Слово "осциллограф" образовано от “осциллум” - колебания и “графо”-пишу. Отсюда и назначение этого измерительного прибора - отображать на экране кривые тока или напряжения как функции времени.
Основная деталь электронного осциллографа - электронно-лучевая трубка (рис. 1.), напоминающая по форме телевизионный кинескоп. Экран трубки покрыт изнутри люминофором - веществом, способным светиться под ударами электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают.
Рисунок 1
Испускаются электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала) и катода. Между “пушкой” и экраном размещены модулятор - регулирующий поток летящих к экрану электронов, двух анодов - создающих нужное ускорение пучку электронов и его фокусировку, и двух пар пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной (X) и вертикальной (Y) осям.
Экран электронно-лучевой трубки будет светиться лишь при подаче на ее электроды определенных напряжений. На нить накала обычно подают переменное напряжение, на управляющий электрод (модулятор) постоянное, отрицательной полярности по отношению к катоду на аноды - положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону, относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины, а также ”рисующей” на экране форму исследуемых колебаний.
Чтобы представить, как же получается на экране изображение колебаний, изобразим условно экран трубки в виде окружности (хотя у трубки он может быть и прямоугольный) и поместим внутри нее отклоняющие пластины (рис.2).
Рисунок 2
Если подвести к горизонтальным пластинам Х1 и Х2 пилообразное напряжение, на экране появится светящаяся горизонтальная линия - ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения (рис. 2а).
Если теперь одновременно с пилообразным напряжением, поданным на пластины Х1 и Х2, подать на другую пару пластин (вертикальных - Y1 Y2), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности “изогнется” по форме колебаний и “нарисует” на экране изображение (рис. 2,б).
В случае равенства периодов синусоидального и пилообразного колебаний, на экране будет изображение одной “синусоиды”. При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в периоде колебаний пилообразного напряжения развертки. В осциллографе есть регулировка частоты развертки, с помощью которой добиваются нужного числа наблюдаемых на экране колебаний исследуемого сигнала.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОСЦИЛЛОГРАФА.
На рисунке 3 изображена структурная схема осциллографа. На сегодняшний день существует большое число различных по конструкции и назначению осциллографов. По-разному выглядят их лицевые панели (панели управления), несколько отличаются названия ручек управления и переключатели. Но в любом осциллографе существует минимально необходимый набор узлов, без которых он не может работать. Рассмотрим назначение этих основных узлов.
Блок питания
Блок питания обеспечивает энергией работу всех узлов электронного осциллографа. На вход блока питания поступает переменное напряжение от электросети, как правило, величиной 220 В. В нем оно преобразуется в напряжения разной величины: переменное 6,3 В для питания нити накала электронно-лучевой трубки, постоянное напряжение 12…24 В для питания усилителей и генератора, если они полупроводниковые, около 150 В для питания оконечных усилителей горизонтального и вертикального отклонения луча, несколько сотен вольт для фокусировки электронного луча и несколько тысяч вольт для ускорения электронного пучка.
Из блока питания кроме выключателя питания (5), выведены на переднюю панель осциллографа регуляторы: “ФОКУСИРОВКА” (6) и “ЯРКОСТЬ” (7).При вращении этих ручек изменяются напряжения, подаваемые на первый анод и модулятор. При изменении напряжения на первом аноде, меняется конфигурация электростатического поля, что приводит к изменению ширины электронного луча. Модулятор в электронно-лучевой трубке выполняет роль управляющей сетки в ламповом триоде. При изменении напряжения на модуляторе изменяется ток электронного луча (изменяется кинетическая энергия электронов), что приводит к изменению яркости свечения люминофора экрана.
Рисунок 3
Генератор развертки
Генератор развертки выдает пилообразное напряжение, частоту которого можно изменять грубо (ступенями) переключателем (9) и плавно - регулятором (8). На лицевой панели осциллографа они называются “ЧАСТОТА ГРУБО” (или “ДЛИТЕЛЬНОСТЬ РАЗВЕРТКИ”) и “ЧАСТОТА ПЛАВНО”. Диапазон частот генератора весьма широк - от единиц герц до единиц мегагерц. Правда, около переключателя диапазонов проставлены значения длительности (продолжительности) пилообразных колебаний, а не их частоты (в некоторых осциллографах проставлены именно частоты).
Нужно уметь находить по длительности частоту, и наоборот. Делают это по формулам: f=1/T и T=1/f, где f - частота колебаний, а T - длительность (или период) одного колебания. Если частота выражена в герцах, то длительность получается в секундах, частота – в килогерцах (1 кГц = 1000 Гц), длительность - в миллисекундах (1 мс = 0,001 c); частота - в мегагерцах (1 МГц = 106 Гц), длительность - в микросекундах (1 мкс = 10-6 с).
К примеру, длительности 50 мс соответствует частота 1/0,05 с = 20 Гц, а длительности 0,1 мкс - частота 1/10-7 с = 107 Гц = 10 МГц. Эти значения приведены по отношению к одному делению масштабной сетки - она прикреплена к экрану осциллографа.
Подобный подсчет справедлив для синусоидальных колебаний или импульсных сигналов при равных длительностях импульса и паузы (см.рис. 4). Если же длительность импульсов и пауз между ними различна, в формулу следует подставлять значение периода следования импульсов (период выражают теми же единицами, что и длительность).
Рисунок 4
Усилитель канала горизонтального отклонения
С генератора развертки сигнал подается на усилитель канала горизонтального отклонения (канала X). Этот усилитель необходим для получения такой амплитуды пилообразного напряжения, при которой электронный луч отклоняется на весь экран. В усилителе расположены регулятор длины линии развертки (иначе говоря, регулятор амплитуды выходного пилообразного напряжения) (12) (на передней панели осциллографа он называется “УСИЛЕНИЕ X“ или “ АМПЛИТУДА X”) и регулятор смещения лини развертки по горизонтали (13) (обозначен значком).
Усилитель канала вертикального отклонения
Канал вертикальной развертки состоит из входного аттенюатора (делителя входного сигнала) и двух усилителей - предварительного и оконечного.
Аттенюатор позволяет выбирать нужную высоту рассматриваемого изображения в зависимости от амплитуды исследуемых колебаний. С помощью переключателя входного аттенюатора (4), амплитуду сигнала можно уменьшить в 10 или 100 раз. (Около переключателя стоят надписи: 1:1 - в этом случае входной сигнал не ослабляется; 1:10 и 1:100 - в этих случаях ослабление соответственно в 10 и 100 раз). Более плавные изменения уровня сигнала, а значит и размера изображения на экране, получают с помощью регулятора чувствительности оконечного усилителя канала Y (10). В оконечном усилителе этого канала, как и канала горизонтального отклонения, есть регулировка смещения луча (11), а значит, и изображения, по вертикали.
Кроме того, на входе канала вертикального отклонения стоит переключатель (1), с помощью которого можно либо подавать на усилитель (естственно, через аттенюатор) постоянную составляющую исследуемого сигнала, либо избавляться от нее включением разделительного конденсатора. Это в свою очередь, позволяет пользоваться осциллографом как вольтметром постоянного тока, способным измерять постоянные напряжения. Причем входное сопротивление “вольтметра” достаточно высокое - более 1 МОм.
Некоторые другие регулировки
Кроме переключателя (9) и регулятора (8) длительности развертки у генератора развертки есть еще один переключатель - переключатель режима работы развертки. Он также выведен на переднюю панель осциллографа (на структурной схеме он не указан). Генератор разверток может работать в двух режимах: в автоматическом - генерирует пилообразное напряжений заданной длительности и в ждущем режиме - “ожидает” прихода входного сигнала, и с его появлением запускается. Этот режим необходим при исследовании сигналов появляющихся случайно, либо при исследовании параметров импульса, когда его передний фронт должен быть в начале развертки. В автоматическом режиме работы случайный сигнал может появиться в любом месте развертки, что усложняет его наблюдение. Удобства ждущего режима вы сможете оценить во время импульсных измерений.
Переключатель (9) спаренный (рис. 3). Во всех положениях верхней (по чертежу) секции переключателя, кроме крайнего левого, генератор вырабатывает пилообразное напряжение различной длительности. В крайнем же левом положении генератор разверток отключается, а нижняя секция переключателя (9) подключает оконечный усилитель канала горизонтального отклонения к гнездам “Вход X”.
Теперь горизонтальная линия развертки будет получаться только при подаче сигнала на указанные гнезда. Причем чувствительность этого канала меньше, чем канала вертикального отклонения. Длину линии развертки можно устанавливать регулятором (12).
Такой режим работы осциллографа необходим, например, при исследовании частотных и фазовых соотношений гармонических колебаний так называемым методом фигур Лиссажу, когда одни колебания подают на вход Y осциллографа, а другие - на вход X.
Синхронизация генератора
Если между генератором развертки и сигналом нет никакой связи, то начинаться развертка и появляться сигнал будут в разное время, изображение сигнала на экране осциллографа будет перемещаться либо в одну, либо в другую сторону - в зависимости от разности часто сигнала и развертки. Чтобы остановить изображение, нужно “засинхронизировать” генератор т.е. обеспечить такой режим работы, при котором начало развертки будет совпадать с началом появления периодического сигнала (скажем, синусоидального). Причем синхронизировать генератор можно как от внутреннего сигнала (он берется с усилителя вертикального отклонения), так и от внешнего, подаваемого на гнезда “ВXОД СИНXР.”. Выбирают тот или иной режим переключателем (2) - ВНУТР.- ВНЕШН. синхронизация (на структурной схеме переключатель находится в положении “внутренняя синхронизация).
Плавно регулируется синхронизация регулятором (5). Эту ручку можно поворачивать от крайнего левого положения [знак (-)]до крайнего правого [знак (+)]. Это регулировка синхронизации развертки от сигнала соответствующей полярности. Когда ручка (5) находится в крайнем левом положении (-),генератор развертки синхронизируется отрицательным фронтом синусоидального напряжения), в крайнем правом (+) - положительным. В среднем положении ручки синхронизация выключается. В некоторых конструкциях осциллографов переключение синхронизации от (+) или от (-) осуществляется отдельным переключателем. В этом случае ручка (5) меняет амплитуду синхронизации, что способствует получению более устойчивого изображения на экране.
