2.4. Устройство управления лучом

Канал Y (рис.1) содержит усилитель вертикального отк­лонения (УВО), входной делитель напряжения (ВДН) и калибратор (К). Рассмотрим назначение этих устройств. Для получения люминесценции электроны необходимо разогнать до высоких скоростей. Поэто­му они быстро пролетают зону действия отклоняющих пластин. Что­бы отклонить их за это короткое время от оси трубки на требуе­мый угол, к пластинам надо приложить значительные напряжения (Uy или Ux ) - десятки вольт. Обеспечить наблюдение меньших сигналов Uy возможно, только предварительно усилив их. Поэтому любой осциллограф включает в себя усилитель вертикального отклонения.

К усилителю предъявляются следующие требования: широкий частотный диапазон, большой (порядка 1000) и изменяемый коэффици­ент усиления, высокое входное сопротивление и малая входная ем­кость.

Любой реальный усилитель имеет частотный диапазон, ограни­ченный сверху: в области высоких частот коэффициент усиления уменьшается. Это происходит из-за влияния на высоких частотах паразитных емкостей и индуктивностей радиодеталей и монтажа. В усилителях осциллографов принимают все меры для уменьшения этих реактивностей. Собственно, усилители и ограничивают частотный диапазон осциллографа, частотный диапазон ЭЛТ значительно шире частотного диапазона усилителей.

Роль входного сопротивления и входной емкости усилителя видна из эквивалентной схемы входной цепи, показанной на рис.6 .

На ней изображены ЭДС источника усиливаемого сигнала e_c и внутреннее сопротивление источника Rc .Напряжение на входе усилителя :

Uвх= e_с – iвх * Rc

где iвх - входной ток, протекающий под действием ЭДС e_c.

И з этого соотношения следует, что сигнал на входе будет тем больше, приближаясь к e_c , чем меньше входной ток. Для уменьшения тока необходимо увеличить Rвх и уменьшать Свх . На высоких частотах доминирующую роль играет Свх . Если источ­ник сигнала имеет большое внутреннее сопротивление, то частотный диапазон будет уже ограничивать не усилитель, а фильтр нижних частот Rc – Cвх . В практике приходится наблюдать не только малые сигналы, но и достаточно большие (порядка сотен вольт). Эти сигналы надо уже не усиливать, а ослаблять. Для этой цели в канале Y слу­жит входной делитель напряжения (ВДН). Принцип работы этого узла поясняет рис.7.

Выходное напряжение составляет ту или иную долю от входного. Это зависит от соотношений между сопротивлениями резисторов R₁ , R₂ , R₃ и положения переключателя. Если перек­лючатель находится в положении 1, то Uвых = Uвх и сигнал поступает далее на усилитель без ослабления. Все сказанное по поводу входного сопротивления и входной емкости усилителя справедливо и для делителя. Здесь часто ограничивает частотный диапазон входная емкость кабеля, которым вход осциллографа подключается к ис­точнику сигнала. На рис.7 емкость показана пунктиром. На высоких частотах (обычно выше 10⁶ Гц) приходится принимать меры по умень­шению этой емкости, например, применяя специальные кабели .

Т.к. параметры радиоэлементов зависят от температуры окру­жающей среды, а также изменяются в небольших пределах с течением времени (старение элементов), то коэффициент усиления усилителя изменяется в небольших пределах. Для его корректировки исполь­зуется калибратор К (рис.1).

Калибратор вырабатывает стабильное напряжение обычно прямо­угольной формы, которое подается при калибровке на вход канала. На экране осциллографа наблюдают сигнал к корректируют коэффици­ент усиления усилителя так, чтобы изображение сигнала на экране занимало по вертикали определенное число делений координатной сетки, указанное в техническом описании осциллографа. Тем самым, устанавливается коэффициент усиления канала Y номинальным.

Кроме плавной регулировки в усилителе предусмотрена возможность дискретного изменения коэффициента усиления с помощью со­ответствующих переключателей. Дискретно можно изменить и коэф­фициент деления входного делителя. Все эти переключатели выве­дены на переднюю панель и оператор имеет к ним доступ. Ручка плавной регулировки усиления выводится либо на переднюю панель, либо на боковую стенку. Благодаря усилителю и делителю чувствительность осциллографа можно изменить в широких пределах. Это дает возможность наблюдать на экране входные напряжения от долей мил­ливольт до сотен вольт.

Канал Х содержит усилитель горизонтального отклонения (УГО),

по назначению и свойствам аналогичный усилителю вертикального отклонения, и генератор развертки (ГР). Остановимся подробнее на генераторе развертки.

В разделе 2.3 было показано, что для воспроизведения формы сигнала Uy(t) на пластины "X" необходимо подавать линейно изме­няющееся напряжение.

Т акое напряжение (рис.8) пилообразной формы вырабатывает генератор развертки.

Во время Тпр луч на экране пе­ремещается по оси Х слева направо (прямой ход луча). Этот интер­вал является рабочим. Именно в это время воспроизводится на эк­ране исследуемый сигнал. Отклонение от линейности напряжения развертки на этом интервале приводит к некоторому искажению формы сигнала. Количественно эти искажения оцениваются погрешностью нелинейности, определяемой через производные Ux(t) в начале и конце интервала Тпр. Значение погрешности нелинейности приво­дится в техническом описании на осциллограф.

Во время Тобр. луч быстро возвращается справа налево (об­ратный ход). Обратный ход является нерабочим интервалом времени. На время Тобр. в осциллографах на модулятор подается импульс от­рицательного напряжения относительно катода, благодаря которому яркость светящегося пятна падает до нуля. Такое "гашение" луча устраняет фрагменты изображения на экране, появляющиеся во время обратного хода луча и затрудняющие наблюдение изображения сигнала.

Генератор может работать в двух режимах: автоколебательном и ждущем. В автоколебательном режиме он непрерывно вырабатывает пилообразное напряжение, а в ждущем всего один период этого нап­ряжения и только тогда, когда на вход генератора поступает нап­ряжение определенного уровня (положительного или отрицательного). Длительность развертки Тпр. в обоих режимах, и уровень входного напряжения, запускающего генератор развертки в ждущем режиме, оператор может изменять с помощью органов управления, располо­женных на передней панели осциллографа. Научиться осмысленно и умело пользоваться ими - значит научиться пользоваться осцил­лографом. Поэтому, рассмотрим этот важный вопрос подробнее. Для получения на экране изображения одного или нескольких периодов исследуемого периодического процесса необходимо много­кратное перемещение луча по одной и той же траектории, на экране. Это условие выполняется, если момент начала развертки при каждом ее цикле будет приходиться на одно и то же значение сигнала. Для получения и поддержания этого условия требуется тем или иным спо­собом воздействовать на момент начала развертки и осуществлять его синхронизацию с исследуемым сигналом.

Основной режим работы генератора - ждущий. Запускающее ге­нератор развертки напряжение – это, чаще всего, сам исследуемый сигнал (внутренняя синхронизация). Иногда, например, при измерении временных интервалов и фазовых сдвигов синхронизация выпол­няется напряжением от постороннего источника (внешняя синхрони­зация).

На рис.9 построены графики входного сигнала Uy(t) и нап­ряжения развертки Ux(t) ( U₀ - уровень запуска генератора развертки).

На графике Uy(t) показано жирной линией изображе­ние, которое, появится на экране. Оператор может уменьшать длитель­ность развертки так, чтобы был виден только один импульс. Это становится необходимостью, когда длительность импульса мала по сравнению со временем повторения (импульсы с большой скважностью). Когда на экране виден только один импульс и он занимает почти весь экран, детально видна его форма. Но существенно то, что начало этого импульса (его передний фронт) полностью видно не бу­дет. Рис.9 показывает причины этого: во-первых, развертки нет, пока Uy(t) не достигнет уровня запуска генератора развертки (уровень U₀ ), во-вторых, на формирование начала рабочего хода развертки необходимо некоторое время tн. Целиком просмотреть импульс на экране будет возможно, если сигнал Uy(t) на отк­лоняющие плаcтины " Y " подать позже, чем сигнал на запуск ге­нератора развертки, т.е. сигнал канала Y задержать на некото­рое время. Для этой цели усилитель вертикального отклонения име­ет линию задержки.

Нетрудно видеть, что ждущая развертка позволяет наблюдать не только периодические импульсы, но и импульсы с изменяющейся частотой следования. Важно, чтобы они были повторяющимися. Эта развертка также успешно используется для, наблюдения непрерывных сигналов, например, синусоидальных.

Некоторое неудобство ждущей развертки в том, что пока не установлен необходимый уровень запуска, на экране вообще нет ни­какого изображения. Для устранения этого неудобства используется автоколебательный режим, если только исследуемый сигнал - не им­пульсы большой скважности или переменной частоты следования. Изображение таких импульсов возможно получить только при ждущей развертке.

Для синхронизации в автоколебательном режиме необходимо, чтобы отношение периода развертки к периоду исследуемого сигнала, было целым числом. Это достигается изменением частоты развертка, сначала грубо, вручную это устанавливает оператор, затем точно - схема синхронизации, входящая в генератор развертки. Здесь также наиболее распространенным видом синхронизации является внутрен­няя, т.е. синхронизация исследуемым сигналом. Иногда использует­ся разновидность внешней синхронизации - синхронизация от сети, главным образом для выяснения, не является ли сигнал помехой от промышленной сети 50 Гц. При синхронизации от сети на вход схемы синхронизации генератора развертки подается напряжение с час­тотой сети питания.