ВВЕДЕНИЕ

Осциллограф – это прибор, который позволяет наблюдать на экране форму электрических сигналов (то есть зависимость на­пряжения от времени) и измерять их параметры. Его преимуществом по сравнению с другими измерительными приборами являются наглядность восприятия информации и универсальность – можно измерять сразу несколько параметров сигнала. К недостаткам можно отнести небольшую точность (2-5%) и относительно большую трудоемкость измерений. С помощью осциллографа можно измерять все параметры любых сигналов, в то время как более точные спе­циализированные приборы измеряют обычно какой-то один пара­метр, и, главное, рассчитаны только на сигнал определенной фо­рмы (наиболее распространенны приборы для измерения параметров гармонических сигналов). Поэтому они могут давать большие и не­контролируемые погрешности при отклонении сигнала от "стан­дартного" вида. Таким образом, наличие осциллографа как конт­ролирующего прибора необходимо и при использовании других, бо­лее точных измерительных приборов, особенно, если вид сигнала не известен и может изменяться в процессе измерений.

По назначению и принципу действия осциллографы разделяют­ся на универсальные аналоговые, цифровые, запоминающие, стробоскопические, скорост­ные и специальные. Данная задача посвящена ознакомлению с уни­версальным осциллографом.

Прежде, чем приступать к работе с любым прибором, необхо­димо изучить его техническое описание и инструкцию по эксплуа­тации. Однако у осциллографов различных типов есть много общего: общие принципы построения и работы, изучив которые, можно значительно быстрее разобраться в работе конкретного прибора. И при переходе в работе от одного вида осциллографа к другому не должны возникать серьезные затруднения.

1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА.

Главным узлом любого осциллографа является электронно-лучевая трубка – ЭЛТ, поэтому осциллограф и называется электроннолучевым. Схематически устройство ЭЛТ показано на рис.1.

1.1 Электронная пушка

Электронная пушка создает и фокусирует электронный луч. С катода испускаются электроны, ускоряются в электрическом поле между катодом и вторым анодом. Далее, до экрана, они пролетают в области почти постоянного потенциала (равного U_a2. Потенциал создается токопроводящим слоем, нанесенным на стенки трубки. Соударяясь с флюоресцирующим слоем на внутренней повер­хности экрана – люминофором, электроны вызывают его свечение.

---

Яркость свечения определяется количеством энергии в единицу времени, сообщенной электронами люминофору (т.е. кинетической энергией электронов и их плотностью в электронном луче). С эк­рана электроны "стекают" на положительный полюс источника пи­тания. Люминофор не токопроводен, и электроны покидают экран либо за счет вторичной эмиссии, либо на экран наносится тон­кий, прозрачный для быстрых электронов, слой металла (алюми­ния), соединяемый с положительным полюсом источника питания.

Катод помещен внутрь цилиндра с отверстием – это управляющий электрод, на него подается отрицательный (по отношению к катоду) потенциал. Изменяя его величину, можно регулировать число электронов в пучке, а значит, яркость свечения пятна на экране (ручка "яркость", "☼"). Фокусировка луча осуществляется анодами. Процесс подобен фокусировке световых лучей оптическими линзами, только линзы здесь образованы электростатическими полями между анодами. Регулируя напряжение на 1-м аноде, можно изменять электростатические поля (фокусное расстояние линзы) и фокусировать электронный луч (ручка "", "фокус").

Рис. 1.  Электронно-лучевая трубка.

Напряжения относительно катода: U_а2 = +800 …+5000 В,
U_а1 = (50…80 %)U_а2,
U_упр = -20…-90 В.

---

1.2 Принцип образования осциллограммы

Положение светового пятна на экране зависит от пары напряжений, приложенных к горизонтально – (X) и вертикально – (Y) отклоняющим пластинам.

Важным свойством осциллографа является линейность между напряжением, приложенным к паре отклоняющих пластин, и линейным отклонением электронного луча на экране электронно-лучевой трубки.

Рис. 3. Принцип образования осциллограммы

Если на Y-пластины подать переменное, например, синусоидальное, напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При достаточно большой частоте колебаний (20-50 Гц) электронный луч оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию (рис.3а). Аналогично, напряжение, поданное на горизонтально отклоняющие пластины – X, даст горизонтальную линию.

Рис. 4. Фигуры Лиссажу для двух синусоидальных сигналов с различными
соотношениями частот и фаз.

При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин можно получить различные осциллограммы. Например, подавая на пластины Х и Y два синусоидальных сигнала с определенными соотношениями частот, амплитуд и фаз, можно наблюдать замкнутые кривые, так называемые фигуры Лиссажу, изображенные на рис.3б и рис.4.

В обычных осциллографах для того, чтобы получить неподвижную картину, а не бегающую точку, необходимо, чтобы однократная осциллограмма не менее 10-50 раз в секунду повторялась (это связано с временем послесвечения люминофора и временем релаксации глаза) – и каждый раз приходилась бы на одни и те же точки экрана. Для этого надо:

Рис. 6. Пилообразное напряжение.
Во время обратного хода луч га­сится.

1 - чтобы линейно возрастающее напряжение периодически повторялось – такое напряжение называется пилообразным (рис.6). Оно вырабатывается специальным генератором, который встроен в ос­циллограф. В зависимости от поставленной задачи можно пользо­ваться или этим генератором, или подавать на вход "X" любое необходимое вам напряжение (генератор пилообразного напряжения и блок синхронизации при этом отключается, положение "Х" переключателя режимов развертки);

Рис. 7. а). Образование "бегущей синусоиды" : частота сигнала U_y отлична от частоты повторения пилообразного напряжения.

б). Неподвижная картина: частоты сигналов U_y и U_х равны.

2 - чтобы частоты пилообразного напряже­ния и исследуемого сигнала были равны или кратны друг другу (рис.7). Добиться этого ручной регулировкой частоты практически невозможно из-за не­избежной нестабильности как периода развертки, так и периода сигнала. Кроме того, при ручной регулировке периода нарушается временной масштаб и становится невозможным измерение интервалов времени методом калиброванной развертки. Поэтому в осциллографе имеется БЛОК СИНХРОНИЗАЦИИ, выполняющий автоматическую подстройку периода развертки под исследуемый сигнал без изменения масштаба. Этот процесс – изменение частоты повторения пилообразного напряжения до значения, равного или кратного частоте сигнала U_у, называется синхронизацией.

---

В зависимости от того, как сигнал попадает в блок синхронизации, различают внутреннюю ( INT) и внешнюю ( EXT) синхронизацию. В некотрых осциллографах существуют и другие режимы синхронизации, например, синхронизация от сети (рис.8). Синхронизация от сети обычно используется для проверки узлов приборов, связанных с преобразованием питающего напряжения от силовой сети (трансформаторов, выпрямителей, стабилизаторов и т.д.). В этом режиме в блок синхронизации попадает сигнал от промышленной сети 50 Гц (на вход "X" ничего подавать не надо. Этот сигнал подается ВНУТРИ осциллографа).

При внутренней синхронизации исследуемый сигнал поступает на вход "Y" и уже внутри осциллографа разделяется и идет как на вертикально отклоняющие пластины, так и в блок синхронизации. Таким образом, исследуемый сигнал сам управляет разверткой осциллографа (рис.8).

При внешней синхронизации сигнал с входа "Y" идет только на пластины вер­тикального отклонения, а в блок синхронизации сигнал пойдет с входа "X" – его надо специально подать. Использовать внешнюю синхронизацию целесообразно в случае, если исследуемый сигнал недостаточен по амплиту­де или непригоден по форме для синхронизации (например, содержит шумы).

Например, мы ра­ботаем с сигналом, который как-то преобразуем, и получить качественную не­подвижную картину при внутренней синхронизации от преобразо­ванного "плохого" сигнала не удается (картина дрожит или срывается). Тогда мы на вход "X" по­даем исходный "хороший" сигнал, включаем внешнюю синхронизацию и тем самым согласуем частоту повторения развертки с частотой исходного непреоб­разованного "хорошего" сигнала. Так как его частота точно равна частоте наблюдаемого сигнала, то картина должна стать неподвижной. Внешняя синхронизация также обычно применяется при изучении импульсных устройств, например, ЭВМ, все цепи которых работают синхронно от одного тактового генератора.

Рис. 8. Блок-схема осциллографа

2. БЛОК-СХЕМА ОСЦИЛЛОГРАФА

2.1. Канал вертикального отклонения

– усиливает или ослаб­ляет сигнал до значения, удобного для изучения (ручки управления: "В/дел" или "мВ/дел", где деление – это большая клетка на шкале экрана трубки). Линия задержки ЕТ задерживает сигнал на некоторое время, необходимое для запуска генератора горизонтальной развертки схемой синхронизации – это позволяет наблюдать начальный участок сигнала.

2.2. Канал горизонтального отклонения

– обеспечивает формирование напряжения развертки для управления перемещением лу­ча по горизонтали.

Генератор развертки – основной узел канала X. Он формирует пилообразное напряжение. Генератор может работать в автоколебательном или ждущем режиме.

В автоколебательном режиме генератор непрерывно вырабатывает пилообразное напряжение (рис.6). Этот режим используется для наблюдения гармонических, а также периодических импульсных сигналов с небольшой скважностью (т.е. когда импульс занимает значительную часть пе­риода) .

---

В ждущем режиме генератор вырабатывает однократную "пилу" только когда приходит сигнал запуска (сигнал синхронизации). Запуск следующей осуществляется следующим импульсом синхронизации, но только после того, как закончился ранее начатый ход развертки. Этот режим оптимален для наблюдения непериодических сигналов или сигналов с очень большим периодом.

Генератор развертки, кроме пилообразного напряжения для отклонения луча, вырабатывает отрицательный гасящий им­пульс, который подается на модулятор ЭЛТ и запирает ее на вре­мя обратного хода луча, чтобы на экране не прочерчивалась ли­ния возврата луча.

Рис. 10. Формирование импульса запуска. Ждущий режим развертки.

УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ И ЗАПУСКА РАЗВЕРТКИ формирует высокостабильный импульс запуска, форма и амплитуда которого не зависят от формы и амплитуды исследуемого сигнала. Импульс запуска в ждущем режиме осуществляет запуск развертки, в автоколебательном – ее синхронизацию. Причем в автоколебательном режиме развертка вырабатывается не­прерывно, даже при отсутствии импульса запуска, однако изображение в этом случае получается неустойчивое ввиду несоответствия периодов сигнала и развертки. Коррекция развертки происходит за счет изменения периода развертки и происходит в этом случае только за счет изменения длительности обратного хода луча.

Параметры прямого хода – его длительность, наклон и амплитуда "пилы" – не должны меняться, так как это привело бы к нарушению масштаба сетки по оси времени – Х (определяется наклоном) и горизонтального размера изображения (определяется амплитудой).

Формирование импульса запуска происходит в тот момент времени, когда напряжение исследуемого входного сигнала становится равным заданному уровню напряжения (рис.10). Таким образом, начало развертки "привязывается" к определенной точке исследуемого сигнала. Регулировать уровень за­пуска U_ур можно ручкой управления "уровень". Импульс запуска может формироваться как при пересечении уровнем запуска переднего (возрастающего) фронта сигнала (переключатель режима синхронизации (" "или "+"), так и при пересечении заднего (спадающего) фронта (" " или "–").

В некоторых осциллографах переход из автоколебательного режима в ждущий осуществляется плавной регулировкой. При этом ручка запуска ("Режим запуска", "Стабильность" и т.д.) имеет два основных положения – обычно по часовой стрелке до упора ↻– автоколебательный режим (он используется для периодических процессов, амплитуда которых слишком мала для запуска ждущей развертки) и против часовой стрелки до упора ↺ – ждущий режим. Границу между этими двумя режимами можно определить так: ручку "уро-вень" повернуть против часовой стрелки до упора – на "нулевой" уровень (при этом импульс синхронизации не вырабатывается) и найти положение ручки режима запуска ("стабильность"), при котором луч исчезает (без импульса синхронизации в авто­колебательном режиме картина есть, в ждущем – нет). Работать с осциллографами, в которых переход режимов осуществляется плавно, рекомендуется в ждущем режиме.

---