книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

§ 3.2. ОБЩАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Общая функциональная схема осциллографа приведена на рис. 3.1. Основным элементом осциллографа является электронно-

Рис. 3.1.

лучевая трубка. От ее параметров в значительной мере зависят характеристики осциллографа. В осциллографах, как правило, ис­ пользуются трубки с электростатической фокусировкой и электро­ статическим отклонением луча. Устройство и принцип действия электроннолучевой трубки известны из курса электронных прибо­ ров.

Запишем выражения для отклонений луча на вертикали у и го­ ризонтали X под действием напряжений Оу и Ux, подаваемых на отклоняющие пластины трубки:

Ну, Нх — чувствительность трубки по осям У и X соответ­ ственно.

Величины Ну и Нх обычно лежат в пределах 0,2—1 мм/В.

В отсутствие напряжений на отклоняющих пластинах ЭЛТ луч фокусируют в яркую точку, которая с помощью органов управле­ ния положением луча может быть помещена в любое место экрана.

При рассмотрении принципа действия осциллографа будем по­ лагать, что электроннолучевая трубка является безынерционным

■10

прибором, что справедливо в области частот, в которой период или длительность исследуемого процесса существенно велики по сравне­

Принцип наблюдения формы напряжения на экране трубки за­ ключается в следующем. Исследуемое напряжение является функ­ цией времени, отображаемой в прямоугольных координатах гра­ фиком

и = /( /) .

Две пары отклоняющих пластин ЭЛТ отклоняют луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рас­ сматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч от­ клонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси — пропорционально мгновенному значению ис­

где /е — скорость изменения напряжения развертки, В/мкс.

Под действием этого напряжения луч перемещается по гори­ зонтали с постоянной скоростью слева направо и быстро возвра­

где Нх— чувствительность трубки по горизонтальной оси, мм/В; ѵх — скорость перемещения луча по горизонтали (скорость

развертки), мм/мкс.

К вертикально отклоняющим пластинам подводится исследуе­ мое напряжение. Следовательно, при действии обоих напряжений положение луча в каждый момент времени однозначно соответст­ вует значению исследуемого сигнала в этот момент. За время действия пилообразного напряжения луч вычерчивает на экране кривую исследуемого сигнала, называемую осциллограммой.

Рассмотрим назначение и состав основных узлов осциллографа.

Канал вертикального отклонения (канал сигнала) служит для обеспечения высокого входного сопротивления входа У и усиле­ ния сигнала перед подачей его на У-пластины. Он состоит из вход­ ного устройства и усилителя вертикального отклонения. Структур­ ная схема канала вертикального отклонения приведена на рис. 3.2.

41

причем коэффициент деления сохраняется практически неизмен­ ным в рабочем диапазоне частот осциллографа. Такие делители называются частотно-компенсированными.

Рис. 3.2.

Простейшая схема частотно-компенсированного делителя при­ ведена на рис. 3.3. Емкости конденсаторов Q и С2 выбираются большими по сравнению с паразитными емкостями, шунтирующи­ ми плечи делителя. Для такой схемы коэффициент деления

Активное входное сопротивление осциллографа обычно состав­ ляет 0,5—1 МОм, а входная емкость — 20—50 пФ. В ряде осцил­ лографов имеется низкоомный вход ( RBK=50 или 75 Ом), чем обеспечивается согласование входа осциллографа с волновым со­ противлением кабеля, по которому поступает высокочастотный исследуемый сигнал.

42

Катодный повторитель служит для согласования выходного со­ противления делителя с последующими каскадами.

Линия задержки применяется при исследовании импульсных сигналов и обеспечивает подачу исследуемого импульса на У-плас- тины с задержкой относительно начала развертки, что позволяет наблюдать фронт импульса. На конце линии задержки включа­ ется резистор, сопротивление которого согласовано с ее волновым сопротивлением, и потенциометр для плавной регулировки сигнала, подаваемого на усилитель вертикального отклонения.

Усилитель вертикального отклонения усиливает слабые иссле­ дуемые сигналы до уровня, позволяющего получить достаточное вертикальное отклонение луча на экране электроннолучевой труб­ ки. Так как осциллографы предназначаются для исследования сиг­ налов в широком диапазоне частот, усилители выполняются широ­ кополосными с коррекцией амплитудно-частотной характеристики па низких и высоких частотах.

Оконечные каскады, как правило, выполняются по двухтакт­ ным фазоинверсным схемам, обеспечивающим подачу на У-плас- тины симметричных относительно корпуса пе­ ременных напряжений сигнала. Это нужно для того, чтобы при любой величине исследуе­ мого сигнала потенциал средней линии меж­ ду пластинами оставался неизменным. Тогда электронный луч ускоряется только напряже­

нием Ua второго анода электроннолучевой трубки. В противном случае отклоняющее на­ пряжение будет оказывать дополнительное ускоряющее (или замедляющее) действие на луч, зависящее от амплитуды и знака откло­

няющего напряжения. Это приводит к нелинейным искажениям осциллограммы и дефокусировке луча.

Действительно, при несимметричной подаче отклоняющего на­ пряжения «у электронный луч будет ускоряться под действием суммарного напряжения

и л ± Ъ . ,

2

что изменяет чувствительность трубки. Во время положительной полуволны напряжения «у чувствительность Н у определяется сум­

0.4). Пунктиром на рис. 3.4 показана осциллограмма при симмет­ ричной подаче исследуемого сигнала иѵ.

Канал горизонтального отклонения (канал развертки) служит для создания или усиления напряжения, отклоняющего луч по юризонтали, т. е. напряжения развертки. В его состав входят: ге­ нератор пилообразного напряжения развертки, усилитель гори­

43

зонтального отклонения и схема синхронизации, предназначенная для получения на экране электроннолучевой трубки неподвижно­ го изображения исследуемого сигнала Более подробно работа ка­ нала горизонтального отклонения будет рассмотрена ниже.

Канал управления яркостью предназначен для передачи со вхо­ да Z на управляющий электрод электроннолучевой трубки внешних сигналов, модулирующих луч по яркости. Обычно в состав канала входит усилитель, который наряду с усилением позволяет изменять полярность модулирующего сигнала.

Калибраторы применяются для измерения величины напряже­ ния и временных параметров исследуемого сигнала. Принципы ра­ боты калибраторов рассматриваются ниже.

Блок питания состоит из двух выпрямителей — высоковольт­ ного для питания высоким напряжением электроннолучевой трубки и низковольтного — для питания всех узлов осциллографа, низко­ вольтных электродов трубкщ а также схем управления яркостью, фокусировкой и положением светящегося пятна на экране.

§3.3. ВИДЫ ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ РАЗВЕРТОК

ИИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Втехнике осциллографических исследований применяются раз­ личные виды развертки. В общем случае развертывающим напря­ жением называют напряжение, определяющее траекторию и ско­ рость перемещения луча электроннолучевой трубки в отсутствие исследуемого сигнала. В большинстве случаев развертывающее напряжение подается на одну пару пластин (Х-пластины). При этом чаще всего используется линейная (пилообразная) развертка

исинусоидальная развертка. Название развертки определяется формой напряжения, подаваемого на Х-пластины.

Линейная развертка применяется для получения изображения на экране в прямоугольных координатах

о чем говорилось выше, и при измерении длительности импульсов, а синусоидальная развертка используется при измерении частоты и разности фаз исследуемых сигналов. Подчеркнем, что при любой форме напряжения развертки, поданного на одну пару пластин, след луча представляет собой прямую линию.

В ряде случаев развертка создается подачей напряжений на обе пары пластин одновременно, при этом название развертки опре деляется формой траектории луча (круговая, эллиптическая, спи­ ральная). Эти виды развертки используются для измерения час­ тоты и для точного измерения больших интервалов времени в специальных осциллографических измерителях.

Рассмотрим линейную развертку. Линейная развертка по спо­ собу связи с исследуемым процессом разделяется на непрерывную и ждущую.

44

Линейная непрерывная развертка. Для развертки этого вида характерно непрерывно повторяющееся перемещение луча по го­ ризонтали, пропорциональное времени. Она создается пилообраз­

За время обратного хода луч быстро возвращается в исходное по­

тудой £/р пилообразного напряжения, а также допустимая нели­ нейность прямого хода. Для получения качественного изображе­

лучевой трубки подается отрицательное напряжение, запирающее луч, вследствие чего свечение экрана на обратном ходе отсутству­ ет. Иногда луч подсвечивают при прямом ходе.

Чтобы линия развертки или изображение не мерцали при на­ блюдении, луч должен прочерчивать одну и ту же траекторию не менее 15—20 раз в секунду (т. е. частота развертки должна быть не кенее 15—20 Гц).

При одновременной подаче на У-пластины исследуемого сигна­ ла, а на ^-пластины напряжения непрерывной развертки на экра­ не появится изображение исследуемого напряжения u —f(t). Чтобы изображение представлялось наблюдателю неподвижным, луч при каждом прямом ходе должен прочерчивать одну и ту же кри­

І-слп это условие не выполняется, напряжение развертки будет каждый раз начинаться в моменты времени, соответствующие

45

Если развертка синхронизи­ руется исследуемым сигна­ лом, синхронизация называ­

Рис. 3.6. ется внутренней, если внеш­ ним сигналом — внешней,

На рис. 3.6 представлены кривые «г, «„ и изображение на экране для случая ис= Ucmsin шс t и Тр= Тс (п = 1). При п = 2 или п —3 на экране видны два или три периода исследуемого сигнала.

Линейная ждущая развертка. При исследовании импульсных напряжений с большой скважностью, т. е. таких, у которых дли­ тельность импульса мала по сравнению с периодом (рис. 3.7,а), не­

прерывная развертка не применяется. Это объясняется тем, что при Тр ~ Тс импульс занимает малую часть развертки (экрана электроннолучевой трубки) и его вершина наблюдается в виде

46

светящейся точки. Большая часть периода развертки не использу­ ется. Рассмотреть форму импульса при этом невозможно (рис. 3,7,6). Желательно «растянуть» изображение импульса на боль­ шую часть экрана. Если применить непрерывную развертку, пе­

синхронизации развертки. Кроме того, во время паузы между им­ пульсами луч многократно вхолостую прочерчивает линию раз­ вертки, ее свечение получается очень ярким, а изображение импуль­ са бледным. Тем более неприемлема непрерывная развертка для исследования непериодических импульсных процессов.

Задача наблюдения непериодических импульсов и периодичес­ ких импульсных процессов с большой скважностью успешно ре­ шается применением ждущей развертки (рис. 3.7,г). Суть ее за­ ключается в том, что напряжение развертки подается на Х-пласти- ны лишь тогда, когда исследуемый импульс поступает на У-вход осциллографа. После того, как луч под действием напряжения раз­ вертки совершит один цикл прямого и обратного хода, развертка прекращается и ждет прихода очередного импульса.

Таким образом, в течение большей части периода исследуемых импульсов генератор развертки не работает. Длительность пило­ образного импульса развертки выбирается немного большей длительности исследуемого импульса, что позволяет при надлежа­ щей амплитуде развертки получить изображение импульса, зани­

следуемого импульса, необходимо задержать последний относитель­ но развертки. Эго осуществляется линией задержки канала верти­ кального отклонения. Синхронизирующий импульс поступает на запуск генератора развертки с выхода катодного повторителя (рис. 3.2), а исследуемый импульс на У-пластины — с выхода ли­ нии задержки, чем и обеспечивается необходимый сдвиг (рис. 3.7,г).

Структурная схема канала горизонтального отклонения

Исходя из принципа получения неподвижного изображения ис­ следуемого сигнала, упрощенную структурную схему канала гори­ зонтального отклонения можно изобразить, как показано на рис. 3.8. Подобная схема канала горизонтального отклонения приме­ няется в осциллографе С1-20. Возможны и другие варианты. Ко-

47

бходХ

> 0 -°

Рис. 3.8.

ной разверт-ки при внутренней синхронизации (или внешней, если переключатель П1 установлен в нижнем положении). В этих слу­ чаях синхронизирующий сигнал усиливается предварительным уси­

ния развертки, которое перед подачей на ^ пластины усиливается двухтактным (парафазным) усилителем, обеспечивающим подачу на Х-пластины симметричных пилообразных напряжений.

Симметричная подача напряжения развертки нужна для обес­ печения неизменного потенциала средней линии между .^-пласти­ нами (точно так же, как и в канале вертикального отклонения). Схема запуска также вырабатывает импульс подсвета прямого хода (или гашения обратного хода) луча. При установке пере­ ключателей П 1, П2, ПЗ в нижнее положение канал горизонтально­ го отклонения работает в режиме усиления сигнала, поданного на А"-вход (генератор развертки выключен).

На рис. 3.9 изображена упрощенная структурная схема канала горизонтального отклонения, которая применяется в современных

О'П У

Ч неим/нввя

>

гинхрони

зоция

Рис. 3.9.

осциллографах С1-35, С1-49 и др. Схема синхронизации содержит усилитель синхронизирующего сигнала, инвертор, позволяющий

48

использовать для синхронизации импульсы различной полярности, и формирующее устройство для формирования сигналов запуска генератора развертки.

Наиболее ответственным узлом канала горизонтального откло­

—высокая линейность прямого хода;

—малая длительность обратного хода;

—достаточная амплитуда (для отклонения луча в пределах всего экрана электроннолучевой трубки);

—широкий диапазон регулировки длительности (периода). Общий принцип работы генератора линейной развертки заклю­

чается в формировании напряжения развертки на обкладках кон­ денсатора, заряжаемого (или разряжаемого) током практически постоянной величины. Действительно, напряжение на конденса­ торе

t

чески переключается с заряда на разряд с помощью электронного коммутирующего устройства (электронного ключа), входящего в схему генератора.

Простейшая схема генератора пилообразного напряжения изо­ бражена на рис. 3.10,а, а диаграмма выходного напряжения — на рис. 3.10,6. Во время действия на входе отрицательного импульса

транзистор открыт (насыщен) и конденсатор быстро разряжается через малое выходное сопротивление насыщенного транзистора.

Такая схема не обеспечивает требуемой линейности, так как по мере заряда конденсатора ток заряда уменьшается и напряже­ ние «вы* растет по экспоненциальному закону. Возможно ис­ пользование только начального участка экспоненты с последующим усилением. На практике вместо этого применяют специальные схемы генераторов линейно изменяющегося напряжения.

В этих схемах линеаризация заряда (разряда) конденсатора достигается различными способами. Рассмотрим кратко принцип работы генератора, в котором используется интегрирующий опера­ ционный усилитель. Такой генератор (рис. 3.11) представляет со­ бой совокупность интегрирующего усилителя и переключателя П,