжения исследуемого сигнала и, с другой стороны, длительности импульсов, интервала времени между импульсами и т. п.

Калибратор чувствительности — это источник напряжения, по которому устанавливают номинальную чувствительность канала вертикального отклонения:

Еном = Н_к/U_к,

где Eном выражено в сантиметрах на вольт; H_к, в сантиметрах — строго определенное (калибровочное) видимое отклонение луча; Uк, в вольтах—строго определенное (калиброванное) напряже­ние, подаваемое на вход усилителя вертикального отклонения.

Согласно (3.5), которое для выражения енои в сантиметрах на вольт можно записать в виде Eном = Кном hb/10, номинальная чувствительность устанавливается регулировкой коэффициента передачи канала.

Когда вертикальная ось экрана проградуирована, то измеряе­мая амплитуда напряжения находится из соотношения U_m изм= Н/Eном, где Н — видимое отклонение луча, вызываемое иссле­дуемым сигналом.

Удобнее располагать значением номинального коэффициента отклонения d=1/Eном =Uk/H_K. Тогда

Размер Н_к, необходимый для установки чувствительности или коэффициента отклонения, задается с помощью масштабной сетки (рис.

3.14). Во многих осциллографах при­менены ЭЛТ с внутренней масштаб­ной сеткой, расположенной в плоско­сти экрана (в той же плоскости, что и люминофор). Это конструктивное ре­шение практически исключает погреш­ности отсчета, обусловленные парал­лаксом. Такие ЭЛТ называют трубка­ми с внутренней шкалой и беспаралаксным отсчетом.

Напряжение Uk вырабатывает калибратор, который выполнен, например, по схеме мультивибратора, генерирующего прямоуголь­ные импульсы размахом U_Р (строго калиброванным). Эти импульсы передаются через эмиттерный повторитель и делитель напря­жения на выход калибратора. Последний соединяют со входом У осциллографа. Числа h_ном, соответствующие различным коэф­фициентам передачи аттенюатора, нанесены на шкале, окружаю­щей его переключатель, который отмечен надписью В/см.

Методика измерения амплитуды напряжения заключается в следующем. Пе­ред измерением калибруют чувствительность канала вертикального отклонения: устанавливают по калибратору с помощью регулятора усиления номинальный коэффициент отклонения. Затем подают исследуемый сигнал на вход У осцил­лографа и, не меняя положения регулятора усиления, добиваются с помощью входного аттенюатора того, чтобы размер Н изображения занимал большую часть экрана (рис. 3.15). Искомую амплитуду определяют по (3.14), где d_Ном — число, соответствующее данному положению переключателя иа шкале, окружа­ющей его.

Рассмотрим составляющие погрешности измерения амплитуды, классифици­руя их согласно слагаемым измерения. Погрешность меры б_м состоит из по­грешности напряжения калибратора и погрешности калибровки чувствительно­сти. Иначе говоря, это погрешность номинального коэффициента отклонения dном. Погрешность преобразования бпр определяется главным образом нерав­номерностью переходной характеристики канала вертикального отклонения. По­грешность сравнения бср — погрешность геометрического измерения размера Н. Погрешность фиксации сливается с погрешностью сравнения. Учитывая, что все составляющие погрешности независимы, суммарную погрешность можно най­ти следующим образом:

Калибратор длительности — это мера времени, с помощью ко­торой либо проверяют длительность калиброванной развертки, либо калибруют временной масштаб. Больше распространен пер­вый вариант. Часто функции обоих калибраторов (чувствитель­ности и длительности) совмещены в одном устройстве.

Калиброванная по длительности развертка гарантирует гори­зонтальное отклонение луча, на строго определенное расстояние при строго определенной длительности Тр. Коэффициент разверт­ки g=T_{р /} L_к (например, в микросекундах на сантиметр) опреде­ляет градировочную характеристику оси времени или временной масштаб. Числа g обозначают положения переключателя длитель­ности развертки (надпись на передней панели ВРЕМЯ/см или ВРЕМЯ/дел.).

Таким образом, генератор калиброванной развертки служит рабочей мерой времени, поверяемой »по калибратору длительности.

Методика измерения интервалов времени такова. Длительность импульса, период следования импульсов и другие интервалы времени измеряют, используя калиброванную развертку. Перед началом измерения поверяют значение коэф­фициента развертки по калибратору длительности. После поверки исследуемый импульс подают на вход У осциллографа. На экране появляется изображение прямоугольного импульса. Длительность развертки регулируют так, чтобы воз­можно больше растянуть изображение импульса в горизонтальном направлении: если фронт изображения близок к левой граничной линии масштабной сетки, то срез изображения должен быть возможно ближе к правой граничной линии (рис. 3.16). Затем измеряют по масштабной сетке расстояние l и, умножив его на числовое значение коэффициента развертки g (произведение чисел, обозна­чающих установленные положения переключателей ВРЕМЯ/дел. и МНОЖИ­ТЕЛЬ), получают искомую длительность импульсов ٦и = lg/

Отметим составляющие погрешности измерения длительности импульса.

Погрешность меры бm в данном случае — нестабильность частоты генератора калибратора (она не превосходит ДО^-3) и погрешность калибровки длительноcти

развертки Т_р. Другими словами—это погрешность коэффициента развертки g.

Погрешность преобразования б_Пр — погрешность, обусловленная искажением формы импульса в канале вертикального отклонения. Погрешность сравнения бср — погрешность установки уровня 0,5 и геометрического намерения длины l. Так как все составляющие погрешности независимы, то суммарная погрешность

Встроенные цифровые измерители и методики измерения пара­метров. Более совершенны приборы, в которых вместо калибрато­ров применены встроенные цифровые вольтметры, измерители ин­тервалов времени и частоты. Результаты измерений либо отобра­жаются с помощью цифровых индикаторов (цифрового дисплея), либо высвечиваются на экране ЭЛТ в буквенно-цифровой форме.

Рассмотрим, каким образом измеряются интервалы времени.

Для этого воспользуемся структурной схемой на рис. 3.17 и гра­фиками, поясняющими измерение длительности прямоугольного импульса (»а уровне 0,5 (амплитуды, рис. 3.18).

Иcследуемый импульс, подводимый к входу Y оcциллографа, передается через канал (вертикального отклонения на вертикально . отклоняющие пластины ЭЛТ. Генератор развертки, содержащийся в канале горизонтального отклонения, вырабатывает линейно-изменяющееся напряжение u_р(t), мо­мент начала которого определяется синхронизирующим сигналом. Это напряжение поступает на входы 1 обоих компараторов. В компараторе I оно сравнивается с напряжением постоянного тока U1, подводимым к входу 2 компаратора I, а в компара­торе II— с напряжением постоянно­го тока U2 (рис. 3.18,а).

В момент t1, когда u_p(ti) = U1, на выходе компаратора I возникает ко­роткий импульс (рис. 3.18,а и б). Аналогично и на выходе компарато­ра II появляется короткий импульс, но в момент t₂ выполнения условия u_p(t₂)=U2 (рис. 3.18,а и в):

Полученные импульсы поступа­ют в формирователь импульсов ме­ток, откуда после формирования (рис. 3.18,г) подаются на управля­ющий электрод (УЭ) ЭЛТ. В момен­ты появления сформированных им­пульсов яркость свечения увеличи­вается и на изображении исследу­емого прямоугольного импульса (рис. 3.18,д) образуются яркостные метки.

С помощью органов регулировки, выведенных на переднюю панель прибора, пользователь осциллографа может изменять напря­жения U1 и U2 .Это влечет за собой изменение моментов появления импульсов (рис. 3.18,а—г) и, следовательно, положений яркостных меток на изображении исследуемого импульса (рис. 3.18,д). После того как метки будут установлены на требуемом уровне (в нашем случае — на уровне 0,5 амплитуды импульса), интервал Δt между импульсами, создающими яркостные метки (рис. 3.18,г), определяется измерителем интервалов времени. Результат изме­рения искомого значения длительности прямоугольного импульса отображается на цифровом дисплее.

Опираясь на изложенную процедуру, несложно представить себе методику измерения длительности фронта исследуемого им­пульса. Для этого нужно так выбрать напряжения U1 и U2, чтобы обе яркостные метки «лежали» на изображении фронта импульса, причем положение первой должно соответствовать уровню 0,1 ам­плитуды, а положение второй — уровню 0,9 (амплитуды.

Бели в устройство, изображенное на рис. 3.17, ввести схему запоминания максимального уровня исследуемого импульса и по­дать запомненное напряжение на вход 2 компаратора II (вместо напряжения U₂), а на входе 2 компаратора I установить U1=0, то интервал времени, разделяющий выходные импульсы компара­торов, будет пропорционален амплитуде импульса U_m. Измерив этот интервал, можно определить значение U_m (подробнее см. § 5.9).