Формирование «изображения» сигнала на экране элт

Из формулы (1) следует, что координаты хиуточки попадания электронного луча на экран ЭЛТ относительно его центра пропорциональны мгновенным значениям напряженийU_X (t)иU_Y (t), подаваемых соответственно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины:x = k_Х U_Хиу = k_Y U_Y(здесьk_Х,k_Y– чувствительность соответствующих пластин).

При подаче на отклоняющие пластины изменяющихся во времени напряжений U_Х (t)иU_Y (t)луч «начертит» на экране линию, определяемую зависимостью у =(х). Если заставить луч многократно повторить тот же путь по экрану, то вследствие послесвечения экрана и инерционности зрения наблюдатель увидит неподвижный график у =(х).

Пусть на отклоняющие пластины подаются синусоидальные напряжения U_Х (t)иU_Y (t)с амплитудойU₀и периодомТ(см. рис.2.1, 2.2):

U_Х (t) = U₀ cos( t), U_Y (t) = U₀ sin( t),  = 2 / Т. (2)

При одинаковой чувствительности пластин (k_Х = k_Y = k) координатых, уточки попадания электронного луча на экран ЭЛТ в момент времениtбудут определяться выражениями:

х = А cos( t),у = А sin( t),А = k U₀.

Уравнение траектории движения луча легко получить, исключая из этих соотношений время t:

х ² + у ² = А ².

Следовательно, кривая, которую электронный луч «рисует» на экране ЭЛТ при подаче на отклоняющие пластины синусоидальных напряжений (2), представляет собой окружность радиуса А(рис. 2.3). Точки 1, 2, …, 5 на рис .2.3 указывают положение луча на экране в моменты времениt₁,t₂, … t₅(см. рис. 2.1, 2.2).

Для получения на экране ЭЛТ «изображения» графика периодического электрического сигнала U_С (t)в координатах напряжение – время (U – t) необходимо выполнение двух основных условий:

1. Подаваемое на вертикально отклоняющие пластины напряжение U_Y должно линейно зависеть от самого сигналаU _С:

U_Y (t) = U_0Y + К_YU U_C (t). (3)

Здесь U_0У– постоянное напряжение, определяющее расположение графика сигнала по вертикали (по оси «Y») на экране ЭЛТ,К_YU– коэффициент преобразования входного сигнала каналом вертикального отклонения (см. ниже).

Обычно исследуемый периодический сигнал U_C (t)(например, такой, какой изображен на рис. 3.1) подается на вход «Y» осциллографа. Далее в блоках «ВХОДНОЙ ДЕЛИТЕЛЬ» и «УСИЛИТЕЛЬY» (см. рис. 1) (эти устройства входят в состав канала вертикального отклонения электронного луча или канала «Y») происходит его преобразование, и на вертикально отклоняющие пластины подается уже сигналU_Y, который может заметно отличаться по величине от исследуемого сигнала.

2. Подаваемое на горизонтально отклоняющие пластины напряжение U_Х должно при этом линейно зависеть от аргумента функцииU_С (t), т.е. времениt:

U_Х (t) = U_0Х + К_ХU t . (4)

Здесь U_0Х– постоянное напряжение, определяющее расположение графика сигнала по горизонтали (по оси «Х») на экране ЭЛТ,К_ХU– коэффициент пропорциональности, зависящий от рабочих характеристик блоков «ГЕНЕРАТОР РАЗВЕРТКИ» и «УСИЛИТЕЛЬ Х» (см. рис. 1). Полярность напряженияU_Хтакова, что луч перемещается по экрану слева направо.

Если, начиная с момента времени t =0, на вертикально отклоняющие пластины подавать напряжение (3), а на горизонтально отклоняющие пластины подавать напряжение (4), то на экране ЭЛТ получится изображение (в некотором масштабе) графика U_С (t)в интервале отt=0доt_К > 0(t_К– момент времени, когда светящееся пятно достигает правого края экрана). В результате сигналU_С (t)оказывается развернутым по оси «Х» (оси «времени»).

В учебном осциллографе на горизонтально отклоняющие пластины подается периодический пилообразный сигнал U_Хс периодомТ_П(форма сигнала показана на рис.3.2). Данный сигнал формируется в блоке «ГЕНЕРАТОР РАЗВЕРТКИ» (см. рис.1) и имеет два характерных интервала: интервал прямого хода «пилы» (Т_ПХ) и интервал блокировки (Т_БЛ). На интервале прямого хода «пилы» (линейный участок) луч равномерно перемещается по экрану слева направо (см. формулу (4)). Эта часть сигналаU_Хназывается сигналом развертки, так как на этом интервале времени сигналаU_Yразворачивается по оси «Х». Интервал блокировки включает в себя интервал обратного хода луча (Т_0Х) в крайнее левое положение и интервал ожидания запуска прямого хода «пилы» (Т_Ж).

Во время прямого хода «пилы» «СХЕМА ПОДСВЕТА» (см. рис.1) формирует и подает на модулятор «электронной пушки» положительный («подсвечивающий») относительно катода ЭЛТ импульс напряжения, амплитуда которого обеспечивает выбранную яркость свечения пятна на экране ЭЛТ.

При отсутствии «подсвечивающего» импульса (т.е. на интервале блокировки) напряжение на модуляторе «запирает» трубку. В результате электронный луч на интервале блокировки не вызывает свечения экрана.

Для получения неподвижного изображения графика периодического сигнала U_С (t)необходимо сделать так, чтобы электронный луч многократно повторил один и тот же путь по экрану. Это будет возможно при условии, что каждый цикл развертки (интервал прямого хода «пилы») начинается при одной и той же фазе исследуемого периодического сигнала (например, точка «1» на рис.3.1). Т.е. момент запуска прямого хода «пилы» должен быть жестко привязан к определенной фазе сигнала (при этом говорят, что сигнал развертки синхронизирован с исследуемым сигналомU_С (t)). В этом случае, благодаря многократному наложению одинаковых изображений, послесвечению экрана и инерционности зрения, неподвижное изображение участка периодического сигнала можно наблюдать как угодно долго.

Очевидно, что в случае синхронизации сигнала развертки и исследуемого сигнала период пилообразного сигнала Т_Пкратен периоду исследуемого сигналаТ_С:Т_П = n Т_C,гдеn = 1, 2, 3,…. Для сигнала развертки, показанного на рис. 3.2, период «пилы» в два раза больше периода сигнала (n = 2).

Скорость изменения напряжения прямого хода развертки, т.е. масштаб по оси «Х» экрана ЭЛТ задается расположенным на передней панели осциллографа ступенчатым переключателем «ВРЕМЯ/ДЕЛ», проградуированным по времени, за которое луч проходит одно большое деление сетки экрана. Длина развертки (расстояние по горизонтали между крайними положениями луча) несколько превышает диаметр экрана, задается размахом «пилы» U_П(см. рис.3.2) и неизменна во всех режимах развертки.

При выбранном масштабе развертки время прямого хода Т_ПХи время обратного ходаТ_0Хнеизменны. Поэтому синхронизация развертки для произвольного периода сигналаТ_Сдостигается изменением длительности интервала ожиданияТ_Ж.

В учебном осциллографе синхронизация сигнала развертки с сигналом U_Yосуществляется следующим образом. Постоянное напряжениеU_YР(см. рис.3.1) внутреннего источника постоянного тока осциллографа и входной сигналU_Yподается на два входа блока «ФОРМИРОВАТЕЛЬ» (см. рис.1). в момент пересечения сигналомU_YуровняU_YРснизу вверх (на рис.3.1 это соответствует моментам времениt = 0,Т_П) запускается прямой ход развертки («пила») при условии, что это произошло на интервале ожиданияТ_Ж(см. рис.3.2).

Запуск «пилы» может производиться при пересечении сигнала U_YуровняU_YРкак снизу вверх (как на рис. 3.2), так и сверху вниз в зависимости от выбранного положения переключателя режимов синхронизации развертки на передней панели осциллографа («ЗАПУСК, +», «ЗАПУСК, –»).

Напряжение U_YРизменяется при вращении ручки «УРОВЕНЬ» на передней панели осциллографа, что позволяет, совместно с переключателем «ЗАПУСК +, –», выбрать фазу сигнала в начале развертки, исходя из наилучшей устойчивости синхронизации и удобства наблюдения. ЕслиU_YРне пересекаетU_Y, то синхронизация невозможна.

Генератор развертки может работать в автоматическом или ждущем режимах.

В автоматическом режимевремя ожиданияТ_Жне может быть больше некоторого максимального времени ожиданияТ_Жмах. если на максимальном интервале ожидания не произошло пересеченияU_YиU_YР, то происходит автоматический запуск прямого хода развертки в момент, не связанный с определенной фазой исследуемого сигнала, а пилообразный сигнал будет иметь период только внутренними параметрами осциллографаТ_Павт. В этом случае изображение исследуемого сигнала на экране будет перемещаться влево или вправо («бежать»), а при отсутствии исследуемого сигнала будет видна горизонтальная линия развертки. (Примечание: обычноТ_Жмахсоизмерим со временем прямого ходаТ_ПХ, а время обратного ходаТ_ОХна 1 ÷ 3 порядка меньшеТ_ПХ)

При пересечении U_YиU_YРна интервале ожидания происходит запуск прямого хода развертки в момент, связанный с определенной фазой исследуемого сигнала, а пилообразный сигнал будет иметь период, определяемый периодом изучаемого сигнала. Т.е. генератор развертки переходит в режим синхронизации, а на экране может наблюдаться неподвижное изображение сигнала.

Очевидно, что синхронизация в автоматическом режиме возможна лишь в том случае, когда собственный период генератора развертки больше периода исследуемого сигнала Т_П,авт>Т_С. В противном случае за первым циклом запуска сигнала развертки будет следовать один или несколько автоматических запусков прямого хода «пилы» в моменты времени не привязанные к определенной фазе исследуемого сигнала, т.е. произойдет наложение друг на друга разных изображений сигнала.

В ждущем режимезапуск прямого хода развертки происходит только при наличии пересеченияU_YиU_YРна интервале ожиданияТ_Ж, причем интервал ожиданияТ_Жв этом режиме может быть сколь угодно большим, а синхронизация может быть осуществлена при любом периоде исследуемого сигналаU_С (t). Наблюдение на экране малой части периода процесса (например, фронта импульса или короткого импульса, длительность которого много меньше периода следования импульсов) возможно только в ждущем режиме.

Кроме описанной выше синхронизации развертки исследуемым сигналом предусмотрен режим синхронизации внешним сигналом (вместо U_Y). Этот сигнал подается на гнездо «ВНЕШ.ЗАП» на передней панели осциллографа. Переключатель «ЗАПУСК» при этом находиться в положении «ВНЕШ». Работа элементов схемы синхронизации и развертки в этом случае аналогична описанной выше.