4. Синхронизация.

Остановимся теперь более подробно на условиях, при которых на экране осциллографа получается устойчивая картина исследуемого сигнала. Легко показать, что осциллограмма будет устойчивой, если период напряжения развертки кратен периоду напряжения исследуемого сигнала, т.е. при условии:

T_р = n T_и, (1)

где n– целое число.

Графическая иллюстрация процесса получения изображения исследуемого сигнала для n = 2 приведена на рис. 8. Пунктирные линии на этом рисунке показывают положение луча в фиксированные моменты времени. Очевидно, что при выполнении условия (1) осциллограммы, получаемые в последующие промежутки времени, накладываются друг на друга, и на экране наблюдается устойчивое изображение.

Вообще говоря, для получения неподвижной осциллограммы достаточно выполнения менее жесткого условия

m T_р = n T_и, (2)

где m и n– целые числа. Правда, в этом случае может получиться наложение друг на друга разных кусков осциллограммы. Чтобы это было до конца понятно, постойте изображение сигнала для случая m = 2, n = 3.

До сих пор не упоминалось о таком понятии, как время послесвечения трубки (обозначим его ). Это время можно приблизительно определить как время свечения экрана после прекращения возбуждения его электронным лучом. Естественно, если  > T_р, глаз не будет замечать движения луча, и на экране будет видна сплошная линия.

Заметим также, что во время обратного хода на модулятор трубки поступает отрицательное напряжение, запирающее луч, поэтому обратный ход луча на экране трубки не виден.

Для наблюдения неподвижной осциллограммы необходимо строгое выполнение условия (2) (соотношение (1) является его частным случаем при m = 1). Однако колебания генератора развертки сами по себе нестабильны: их частота по разным причинам может меняться с течением времени. Кроме того, в процессе наблюдения может несколько меняться и частота исследуемого сигнала. Процесс принудительного установления и поддержания кратности этих частот называется синхронизацией. Рассмотрим этот процесс на примере синхронизации частоты тиратронного генератора развертки при помощи синусоидального напряжения.

Е сли на сетку тиратрона подать синхронизирующее напряжение U_c, то потенциал зажигания будет изменяться: при уменьшении напряжения на сетке он увеличивается и наоборот (см. рис. 9а и рис. 9б). В результате изменяются моменты зажигания тиратрона, и устанавливается новый период развертки (на рис. 9б период равен периоду синхронизующего напряжения, а пунктиром показан период напряжения развертки в отсутствии синхронизации). Легко получается синхронизация и в случае, когда частота синхронизирующего напряжения в целое число раз превышает частоту напряжения развертки (рис. 9в). Амплитуду напряжения синхронизации следует выбирать наименьшей величины, при которой наблюдается устойчивое изображение, т.к. при большой амплитуде синхронизирующего напряжения может меняться амплитуда и длительность напряжения развертки (см. рис. 9г). Регулировка амплитуды синхронизации осуществляется потенциометром R1: ручка «амплитуда синхронизации» на передней панели (см. рис. 6).

В качестве синхронизирующих можно использовать различные напряжения. Наиболее распространенной является внутренняя синхронизация, при которой синхронизирующим является само исследуемое напряжение. Через переключатель П₂ это напряжение с выхода первого каскада вертикального усилителя поступает на сетку тиратрона (см. блок-схему на рис. 1). В этом случае создаются наилучшие условия для наблюдения, т.к. исследуемый сигнал даже при его нестабильности «ведет» за собой частоту развертки, и изображение остается стабильным. Синхронизация от сети переменного тока используется в основном при исследовании процессов, частоты которых кратны 50 Гц. При внешней синхронизации сетка тиратрона с помощью переключателя П₂ соединяется с клеммой «внеш. синхр.» на передней панели, и на эту клемму может подаваться напряжение от любого внешнего источника.

Для проверки работоспособности осциллографа в отсутствие внешнего источника напряжения можно использовать контрольное напряжение частотой 50 Гц, снимаемое с клеммы «контр. сигнал», расположенной на передней панели прибора.

Контрольные вопросы.

1. Влияет ли на чувствительность трубки величина напряжения на втором аноде? Если влияет, то как и почему?

2. Изменится ли фокусировка луча при изменении напряжения на втором аноде, если при этом одновременно изменять напряжения на других электродах таким образом, чтобы фокусное расстояние «электронной линзы» оставалось прежним?

3. Поясните назначение ускоряющего или третьего анода ЭЛТ.

4. Изменится ли чувствительность трубки при изменении частоты сигнала, подаваемого на отклоняющие пластины?

5. Почему напряжение развертки должно быть линейным? Изобразите, как будет выглядеть осциллограмма синусоидального напряжения, если в качестве напряжения развертки использовать не малый участок зарядной кривой конденсатора, а всю кривую.

6. Каковы основные требования, предъявляемые к усилителям вертикального и горизонтального отклонения?

7. Почему входное сопротивление вертикального усилителя должно быть как можно большим, а входная емкость – как можно меньшей?

8. Почему время прямого хода развертки стремятся сделать значительно больше времени обратного хода? Чем определяется время обратного хода тиратронного генератора развертки?

9. Почему амплитуда синхронизирующего напряжения не должна быть слишком большой? Нарисуйте вид осциллограммы синусоидального напряжения, если напряжение развертки меняется так, как показано на рис. 9г.

10. Изобразите, как будут выглядеть картины, подобные приведенным на рис. 9, если синхронизацию осуществлять короткими прямоугольными импульсами.

11а. Как будет выглядеть картина на экране осциллографа, если на вертикальный усилитель подать сигнал U sin t, а на горизонтальный– сигнал U sin nt при n = 1, 2, 3, 4? Такие картины называют фигурами Лиссажу.

11б. Как будет выглядеть картина на экране осциллографа, если на вертикальный усилитель подать сигнал U sin t, а на горизонтальный– сигнал U sin nt при n = 2/3, 3/4, 3/5, 4/5? Как изменятся картины, если на вертикальном усилителе сигнал сменить на U cos t?

Приложение (генератор ГЗ-109)

В настоящей работе в качестве источника исследуемого сигнала используется генератор ГЗ-109, который генерирует гармоническое напряжение с частотами от 20 Гц до 200 кГц. Весь диапазон частот перекрывается четырьмя поддиапазонами (ручка «Множитель частоты») с плавной перестройкой внутри поддиапазонов.

Выходное напряжение необходимо снимать с разъема «Выход 1» (клеммы «Выход 2» при выполнении данной работы не понадобятся). Регулировка выходного напряжения осуществляется ступенями и плавно с помощью ручки «Регулировка вых.». Подключение генератора к осциллографу необходимо осуществлять через 50-омную согласующую нагрузку (эта нагрузка входит в комплект прибора). В этом случае выходное напряжение можно отсчитывать по вольтметру, расположенному на передней панели генератора. Необходимо только помнить, что вольтметр проградуирован в эффективных значениях выходного напряжения, которое для гармонического напряжения в раз меньше амплитудного значения. При переключении частотных поддиапазонов и плавной перестройке частоты время установления выходного напряжения может быть порядка 10 секунд.

Задание.

1. Хорошо усвойте назначение всех ручек управления на передней панели осциллографа.

2. Включите осциллограф в сеть. После 1-2 минутного прогрева получите изображение линии развертки. Ручками «ось X» и «ось Y» выведите полученное изображение на середину экрана.

3. Выключите развертку. Сфокусируйте луч. Выясните, как влияет на фокусировку напряжение на модуляторе и на яркость– напряжение на первом аноде (необходимо при этом помнить, что длительное время оставлять луч на экране неподвижным нельзя, т.к. это приводит к выгоранию люминофора, поэтому задание нужно проделать быстро и сразу же по окончании включить развертку).

4. Определите величину чувствительности вертикального канала осциллографа при максимальном усилении (т.е. при положении ручки «ослабление» 1:1 и ручки «усиление»– в крайнем правом положении). При измерении частота генератора должна быть равна 1 кГц, т.к. именно для этого значения частоты указывается паспортное значение чувствительности. Проделайте то же самое для горизонтального канала. Напомним, что под чувствительностью понимается величина , т.е. отклонение на экране трубки h, приходящееся на один вольт отклоняющего напряжения U_откл.

5. Изучите работу развертки:

а) Получите осциллограммы напряжения с генератора при n f_р = m f_с (где f_р – частота напряжения развертки,f_с – частота напряжения сигнала) с целыми числами n и m, равными:

n/m = 1; 1/2; 2; 2/3; 3/4.

б) При этих n и m засинхронизируйте развертку и наблюдайте срыв синхронизации при изменении (расстройке) частоты генератора. Выясните, как влияет положение ручки «амплитуда синхронизации» на величину расстройки f и на напряжение развертки.

в) Установите f_с > n f_р (f_с  n f_р). При выключенной синхронизации наблюдайте и объясните картину. Проделайте то же задание при f_с < n f_р (f_с  n f_р).

г) Оцените время послесвечения трубки , для чего получите развертку на самой низкой частоте и увеличивайте частоту развертки до тех пор, пока не исчезнет «мигание». После чего подайте на вход Y колебания от генератора и получите на этой развертке 1 период колебаний.

д) Получите устойчивое изображение, используя внешнюю синхронизацию от генератора.

6. Оцените линейность вертикального канала усиления, для чего постройте график зависимости отклонения луча от напряжения на входе при ослаблении входного делителя 1:100 и нескольких положениях регулятора усиления.

7. Оцените частотные свойства вертикального усилителя, для чего снимите зависимость отклонения луча на экране от частоты входного сигнала во всем диапазоне частот генератора (постоянство уровня входного сигнала контролируйте по вольтметру генератора).

8. Подав на вход Y осциллографа контрольный сигнал, а на вход X– сигнал от генератора, получите на экране фигуры Лиссажу при n = 1, 2, 3, 4 и зарисуйте их.