17. Электронно-лучевой осциллограф: виды разверток и синхронизации.

Электроннолучевой осциллограф является универсальным измерительным прибором широкого назначения.

При его помощи можно визуально наблюдать и документально фиксировать непрерывные и импульсные электрические процессы, непериодические, случайные имгновенные одиночные явления. В зависимости от формы напряжения, приложенного на отклоняющие пластины, развертка бывает линейная и синусоидальная. Если развертывающее напряжение подается на обе пары пластин, то названия разверток соответствуют форме получающейся при этом фигуры: круговая, эллиптическая, спиральная. Наибольшее применение в измерительной технике находят линейная, синусоидальная и круговая развертка, реже используется спиральная. Все развертки могут быть непрерывными и ждущими. Для изучения непрерывных периодических процессов развертывающее напряжение также может быть непрерывным, при наблюдении непериодических или периодических импульсных процессов с большой скважностью применяется так называемая ждущая развертка. Она отличается от непрерывной тем, что развертывающее напряжение подается на пластины трубки только тогда, когда на вход осциллографа поступает синхронизирующий сигнал (импульс). При отсутствии последнего развертка не работает.

Линейная развертка – наиболее распространенный вид. Напряжение этой развертки имеет форму пилообразного импульса, т.е. возрастает пропорционально времени, и поэтому луч с равномерной скоростью движется по экрану осциллографа. Увеличение напряжения прекращается в момент достижения лучом края экрана. В этот момент оно мгновенно уменьшается до нуля, и луч также мгновенно перебрасывается к противоположному краю экрана трубки. Далее процесс повторяется, и луч чертит на экране трубки прямую – линию развертки.

Напряжение развертки, как правило, подается на пластины Х, и поэтому линия развертки получается горизонтальной. В зависимости от того, нарастает или спадает пилообразное напряжение, луч устанавливается у левого или у правого края экрана и разворачивается слева направо или наоборот. Развертка будет линейной, если в пределах ее длительности пилообразное напряжение изменяется пропорционально времени.

где А_пл – высота пилообразного напряжения, τ_пл – его длительность

Если на пластины Y подается напряжение исследуемого сигнала U_Y , то луч получает дополнительные отклонения по вертикали в функции времени: U_Y = f(t). Осциллограмма неподвижна только в том случае, если длительность развертки равна или кратна периоду Т сигнала.

Рассмотренная линейная непрерывная развертка пригодна для наблюдения периодических непрерывных сигналов и последовательностей импульсов с малой скважностью, т.е. с большим коэффициентом заполнения.

Осциллографирование импульсов большой скважности, а также непериодических и однократных процессов осуществляют, применяя линейную ждущую развертку. При ждущей развертке исследуемый сигнал и напряжение развертки в виде одиночного и пилообразного импульса синхронно поступают на пластины Х и У соответственно. Длительность и скорость развертки должны соответствовать аналогичным параметрам сигнала.

Для того чтобы на экране осциллографа воспроизводился передний фронт исследуемого сигнала, нужно импульс развертки подать на пластины Х несколько раньше, чем исследуемый сигнал на пластины У.

Синусоидальная развертка. При синусоидальной развертке на пластины Х подается гармоническое напряжение. Если на пластинах У напряжения нет, на экране трубки получается горизонтальная линия – линия развертки. Каждый полупериод напряжения развертки вызывает перемещение луча вправо и влево со скоростью, изменяющейся по синусоидальному закону. Следовательно, синусоидальная развертка является нелинейной.

Фигуры на экране осциллографа неподвижны только в том случае, если периоды (и частоты) приложенных напряжений относятся друг к другу, как целые числа: Т_х/Т_у = n/m. Это объясняется тем, что за промежуток времени Т = mT_x = mT_y периоды обоих напряжений повторяются целое число раз и луч возвращается в исходное положение. Устойчивость осциллограммы тем лучше, чем меньше n и m, а полная ее неподвижность получается только при равенстве или кратности частот. При нецелочисленном отношении частот изображение перемещается по экрану. Если отношение частот близко к целому числу, перемещение происходит медленно и можно наблюдать осциллограмму, принимающую разные очертания. В случае сильного различия частот фигура перемещается так быстро, что на экране видны лишь ее следы, сливающиеся в сплошной светящийся прямоугольник, стороны которого пропорциональны амплитудам отклоняющих напряжений.

Круговая (эллиптическая) и спиральная развертки.

Для получения круговой развертки гармоническое напряжение

u=Usinωt подводится к фазорасщепляющей (на 90⁰)цепи RC, с которой подаются на обе пары пластин напряжения u_х=U_хsinωt и u_y=U_ysin(ωt+π/2).

Эти напряжения создают на экране трубки фигуру Лиссажу в виде эллипса или окружности. По виду этой фигуры развертку называют эллиптической или круговой

Круговая развертка получается при одинаковых максимальных отклонениях луча по горизонтали и по вертикали. Чтобы облегчить выполнение этого условия, элементы фазорасщепляющей цепи должны удовлетворять равенству R=1/ωC. Точная установка линии развертки в виде окружности достигается регулировкой сопротивления резистора R. При круговой развертке луч совершает один оборот за время, равное периоду развертывающего напряжения, а количество оборотов в секунду численно равно частоте развертывающего напряжения в герцах. Исследуемое напряжение подается по каналу Z на модулятор трубки или на второй анод. В первом случае осциллограмма имеет вид штриховой окружности, во втором – зубчатой. Применение круговой развертки обеспечивает относительное увеличение времени наблюдения и уменьшение погрешности отсчетов. Еще большее увеличение времени наблюдения получается при спиральной развертке. Спиральную развертку можно осуществить одновременным воздействием на амплитуды напряжения круговой развертки периодическим пилообразным напряжением; амплитуды будут изменяться во времени по линейному закону от 0 до Ux и Uy, а луч будет описывать архимедову спираль. Длительность пилообразного напряжения должна быть кратна периоду гармонического напряжения круговой развертки, в противном случае неподвижную осциллограмму получить невозможно. Спиральная развертка часто осуществляется в ждущем режиме.

Виды синхронизации: Синхронизирующее устройство предназначено для принудительной установки периода (или длительности) развертки, равного или кратного периоду (или длительности) исследуемого сигнала. В режиме ждущей развертки синхронизация осуществляется коротким запускающим импульсом, который формируется из исследуемого сигнала или напряжения внешнего источника. Для этого предусматривается усилитель синхронизирующего напряжения и триггер, формирующий запускающие импульсы; при такой схеме запуск генератора развертки не зависит от формы запускающих сигналов. Иногда триггер в цепи синхронизации отсутствует, тогда на выходе усилителя предусматривается дифференцирующая цепочка для получения коротких запускающих импульсов. На выходе усилителя обеспечивается необходимая величина и полярность этих импульсов независимо от величины и полярность их на входе. В большинстве современных осциллографов генератор развертки имеет в своем составе триггер управления, воздействуя на который можно осуществить синхронизацию и в режиме непрерывной развертки. В некоторых осциллографах генераторы развертки работают в автоколебательном режиме, и для их синхронизации в схему вводится напряжение U_син синхронизирующей частоты. Синхронизация тем лучше, чем частота генератора развертки ближе к частоте напряжения синхронизации. Синхронизация достигается и при кратности частоты синхронизации, т.е. когда последняя в целое число раз больше частоты генератора развертки. Такая синхронизация называется синхронизацией на субгармониках. Устойчивость синхронизации зависит от значения синхронизирующего напряжения: нужно устанавливать минимальное, при котором осциллограмма неподвижна. Синхронизация периодической развертки осуществляется исследуемым сигналом, напряжение внешнего источника или напряжением питающей сети. Переход от одного вида синхронизации к другому осуществляют переключением входа синхронизации на одно из трех положений: "Внутренняя", "внешняя" или "от сети".

Наиболее употребительной является внутренняя синхронизация, напряжение для которой снимается с усилителя канала вертикального отклонения. При этом создаются наиболее благоприятные условия наблюдения, так как сигнал даже при нестабильности его частоты "ведет" за собой частоту развертки и осциллограмма остается неподвижной. Синхронизация от сети используется для исследования процессов, частота которых равна или кратна 50 Гц.