ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Назначение и основные принципы работы осциллографа
Всовременных метеорологических измерительных приборах (таких как ИВО, РВО, ФИ-1, ФИ-2, М-63 и др.) применяются достаточно сложные электронныесхемы. Для отладки, ремонта или просто исследования их с учебной целью применяют стандартныелабораторныеэлектроизмерительныеприборы:ампервольтомметр (тестер),осциллограф,генераторы сигналов и другие. Электронно-лучевой осциллограф является многоцелевым исследовательским прибором и применяется достаточно часто. Поэтому студенты, изучающие метеорологические приборы, должны ознакомитьсясосновнымитипамисуществующих осциллографов, представлятьсебеихустройствои порядокработы сними. Устройствоосциллографовдостаточноподробноописановучебникахпоэлектронике.ВэтомПриложении вспомним основныеузлы осциллографа и порядок работы с ним.
Основным узлом осциллографа является электронно-лучеваятрубка (ЭЛТ). Еёсхема показана на рис. П. 5.1. В её состав входят: источник электронов – катод (1), ускоряющий электрод-сетка (3), фокусирующие электроды – «электронная линза» (4), вертикально отклоняющие пластины (5), горизонтально отклоняющиепластины (6), анод (7) и экран (8), покрытый с внутренней стороны люминофором. Катод подогревается накалённой металлической нитью– накалом, чтоспособствует эмиссии снего электронов. Катод и накал находятся внутри металлического цилиндра
(2) с отверстием для вылета электронов. Такое устройство называют «электронной пушкой». Цилиндр заряжен отрицательнопо отношениюк катоду, поэтому электроны, вылетевшие с катода, отталкиваются стенками цилиндра и образуют своеобразное электронное облако внутри него.
1
4 5 6
Рис. П. 5.1. Электронно-лучеваятрубка (ЭЛТ)
Единственный путь дляэлектронов –отверстиев цилиндре, через которое они и вылетают узким пучком. Первоначальный разгон электронов осуществляется подачей положительного напряжения на сетку (3). Тем самым в промежутке «сетка – катод» образуется весьма сильное поле, ускоряющее электроны. Далее электроны летят к аноду, который имеет форму кольца. На него подается большоеположительноенапряжение (от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт). Однако анод расположен достаточно далеко от катода, поэтому без первоначального ускорения, вызванного полем «сетка-катод», электроны не могли бы достичь необходимой скорости и рассеялись бы внутри трубки. Следовательно, управляя напряжением сетки, можно управлять величиной потока электронов, а значит, и яркостью изображения на экране. Для этого на переднюю панель осциллографа выведена специальнаяручка. Иногда сеткуназывают ускоряющим электродом. В некоторых моделях осциллографов управление яркостью осуществляется регулировкой напряжения катода при неизменном напряжении на сетке.
Электроны,представляющиесобойотрицательнозаряженныечастицы, немогут лететь узким потоком. Они неизбежно рассеиваются, отталкиваясь друг от друга, поток будет расширяться. Но можно сузить поток электронов, поставив на егопути,например, кольцевойэлектрод,заряженный отрицательно.Можнопоставитьсистемуэлектродовсложнойформы и подавать на них различные напряжения, заставляя поток электронов сходится и расходится. Так устроены фокусирующие электроды (4). Управляянапряжением на одном изних, можнодобитьсятого, чтоэлектронный пучокбудет сходиться как разв плоскости экрана. Дляэтого предусмотрена ручка «фокус» на передней панели осциллографа.
Управляя напряжением на отклоняющих пластинах (5) и (6), можно перемещать электронный пучок вверх-вниз и вправо-влево. Обычно на горизонтальноотклоняющиепластиныподаетсяпилообразноенапряжение
–напряжение развертки. Его эпюра показана на рис. П. 5.2.
Втовремя какна правой пластиненапряжениевозрастает по линей-
номузакону(интервал 0- 1),электронный лучотклоняетсяслева направо. Это движение называют прямым ходом луча. В течение этого времени навертикальноотклоняющиепластиныподаютисследуемоенапряжение. Нетрудно понять, что на экране осциллографа электронный луч рисует картину, отражающую изменение во времени исследуемого напряжения,
например, синусоиду,импульсы и пр. Втечениевремени 1– 2происходит обратный ход луча – справа налево. На это время электронный пучок
U
Рис.П. 5.2. Эпюранапряженияразвертки
«гасится» подачей отрицательного напряжения на сетку (3). Таким образом, на экране обратный ход луча не виден.
Работа осциллографа в автоколебательном режиме (режиме непрерывной развертки)
Совершенноочевидно, чтонеподвижнаякартина на экранебудет наблюдаться только в том случае, если каждый раз в течение времени прямого хода луча электронный луч двигается по экрану по одной и той жетраектории, т. е. картины накладываются друг на друга. Этовозможно толькотогда, когда, во-первых, исследуемый сигнал являетсяпериодическим, а во-вторых, фаза этого периодического сигнала в момент времени2 (рис. П. 5.2) соответствует фазе сигнала в нулевой момент времени. Так как управлять фазой исследуемого сигнала обычно невозможно, то совпадения можно добиться, управляя периодом (или частотой) пилообразного напряжения развертки. Для этого на панели осциллографа предусмотрено две ручки: ступенчатое переключение частоты развёртки (обычно частота выбирается кратной 1, 2, 5, 10, 20 и т.д.) и плавная регулировка частоты. Обычно эти ручки бывают совмещены, например, однавнутридругой.Управляяими,можнодобитьсянеподвижнойкартины на экране и таким образом представить себе эпюру исследуемого напряжения, что иногда бывает достаточно для исследования той или иной схемы.
Однакоработатьв такомрежимеручной синхронизации чрезвычайно неудобно. Поэтому в большинстве современных осциллографов предусмотрена автоматическая синхронизация развёртки сисследуемым сигналом. Её идея заключается в том, что развертка начинается в тот момент, когда амплитуда исследуемого сигнала превысит заданную величину – порог синхронизации. Если же амплитуда исследуемого сигнала меньше
порога синхронизации, торазвёртка всеравноподается, нов этом случае сигналынесинхронизируются.Таким образом, синхронизацияв автоколебательном режиме не является жесткой (как, например, в ждущем режиме)ина экраневозможнодрожание,«плавание»,появлениедвойногоизображения и другие нежелательные эффекты. Тем не менее, автоколебательный режим применяется достаточно часто.
В автоколебательном режиме можно измерять амплитуду сигнала. Дляэтогона экранеосциллографа имеетсясетка сделениями. Одноделение (около1 см) по вертикали соответствует определённому напряжению в вольтах. Цена деления задаётсяручкой «вольт/дел»на панели управления. Этой ручкой регулируется усиление исследуемого сигнала перед подачей его на вертикально отклоняющие пластины. Обычно бывают две ручки: ступенчатоепереключениес заданным коэффициентом и плавная регулировка. Как и в случае сигнала развертки, ручки совмещены, т. е. одна находитсявнутри другой.
Необходимо, однако, иметь в виду следующее. Точное определение амплитуды сзаданной ценой деленияшкалы возможнотольковкрайнем правом положении ручки плавной регулировки! Это положение ручки фиксируется специальным стопором, и ручка выводится и вводится в
него с характерным щелчком.
Автоколебательный режим используется для определения вида зависимости сигнала от времени и для измерения амплитуды сигнала. Измерениевременных промежутков и связанных в ними величин (частоты, сдвига фаз двух сигналов и т.д.) удобнее выполнять в ждущем режиме.
Ждущий режим работы осциллографа
Ждущийрежимработыотличаетсяотавтоколебательногорежимаглавным образом тем, что при отсутствии синхронизирующего сигнала развёртка также отсутствует. Разумеется, в этом случае картина на экране также не наблюдается. Это гарантирует наблюдателя от тех нежелательных эффектов, которыемогли наблюдаться в автоколебательном режиме.
В ждущем режиме развёртка (т.е. очередной «зубец пилы» на рис. П. 5.2) запускается в тот момент, когда амплитуда исследуемого сигнала превышает порог синхронизации. Тогда, если исследуемый сигнал периодический, начало развертки всегда соответствует одной и той же фазе исследуемогосигнала. Какужебылосказано, этоявляетсяосновным требованием, при выполнении которогокартина на экранебудет неподвижной.
U
а) Uc
τ
U
б)
τ
в)
Рис. П. 5.3. а – исследуемыйсигнал; б– напряжение развертки; в – видимый на экране осциллографа участок исследуемого сигнала
На рис. П. 5.3 показана эпюра напряжения развертки в этом случае. Как видно из рис. П. 5.3, б, развертка не является непрерывной, т. е. конец одного зубца не совпадает с моментом начала следующего.
Величина порога синхронизации Uc (рис. П. 5.3, а) может регулироваться специальной ручкой на панели управления. При этом следует помнить, что при изменении усиления сигнала ручкой «вольт/дел» изменяется фаза сигнала, при которой включается развертка.
Следующий «зубец» развертки включается опять-таки в момент достижения исследуемым сигналом порогового уровня. Таким образом, эпюра напряжения развертки в ждущем режиме представляет собой отдельные «зубцы» (рис. П. 5.3, б), в промежутках между которыми напряжениеразвертки равнонулю.
Синхронизацияразвертки сисследуемымсигналом– такназываемая внутренняя синхронизация – не единственный вариант использования ждущего режима. Иногда бывает удобно запустить развертку по внешнему сигналу, подаваемому на специальный вход синхронизации. Такой режим получил название внешней синхронизации. Уровень синхронизи-
295
рующегосигнала, при котором происходит запускразвертки,такжеможет регулироваться ручкой на панели управления («уровень запуска»).
Как в режиме внутренней, так и в режиме внешней синхронизации запускразверткиможетпроизводитьсяпринарастанииили приубывании сигнала. Для переключения режима срабатывания сигнала запуска предусмотрены кнопки или переключатели на панели управления с соответствующими надписями или значками «+» и «-». Полярность сигнала запуска выбирается в зависимости от ожидаемого вида исследуемого сигнала. Например,еслиизвестно, чтосигналпредставляет собойотрицательные импульсы, то в режиме внутренней синхронизации запуск развертки целесообразен при убывании напряжения. Если жевид исследуемогосигнала заранеенеизвестен, торекомендуетсясначала использовать режимнепрерывнойразвертки дляопределенияпримерноговида сигнала, а затем измерить все его характеристики в ждущем режиме.
Получив в ждущем режиме устойчивую картину на экране, приступают кточным измерениям характеристиксигнала. Измерениеамплитуды производится точно так же, как и в режиме непрерывной развертки. Дляизмеренияпромежутков временииспользуютсягоризонтальныеделения масштабной сетки на экране. Цена деления масштабной сетки регулируетсяручкой «время/дел», расположеннойна панелиуправления. Предусмотрена ступенчатая и плавная регулировка, причем ручки обычно бывают совмещены (одна внутри другой). Как и при измерении амплитуды, точное измерение временных промежутков возможно только в край-
нем правом положении ручки плавной регулировки! Это положение так-
же фиксируется стопором. В современных осциллографах цена деления шкалы регулируется в широких пределах – от 10 с до 1мкс и менее.
Двухлучевые и двухканальные осциллографы
При исследовании работы схем часто бывает нужно рассмотреть одновременнодва сигнала,например, сопоставить их фазу, измеритьпромежутки времени между импульсами первого и второго сигнала и т.п. Для этого используются осциллографы, на экране которых возможно одновременноенаблюдение двух сигналов, например, один под другим.
Устройствотакихосциллографовзависитотиспользуемойвнихэлек- тронно-лучевой трубки. Можно использовать ЭЛТ, снабженные двумя электроннымипушками(осциллографы,укомплектованныетакойтрубкой, собственно, и называют двухлучевыми). Ночащеиспользуются обычные
ЭЛТ с одной пушкой. При этом на вертикально отклоняющие пластины подаютпоочереднопервый и второйсигнал, причём частота чередования сигналов (тактовая частота) составляет несколько кГц. Одновременно со вторым сигналом подается смещающее постоянное напряжение, благодаря чему второй сигнал наблюдается на другом уровне. Разумеется, в этом случаекартина на каждом уровнесостоит изштриховых линий, но благодаря большой величине тактовой частоты штрихи становятся незаметными при наблюдении. Такиеосциллографы получили названиедвух-
канальных.
Если жечастота развертки непревышает 20-30 Гц, томожноиспользовать другой способ одновременного наблюдения двух лучей. На вертикально отклоняющие пластины по очереди подаются первый и второй исследуемые сигналы. Первый «зубец» развертки соответствует первому сигналу, второй – второму, третий – опять первому и т.д. Для того чтобы различать их, во время четных периодов на вертикально отклоняющие пластиныподаетсяещёи постоянноенапряжение, благодарячемувторой сигнал наблюдается на другом уровне – выше или ниже первого.
Управлениедвухканальными и двухлучевыми осциллографами в целом не отличается от управления одноканальными осциллографами. Разумеется,каждый канал управляетсяотдельно, количестворучекуправления соответственно возрастает. Развертка – общая для двух лучей, а внутренняя синхронизация в ждущем режиме возможна как по первому, такиповторомусигналу.Дляудобствапредставлениянаэкранесигналов, предусмотрены ручки, смещающиекаждый луч повертикали вверх и вниз. Возможны следующие режимы наблюдения:
-наблюдение только одного (первого) луча;
-суммирование двух сигналов;
-одновременноенаблюдениепервогоивтороголучанаразныхуровнях;
-последовательное наблюдение первого, а затем второго луча. Измерение амплитуды сигналов и временных промежутков в двух-
лучевых осциллографах производитсяточнотакже, каки в однолучевых. Более редко используются многоканальные осциллографы – например, четырехканальные.
Блок-схема осциллографа
С целью более полного изучения принципа действия осциллографа рассмотрим его блок-схему (рис. П. 5.4).
Вход |
Делитель |
Усилитель |
|
|
|
напряжения |
|
|
|
канала Y |
|
|
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЭЛТ |
|
|
|
|
|
|
Калибратор |
вольт/дел |
Y |
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Генератор |
Внеш. |
|
|
Усилитель |
подсветки |
синхр. |
|
Внутр. синхр. |
канала X |
|
|
|
|
|
|
|
Блок |
Генератор |
|
|
|
|
синхронизации |
ждущей |
|
|
|
|
|
развертки |
|
|
|
|
|
Генератор |
|
|
|
|
|
непрерывной |
|
|
|
|
развертки |
|
|
Вход Х |
Рис.П. 5.4. Блок-схема одноканальногоосциллографа
На входYподаетсяисследуемый сигнал. Егоамплитуду можнорегулировать делителем напряжения. Далее сигнал поступает на усилитель каналаY,коэффициентусилениякоторогоможноизменять ручкой«вольт/ дел».Далеесигнал подаетсяна вертикальноотклоняющиепластины ЭЛТ. Амплитуда сигнала на пластинах обычно составляет несколько десятков вольт. Можно, однако, подать сигнал непосредственно на пластины, что бывает необходимов некоторых случаях. Тогдаиспользуетсяспециальное гнездо на боковой панели осциллографа (Y). Существует возможность прямой подачи сигнала и на горизонтальноотклоняющиепластины (Х).
Далее рассмотрим формирование и прохождение канала развёртки. Врежимевнутренней синхронизации, какбылосказановыше, развёртка начинается тогда, когда уровень исследуемого сигнала (он подается с усилителяканала Y)превышает порог синхронизации, формируемый блоком синхронизации. В момент совпадения блок синхронизации формирует импульс, который подаётсяна один изгенераторов развертки -генератор ждущей развертки (в ждущем режиме) или генератор непрерывной развертки (в режиме непрерывной развертки). Пилообразные импульсы
298
развертки, формируемыеэтими блоками, усиливаютсяусилителемканала Х и далее поступают на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Кроме того, импульсы развёртки подаются на генератор подсветки, который формирует прямоугольныеположительныеимпульсы дляподачи на ускоряющий электрод (сетку). Таким образом, длительность подсвечивающего импульса равна длительности импульса развертки. Длительность импульсов развертки может регулироваться ручкой «время/дел», которая управляет работой генераторов развертки.
Имеется возможность подать сигнал на вход Х через усилитель. Для этого служит отдельное гнездо на передней панели осциллографа
(Вход Х).
В режиме внешней синхронизации внешний синхронизирующий импульсподаётсянаблоксинхронизации черезспециальноегнездо«Вход синхронизации».
Вовсехосциллографах предусмотренавозможностьпроверки шкалы измерения амплитуды. Для этого включается специальный блок калибровки (Калибраторамплитуды), генерирующий импульсы стандартной амплитуды идлительности. Эти импульсы подаютсяна усилитель канала Y и на вход синхронизации для обеспечения работы одного из блоков развёртки.
Двухлучевыеидвухканальныеосциллографыимеюттежесамыеблоки с той лишь разницей, что некоторые из изображенных на рис. П. 5.4 блоков задублированы. Студентам рекомендуется самим представить себе соответствующую блок-схему в качестве полезного упражнения.
