24. Принцип получения изображения на экране электронного осциллографа. Определение развертки.
Осциллограф-это измерительный прибор, предназначенный для наблюдения формы электрических сигналов и измерения их параметров( частоты, амплитуду, период, длительность импульса), временной зависимости.
Требования, предъявляемые к ЭО:
ЭО состоит из: электролучевой трубки, трёхэлектрических каналов(x,y,z), блока питания, а так же измерительных токов(калибратор амплитуды и видимости).
Принцип получения изображения на экране ЭО:
Основным элементом ЭО является ЭЛТ с электростатическим управлением луча, управляемым электрическим постоянным полем, которое предназначено для отображения формы исследуемого сигнала и представляет собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой размещается электронная пушка.
Отклоняющие пластины X и Y и алюмосцентный экран, покрытый люминофором, который обладает способностью крепится под воздействием ударяющихся в него электронов .
Электронная пушка: состоит из катода, модулятора яркости светового сигнала
А1- факусирующий, а2-ускоряющий, а3-основной.
Эл пушка предназначена для формирования узкого электронного луча.
При поподании которого на экран возникает светящиеся пятно.
Яркость свечения люминофора ЭЛТ регулируется путём изменения напряжения на модуляторе. Напряжение на аноде А1 фокусирует поток электронов в узкий луч.
На А2 подаётся напряжение до 2 кВ, для того чтобы сообщить электронам скорость необходимую для свечения люминофора.
На А3 подаётся напряжение до 10-15 кВ, что используется для дополнительного ускорения электронов.
Электронный луч проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических откланяющих пластин X и Y . Если напряжение приложено к пластинам Y , то м/у ними будет существовать электрическое поле, которое вызывает отклонение электронного луча по оси Y.
Если напряжение приложено к пластинам X, то луч будет отклоняться по горизонтали.
Если фокусировать электронный луч таким образом, чтобы световое пятно расположилось в центре экрана ЭЛТ, к пластинам Y необходимо приложить исследуемый сигнал,а к пластинам X- напряжение развёртки, то под действием этих напряжений луч вычертит на экране ЭЛТ осциллограмму, отображающую зависимость исследуемого напряжения от времени.
Развёртка- это линия,которую вычерчивает луч на экране ЭЛТ при отсутствии исследуемого сигнала.
25. Назначение канала «y» электронного осциллографа. Состав и назначение блоков канала «y».
Канал вертикального отклонения луча служит для передачи на пластины Y исследуемого сигнала, а также для преобразования мгновенного напряжения измеряемого сигнала в соответствующее отклонение светового пятна по оси Y экрана ЭЛТ. Он состоит из входного устройства (ВУ), усилителя (Ус. ВО) и вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ (Y).
Входное устройство (ВУ) обеспечивает необходимое входное сопротивление (порядка 1 МОм), подключение входного сигнала и расширение динамического диапазона измеряемых напряжений в область больших значений.
В состав входного устройства входит делитель напряжения (аттенюатор), который позволяет ослабить исследуемый сигнал в определенное число раз.
Усилитель канала вертикального отклонения (Ус. ВО) служит для предварительного усиления малых по величине сигналов для удобства их наблюдения. Усилитель должен обеспечивать требуемый коэффициент усиления при заданной полосе частот, минимальные амплитудные и фазовые искажения и симметричное выходное напряжение.
Вертикально отклоняющие пластины (Y) предназначены для отклонения электронного луча в вертикальном направлении.
Формирование изображения на экране осциллографа
Рассмотрим теперь взаимодействие узлов осциллографа при подаче на его вход исследуемого напряжения U . Пусть исследуемое переменное напряжение UY (например, напряжение осветительной сети с частотой 50 Гц) подается на вход Y к вертикально отклоняющим пластинам трубки. Оно может быть подведено к этим пластинам непосредственно или через усилитель вертикального отклонения луча. Усилителями пользуются в тех случаях, когда исследуемое напряжение мало и оно не обеспечивает необходимого отклонения луча (светящегося пятна) на экране трубки. При достаточной величине исследуемого напряжения его подводят непосредственно к отклоняющим пластинам. Если при этом к горизонтально отклоняющим пластинам (X — пластинам) напряжение не подведено, то световое пятно за один период колебания от центра экрана отклонится сначала вверх на величину, соответствующую амплитуде U0, а затем пятно начнет двигаться обратно, пройдя через центр экрана, дойдет до нижней точки и снова возвратится к центру. Поскольку частота колебаний рассматриваемого напряжения равна 50 Гц, то за одну секунду световое пятно совершит 50 полных движений и благодаря инерции светового восприятия изобразится на экране в виде сплошной вертикальной линии (рис. 36.2, а).
Длина этой линии в определенном масштабе, зависящем от чувствительности трубки, равна удвоенной амплитуде приложенного переменного напряжения. Очевидно, что аналогичная ситуация будет иметь место, если переменное напряжение подвести только к горизонтально отклоняющим пластинам X , при этом будет наблюдаться горизонтальная линия (рис. 36.2, б). Если одновременно к пластинам Y и X подвести два переменных напряжения одной и той же амплитуды, частоты и фазы, то перемещение луча будет вызвано одновременным воздействием двух сил, направленных в двух взаимно
Рис. 36.2
перпендикулярных направлениях. Таким образом, в каждый момент времени луч находится в точке экрана, соответствующей векторной сумме двух напряжений UX и UY . В итоге, как это видно из рис. 36.2, в, световое пятно будет двигаться по прямой линии под углом 45 0 к осям X и Y. Угол наклона зависит от соотношения амплитуд UX и UY . Если же при равных амплитудах и частотах изменять фазовый сдвиг φ между UX и UY , то на экране сформируется эллипс, вырождающийся в прямую линию при φ = 0, π, а при φ= π/2 — в окружность (рис. 36.2,г,д). При неравных но кратных между собой частотах напряжений UX и UY на экране луч описывает более сложные фигуры – так называемые фигуры Лиссажу. Например, при соотношении частот 1:2 и различных фазовых соотношения наблюдается ряд фигур, изображенных на рис. 36.2, е. Фигура Лиссажу неподвижна лишь при строго кратных соотношениях частот FX и FY , в противном случае фигура начинает совершать периодическое движение с частотой, равной разности частот /FX — FY/ = ΔF . Например, при ΔF =0,1 Гц, полный период движения фигуры составляет 10 с, что легко может быть определено визуально и даже измерено секундомером. Таким образом, с помощью фигур Лиссажу, имея в своем распоряжении источник образцовой (эталонной) частоты, можно с высокой степенью точности измерять неизвестные частоты и оценивать их стабильность.
Рассмотрим теперь, каким образом на экране осциллографа можно наблюдать саму форму кривой изменения исследуемого напряжения, т.е. получить на экране график зависимости исследуемой периодической функции от времени. При этом очевидно, что ось ординат получается непосредственно, если используемое напряжение UY приложить к вертикально отклоняющим пластинам Y.
Для обеспечения же временного масштаба, т.е. развертки по оси X , необходимо отдельно сформировать такое напряжение, которое бы вызвало движение луча по экрану в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. Такое движение может быть обеспечено линейно-растущим напряжением (рис. 36.3,а, участок ОА). При этом луч равномерно движется по экрану от его левого края (исходное напряжение в точке О меньше нулевого уровня, соответствующего положению луча в центре экрана) до правого (напряжение в точке А), после чего должен быть возвращен по возможности быстро в исходное положение, т.е. напряжение должно быть скачком уменьшено до исходного уровня U0 (участок АО ‘ , рис. 36.3, а). Участок ОА называется прямым ходом развертки, а скачкообразное уменьшение – участок АО ‘ – обратным ходом развертки, так как луч возвращается в исходное состояние. Будем полагать, что начало прямого хода развертки совпадает с нулевой точкой нашего исследуемого синусоидального напряжения (рис. 36.3, б).
Тогда при удачном выборе длительности прямого хода развертки к моменту окончания ее обратного хода луч может попасть точно в ту же точку 0, с которой началось его первое движение при прямом ходе развертки. В этом случае при периодическом повторении развертки луч проходит все время по своему следу, тем самым формируя на экране неподвижное изображение одного периода синусоиды (рис. 36.3, в). Правда, небольшой ее отрезок в конце (участок АО ‘ , рис. 36.3, в) попадает на обратный ход развертки, что несколько нарушает полную картину – на экране прочерчивается линия АО, соответствующая обратному ходу развертки. Однако в схеме осциллографа обычно предусмотрено устройство, вырабатывающее на время обратного хода отрицательное напряжение (импульсы отрицательной полярности на рис. 36.3, г), запирающие электронно-лучевую трубку, так что в эти моменты времени электронный луч отсутствует, и линия обратного хода не высвечивается.
Следовательно, период развертывающего напряжения (UР) должен быть выбран таким, чтобы за это время уложился целый период или несколько периодов N исследуемого напряжения UY , т.е. частота UY должна быть кратна частоте напряжения развертки. Если N не целое число, то каждому началу развертки соответствует другая фаза исследуемого напряжения и, следовательно, изображение перемещается в ту или другую сторону по экрану. Это перемещение будет тем медленнее, чем ближе N к целому числу. При N
Следует отметить, что вследствие неизбежных нестабильностей частоты как генератора развертки, так и исследуемого сигнала практически бывает трудно добиться стабильной картины на экране осциллографа при указанных выше условиях. Поэтому в осциллографе, как правило, применяется принудительная синхронизация генератора развертки. Для этой цели служит переключатель синхронизации. При его включении к генератору развертки подается напряжение исследуемого сигнала, под воздействием которого пилообразное напряжение (UС) вырабатывается синхронно с исследуемым, даже если их частоты развертки немного не совпадают, например, вследствие неточной установки частоты развертки или ее нестабильности.
Если исследуемое напряжение синхронизовано напряжением питающей сети 50 Гц или напряжением другой частоты от какого-либо внешнего генератора, то возможна синхронизация частоты развертки генератора от питающей сети или от внешнего генератора. Таким образом, можно подбирать наиболее выгодный по устойчивости источник синхронизации.
Питание ламп усилителей и генератора развертки, а также электронно-лучевой трубки осуществляется от выпрямителей, составляющих блок питания осциллографа.
Назначение универсального импульсного осциллографа С1-54
Универсальный импульсный осциллограф С1-54 предназначен для исследования импульсных и периодических процессов в лабораторных условиях. Прибор позволяет наблюдать и измерять непрерывные и импульсные электрические колебания в диапазоне амплитуд от 0,01 до 500 В. Диапазон импульсных сигналов от 200 Гц до 500 кГц и выше; длительность сигналов от 0,05 мкс до 5 с.
Инструкция по эксплуатации осциллографа
Назначение органов управления. На лицевой панели прибора (рис. 36.4) расположены следующие средства управления. Регуляторы яркости 1, фокуса 2 и астигматизма 6 служат для установки необходимой яркости и четкости изображения. Регулятор освещения шкалы 7. Регуляторы 3 и 4 служат для перемещения изображения по вертикали и горизонтали. Горизонтальная регулировка имеет два регулятора: большего диаметра служит для грубой установки луча, а меньшего – для точной. Плавная регулировка чувствительности усилителя вертикального отклонения 5 служит для точной установки калиброванной чувствительности в соответствии со шкалой переключателя 14. Шлиц 10 служит для балансирования усилителя вертикального отклонения “ Y “. Сдвоенные регуляторы чувствительности 14: больший — для переключения диапазонов и меньший – переключения полосы усилителя. Большой регулятор имеет девять положений, которые служат для установки нужной чувствительности усилителя в соответствии с указанными на лицевой панели значениями. Одновременно с переключением диапазонов чувствительности рукоятка переключает и напряжение калибратора амплитуды. Движковый тумблер 20 служит для переключения входа усилителя “ Y “. В левом положении включается открытый вход, а в
правом – закрытый. Коаксиальное гнездо 21 — вход усилителя “ Y “. Регулятор 22, выключатель над ним усилителя и коаксиальное гнездо входа 23 принадлежит усилителю сигнала, модулирующего яркость луча. Минимальное усиление сигнала получается в среднем положении регулятора 22, а максимальное — в крайних положениях. Два неоновых индикатора прямо под электронной трубкой с надписью “ луч “ служат для определения местонахождения луча по горизонтали для облегчения вывода луча в центр экрана. Клавиша 12 с надписью “ сеть “ служит для включения и выключения питания прибора. В рабочем положении клавиша освещается.
Переключатель 17 устанавливает вид запуска или синхронизации в восьми положениях. Для внутренней синхронизации служат три положения “ от сети “ — для синхронизации сигналов с частотой сети; “= “ для синхронизации низких частот от 0 до 500 Гц, а также процессов, связанных с изменением постоянной составляющей; “ ~ “ для синхронизации в диапазоне частот от 20 Гц до 3 МГц.
Четвертое положение “ калибр.“. В этом положении работает внутренняя синхронизация “ ~ “ и одновременно подается напряжение питания на движковый тумблер “ калибратор “ 15. Если этот тумблер находится в верхнем положении “100 кГц “, то включен кварцевый генератор 100 кГц для калибровки длительности развертки.
Сигнал снимается с верхнего гнезда 11, расположенного над тумблером. В нижнем положении тумблера включен калибратор амплитуды для калибровки чувствительности усилителя “ Y “ 16. При калибровки на широкой полосе усилителя сигнал снимается с верхнего гнезда “1:1 “, на узкой – с нижнего гнезда “ 1:10 “.
Далее следуют три положения для внешней синхронизации:
“= “ для синхронизации в полосе частот от 0 до 5МГц;
“ ~ “ для синхронизации сигналов от 5 Гц до 5 МГц напряжением до 160 В;
“вч“ для синхронизации высокочастотных периодических сигналов в диапазоне частот от 5 до 40 МГц.
Восьмое положение “ Ус.X “ включает при соответствующем положении рукоятки “ множитель“ 13 усилитель горизонтального отклонения луча. Регулятор длительности развертки 19: крайнее правое положение его фиксировано и обозначено “калибр“. В этом положении длительность развертки калибрована и соответствует установленным значениям регулятора 9 на лицевой панели. Малая рукоятка 19 “Режим запуска“ регулирует чувствительность запуска генератора развертки, устанавливая последовательно (при вращении слева направо) сначала ждущий режим, переходящий затем в автоколебательный.
Движковый тумблер 26 включает делитель напряжения сигнала, поданного на входное гнездо 27 синхронизации и усилителя “ X “ в отношении 1:10 или 1:1.
Регулятор 25 регулирует уровень напряжения сигнала запуска, при котором происходит срабатывание генератора развертки и начинается рабочий ход луча по горизонтали. При включении усилителя “ X “ эта рукоятка регулирует его усиление. В крайнем левом положении этой рукоятки усиление “ X “ минимально, но линейность амплитудной характеристики при этом будет максимальной.
Гнездо 8 “ выход “ служит для выхода подсветного импульса генератора развертки для синхронизации электронных коммутаторов.
Движковый тумблер 18 в верхнем положении включает однократный режим запуска развертки. Кнопка “ готов “ под тумблером 18 служит для подготовки развертки к однократному запуску. Сдвоенный движковый тумблер 24 служит для переключения полярности сигнала.
1.1 Рассмотрим принцип формирования видимого изображения на экране осциллографа.
1. Если к отклоняющим пластинам (ОП) не прикладывать напряжения, то электронный луч будет падать в центральную точку экрана 1 (на рис. 2).
2. Если подвести сигнал к Y-пластинам, например, синусоидальное напряжение, а вторую пару (X-пластины) оставить без потенциалов, то на экране будем видеть вертикальную линию 2, длина которой будет зависеть от величины приложенного напряжения (рис. 2).
3. Подадим синусоидальное напряжение к X-пластинам, а Y-пластины оставим свободными, без потенциалов. В этом случае на экране будет отображаться горизонтальная линия 3 (рис. 2). Длина линии определяется амплитудой сигнала.
4. Если подать одновременно две синусоиды на Х- и Y-пластины, то на экране будем видеть линию под углом 45°, при условии, что фазовый сдвиг между синусоидами отсутствует (рис. 3).
5. Если на обе пары ОП подать противофазные напряжения, то на экране электронный луч сформирует линию, проходящую через центр экрана по углом минус 45о (рис. 4).
6. При подаче на пластины синусоидальных сигналов, сдвинутых на π/2, в центре на экране отобразится окружность (рис. 5).
1.2 Примечание: почему мы видим линии на экране?
Если бы глаз человека был совершенным, т.е. обладал бы бесконечно большой скоростью восприятия информации, то человек видел бы перемещение точки по экрану. Поскольку глаз является инерционным органом, человек видит на экране светящуюся линию при достаточно большой частоте входного сигнала. Если частоту входного сигнала сделать маленькой ≈ 1 Гц, то глаз будет видеть перемещение светящейся точки.
Изображение, полученное на экране осциллографа под действием двух синусоидальных сигналов, поступающих на пластины горизонтального и вертикального отклонения одновременно, называется. По виду данной фигуры можно определить фазовый сдвиг между двумя синусоидальными сигналами с одинаковой частотой. В общем случае фигура, получаемая на экране осциллографа, представляет собой эллипс (рис. 6). Фазовый сдвиг, в градусах, рассчитывается по формуле:
если размеры синусоид на экране одинаковы.
Измерение разности фаз методом фигур Лиссажу можно производить только с помощью двухканального осциллографа, работающего в специфическом режиме X-Y.
Режим X-Y позволяет получить зависимость между двумя величинами в декартовой системе координат на экране осциллографа. Например, данный режим позволяет получать на экране осциллографа вольт-амперные характеристики диода, стабилитрона, петли гистерезиса магнитных материалов и др. Режим X-Y является специфическим и используется A B 7 достаточно редко. В обычном режиме, называемом классическим, исследуемый сигнал подается на ВОП, а на ГОП – линейноменяющееся напряжение (рис. 7), называемое напряжением развертки (развертка), вырабатываемое генератором развертки (генератор пилы).
Если на пластины горизонтального отклонения подавать только напряжение развертки, то на экране будет наблюдаться горизонтальная светящаяся линия развертки. За время прямого хода светящаяся точка перемещается с постоянной скоростью из крайнего левого положения в крайнее правое. За время обратного хода практически равного нулю, светящаяся точка практически мгновенно возвращается в крайнее левое положение.
В простейшем случае изображение на экране будет неподвижно только когда период исследуемого сигнала равен, либо кратен, в меньшую сторону, периоду напряжения развертки. Для получения устойчивого изображения исследуемого сигнала в осциллографе осуществляется синхронизация напряжения развертки с исследуемым сигналом. БС вырабатывает импульсы, запускающие ГР синхронно с изменением исследуемого сигнала. На рис. 8 приведены диаграммы напряжений на отклоняющих пластинах для входного синусоидального сигнала. БС запускает ГР, когда напряжение на входе достигает уровня запускающего напряжения Uзап на каждом периоде синусоиды. На экране ЭЛТ отображается только часть исследуемого сигнала, в течение которой действует напряжение развертки.
Различают два вида синхронизации внутренняя и внешняя. При внутренней синхронизации (переключатель П2 – в положении «Внутр.») запуск ГР осуществляется непосредственно самим входным сигналом. В режиме внешней синхронизации (переключатель П2 – в положении «Внеш.») ГР запускается внешним сигналом, поступающим на вход внешней синхронизации. Очевидно, что если нет внешнего сигнала, то нет и развертки.
Существует два режима работы генератора развертки ждущий и автоколебательный (автоматический). В ждущем режиме схема синхронизации блока синхронизации производит отбор поступающих сигналов по величине и полярности (критерии задаются внешними органами управления). Если эти параметры соответствуют требуемым, блок БС вырабатывает импульсы, запускающие ГР синхронно с входными сигналами, и на экране ЭЛТ формируется соответствующее изображение. При несоответствии параметров сигналов ГР не запускается, следовательно, изображение на экране отсутствует.
В автоколебательном режиме БС и ГР работают аналогично ждущему режиму. Если входные сигналы не соответствуют требованиям или вовсе отсутствуют на входе осциллографа, ГР работает с частотой приблизительно равной 100 Гц. Таким образом, в этом случае синхронизация отсутствует, поэтому в данном режиме на экране наблюдаются «нечеткие» («бегущие») осциллограммы.
Как формируется изображение сигнала на экране осциллографа
Заключается в следующем: исследуемый сигнал U=f(x). Для изображения графика этого сигнала необходимо построить координатные оси и задаться данными напряжения и времени. В осциллографах роль координатных осей играют пластины X и Y. Исследуемый сигнал подается на пластины, Y, которые отклоняют луч вертикально. Если при этом на пластины X сигнал не подается, на экране осциллографа будет вертикальная линия.
Для получения полного изображения исследуемого сигнала нам не хватает оси X — оси времени. В осциллографах, роль оси времени играет напряжение развертки, которая вырабатывается генератором развертки. Это напряжение изменяется пропорционально времени, подается на пластины X и «разворачивает» изображение на экране.
Если на пластины X подано напряжение развертки, а исследуемый сигнал на пластины Y не подается, на экране будет горизонтальная линия развертки, что говорит о нормальной работе осциллографа.
Для получения полного изображения исследуемого сигнала на экране осциллографа необходимо на пластины Y подать исследуемый сигнал, на пластины X — напряжение развертки.