Устройство осциллографа и работа его основных частей

Учебный осциллограф, структурная схема которого изображена на рис.1, содержит следующие функциональные узлы:

электронно-лучевую трубку (ЭЛТ);

входной делитель канала «Y»;

усилитель канала «Y»;

формирователь синхронизирующего сигнала;

генератор развертки;

усилитель канала «Х»;

схема подсвета;

калибратор;

источник питания (на рис.1 не показан).

Исследуемые электрические сигналы подаются на вход канала вертикального отклонения (КВО, канал «Y») гнездо «Y» и далее на «ВХОДНОЙ ДЕЛИТЕЛЬ», «УСИЛИТЕЛЬY» и вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

Чувствительность ЭЛТ к напряжению составляет около 0,5 мм/В, поэтому для наблюдения как слабых (10^–3В), так и сильных (10 ²В) электрических сигналов в КВО используется последовательное соединение входного делителя и усилителя. Удобный для наблюдения и измерения на экране размер изображения по вертикали устанавливается переключателем «V/ДЕЛ» входного делителя проградуированным в величине напряжения, приводящего к перемещению луча по вертикали на 1 большое деление в 1 см (эта величина называется коэффициентом отклонения). «УСИЛИТЕЛЬY» имеет два выхода «1» и «2»: для верхней и нижней отклоняющих пластин (см. рис.1). Сигналы «пилы» U₁иU₂на этих выходах равны по абсолютной величине и противофазны:U₁= –U₂. Для смещения изображения по вертикали, чтобы установить интересующий участок в центр экрана, предусмотрен потенциометр « ↕ », который изменяет постоянную составляющуюU_0Yна выходах усилителя «Y» (см. формулу (3)).

В процессе работы с осциллографом всегда следует учитывать частотные характеристики каналов вертикального и горизонтального отклонения: амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и фазо-частотную характеристику (ФЧХ).

Эти характеристики определяются следующим образом. Если на вход «Y» осциллографа подается синусоидальное напряжениеU_Y = U₀ sin(2 π f t)амплитудойU₀и частотойf, то для перемещения луча на экране ЭЛТ можно записать:Y = Y₀ (f) sin(2 π f t + ΔФ_Y (f)). ЗдесьY₀ (f)– амплитуда перемещения луча на частотеf,ΔФ_Y(f)– разность между фазой колебаний входного сигналаU_Yи фазой колебаний перемещения лучаYна частотеf(сдвиг фаз).

Тогда АЧХ канала вертикального отклонения есть зависимость:

,

а ФХЧ есть зависимость ΔФ_Y(f). АЧХ и ФЧХ канала горизонтального отклонения определяются аналогично.

Как правило, АЧХ K_Y(f)остается практически постояннойK_Y = K_Y,maxв диапазоне частот отf_minдоf_max, и уменьшается на частотахf < f_minиf > f_max. Диапазон частот отf_minдоf_maxназывается полосой пропускания.

Значение частот f_minиf_maxпринято определять из условий:

.

Непостоянство характеристик K_Yи ΔФ_Y(f)во всем диапазоне частот приводит, например, к искажению формы импульсного сигнала высокой частоты при его преобразовании в канале вертикального отклонения осциллографа.

Канал «Y» может быть использован с открытым или закрытым входом. В первом случае передается как переменная постоянная U_~, так и постояннаяU₌составляющие исследуемого сигнала, во втором – только переменная. При работе в режиме с закрытым входом постоянная составляющая сигнала задерживается включенным на входе разделительным конденсаторомС_Р(см. рис.1). Путем переключения тумблера «~/» на передней панели осциллографа можно выбрать необходимый вид входа усилителя «Y» (режим работы).

Канал горизонтального отклонения имеет усилитель «УСИЛИТЕЛЬ Х» с противофазными входами для левой и правой пластин отклонения луча – аналогично усилителю «Y» (см. рис.1).

При наблюдении зависимости U_Y = F(U_Х)сигналU_Хподается на закрытый вход «Х» (см. рис.1). Размер изображения по горизонтали не регулируется. Для смещения изображения по горизонтали предусмотрен потенциометр « ↔ », изменяющий постоянную составляющуюU_0Хна выходах усилителя «Х» (см. формулу (4)).

При наблюдении периодического сигнала U_С (t)на вход усилителя «Х» подается напряжение генератора развертки, который обеспечивает автоколебательный или ждущий режим развертки, выбираемый тумблером «АВТ / ЖДУЩ». Выбор диапазона (масштаба) развертки осуществляется переключателем «ВРЕМЯ / ДЕЛ».

Прямой ход «пилы» запускается на интервале ожидания положительным перепадом сигнала на входе генератора развертки (на рис.4.2, 4.3 он обозначен « »). Вход генератора развертки с помощью переключателя «ЗАПУСК» подключается к выходу формирователя (см. рис.1).

Блок «ФОРМИРОВАТЕЛЬ» представляет собой схему сравнения сигналов на его двух входах. На один из входов (Вход 1) подается опорное напряжение источника постоянного тока U_YР, величина которого устанавливается потенциометром «УРОВЕНЬ», а на второй (Вход 2) – или исследуемый сигналU_Y, усиленный в канале «Y», или внешний сигнал с гнезда «ВНЕШ.ЗАП» в зависимости от положения переключателя «ЗАПУСК»: «ВНУТР» или «ВНЕШ». В первом случае осуществляется режим запуска развертки самим исследуемым сигналом (внутренний запуск развертки), во втором – сигналом извне (внешний запуск).

Напряжение на выходе формирователя устанавливается на одном из двух фиксированных уровнях: на высоком U₁или низкомU₀в зависимости от того превышает или нет входное синхронизирующее напряжение величину опорного (см. рис.4.2).

Блок «ФОРМИРОВАТЕЛЬ» имеет два выхода. Напряжение на выходе « + » находится в фазе с напряжением на Входе 2 (синфазный выход), а напряжение на выходе « – » – в противофазе с напряжением на Входе 2 (противофазный выход). Подключение генератора развертки к одному из выходов формирователя переключателем «ЗАПУСК» позволяет выбрать фазу запуска развертки при пересечении входным синхронизирующим сигналом опорного напряжения снизу вверх (« + ») или сверху вниз (« – »).

Во время рабочего (прямого) хода «пилы» «СХЕМА ПОДСВЕТА» (см. рис.1) формирует и подает на модулятор «электронной пушки» положительный относительно катода ЭЛТ импульс напряжения. При отсутствии такого импульса, т.е. на интервале блокировки, напряжение на модуляторе «запирает» трубку, в результате чего электронный луч не вызывает свечения экрана. Схема подсвета управляет запускающими импульсами с генератора развертки.

Сигналы с выходов формирователя, «пила» развертки и импульсы запуска выведены на гнезда передней панели осциллографа для изучения процессов в канале развертки. Осциллограммы указанных сигналов (положение переключателя «ЗАПУСК» показано на рис.1), а также входов формирователя U_YиU_YРв едином времени представлены на рисунках 4.1-4.5.

Осциллограф для контроля его работоспособности имеет схему калибратора амплитуды и времени (блок «КАЛИБРАТОР» на рис.1). Калибровочный сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов виден на экране ЭЛТ при установке переключателя «V/ ДЕЛ» в положении «К».