2.4. Исследование формы сигналов

В реальных электронных устройствах сигналы никогда не бывают строго гармоническими. Под формой сигнала понимается рисунок зависимости его параметра (напряжение или ток) от времени U(t). Если сигнал периодический, то его можно наблюдать на экране осциллографа в режиме непрерывной развертки.

Осциллограф - это прибор для наблюдения формы электрических сигналов. Наибольшее распространение получили электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО). Их действие основано на отклонении электронного пучка исследуемым сигналом. В свою очередь электронный пучок вызывает свечение люминофора на экране. Перемещающаяся по экрану светящаяся точка рисует форму сигнала. В настоящее время ЭЛО вытесняются цифровыми осциллографами.

На рис. 9 показана структурная схема обычного одноканального однолучевого ЭЛО. Его основа - электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), содержащая электронную пушку (ЭП), вертикальные (ВОП) и горизонтальные (ГОП), отклоняющие пластины. Исследуемый сигнал поступает в канал Y на Входное устройство Y. Здесь сигнал фильтруется от помех и подвергается аттенюации, т.е. кратному изменению величины (масштабирование). Кроме того, входное устройство защищает канал от перегрузок (это относится ко всем каналам). Далее сигнал поступает на широкополосный парафазный усилитель и на ВОП, что вызывает вертикальное отклонение светящейся точки на экране (Э). Обычно входной сигнал - напряжение. Перемещение луча (точки) на экране пропорционально амплитуде входного сигнала. Зная перемещение, знаем амплитуду сигнала. Это электронно-лучевой метод измерения напряжения (тока) (см. 2.2). Для исследования формы сигнала нужно развернуть электронный луч во времени. Для этого его перемещают по экрану с постоянной скоростью.

Точка перемещается по экрану и вычерчивает зависимость U(t). Перемещение луча осуществляется линейно изменяющимися напряжением, поступающим на ГОП от генератора (ГЛИН). Форма (эпюра) напряжения на горизонтальных отклоняющих пластинах показана на рис. 10.1. За промежуток времени 0...Т_г луч пробегает по экрану. Когда напряжение падает до U_min в момент времени Тг, 2Тг…, луч возвращается в исходное положение (обратный ход луча). Т. о., каждому моменту времени в течение периода развертки Т_г соответствует определенное положение светящейся точки на экране, т.е. осуществляется временная развертка. За один проход экрана электронный луч рисует кадр. Периодически сменяя друг друга, кадры создают на экране изображение, как в кино или на экране телевизора.

Если исследуемый сигнал U(t) будет иметь период Т, точно равный Т_г, то он будет наблюдаться в одном месте экрана (рис. 10.2). Все кадры одинаковые, и изображение кажется неподвижным. Если же периоды не равны, то в каждом периоде развертки положение сигнала на экране будет различным (рис. 10.3), стационарной картинки на экране не будет.

Для получения устойчивой картины на экране ЭЛО при любых периодах исследуемого сигнала Т_с используют синхронизацию развертки. При этом ГЛИН переходит в ждущий режим, т. е. не вырабатывает изменяющееся напряжение до прихода синхроимпульса.

Синхронизация бывает внутренняя и внешняя. При внутренней синхронизации ГЛИН запускается импульсами U_си , вырабатываемыми в формирователе Ф, которые получаются по определенному уровню U_с (уровень синхронизации), как показано на рис. 11. Из рис. 11 видно, что сигнал находится в одной и той же части периода развертки Т_г. Положение сигнала на экране не будет изменяться. Аналогично работает синхронизация при Т<Т_г. ГЛИН устроен так, что запустившись он всегда продолжает работу. Поэтому при Т<Т_г мы наблюдаем на экране несколько периодов исследуемого сигнала. Сам период Т_г не зависит от наличия синхроимпульса, поэтому масштаб развертки (по оси ОХ) постоянен.

При внешней синхронизации по каналу Х поступают сигналы синхронизации U_cc , управляющие работой ГЛИН. Если они синхронны с приходом исследуемого сигнала, то на экране также будет устойчивая картинка (синхронизация).

У осциллографа, как правило, есть яркостной канал Z (рис. 9). Подав на него сигнал, можно увеличить или уменьшить яркость свечения точки. Это происходит путем изменения напряжения на катоде электронной пушки. Осциллограф можно перевести в режим характериографа. При этом ГЛИН отключается, а сигнал по каналу Х после масштабирования во входном устройстве Х поступает на ГОП, вызывая горизонтальное перемещение луча. В таком режиме можно наблюдать зависимости U_Y(U_х), если, конечно, сигналы периодические.

Современные осциллографы содержат различные сервисные устройства, позволяющие измерять в цифровой форме амплитуду в выбранной точке сигнала, промежуток времени от начала сигнала до этой точки и т.д. Цифровая индикация часто осуществляется прямо на экране.

Рис. 9. Структурная схема аналогового осциллографа.

Рис. 10. Эпюры ГЛИН

Рис. 11. Синхронизация

При исследовании устройств РЭА часто бывает необходимо сравнить форму сигналов в разных точках схемы. Для этого используют многолучевые и многоканальные осциллографы. Многолучевой осциллограф содержит несколько каналов Y, которые подают сигнал на ВОП разных электронных пучков одной ЭЛТ. В многоканальном ЭЛО сигналы с нескольких входных устройств поступают на электронный коммутатор, который последовательно подключает эти каналы ко входу одного усилителя вертикального отклонения. При этом каждый раз горизонтальная развертка запускается заново. Создается иллюзия нескольких лучей на экране ЭЛТ.