2.1.9. Измерение параметров сигналов электронно-лучевыми и светолучевыми осциллографами

(смотри [3] Евтихиев Н.Н.и др.Измер.эл.и неэл.величин с.83-91.)

Осциллографом называется прибор, предназначенный для наблюдения, регистрации и измерения параметров исследуемого сигна­ла, как правило, напряжения, зависящего от времени.

Осциллограф может также использоваться для исследования неэлектрических процессов при условии, что последние преобразуются в электрические сигналы.

Имеется два основных класса осциллографов: светолучевые, предназначенные для наблюдения медленных процессов, и электронно-лучевые, способные отображать как медленные, так и быстропротекающие процессы.

Светолучевые осциллографы используют электромеханическое отклонение светового луча под действием исследуемого напряжения и запись на фотопленку.

Электронно-лучевые осциллографы строятся на основе электронно­лучевых трубок. Отклонение электронного луча осуществляется непосредственно электрическим сигналом и является практически безынерционным. Исследуемый процесс отображается на люминесцент­ном экране и может быть зарегистрирован фотографическими сред­ствами.

Электронно-лучевые осциллографы

Основным узлом электронно­лучевого осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой стеклянную вакуумированную колбу, внутри которой имеются источник электронов, система формирования узкого электронного луча, отклоняющие пластины и люминесцентный экран (рис. 2.45). Источником электронов является оксидный катод 1 с подогревателем 2. Число электронов, из которых затем формируется узкий электронный пучок, зависит от напряжения между катодом 1 и модулятором 3, При изменении этого напряжения меняется интенсив­ность электронного пучка, выходящего за пределы модулятора. Даль­нейшее формирование пучка происходит под воздействием напряжений, приложенных к двум анодам 4, один из которых является ускоряющим, а другой - фокусирующим. Часть ЭЛТ, включающая в себя катод, мо­дулятор и два анода, называется электронной пушкой. Назначение электронной пушки - сформировать узкий электронный пучок (луч) необходимой интенсивности. Этот пучок затем проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих 5 и горизонтально отклоняющих 6, а затем попадает на люминесцентный экран 7 ЭЛТ, образуя на нем яркое пятно. Если к отклоняющим пластинам приложить электрическое напряжение, то между ними будет существовать электрическое поле, которое приведет к горизонтальному (вдоль оси X) или вертикальному (вдоль оси Y) отклонению электронного луча. Это отклонение прямо пропорционально напряжению, приложенному к пластинам: ; , где - отклонения вдоль осей X и Y; - чувстви­тельности трубки, мм/В; - напряжения на пластинах X и Y соот­ветственно. Чувствительности и зависят от конструктивных особенностей трубки и напряжения на ускоряющем аноде трубки. Основной функцией осциллографа является отображение формы исследуемого напряжения на экране. Требуемое отображение достигается перемеще­нием электронного луча в вертикальном и горизонтальном направлениях. Перемещение по вертикали происходит под влиянием исследуе­мого напряжения, приложенного к пластинам Y, а по горизонтали - приложенного к пластинам X напряжения пилообразной формы, назы­ваемого напряжением развертки. Последнее вырабатывается специаль­ным генератором развертки. Рассмотрим сначала случай, когда на­пряжение на вертикально отклоняющих пластинах Y равно нулю, т.е. , а на горизонтально отклоняющих пластинах X имеется пилооб­разное напряжение (рис. 2.46). Тогда перемещение электронного луча будет приводить к перемещению пятна на экране от точки А к точке В за время , и обратное перемещение за время . Таким образом, за время , называемое периодом развертки, луч осуще­ствит свой прямой и обратный ход. Пилообразное напряжение формируется так, чтобы » , т.е. .

Из-за большой скорости и специального гашения запирающим напря­жением обратный ход луча обычно не просматривается. Ввиду того, что во время прямого хода луча скорость пятна на экране постоянна, ось X можно отождествить с осью времени t.

Если одновременно к вертикально отклоняющим пластинам Y при­ложить исследуемое напряжение, то положение луча в каждый момент времени будет однозначно соответствовать значению этого напряже­ния. На рис. 2.47 показано, как образуется изображение на экране ЭЛТ. Исследуемое напряжение с амплитудой и периодом подается на пластины Y, напряжение развертки с амплитудой и периодом - на пластины X. Если , то каждому периоду развертки будет соответствовать период исследуемого напряжения, и изображение на эк­ране не будет изменяться со временем, оставаясь неподвижным. Это изображение можно построить по точкам, отмечая значения напряжений развертки и сигнала в заданные моменты времени и перенося их на экран. На рис. 2.47 это сделано для моментов времени Пятно на экране в эти моменты будет занимать положения 0, 1, 2, 3 и 4 соответственно. Полученное таким образом изображение (или его за­пись), показывающее, как изменяется исследуемое напряжение от вре­мени, называется осциллограммой. Имея осциллограмму, можно опре­делить многие параметры сигнала: амплитуду, частоту, период и др. На практике напряжение развертки в течение прямого хода растет со временем не строго линейно. Это приводит к неравномерности масштаба по оси X, т.е. по временной оси. При этих условиях измерение времен­ных интервалов будет сопровождаться ошибками. Поэтому нелиней­ность развертки нормируется и указывается в паспорте осциллографа наряду с другими нормируемыми параметрами.

Выше отмечалось, что при равенстве периодов развертки и иссле­дуемого напряжения изображение на экране неподвижно. Оно будет неподвижным и в более общем случае , где п - целое число. При этом на осциллограмме представляется п периодов иссле­дуемого напряжения. Если же периоды не кратны друг другу, т.е. п не равно целому числу, то кривые, прочерчиваемые электронным лучом на экране в течение каждого периода напряжения развертки, не будут повторять друг друга. Возникнет эффект бегущего изображения или же экран будет заполнен целым семейством сдвинутых относительно друг друга кривых. Выполнение условия достигается при помощи синхронизации. Генератору, вырабатывающему напряжение развертки, принудительно навязывается частота синхронизирующего сигнала, равная или кратная частоте исследуемого напряжения. Режим синхронизации может быть внутренним или внешним. В первом слу­чае синхронизирующим является сам исследуемый сигнал, поступающий на генератор развертки, во втором - внешний сигнал, который подается на вход "Внешняя синхронизация" на панели осциллографа.

Генератор развертки работает в двух основных режимах: непре­рывном и ждущем. При непрерывной развертке каждый последую­щий цикл пилообразного напряжения непрерывно следует за предыду­щим. Непрерывная развертка удобна, когда исследуется непрерывный периодический процесс или периодическая последовательность импуль­сов с небольшой скважностью. Если скважность велика, то длительность импульса составляет лишь малую часть периода следования и осцилло­грамма будет иметь вид вертикальной линии, наблюдение которой не дает информации о форме импульса. Для изучения импульсных после­довательностей большой скважности и непериодических импульсов ис­пользуется ждущая развертка, при которой напряжение развертки подается на горизонтально отклоняющие пластины лишь тогда, когда исследуемый импульс поступает на вход вертикально отклоняющих пластин. Длительность прямого хода развертки обычно выбирается не­много больше длительности импульса для того, чтобы он помещался на экране осциллографа и занимал большую его часть.

В некоторых случаях вместо линейной развертки используют кру­говую или спиральную. Увеличение длины развертки позволяет по­высить точность измерения интервалов времени. Чтобы получить кру­говую траекторию электронного луча, на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины подаются синусоидальные напряжения одной и той же частоты и амплитуды, сдвинутые между собой по фазе на . Чтобы развертка была не круговой, а спиральной, амплитуды напряже­ния на пластинах должны линейно уменьшаться от до за время, равное длительности развертки. Исследуемый сигнал подается на модулятор, который управляет яркостью свечения пятна на экране.