1. Назначение осциллографа

Осциллограф – это прибор, предназначенный для наблюдения различных электрических сигналов (напряжений) путём их графического воспроизведения на экране. Известные калибровки экрана по вертикали и горизонтали позволяют измерять и различные количественные параметры сигналов: амплитуды, длительности, частоты, средние значения, времена фронтов и спадов импульсов.

Основным элементом осциллографа является электроннолучевая трубка (ЭЛТ). Устройство и принцип работы ЭЛТ изложен в «Приложении». В осциллографах используются ЭЛТ с электростатическими фокусировкой и отклонением луча. Ввиду малой инерционности электростатических отклоняющих систем, современные универсальные осциллографы позволяют наблюдать периодические процессы с частотами до 100 МГц и форму импульсов длительностью до 10 нс. Для наблюдения и регистрации процессов с частотами 10⁹-10¹⁰ Гц используются уже специальные скоростные осциллографы, а для регистрации одиночных быстропротекающих процессов применяют запоминающие осциллографы, в которых установлена ЭЛТ с большим временем послесвечения люминофора – порядка 10 с.

В настоящей работе изучается универсальный осциллограф С1-65А.

2. Блок-схема осциллографа с1-65а

Упрощённая блок-схема осциллографа С1-65А показана на рис. 1.

2.1. Входной делитель и усилитель канала y

Исследуемый сигнал подаётся на вход Y. Входным делителем сигнал ослабляется до уровня, необходимого для входа усилителя канала Y и наблюдения этого сигнала на экране ЭЛТ. Ступенчатая и плавная регулировки входного делителя выведены соосно на переднюю панель осциллографа: «V/дел» и «ПЛАВНО».

Использование усилителя Y вызвано тем, что чувствительность ЭЛТ слишком мала для непосредственного наблюдения слабых сигналов в электро- и радиоцепях (сигнал в 1 В вызывает отклонение луча на экране всего лишь примерно на 1 мм). А так как у С1-65А переключателем «V/дел» можно выставить чувствительность 0,005 В/дел, то, следовательно, входной сигнал по каналу Y может усиливаться в 200 раз. Обеспечение линейности такого усиления в очень широкой полосе частот – от нескольких герц до 10 МГц – является большим достоинством усилителя.

2.2. Генератор развёртки

Генератор развёртки вырабатывает пилообразное напряжение для задания равномерного хода луча по экрану слева направо. Роль пилообразного напряжения в формировании изображения на экране ЭЛТ состоит в следующем. Для получения на экране графика исследуемого сигнала и(t) надо этот сигнал (или пропорциональное ему напряжение) подать на вертикально-отклоняющие пластины Y:

и_у=и(t),

а на пластины Х при этом подать линейно-растущее напряжение

и_х=kt.

Тогда светящаяся на экране точка, равномерно перемещаясь по горизонтали слева направо, будет по вертикали отклоняться в соответствии с сигналом и(t), вычерчивая график у(х).

Рис. 1. Блок-схема осциллографа С1-65А

Однако на обычном (универсальном) осциллографе наблюдать однократные процессы практически невозможно, так как их изображение на экране, мелькнув один раз, исчезнет. Как уже отмечалось, для наблюдения таких процессов применяют специальные осциллографы с долгосветящимся экраном. На обычных же осциллографах исследуются лишь периодические процессы. Для получения их изображения на экране используется, как правило, режим непрерывной развёртки. Рассмотрим работу осциллографа в этом режиме.

П усть на пластины Y подаётся исследуемый периодический сигнал, например, и_у=U sin ωt. Если на пластины Х при этом подать линейно растущее напряжение и_х=kt с таким коэффициентом k, чтобы луч прошёл весь экран по горизонтали за время, равное периоду сигнала Т=2π/ω, то на экране появится изображение одного периода синусоиды (рис. 2). Дальнейший рост напряжения и_х уже ничего не даст, так как луч уходит за экран; т.е. картинка мелькнёт и исчезнет.

Ч тобы изображение синусоиды на экране было постоянным, надо в момент достижения лучом точки 2 (рис. 2) быстро сбросить напряжение и_х до нуля и снова его равномерно увеличивать, т.е. на пластины Х надо подать пилообразное напряжение с периодом исследуемого сигнала Т, как показано на рис. 3 сплошной ломаной. Тогда при достижении точки 2 луч почти мгновенно вернётся в точку 1 и по тому же следу прочертит на экране второй цикл синусоиды 2-3 (рис. 3). Далее процесс многократно повторяется, и на экране будет постоянное изображение одного периода синусоиды. Период пилообразного напряжения может быть в общем случае кратен периоду исследуемого сигнала: если кратность равна N, то на экране будет N циклов сигнала. На рис. 3 пунктиром изображён вариант N=2, так что на экране в этом случае будет два цикла, т.е. весь участок 1-3.

Пилообразное напряжение в осциллографе вырабатывает генератор развёртки. Режиму непрерывной развёртки соответствует автоколебательный режим работы генератора, когда «пила» вырабатывается постоянно без управляющего воздействия на генератор. Скорость развёртки (т.е. горизонтальную компоненту скорости луча по экрану) можно регулировать ступенчато и плавно соосными ручками «ВРЕМЯ/ДЕЛ» и «ПЛАВНО» от 50 мс/дел до 0,1 мкс/дел.

В осциллографе предусмотрен также режим ждущей развёртки, при котором генератор пилообразного напряжения запускается некоторым внешним по отношению к нему синхроимпульсом только на один шаг «пилы». Если синхроимпульсы следуют в генератор периодически, то и «пила» будет вырабатываться с периодом этих импульсов. Синхроимпульсы поступают в генератор развёртки из блока синхронизации (рис. 1), который формирует их либо из внешних синхроимпульсов, подаваемых на вход Х (два нижних положения ключа К1 на рис. 1), либо из напряжения с сетевой частотой 50 Гц, либо же из части исследуемого сигнала (верхнее положение ключа К1).

Режим ждущей развёртки полезен при изучении динамики какого-либо процесса. Например, радиолокатор излучает зондирующие импульсы. Отразившись от объекта (самолёта, ракеты), каждый такой импульс возвращается и регистрируется. По времени задержки отражённого импульса относительно излучённого определяется дальность до объекта. Так вот, если излучаемый импульс использовать в качестве опорного для запуска генератора развёртки, то положение и скорость перемещения отражённого импульса на экране сразу позволяют определить дальность и скорость объекта. В этом случае генератор развёртки осциллографа синхронизирован с радиолокатором.

Есть в осциллографе и редко используемый режим однократного запуска развёртки. Он удобен при исследовании очень медленных процессов (порядка секунды). Генератор развёртки в этом режиме запускается на один период нажатием кнопки «ГОТОВ» при свечении в ней лампочки.

Р ежим работы генератора развёртки задаётся на передней панели осциллографа переключателем « », что соответствует непрерывному, ждущему и ручному (однократному). На рис. 1 первые два режима обозначены в переключателе К2 словами «непр.» и «ждущ.». Последний режим на рис. 1 не указан.

В осциллографе имеется возможность подавать внешний сигнал со входа Х ( ) на горизонтально-отклоняющие пластины ЭЛТ через входной делитель, блок синхронизации и усилитель канала Х (рис. 1). При этом ключ К1 устанавливается в одно из нижних положений, а спаренный ключ К2 – в правое. На передней панели осциллографа это соответствует установке переключателя «×1, ×0,1, » в положение « », а переключателя рода синхронизации «ВНУТР, СЕТЬ, ×1, ×10» − в положение «×1» или «×10».