6.2.3.1. Синусоидальная развертка в осциллографе

Для решения ряда измерительных задач вместо пилообразного напряжения развертки (линейной развертки) используется синусоидальная развертка. Для получения синусоидальной развертки на пластины Xподают напряжение, изменяющееся по гармоническому законуu_X(t) =U_msint. При этом генератор линейной развертки ГР (см. рис. 6.1) осциллографа отключается.

Положительный полупериод напряжения синусоидальной развертки вызывает перемещение луча от центра экрана до его правой границы и обратно; отрицательный полупериод – от центра экрана до его левой границы и обратно к центру. Скорость перемещения луча изменяется по синусоидальному закону, хотя линия развертки представляет собой горизонтальную линию. Мгновенное значение отклонения луча по горизонтали

,

где а– амплитуда отклонения луча на экране трубки по горизонтали в единицах длины.

Если на пластины Yподать напряжение вида, т.е. той же частоты и формы, что и на пластиныX, но имеющее начальный фазовый сдвиг, то мгновенное значение отклонения луча по вертикали

,

где b– амплитуда отклонения луча на экране трубки по вертикали в единицах длины.

При одновременном воздействии напряжений u_X (t) иu_Y (t) на луч, на экране осциллографа возникает, так называемая, фигура Лиссажу, форма которой описывается выражением

. (6.1)

Формула (6.1) является уравнением эллипса, т.е. фигура Лиссажу на экране трубки представляет собой в общем случае эллипс, форма которого зависит от амплитуд отклонений электронного луча по вертикали и горизонтали и фазового сдвига между напряжениями u_X(t) иu_Y(t).

Лишь в частных случаях эллипс вырождается в более простую фигуру. Так, например, при равенстве амплитуд aиb, если= 0, тоу=х; если= 180 °, тоу= –х, т.е. в этих случаях эллипс вырождается в прямые, наклоненные под углом 45 ° или 135 ° к горизонтальной оси, соответственно (рис. 6.11). Если= 90° или 270°, то

.

Это уравнение эллипса с полуосями, совпадающими с осями координат. Если а=b=r, осциллограмма принимает вид окружности с радиусомr.

Рис. 6.11. Фигуры Лиссажу при равенстве частот напряжений

При неравных частотах и разных начальных фазах фигура Лиссажу принимает более сложный вид (рис. 6.12), причем фигура будет неподвижной только при определенном соотношении частот развертки и исследуемого сигнала - если они относятся как целые числа.

Рис 6.12. Фигуры Лиссажу при кратности частот

Это отношение, называемое кратностью частот, может быть определено следующим образом: проведя через фигуру горизонтальную и вертикальную прямые линии (линии не должны проходить через узлы фигуры), подсчитывают число пересечений линии с осциллограммой и вычисляют кратность, как n_Г/n_В, гдеn_Г- число пересечений осциллограммы горизонтальной линией,n_В- число пересечений вертикальной линией.

Как видим, фигуры Лиссажу несут определенную информацию о параметрах исследуемого напряжения - частоте, фазе и др. и, следовательно, могут быть использованы для решения соответствующих измерительных задач.

6.3. Двухканальные электронно-лучевые осциллографы

Двухканальный осциллограф (рис. 6.13, а) дает возможность одновременно наблюдать и сравнивать на экране изображения двух сигналов одной и той же частоты либо кратных частот, измерять их амплитудные и временные параметры.

Рис. 6.13. Структурная схема двухканального осциллографа (а) и временные диаграммы, поясняющие режимы «» (б) и «…» (в)

Осциллограф содержит два идентичных канала вертикального отклонения (рис. 6.13, а), в которые входят аттенюатор и предварительный усилитель. Линия задержки и оконечный Y-усилитель к каналамIиIIподключаются с помощью электронного коммутатора. Канал горизонтального отклонения содержит схему синхронизации и запуска развертки, генератор развертки и оконечныйX-усилитель. Сигналы с выходов каналов поступают на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Для проверки коэффициентов отклонения «В/дел.» каналовIиIIи коэффициента развертки «Время/дел.» канала горизонтального отклонения служит калибратор, который имеет внутренний и внешний выходы.

Аттенюатор– это частотно-компенсированный делитель напряжения, состоящий изRС-элементов, откалиброванный в коэффициентах отклонения «В/дел.».

Коммутаторпредставляет собой мультивибратор, управляет диодными ключами каналов I и II и имеет пять режимов переключения: «I», «IIY–X», «III», «…», «».

На экране регистрируется один сигнал в следующих режимах:

• «I» – подключен только канал I;

• «II Y–X» – подключен только канал II (выполняющий рольY-канала, а развертывающее напряжение подается на канал I, выполняя рольХ-канала);

• «I II» – подключены оба канала I и II (на экране регистрируется суммарный сигнал либо разностный, если предварительно инвертировать сигнал канала II);

• «…» и «» – на экране наблюдаются два сигнала.

В поочередном (синхронном) режиме «» коммутатор работает от генератора развертки. Подключение каналов к оконечному усилителю происходит попеременно с частотой генератора развертки после каждого прямого хода развертки. Изображения сигналов каналовIи II поочередно сменяют друг друга, но так часто, что на экране они наблюдаются одновременно (рис. 6.13, б). Этот режим является основным при измерениях (на частотах выше 1 кГц). Недостаток поочередного режима проявляется при исследовании синусоидальных и импульсных сигналов с низкой частотой повторения 150 Гц, так как глазу заметны редкие поочередные мелькания изображений сигналов. Для низкого диапазона частот в осциллографе предусмотрен прерывистый (асинхронный) режим «…» работы коммутатора. В этом случае коммутатор работает с частотой 100 кГц от встроенного генератора, подключая каналы I и II к оконечному усилителю поочередно через каждые 5 мкс (за 10 мкс – оба канала). Прерывистое изображение сигналов состоит из штрихов (рис. 9.12, в). На экране осциллографа за фрагментом изображения первого сигнала следует фрагмент изображения второго сигнала (фрагменты следуют через каждые 5 мкс). Часть информации о форме сигнала при этом теряется. Например, при периоде 50 мкс (f= 20 кГц) будет зарегистрировано пять штрихов на каждом сигнале, а при периоде 5 мс (f= 200 Гц) сигнал будет практически непрерывным. Работу коммутатора в поочередном и прерывистом режимах иллюстрирует движение луча при медленной развертке 50 мс/дел. и отсутствии сигнала.

Генератор разверткиработает в автоколебательном или ждущем режимах, переключатель режимов совмещен с регулятором «Уровень». Для исследования сигналов разных частот изменяют масштаб «Время/дел.» горизонтальной оси, что достигается изменением частоты (периода) генератора развертки. Для уменьшения минимального коэффициента развертки и растягивания отдельных фрагментов сигнала используют множитель разверткиМ_р. Новый коэффициент развертки равен произведению установленного коэффициента развертки и множителя разверткиМ_р(1 или 0,2);К '_р=К_рМ_р. Любой измеряемый временной интервал равенt_x=l_хК_рМ_р.

Вход X. Развертывающее напряжение поступает на оконечный усилитель горизонтального отклонения либо от генератора развертки – для исследования временной зависимостиu(t), либо от постороннего источника – для исследования зависимостиy(х) (например, передаточной характеристики четырехполюсникаu(u); вольтамперной характеристики диодаi(u) и др.

Вход Zпредназначен для создания временных меток на изображении исследуемого сигнала модуляцией электронного луча по яркости внешним сигналом. Сигнал черезZ-усилитель поступает на модулятор ЭЛТ и изменяет ток электронного пучка вплоть до его исчезновения. Изображение сигнала становится прерывистым. Модулятор используется также для гашения луча при обратном ходе напряжения развертки от максимального напряжения к минимальному.

Схема синхронизации и запуска разверткипредназначена для запуска генератора развертки в такт с исследуемым сигналом и получения устойчивого изображения на экране. Синхронизация внутренняя и внешняя. Уровень напряжения, при котором запускается генератор развертки, регулируется резистором «Уровень».

При внешней синхронизации генератор развертки запускают внешним синхроимпульсом, опережающим исследуемый сигнал на входе Y, что позволяет полностью наблюдать фронт исследуемого импульса и все, что происходит до начала импульса.

Калибраторслужит для поверки правильности номинальных коэффициентов отклонения «В/дел.» каналов I и II и коэффициентов развертки «Время/дел.»

На рис. 6.14 представлена лицевая панель двухканального осциллографа, соответствующая структурной схеме на рис. 6.13.

Рис. 6.14 Лицевая панель двухканального осциллографа

Современные двухканальные осциллографы позволяют исследовать два сигнала разных частот. В схемах этих осциллографов имеются два генератора развертки (может быть и один), но обязательно два коммутатора – каналов и синхронизации.

Коммутатор синхронизации обеспечивает запуск и формирование пилообразного напряжения генераторами синхронно с исследуемыми, поданными на входы Yканалов I и II, что обеспечивает наблюдение на экране ЭЛТ двух сигналов разных частот в разных временных масштабах.