Из формулы (1) следует, что координаты х и у точки попадания электронного луча на экран ЭЛТ относительно его центра пропорциональны мгновенным значениям напряжений UX (t) и UY (t), подаваемых соответственно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины: x = kХ UХ и у = kY UY (здесь kХ, kY – чувствительность соответствующих пластин).
При подаче на отклоняющие пластины изменяющихся во времени напряжений UХ (t) и UY (t) луч «начертит» на экране линию, определяемую зависимостью у = ¦(х). Если заставить луч многократно повторить тот же путь по экрану, то вследствие послесвечения экрана и инерционности зрения наблюдатель увидит неподвижный график у = ¦ (х).
Пусть на отклоняющие пластины подаются синусоидальные напряжения UХ (t) и UY (t) с амплитудой U0 и периодом Т (см. рис.2.1, 2.2):
UХ (t) = U0 cos(w t), UY (t) = U0 sin(w t), w = 2p / Т. (2)
При одинаковой чувствительности пластин (kХ = kY = k) координаты х, у точки попадания электронного луча на экран ЭЛТ в момент времени t будут определяться выражениями:
х = А cos(w t), у = А sin(w t), А = k U0.
Уравнение траектории движения луча легко получить, исключая из этих соотношений время t:
х 2 + у 2 = А 2.
Следовательно, кривая, которую электронный луч «рисует» на экране ЭЛТ при подаче на отклоняющие пластины синусоидальных напряжений (2), представляет собой окружность радиуса А (рис. 2.3). Точки 1, 2, …, 5 на рис .2.3 указывают положение луча на экране в моменты времени t1, t2, … t5 (см. рис. 2.1, 2.2).
Для получения на экране ЭЛТ «изображения» графика периодического электрического сигнала UС (t) в координатах напряжение – время (U – t) необходимо выполнение двух основных условий:
1.Подаваемое на вертикально отклоняющие пластины напряжение UY должно линейно зависеть от самого сигнала U С:
UY (t) = U0Y + КYU UC (t). (3)
Здесь U0У – постоянное напряжение, определяющее расположение графика сигнала по вертикали (по оси «Y») на экране ЭЛТ, КYU – коэффициент преобразования входного сигнала каналом вертикального отклонения (см. ниже).
Обычно исследуемый периодический сигнал UC (t) (например, такой, какой изображен на рис. 3.1) подается на вход «Y» осциллографа. Далее в блоках «ВХОДНОЙ ДЕЛИТЕЛЬ» и «УСИЛИТЕЛЬ Y» (см. рис. 1) (эти устройства входят в состав канала вертикального отклонения электронного луча или канала «Y») происходит его преобразование, и на вертикально отклоняющие пластины подается уже сигнал UY, который может заметно отличаться по величине от исследуемого сигнала.
2.Подаваемое на горизонтально отклоняющие пластины напряжение UХ должно при этом линейно зависеть от аргумента функции UС (t), т.е. времени t:
UХ (t) = U0Х + КХU t . (4)
Здесь U0Х – постоянное напряжение, определяющее расположение графика сигнала по горизонтали (по оси «Х») на экране ЭЛТ, КХU – коэффициент пропорциональности, зависящий от рабочих характеристик блоков «ГЕНЕРАТОР РАЗВЕРТКИ» и «УСИЛИТЕЛЬ Х» (см. рис. 1). Полярность напряжения UХ такова, что луч перемещается по экрану слева направо.
Если, начиная с момента времени t =0, на вертикально отклоняющие пластины подавать напряжение (3), а на горизонтально отклоняющие пластины подавать напряжение (4), то на экране ЭЛТ получится изображение (в некотором масштабе) графика UС (t) в интервале от t=0 до tК > 0 (tК – момент времени, когда светящееся пятно достигает правого края экрана). В результате сигнал UС (t) оказывается развернутым по оси «Х» (оси «времени»).
В учебном осциллографе на горизонтально отклоняющие пластины подается периодический пилообразный сигнал UХ с периодом ТП (форма сигнала показана на рис.3.2). Данный сигнал формируется в блоке «ГЕНЕРАТОР РАЗВЕРТКИ» (см. рис.1) и имеет два характерных интервала: интервал прямого хода «пилы» (ТПХ) и интервал блокировки (ТБЛ). На интервале прямого хода «пилы» (линейный участок) луч равномерно перемещается по экрану слева направо (см. формулу (4)). Эта часть сигнала UХ называется сигналом развертки, так как на этом интервале времени сигнала UY разворачивается по оси «Х». Интервал блокировки включает в себя интервал обратного хода луча (Т0Х) в крайнее левое положение и интервал ожидания запуска прямого хода «пилы» (ТЖ).
Во время прямого хода «пилы» «СХЕМА ПОДСВЕТА» (см. рис.1) формирует и подает на модулятор «электронной пушки» положительный («подсвечивающий») относительно катода ЭЛТ импульс напряжения, амплитуда которого обеспечивает выбранную яркость свечения пятна на экране ЭЛТ.
При отсутствии «подсвечивающего» импульса (т.е. на интервале блокировки) напряжение на модуляторе «запирает» трубку. В результате электронный луч на интервале блокировки не вызывает свечения экрана.
Для получения неподвижного изображения графика периодического сигнала UС (t) необходимо сделать так, чтобы электронный луч многократно повторил один и тот же путь по экрану. Это будет возможно при условии, что каждый цикл развертки (интервал прямого хода «пилы») начинается при одной и той же фазе исследуемого периодического сигнала (например, точка «1» на рис.3.1). Т.е. момент запуска прямого хода «пилы» должен быть жестко привязан к определенной фазе сигнала (при этом говорят, что сигнал развертки синхронизирован с исследуемым сигналом UС (t)). В этом случае, благодаря многократному наложению одинаковых изображений, послесвечению экрана и инерционности зрения, неподвижное изображение участка периодического сигнала можно наблюдать как угодно долго.
Очевидно, что в случае синхронизации сигнала развертки и исследуемого сигнала период пилообразного сигнала ТП кратен периоду исследуемого сигнала ТС: ТП = n ТC ,где n = 1, 2, 3,…. Для сигнала развертки, показанного на рис. 3.2, период «пилы» в два раза больше периода сигнала (n = 2).
Скорость изменения напряжения прямого хода развертки, т.е. масштаб по оси «Х» экрана ЭЛТ задается расположенным на передней панели осциллографа ступенчатым переключателем «ВРЕМЯ/ДЕЛ», проградуированным по времени, за которое луч проходит одно большое деление сетки экрана. Длина развертки (расстояние по горизонтали между крайними положениями луча) несколько превышает диаметр экрана, задается размахом «пилы» UП (см. рис.3.2) и неизменна во всех режимах развертки.
При выбранном масштабе развертки время прямого хода ТПХ и время обратного хода Т0Х неизменны. Поэтому синхронизация развертки для произвольного периода сигнала ТС достигается изменением длительности интервала ожидания ТЖ.
В учебном осциллографе синхронизация сигнала развертки с сигналом UY осуществляется следующим образом. Постоянное напряжение UYР (см. рис.3.1) внутреннего источника постоянного тока осциллографа и входной сигнал UY подается на два входа блока «ФОРМИРОВАТЕЛЬ» (см. рис.1). в момент пересечения сигналом UY уровня UYР снизу вверх (на рис.3.1 это соответствует моментам времени t = 0, ТП) запускается прямой ход развертки («пила») при условии, что это произошло на интервале ожидания ТЖ (см. рис.3.2).
Запуск «пилы» может производиться при пересечении сигнала UY уровня UYР как снизу вверх (как на рис. 3.2), так и сверху вниз в зависимости от выбранного положения переключателя режимов синхронизации развертки на передней панели осциллографа («ЗАПУСК, +», «ЗАПУСК, –»).
Напряжение UYР изменяется при вращении ручки «УРОВЕНЬ» на передней панели осциллографа, что позволяет, совместно с переключателем «ЗАПУСК +, –», выбрать фазу сигнала в начале развертки, исходя из наилучшей устойчивости синхронизации и удобства наблюдения. Если UYР не пересекает UY , то синхронизация невозможна.
Генератор развертки может работать в автоматическом или ждущем режимах.
В автоматическом режиме время ожидания ТЖ не может быть больше некоторого максимального времени ожидания ТЖмах . если на максимальном интервале ожидания не произошло пересечения UY и UYР , то происходит автоматический запуск прямого хода развертки в момент, не связанный с определенной фазой исследуемого сигнала, а пилообразный сигнал будет иметь период только внутренними параметрами осциллографа ТПавт . В этом случае изображение исследуемого сигнала на экране будет перемещаться влево или вправо («бежать»), а при отсутствии исследуемого сигнала будет видна горизонтальная линия развертки. (Примечание: обычно ТЖмах соизмерим со временем прямого хода ТПХ , а время обратного хода ТОХ на 1 ÷ 3 порядка меньше ТПХ)
При пересечении UY и UYР на интервале ожидания происходит запуск прямого хода развертки в момент, связанный с определенной фазой исследуемого сигнала, а пилообразный сигнал будет иметь период, определяемый периодом изучаемого сигнала. Т.е. генератор развертки переходит в режим синхронизации, а на экране может наблюдаться неподвижное изображение сигнала.
Очевидно, что синхронизация в автоматическом режиме возможна лишь в том случае, когда собственный период генератора развертки больше периода исследуемого сигнала ТП,авт>ТС . В противном случае за первым циклом запуска сигнала развертки будет следовать один или несколько автоматических запусков прямого хода «пилы» в моменты времени не привязанные к определенной фазе исследуемого сигнала, т.е. произойдет наложение друг на друга разных изображений сигнала.
В ждущем режиме запуск прямого хода развертки происходит только при наличии пересечения UY и UYР на интервале ожидания ТЖ , причем интервал ожидания ТЖ в этом режиме может быть сколь угодно большим, а синхронизация может быть осуществлена при любом периоде исследуемого сигнала UС (t). Наблюдение на экране малой части периода процесса (например, фронта импульса или короткого импульса, длительность которого много меньше периода следования импульсов) возможно только в ждущем режиме.
Кроме описанной выше синхронизации развертки исследуемым сигналом предусмотрен режим синхронизации внешним сигналом (вместо UY). Этот сигнал подается на гнездо «ВНЕШ.ЗАП» на передней панели осциллографа. Переключатель «ЗАПУСК» при этом находиться в положении «ВНЕШ». Работа элементов схемы синхронизации и развертки в этом случае аналогична описанной выше.
