Uch_posobie_MiR (typo vsya zachita)

V. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Электронным осциллографом называется устройство для визуального наблюдения и измерения параметров электрических сигналов с помощью элек- тронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).

В основу положен принцип свечения люминофора под действием электронного пучка. Трубка представляет колбу, в которой обеспечен вакуум. Внутри трубки помещены элементы электронной оптики, которые генерируют свободные электроны и формируют из них тонкий электронный луч (рис. 62).

Рис. 62. Схема электронно-лучевой трубки В трубку помещены аноды, которые разгоняют луч, и он с большой скоро-

стью достигает дна трубки, на которое нанесен люминофор – вещество, которое излучает световую энергию в месте, куда попали электроны луча. Яркость свечения тем выше, чем большую энергию «приносит» электронный луч. Поэтому либо электроны должны быть разогнаны до большой скорости, либо луч должен дольше «стоять» в точке – поэтому быстрые процессы, как правило, на экране бледнее, чем медленные. Между анодами и электронной оптикой находится модулятор яркости, напряжение на котором может ускорять или замедлять электронный луч, вплоть до того, что он не достигает люминофора – т.е. не будет свечения. Разогнанный луч попадает в поле двух пар пластин, которые позволяют осуществлять электростатическое отклонение луча. Пластины «Х», расположенные в плоскости рисунка, и отклоняют луч горизонтально под действием поданного на них напряжения, а пластины «Y», расположенные перпендикулярно плоскости рисунка, отклоняют луч вертикально. Таким образом, под действием напряжений, поданных на пластины Х и Y можно перемещать луч по всей площади экрана, который образован дном трубки. Для управления трубкой, таким образом, используются три напряжения, подаваемые на две пары пластин и модулятор. Всё это электронная пушка – фор-

61

мирующая узкий пучок электронов. Пластины X и Y – вызывают смещение светового пятна, называемого осциллограммой.

Люминофор, который наносится на экран трубки, обладает свойством послесвечения – т.е. даже после того, как электроны луча перестали ударяться о люминофор, он продолжает некоторое время светиться. Именно поэтому мы видим на экране изображение сигнала, а не бегущую точку.

Принцип формирования осциллограммы.

Так как ось Х отображает время, необходимо подать такое напряжение на пластины Х, которое заставит луч двигаться слева направо с постоянной скоростью

– как обычно изображают время на графиках. При этом траектория, которую описывает луч принято называть развёрткой. Напряжение развёртки имеет вид, представленный на рис. 63.

U(t)

t t

Рис. 63. Напряжение развёртки и отображение его на ЭЛТ Следовательно, напряжение, которое подается на пластины Х, должно быть

функцией времени (линейно связанной):

U UTмt ;0 t T .

Длительность развёртки Tр – это время, за которое луч проходит от левого края трубки до правого. Если за время действия развёртки на пластины Y подаётся сигнал, то этот сигнал «разворачивается» во времени – рис. 64(б). Если подавать сигнал на пластины Y и не подавать развёртку, то сигнал не разворачивается и на экране будет, независимо от формы подаваемого сигнала, вертикальная линия по центру экрана, высота которой определяется размахом сигнала. Если подаётся только напряжение развёртки – то горизонтальная линия – рис. 64(а). Однако это справедливо для случая однократного наблюдения.

Поэтому важным для работы с осциллографом является режим развёртки – т.е. когда она «появляется» во времени. Именно это определяет будет ли изображение на экране неподвижным.

Пусть изображение на экране получилось за время первой развёртки. В силу послесвечения, это изображение будет видно на экране некоторое время после окончания первой развёртки. Если вторая развёртка появится во время, когда за счёт послесвечения на экране присутствует изображение от первой развёртки, то

62

Виды развёрток электронного осциллографа.

1. Линейная развёртка.

а) Однократная – применяется для наблюдения одиночных и непериодических сигналов. Для фиксации изображения применяют фоторегистрацию или запоминающие ЭЛТ. Напряжение развёртки появляется только в присутствии сигнала в канале Y (рис. 66).

UY Y X

UX t

t

Рис. 66. Однократная линейная развёртка б) Непрерывная развёртка применяется для исследования повторяющихся

сигналов. Как уже отмечалось для получения неподвижной осциллограммы необходимо, чтобы в одном периоде развёртки точно укладывалось целое число периодов сигнала. Выполнение этого условия обеспечивается синхронизацией генератора развёртки исследуемым сигналом. В режиме непрерывной развёртки генератор развёртки работает в режиме автогенератора и синхросигнал выполняет задачу синхронизации автогенератора, т.е. в небольших пределах (в пределах полосы синхронизации) «навязывает» частоту синхросигнала частоте генератора развёртки, для того чтобы выполнялось условие кратности частоты развёртки частоте исследуемого сигнала (рис. 67 – первый и второй случай).

Рис. 67. Примеры построения осциллограмм

64

в) Ждущая развёртка (рис. 67 – третий случай, рис. 68) применяется для исследования непериодических сигналов, а также импульсов малой длительности с большим периодом повторения (импульсов с большой скважностью). В этом случае генератор развёртки находится в заторможенном состоянии, «ожидая» прихода запускающего импульса, который поступает с появлением сигнала из канала Y.

t

Рис. 68. Построение осциллограммы при ждущей развёртке г) Задержанная развёртка – пример построения осциллограммы при задер-

жанной развёртке показан на рис. 69. Первая (UX1) (задерживающая) развёртка позволяет наблюдать полный сигнал – обычная линейная развёртка. Вторая (UX2) (задержанная) развёртка запускается с некоторой задержкой относительно начала развёртки. Длительность задержанной развёртки (а, следовательно, и временной масштаб изображения) можно выбрать независимо. Она регулируемая и область её действия обозначается на полном сигнале яркостной отметкой.

t

Рис. 69. Осциллограммы с задержанной развёрткой

2. Синусоидальная развёртка.

Данная развёртка получается при подаче на пластины X напряжения синусоидальной формы. При этом скорость движения луча неравномерна (время прямого и обратного хода одинаково), что при наблюдении формы исследуемого напряжения нецелесообразно. Но в случае подачи на пластины Y гармонического напряжения,

65

–обеспечивает согласование с линией задержки;

–обеспечивает ответвление части энергии в усилитель внутренней синхронизации;

–ступенчатый аттенюатор () обеспечивает требуемый коэффициент деления Kд в В/см;

–содержит переключатель входа: «откры- тый-закрытый».

–линия задержки (2): – необходима для работы в режиме внутрен-

Канал Х.

Предназначен для работы в двух режимах: формирования и передачи развёртывающего напряжения. Оба режима осуществляют горизонтальную развёртку луча (моделирующего время).

67

–генератор пилообразного напря- – формирует напряжение развёртки. жения (7):

–усилитель горизонтального от- – обеспечивает неискаженное усиление

В качестве ГПН используется интегрирующее звено. При этом для обеспечения линейности обычно используют его начальный участок. Длительность развёртки определяется параметрами ГПН. Регулятор «Длительность» – коммутация С; «Плавно» – регулировка R.

Канал синхронизации.

Синхронизация заключается в том, что некоторый процесс привязывается к какому-то моменту времени, т.е. это «привязка» начала напряжения развёртки к определенному моменту времени. По виду синхронизация может быть:

а) Синхронизация ждущей развёртки.

Ждущая развёртка работает от внешних запускающих импульсов.

1. Внутренняя синхронизация (рис. 72).

Uвх

Uср

Uувс t

UY t

лз

Uуип t

t

Рис. 72. Временные диаграммы для внутренней синхронизации

68

Условие неискаженного воспроизведения фронтов сигнала: τлз > τз. В качестве формирователя используется триггер Шмидта, где он работает в режиме одновибратора. И с приходом импульса с усилителя внутренней синхронизации происходит один цикл.

2. Внешняя синхронизация (рис. 73).

Исследуемый

Генератор четырёх- Y X полюсник

Сигнал синхронизации

Рис. 73. Схема реализации внешней синхронизации

б) Синхронизация непрерывной развёртки (рис. 74, 75).

В этом случае, если Fсигн Fразв, то частота развёртки изменяется и становится такой же, как Fсигн, если их разность по абсолютной величине не превышает полосы синхронизации |Fсигн – Fразв| Dсинхр.

Таким образом осуществляется привязка к синхросигналу. Условие Тсинхр Тсобств: в этом случае на экране осциллографа будет наблюдаться один период сигнала (рис. 74). Если необходимо наблюдать несколько периодов сигнала, то можно запускать в режиме деления (рис. 75). Переход от ждущей развёртки к непрерывной осуществляется ручкой «Стабильность».

Рис. 74. (а) – Схема синхронизации непрерывной развёртки; (б) – временные диа-

граммы при Тсинхр Тсобств

69

Uсинхр

t

Uбэ Tсинхр

t

Рис. 75. Временные диаграммы для мультивибратора в режиме деления частоты

в) Синхронизация «от сети».

Используется для напряжений кратных напряжению сети.

Усилитель импульсов подсветки (9).

Усилитель импульсов подсветки формирует импульсы на время длительности обратного хода луча (рис. 76). Гасит луч на время обратного хода. Если импульс положительный – подается на катод, если отрицательный – на модулятор трубки. В обоих случаях поток электронов должен быть остановлен.

Рис. 76. Временные диаграммы для усилителя импульсов подсветки

Усилитель Z (10).

Усиливает напряжение до уровня необходимого для запирания трубки, и служит развязывающим и согласующим каскадом.

Калибратор (11).

Формирует прямоугольный сигнал фиксированной амплитуды и длительности. Является источником точно известного по амплитуде и периоду напряжения. По этому напряжению проверяют масштаб по оси Y (напряжение) и Х (время). Так как измерения на экране осуществляется сравнением изображения с линиями, нанесенными на прозрачную маску, необходимо знать цену делений этих линий.

70