7.2 Виды развёрток электронного осциллографа

Вид развёртки определяется формой отклоняющего напряжения, подаваемого на горизонтально отклоняющие пластины Х. Поэтому основные виды разверток:

- линейная (пилообразная);

- синусоидальная;

- спиральная

Пилообразная развёртка. Простейшим генератором, обеспечивающим получение пилообразного напряжение развёртки, является устройство, работа которого основана на заряде и разряде конденсатора. Эквивалентная схема такого устройства приведена на рисунке 7.3.а. Конденсатор С с помощью переключателя S(положение 1) подключается к источнику напряжения Е. Известно, что напряжение на конденсаторе нарастает по эквивалентному закону:

(7.1)

Где Uc– напряжение на конденсаторе;

R1∙C1=τ_зар– постоянная времени заряда конденсатора.

Постоянная времени τ_зарподбирается такой, чтобы получалось плавное нарастание напряжения на конденсаторе, обеспечивающее прямой ход развёртки (рисунок 7.3.б). Предельное напряжение на конденсаторе равно напряжению источника Е. Если в конце прямого хода переключательSустановить в положение 2, конденсатор С начнёт разряжаться через резисторR2. Максимальное напряжениеUсmax, достигнутое в конце прямого хода (точка в), может быть определено из 7.1 изt=Tпр :

Ucmax=E(1-e^{-Tпр/R1∙C1}) (7.2) Изменение напряжение на конденсаторе во время обратного хода описывается выражением:

Изменение напряжение на конденсаторе во время обратного хода описывается выражением:

Uc=Ucmax∙e^{–Tпр/R2∙C1}(7.3)

Где R2∙C1=τ_разр– постоянная времени цепи разряда конденсатора.

Для получения Т_пр››Т_обрнеобходимо, чтобы τ_зар››τ_разр,т.еR₁››R₂. Минимальное напряжение (точка С на рис 7.3 б) определяется из 7.3 приt=T_обр:

Ucmin=Ucmax∙e^{–Tобр/R2∙C2}(7.4)

P_asmaxпилообразного напряжения развёрткиU_p=Uc_max-Uc_min, как видно из рис. 7.3 б, меньше напряжение источника питания. Таким образом размах напряжения развёртки зависит от коэффициента использования напряжения источника питания.

ε=Up/E(7.5)

Чем ближе это коэффициент к единице, тем больше значение имеет U_p. Пилообразные напряжение развёртки составляет несколько сотен вольт, исследуемого сигнала, оно должно быть линейным. В схеме (рисунок 7.3(а)) реализовать эти преобразования невозможно, поэтому на практике прибегают к различным способам исправления формы (линеаризации) отклоняющего напряжения.

Рисунок 7.3

Одним из распространяемых способов основан на стабилизации тока заряда – разряда конденсатора – это транзисторная схема, где роль ключа в этой схеме играет транзистор (Рисунок 7.4).

Рисунок 7.4

Рисунок 7.5

На время прямого хода транзистор VT1 запирается отрицательным импульсом, поступающим на его базу. Ток заряда протекает от источника напряжения коллектора через резисторR3 и конденсатор С1. Во время обратного хода транзисторVT1 открыт и конденсатор С1 быстро разряжается коллекторным током τ_зари τ_разр. Нижняя часть схемы рис. 7.5 на транзистореVT1 повторяет рассмотренную, однако последовательно с коллекторным резисторомR3 включён транзисторVT2, выполняющий роль токостабилизирующего элемента. Ток, заряжающий конденсатор τ_зар, протекающий последовательно черезR3,VT2,C1.

Транзистор VT2 поддерживает ток заряда конденсатора постоянным, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону. Обратный ход формируется путём разряда конденсатора через открытыйVT1. С выхода схемы сигнал поступает на усилитель горизонтального отклонения.

Линейная развёртка – обеспечивается в различных режимах работы генератора развёртки ГР.

Автоколебательный – режим работы ГР, когда развёртка периодически запускается и при отсутствии сигнала запуска;

Ждущий – режим работы ГР, когда развёртка запускается только при наличии сигнала запуска;

Однократный – режим работы ГР, когда запуск его происходит один раз с последующей блокировкой.

Автоколебательный режим работы ГР позволяет сформировать по его выходу пилообразное напряжение U_p, которое характеризуется размахомU_m, а также длительностями прямого ходаT_при обратного хода Т_обр. Этот режим работы ГР изменяется при исследовании периодических и импульсных сигналов, если последние имеют малую скважность.

Наблюдается при автоколебательном режиме, осциллограмма исследуемого сигнала должна воспринимать как неподвижное изображение. Только тогда можно сделать заключение о его форме и изменить параметры. Для этого, как известно из теории колебаний, исследуемый сигнал U_xс периодомT_xи напряжением развёртки должно быть синхронными, т.е.

T_p=nT_x (7.6)

ограничения на возможности изменения внешней синхронизации Где n=1,2,3… (целые числа).

Условие (7.6) называется условием синхронизации, и всегда должно выполняться при работе с осциллографом.

Ждущий режим работы ГР позволяет запускаться только при поступлении на вход осциллографа U_x. Для этого в осциллографе предусматривается устройство запуска развёртки. Если длительность предыдущеё развёртки сравнима с τ_и, то луч детально изображает формуU_xи ждёт прихода нового сигнала. Таким образом режим ждущей развёртки позволяет измерять импульсные сигналы малой скважности.

Частным случаем ждущей развёртки является однократная развёртка, изменяемая при фотогарадированиии неповторяющихся процессов.

Как видно из (рис.7.1) синхронизация обеспечивается с помощью специального устройства – синхронизатора СС, и может быть внутренний и внешний. При внутренней синхронизации сигнал, управляющий запуском ГР, подаётся из канала вертикального отклонения и является частью U(t). Другими словами, внутренняя синхронизация – синхронизация самим исследуемым сигналом. При внешней синхронизации сигнал, управляющий запуском ГР, подаётся извне на вход Х. Этот сигнал в свою очередь должен быть синхронным с исследуемым, что накладывает существенные. Как правило, к ней прибегают тогда, когдаU(t) имеет недостаточную для синхронизации амплитуду, а также в ряде специальных случаев (одним из таких случаев является синхронизация от сети).

Синусоидальная развёртка. Для решения рада измерительных задач вместо пилообразного напряжения развёртки (Линейной развёртки) используется синусоидальная развёртка. Для этого на пластины Х подают напряжение, изменяющегося по гармоническому закону U_x=U_mx∙sinωt. При этом ГР осциллографа отключается (см. рисунок 7.1), т.е. сигнал со входа Х через переключатель входа непосредственно подаётся наOYx. На пластины У подают напряжениеU_y(t)=U_my∙sin(ωt+φ), т.е. той же частоты и формы, что и на пластине Х, но имеющее начальный фазовый сдвиг φ.

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

y=b/a(xcosφ+∙sinφ) (7.7)

Формула (7.7) является уравнением эллипса, т.е. формула 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 выражается в более простую фигуру (см. рис. 7.6.). Частным случаем синусоидальной развёртки является – круговая развёртка.

В этом случаи при равенстве амплитуд aиb, и фазовом сдвиге φ=90° или φ=270° на экране ЭЛТ осциллограмма принимает вид окружности с радиусомr(см. рисунок 7.6). При неравных частотах и разных начальных фазах фигура Лиссажу принимает более сложный вид (см.рисунок 7.7), причём фигура будет неподвижной только при определённом соотношении частот развертки и исследуемого сигнала – если они относятся как целые числа. 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 вычисляемой кратностью, какn_г/n_в, гдеn_г– число пересечений вертикальной линии.

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

Рисунок 7.6 Фигуры Лиссажу при равенстве частот.

Рисунок 7.7 Фигуры Лиссажу при кратности частот.