2.2 Электронный осциллограф

Прибор предназначен для исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с помощью осциллографа можно найти силу тока и напряжение, изучать зависимость силы тока и напряжения от времени, измерять сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, при применении соответствующих преобразователей осциллограф позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т. д.

Достоинством электронного осциллографа является его высокая чувствительность и практическая безинерционность действия, что позволяет без труда исследовать процессы, длительность которых не превышает 10^-7 с.

Работа схемы электронного осциллографа изложена ниже на примере простейшего осциллографа типа С1-1.

Электроннолучевая трубка внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы. Внутри колбы создан высокий вакуум. В колбе (рисунок 2.9) помещается подогреватель 1, катод 2, управляющий электрод 3, первый анод (фокусирующий) 4, второй анод (ускоряющий) 5, вертикально отклоняющие пластины 6, горизонтально отклоняющие пластины 7, экран 8, покрытый флюоресцирующим веществом.

Подогреватель, катод, управляющий электрод и оба анода образуют электронную пушку. Назначение электронной пушки – получить сфокусированный поток электронов (электронный луч). Электронная пушка получает питание от высоковольтного выпрямителя, обеспечивающего разность потенциалов между катодом и вторым анодом 1-5 кВ. Это напряжение подается на ряд последовательно соединенных резисторов (потенциометров) R₁, R₂, R₃, R₄. Таким образом, обеспечивается возможность регулирования потенциалов отдельных частей пушки. Например, подавая на управляющий электрод отрицательный по отношению к катоду потенциал, можно регулировать число электронов, выходящих из электронной пушки (сравните с действием сетки в трехэлектродной лампе), и, следовательно, яркость свечения экрана. Поэтому ручка, соответствующая движку потенциометра R₁, выведена на переднюю панель, обозначена “Яркость” или “☼”. Кроме того, совместно с первым анодом управляющий электрод образует электростатическую линзу, собирающую электроны в пучок. Пучок, проходя внутри первого анода, сжимается, а затем окончательно фокусируется второй электростатической линзой. Изменением потенциала

Рисунок 2.9 – Упрощенная электрическая схема осциллографа

первого анода осуществляется фокусировка. Ручка потенциометра R₃ выведена на переднюю панель и обозначена “Фокус” или “ хО”. Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин и, попадая на флюоресцирующий экран, вызывает его свечение. В отсутствие разности потенциалов между отклоняющими пластинами луч падает в центр экрана. При приложении между пластинами разности потенциалов между ними образуется электрическое поле, которое, действуя на пролетающие в нем электроны, отклоняет их от первоначального направления в сторону пластины с большим потенциалом. Отклонение луча зависит от величины и знака разности потенциалов, приложенной к пластинам. Как показывают расчеты, смещение луча на экране пропорционально разности потенциалов между пластинами, т.е.

X=_XU_X, (2.26)

Y=_YU_Y, (2.27)

где X, Y – смещения луча в горизонтальном и вертикальном направлении; U_X, U_Y – разности потенциалов между горизонтальными и вертикальными отклоняющими пластинами. Коэффициенты пропорциональности _X и _Y называются чувствительностями трубки к напряжению соответственно в направлениях осей X и Y. Чувствительность к напряжению определяет смещение электронного луча на экране при разности потенциалов на пластинах 1 В.

При одновременном действии полей между обеими парами пластин луч сместится и в горизонтальном и в вертикальном направлении и окажется в точке с координатами X и Y, определяемыми формулами (2.26) и (2.27).

Обычно исследуемое напряжение подводится к пластинам П_Y, тогда как на пластины П_X подается напряжение, управляющее движением электронного пучка (например, пилообразное напряжение). Для перемещения изображения по экрану управляющие пластины соединены с потенциометрами R₅ и R₆ (рисунок 2.9), которые, в свою очередь, присоединены к источнику постоянного напряжения. Середина каждого из потенциометров R₅ и R₆ заземлена. Если ручка потенциометра R₅ стоит на середине, то между пластинами 7 разность потенциалов равна нулю, так как противоположная пластина заземлена всегда. При повороте ручки потенциометра R₅ от среднего значения потенциал пластины П_X будет изменяться, что приведет к перемещению луча на экране по горизонтали. Ручка потенциометра R₅ выведена на переднюю панель и обозначена “↔”. Аналогично работает потенциометр R₆. Его ручка обозначена “↕”.

Для того, чтобы подавать исследуемое напряжение на пластины, на задней или передней стенке осциллографа имеются специальные гнезда: вход Y, вход X. На некоторых осциллографах имеется возможность исследовать одновременно два напряжения, поэтому на таких приборах имеется два гнезда Y1, Y2. С входной клеммы Y напряжение U_Y подается на делитель напряжения, состоящий из резисторов R₇, R₈, R₉ (рисунок 2.10). Эти резисторы подобраны таким образом, что при постановке переключателя S₁ в положения 1, 2, 3 на потенциометр R₁₀ подаются соответственно напряжения U_Y, U_Y/10, U_Y/100. Переключатель S₁ имеет на передней панели ручку, обозначенную “Ослабление” или “V|DIV” или “V/Дел”.

Рисунок 2.10 – Делитель напряжения

Перемещая движок потенциометра R₁₀, можно плавно изменять напряжение, подаваемое на усилитель, а следовательно, и на пластину П_Y. Ручка потенциометра R₁₀ на передней панели осциллографа обозначена “Усиление” или “Плавно”. Аналогичные потенциометры и усилитель стоят перед пластиной П_X.

Генератор непрерывной развертки или генератор пилообразного напряжения вырабатывает импульсы напряжения пилообразной формы. График этого напряжения показан на рисунке 2.11а. Напряжение в течение промежутка T линейно увеличивается, а затем почти мгновенно падает до первоначального значения. Подадим такое напряжение на пластину П_X и проследим за движением луча на экране. Поскольку напряжение U_X пропорционально времени в течение промежутка T, смещение X тоже пропорционально времени, то есть луч движется по экрану равномерно слева направо (прямой ход). Когда напряжение быстро падает до начального, луч быстро возвращается в исходную точку (обратный ход) и снова начинает равномерное движение вправо.

Рисунок 2.11 – Напряжение пилообразной формы (а),

движение луча (б)

С помощью переключателя “Диапазон частот” (или “ms/Дел, s/Дел” или “TIME|DIV”) и ручки “Частота плавно” можно менять частоту (период) пилообразного напряжения. При частотах до 10 Гц заметно перемещение луча на экране, при больших частотах след сливается в сплошную линию.

Одновременно с напряжением развертки, поданным на пластину П_X, на вход Y подается периодически изменяющееся напряжение с периодом T, равным периоду развертки. При этом луч будет участвовать в двух взаимно перпендикулярных движениях и вычерчивать на экране траекторию этого движения. Пусть для простоты U_Y меняется синусоидально, т.е.

. (2.28)

Тогда луч будет колебаться в вертикальном направлении и при этом равномерно перемещаться в горизонтальном направлении слева направо. Очевидно, траектория луча будет представлять собой синусоиду (рисунок 2.11б). Через период T луч быстро вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать на экране синусоиду. Если, как указывалось, периоды развертки и исследуемого напряжения (в нашем случае синусоидального) равны, то следующая синусоида точно ляжет на первую, и мы увидим на экране неподвижную светящуюся линию. На рисунке 2.11б нанесены стрелки, показывающие направление движения луча.

Удобно проводить предыдущие рассуждения, используя рисунок 2.12а. На рисунке изображен график U_Y(t), на него наложен график пилообразного напряжения, который делит ось времени на промежутки (t)₁=(t)₂=(t)₃=T_разв, в течение которых происходит полная развертка. Луч на экране при каждой развертке вычерчивает ту часть синусоиды, в течение которой происходит развертка. При равенстве периодов T_иссл=T_разв кривые I, II, III одинаковы и при наложении друг на друга совпадают.

Рисунок 2.12 – Развертка изображения: а) T_разв=T_иссл; б) T_разв=2T_иссл

Если уменьшить частоту развертки ровно вдвое (т.е. увеличить период развертки вдвое), то за увеличенное время развертки луч успеет совершить два полных колебания в вертикальном направлении, и на экране мы увидим картину, изображенную на рисунке 2.12б.

Если U_Y изменяется по другому закону, но является периодической функцией от времени, на экране мы увидим график этого напряжения, что и используется при исследовании различных процессов. Если период развертки T_X не является целым кратным периода T_Y изучаемого напряжения, то электронный луч будет начинать движение слева направо каждый раз в различных фазах, и получаемая на экране картина будет представлять наложение нескольких смещенных траекторий. Разобраться в такой картине практически невозможно, и приходится менять период развертки ручкой "Частота плавно" или до тех пор, пока он не станет согласованным с периодом изучаемого напряжения (T_X=nT_Y). Исследовать можно и одиночные импульсы, но при этом применяется несколько более сложная техника (ждущая развертка фотографирования).

Итак, устойчивая картина на экране осциллографа наблюдается при совпадении частоты исследуемого напряжения и частоты развертки или в более общем случае, когда периоды T_разв и T_иссл кратны друг другу: T_разв=nT_иссл, n – целое число.

Допустим, что удалось с помощью ручки “Частота плавно” подобрать частоту развертки, кратную частоте исследуемого напряжения. Но вследствие нестабильности частоты генератора развертки через некоторое время период развертки уже не будет в точности равняться целому числу периодов исследуемого напряжения, и изображения на экране не будут накладываться друг на друга. При этом картина будет перемещаться по экрану, что затрудняет наблюдение. Для получения устойчивого изображения важно, чтобы начало развертки всегда совпадало с одной и той же фазой исследуемого сигнала, т.е. чтобы развертка начиналась одновременно с прохождением исследуемого напряжения, например, через нулевое значение. Тогда начальные точки графика будут накладываться друг на друга. В силу периодичности сигнала совпадут и все остальные точки изображения. В этом случае говорят, что развертка синхронизирована с исследуемым сигналом. Синхронизация осуществляется вращением ручки “Синхронизация” или "LEVEL". Ею следует пользоваться, когда частота развертки в основном подобрана и скорость перемещения изображения на экране невелика.

Глубина синхронизации (напряжение, подаваемое на сетку лампы генератора развертки) регулируется ручкой “Амплитуда синхронизации” и устанавливается минимально необходимой для устойчивого изображения. При слишком больших амплитудах заметны искажения в конце развертки.

На современных осциллографах отклонение электронного луча производится не электрическим, а магнитным полем, создаваемым специальными катушками. Лаборатория "Электрические и магнитные явления" кафедры экспериментальной физики АлтГТУ оснащена, в частности, осциллографами С1-130/1.

Электрическая структурная схема прибора С1-130/1, поясняющая принцип его работы, представлена на рисунке 2.13. Блок-схема содержит следующие части:

- тракт вертикального отклонения (ТВО), обеспечивающий усиление и масштабирование исследуемых сигналов в соответствии с выбранным коэффициентом отклонения и чувствительностью вертикальной отклоняющей системы электроннолучевой трубки (ЭЛТ). Кроме того в ТВО формируются (усиливаются до определенной величины) сигналы внутренней синхронизации. В случае двухканального тракта вертикального отклонения разделение сигналов в каналах Y₁ и Y₂ осуществляется в ТВО с помощью электронного коммутатора;

- тракт горизонтального отклонения (ТГО), обеспечивающий усиление и формирование сигналов горизонтального отклонения луча на экране ЭЛТ, в соответствии с выбранным масштабом (коэффициентом развертки в режиме «Y-T» или коэффициентом отклонения по горизонтали в режиме «X-Y») и чувствительностью горизонтальной системы отклонения ЭЛТ. Кроме того, в ТГО осуществляется формирование сигналов синхронизации развертки из внешнего или внутреннего входных сигналов запуска, предварительное усиление этих сигналов для отклонения луча по горизонтали в режиме «X-Y»;

- источники питания, осуществляющие преобразование переменного напряжения сети в ряд стабилизированных постоянных напряжений, необходимых для работы схемы прибора.

Исследуемые сигналы, поступающие в ТВО по входам каналов Y₁ и Y₂, сначала масштабируются во входных делителях соответствующего канала. Делители предназначены для ослабления входного сигнала от 1 до 5000 раз с шагом 1-2-5 в зависимости от устанавливаемого переключателями «V/DIV» коэффициента отклонения.

С выхода входных делителей сигналы поступают на усилители Y₁, Y₂, в которых осуществляется предварительное усиление с коэффициентом усиления, подстраиваемом под конкретную чувствительность ЭЛТ.

В коммутаторе сигналы с выходов усилителей Y₁, Y₂ поочередно подключаются через линию задержки (ЛЗ) к выходному усилителю 2 отклоняющих пластин Y. Двухканальный режим коммутатора устанавливается при нажатых переключателях «Y1» и «Y2». Когда нажат только один из переключателей каналов, прибор работает в одноканальном режиме без коммутации. Когда переключатели «Y1» и «Y2» не нажаты, отключены оба канала. Коммутатор также реализует режим суммирования сигналов каналов Y1 и Y2 (переключатель «∑ нажат).

Рисунок 2.13 – Структурная схема осциллографа (1–коммутатор, 2–усилитель, 3–синхронизатор, 5–коммутатор)

Возможность инвертирования сигнала Y1 (переключатель «Y1» нажат) позволяет реализовать режим вычитания сигналов каналов Y1 и Y2.

ЛЗ обеспечивает задержку исследуемого сигнала в ТВО на время 150 нс и предназначена для компенсации “кажущейся” задержки начала формирования развертки, т.е. для возможности наблюдения фронта короткого импульсного сигнала.

Выходной усилитель Y обеспечивает усиление сигналов, поступающих с выхода коммутатора, примерно в 20 раз, что определяется чувствительностью ЭЛТ.

Исследуемые сигналы через переключатель «TRIG Y1|Y2», выбирающий канал-источник внутренней синхронизации, поступают на синхронизатор. Туда же поступает сигнал внешней синхронизации. Выбор необходимого сигнала синхронизации производится переключателем «EXT|INT». В синхронизаторе формируется нормированный по амплитуде и временным параметрам импульс синхронизации, регулируется уровень запуска с помощью ручки «LEVEL», переключается полярность сигнала запуска.

В режиме «X-Y» синхронизатор выполняет роль предварительного усилителя сигналов горизонтального отклонения.

Импульсы синхронизации поступают на схему развертки, которая формирует с их приходом импульсы пилообразного напряжения и импульсы подсветки прямого хода развертки. При отсутствии импульсов синхронизации в режиме «Z» формирование развертки происходит с собственной частотой повторения, определяемой длительностями прямого хода.

Импульсы пилообразного напряжения через соответствующие коммутаторы поступают на выходной усилитель Х, откуда, усиленные до величины, определяемой чувствительностью горизонтальной системы отклонения, поступают на горизонтальные пластины ЭЛТ.

Скорость изменения пилообразного напряжения определяют коэффициенты развертки от 0,02 мкс/деление до 10 мс/деление при отображении сигналов в реальном времени. Она устанавливается с шагом 1- 2- 5 переключателями «TIME|DIV» и «ms|mks».

Назначение органов управления, настройки и подключения приведено в таблице 2.1.

Проведение измерений.

При отображении сигналов в реальном времени ТВО может работать в следующих режимах:

• одноканальный (включен канал Y1 или канал Y2);

• двухканальный (каналы Y1 и Y2 коммутируются поочередно или прерывисто;

• алгебраическое суммирование сигналов каналов Y1 и Y2;

• алгебраическое суммирование сигналов каналов Y1 и Y2;

• инвертирование сигнала канала Y1.

Таблица 2.1 – Назначение органов управления осциллографа С1-130/1

Органы управления, настройки и подключения	Назначение	Исходное положение
Кнопка «POWER ON»	Включение прибора	Не нажата
Ручка « ☼»	Регулировка яркости луча	Крайнее левое
Ручка « хО»	Регулировка фокусировки луча	Среднее
Ручка «↕»	Смещение луча на экране по вертикали	Среднее
Ручка «↔»	Смещение луча на экране по горизонтали	Среднее
Ручка «LEVEL»	Регулировка уровня синхронизации развертки	Среднее
Переключатель «V|DIV»	Установка коэффициентов отклонения каналов Y	«1» и «V»
Переключатель «_~|~»	Переключение открытого или закрытого входа каналов Y	«~»
Гнездо →О Y1	Вход канала Y1	-
Гнездо →О Y2	Вход канала Y2	-
Переключатель «Y1»	Включение инвертирования канала Y1	Не нажат
Переключатель «Y1»	Включение отображения канала Y1	Нажат
Переключатель «Y2»	Включение отображения канала Y2	Нажат

Продолжение таблицы 2.1

Переключатель «∑»	Включение режима суммирования каналов	Не нажат
Органы управления, настройки и подключения	Назначение	Исходное положение
Переключатель «TRIG Y1|Y2»	Переключение канала внутренней синхронизации Y1-Y2	Y1
Переключатель «TIME|DIV»	Установка коэффициентов развертки	«10»
Переключатель «μs|ms»	Включение микросекундного или миллисекундного диапазона коэффициентов развертки	«ms»
Переключатель «Z|Z»	Включение автоколебательного или ждущего режимов развертки	«Z»
Переключатель «EXT|INT»	Переключение источника внутренней и внешней синхронизации	«INT»
Переключатель «TV»	Включение режима телевизионной синхронизации	Не нажат
Переключатель «└┘/┌┐»	Переключение полярности сигнала запуска развертки	-
Гнездо →О TRIG	Вход сигнала внешней синхронизации	-
Клемма «┴»	Дополнительное соединение корпуса прибора с корпусом источника сигнала	-
Переключатель «XY»	Включение режима XY	Не нажат

Для включения одноканального режима нажать переключатель «Y1» (или «Y2») при не нажатом переключателе другого канала. Одноканальный режим может использоваться при исследовании формы и измерении параметров одного сигнала, невзаимосвязанного с другими сигналами.

Для включения двухканального режима нажать оба переключателя «Y1» и «Y2». Двухканальный режим может использоваться при исследовании двух синхронных сигналов. Режим, кроме измерения амплитудных и временных параметров двух сигналов, обеспечивает их сопоставительный анализ по форме или амплитудно-временным параметрам.

Исследуемые сигналы могут подаваться на входы каналов только через кабели, заканчивающиеся вилкой СР-50-74П, либо через выносные делители. Использование непредусмотренных способов подачи сигналов может повлиять на достоверность отображения и результаты измерений. Выносные делители прибора имеют положения «1:1» или «1:10».

Для включения режима алгебраического суммирования сигналов каналов Y1 и Y2 переключатель «» должен быть нажат. Режим может использоваться для наблюдения суммы или разности двух сигналов. Для реализации режима вычитания сигналов, подаваемых на входы каналов Y1 и Y2, включается режим инвертирования сигнала канала Y1 нажатием переключателя «Y1».

При работе прибора, для отображения сигналов в режиме реального времени, развертка прибора может работать в ждущем или автоколебательном режиме. В ждущем режиме формирование развертки происходит только при наличии сигнала синхронизации развертки и установке необходимого условия запуска. В автоколебательном режиме развертка формируется независимо от наличия сигнала синхронизации с собственной частотой повторения, определяемой установленным коэффициентом развертки. Выбранный коэффициент развертки устанавливается переключателями «TIME|DIV» и «s|ms».

Синхронизация развертки прибора в режиме отображения сигналов в реальном времени может осуществляться от источника сигнала внутренней или внешней синхронизации. Для установки режима внутренней синхронизации переключатель EXT|INT установить в положение INT. При этом на вход синхронизации подается сигнал с выхода предусилителя канала Y1 (или Y2). Внутренняя синхронизация предпочтительнее внешней тем, что не требует отдельного сигнала, синхронного с исследуемым.

Для установления режима внешней синхронизации переключатель EXT|INT установить в положение EXT. Сигнал внешней синхронизации подать на вход →О TRIG. Этот режим рекомендуется использовать при наличии внешнего сигнала, синхронного с исследуемым. Режим может использоваться для синхронизации развертки от сети питания. При всех режимах установка необходимого уровня запуска и стабильности синхронизации производится ручкой LEVEL.

В режиме отображения сигналов реального времени может реализовываться режим «X-Y». Для его включения переключатель «XY» должен быть нажат. Сигналы горизонтального и вертикального отклонений подаются на входы Y1, Y2, переключатель EXT|INT устанавливается в положение INT (нажатое), переключатель «Y1|Y2» установить в положение, соответствующее каналу, на вход которого подан сигнал Х. Коэффициенты отклонения по вертикали и горизонтали устанавливаются переключателями коэффициентов отклонения каналов Y1 и Y2.

Измерение временных параметров сигнала производится следующим образом:

-переключателями TIME|DIV, μs|ms выбрать коэффициент развертки таким, чтобы изображение измеряемого временного интервала имело максимальный размер в пределах экрана ЭЛТ;

-определить длину измеряемого участка по шкале ЭЛТ;

-рассчитать величину измеряемого временного интервала, умножив длину измеренного участка (в больших делениях) на значение установленного коэффициента развертки.

Измерение амплитудных параметров сигнала проводится следующим образом:

-переключателями V|DIV установить коэффициент отклонения таким, чтобы изображение измеряемого участка сигнала имело максимальный размер в пределах рабочей части экрана ЭЛТ;

-определить длину измеряемого участка по шкале ЭЛТ;

-рассчитать амплитуду измеряемого участка сигнала, умножив длину измеренного участка (в больших делениях) на значение установленного коэффициента отклонения. При работе с выносным делителем, включенным в положение «1:10», установленный коэффициент отклонения необходимо увеличить в 10 раз.