Электронно-лучевой осциллограф: назначение, структурная схема, принцип действия.

Осциллографом называется прибор для наблюдения и регистрации электрических сигналов, а также для измерения их параметров и визуализации с помощью электронно-лучевой трубки. Слово «осциллограф» произошло от латинского слова «осцилум» — колебание и греческого слова «графо» — пишу. Таким образом, осциллограф в буквальном смысле — прибор для записи (регистрации) колебаний. В литературе часто встречается термин «осциллоскоп». В его основу положено слово «скопео» — наблюдение. В настоящее время чаще применяется термин «осциллограф», которым обозначаются приборы, как для визуального наблюдения колебаний, так и для их записи.

В упрощенную структурную схему универсального (иногда - многофункционального, поскольку он имел

сменные блоки, изменяющие его свойства и параметры) осциллографа, кроме ЭЛТ со схемой управления, входят следующие основные блоки (рисунок 3):

- канал вертикального отклонения луча;

- канал горизонтального отклонения луча с устройством синхронизации и запуска развертки;

- канал управления яркостью (модуляции луча);

- вспомогательные устройства;

- источник питания.

Рисунок 3 - Упрощенная структурная схема универсального осциллографа

В осциллографе исследуемый электрический сигнал подают через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систему ЭЛТ, а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляют напряжением горизонтальной развертки.

Электронно-лучевая трубка представляет собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой размещены электронная пушка, отклоняющие пластины и люминесцентный экран.

Электронная пушка состоит из подогреваемого катода К, модулятора (сетки) яркости светового пятна М, электродов фокусировки и ускорения электронного луча — фокусирующего анода А₁ ускоряющего анода А₂ и основного анода А₃. Яркость свечения люминофора ЭЛТ регулируют путем изменения отрицательного напряжения на модуляторе М. Напряжение на первом аноде А₁ фокусирует электронный поток в узкий луч. Чтобы придать электронам скорость, необходимую для свечения люминофора, на второй анод А₂ подают достаточно большое (до 2000 В) положительное напряжение. Для дополнительного ускорения электронов используют анод А₃, к которому приложено высокое положительное напряжение (до 10... 15 кВ).

Учитывая, что студенты из курса физики уже знакомы с устройством электронной пушки, отметим лишь, что ее основным назначением является формирование узкого электронного пучка, при попадании которого на люминесцентный экран на экране возникает светящееся пятно.

Упрощенно работу отклоняющих систем ЭЛТ можно пояснить следующим образом. Электронный пучок (луч) проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих Y и горизонтально отклоняющих X. Если к отклоняющим пластинам приложить напряжение, то между ними будет существовать электрическое поле, которое будет вызывать |отклонение электронного луча в ту или иную сторону. Когда напряжение приложено к вертикально отклоняющим пластинам, то пятно! будет перемещаться по оси Y; если же напряжение приложено к горизонтально отклоняющим пластинам, то световое пятно на экране трубки будет отклоняться вдоль оси X. Если теперь сфокусировать электронный луч так, чтобы световое пятно расположилось в центре экрана ЭЛТ, а затем к пластинам Y приложить исследуемый сигнал, а к пластинам X — пилообразное напряжение, то под совместным воздействием двух напряжений луч вычертит на экране трубки осциллограмму, отражающую зависимость мгновенных значений входного напряжения от времени.

Канал вертикального отклонения луча (см. рисунок 3) служит для передачи на пластины Y ЭЛТ исследуемого сигнала u_c(t), подводимого к входу Y. Канал вертикального отклонения луча содержит аттенюатор (в данном случае делитель или ослабитель сигнала), линию задержки и усилитель Y. Аттенюатор позволяет ослабить сигнал u_c(t) в определенное число раз, а регулируемая линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала на пластинах Y ЭЛТ относительно начала развертывающего напряжения U_x, что важно для обеспечения развертки в ждущем режиме. Усилитель Y обеспечивает амплитуду сигнала на пластинах Y, достаточную для значительного отклонения луча на экране даже малым исследуемым сигналом u_c(t). Этот усилитель содержит входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления и парафазный (с противофазными выходными сигналами одинаковой амплитуды) усилитель (на рисунке 3 для упрощения не показаны), обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов.

Основные характеристики канала вертикального отклонения:

- верхняя граничная частота (порядка 100 МГц и более);

- чувствительность ЭЛТ (до 1 мм/мВ);

- входные сопротивление (1...3 МОм) и емкость (1...5 пФ);

- погрешность измерения напряжения и интервала времени 3... 5 %.

Во входную цепь канала вертикального отклонения включают также коммутируемый разделительный конденсатор, позволяющий исключить подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала (так называемый «закрытый» вход).

Канал горизонтального отклонения луча с устройством синхронизации и запуска развертки служит для создания горизонтально отклоняющего — развертывающего — напряжения U_x. Собственно канал горизонтального отклонения луча состоит из генератора развертки и усилителя X.

Схема синхронизации и запуска развертки электронного осциллографа управляет генератором развертки и обеспечивает кратность периодов исследуемого сигнала и развертки. Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме и запуском — в ждущем. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом амплитуды и т. д.). Это достигается синхронизацией напряжения развертки с напряжением сигнала u_c(t), поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала: T _разв = пТ_с, где п = 1, 2, 3, 4,....

Развертка — линия, прочерчиваемая электронным лучом на экране ЭЛТ осциллографа в результате действия только одного развертывающего напряжения, т. е. при отсутствии исследуемого сигнала. Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме работы генератора и запуском — в ждущем. Синхронизацию и запуск развертки производят специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор развертки с устройства синхронизации.

В универсальном осциллографе применяются два режима синхронизации: внутренняя (Внут.) и внешняя (Внеш.). При внутренней синхронизации синхроимпульсы вырабатываются из усиленного исследуемого сигнала до его задержки. При внешней синхронизации сигнал синхронизации подают от внешнего источника на специальный вход осциллографа «Синхронизация». Например, в стандартных генераторах импульсов формируют синхроимпульсы, относительно которых выходной сигнал, может быть, сдвинут с помощью регулируемой задержки.

Усилитель X канала горизонтального отклонения усиливает пилообразный сигнал U р генератора развертки (при работе развертки от генератора ключ Кл на рисунке 3 находится в положении 1) и преобразует его в напряжение развертки U_x. Период развертки обычно регулируется дискретно и плавно. Генератор развертки может быть отключен; при этом ключ Кл на рисунке 3 переводится в положение 2 и развертка электронного луча производится внешним сигналом, подаваемым на вход X.

Канал горизонтального отклонения характеризуют чувствительностью и полосой пропускания, показатели, которых практически раза в два меньше, чем в канале вертикального отклонения. Основным блоком в канале горизонтального отклонения является генератор развертки, работающий в непрерывном или ждущем режиме. К форме! пилообразного напряжения генератора предъявляют ряд специфических требований:

- время обратного хода луча должно быть много меньше времени прямого хода, т. е. Т _обр«Т _пр; в противном случае часть изображения сигнала будет отсутствовать;

- напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе электронный луч будет двигаться по экрану ЭЛТ с различной скоростью и нарушится равномерность временного масштаба по оси X. Это может привести к искажению исследуемого сигнала.

Канал управления яркостью (модуляции луча по яркости) предназначен для подсветки прямого хода луча и состоит из аттенюатора и усилителя Z. Усилитель Z служит для создания требуемого уровня напряжения модулятора и может иметь дополнительный вход для модуляции изображения по яркости внешним сигналом. Постоянное напряжение на модуляторе ЭЛТ выбирают на уровне запирания трубки. Подсветку осуществляют подачей импульсов с генератора развертки или импульсов с входа Z на управляющий электрод (модулятор М) ЭЛТ. В генераторе развертки вырабатывается специальный прямоугольный импульс подсвета, равный длительности прямого хода развертки. Для равномерной яркости изображения импульс подсвета должен иметь плоскую вершину. Необходимо также обеспечить малую длительность фронта и спада импульса. Сигналы подсвета модулируют поток луча и, следовательно, яркость свечения люминофора. Канал Z используют и для создания яркостных меток при измерениях частоты и фазы.

Вспомогательные устройства осциллографа включают калибраторы и различные переключатели. Калибраторы, встроенные в осциллограф, служат для точной установки коэффициентов отклонения и развертки непосредственно перед измерениями. Они представляют собой отдельные генераторы напряжений с точно заданными амплитудой и частотой. Для калибровки оси Y используют постоянные напряжения обеих полярностей (иногда плавно регулируемые) и напряжения в виде меандра. Масштаб по оси X обычно устанавливают по синусоидальному напряжению, стабилизированному кварцем.

Источник питания осциллографа состоит из двух отдельных частей: высоковольтного, выдающего необходимые напряжения для питания электродов ЭЛТ, и низковольтного для питания остальных узлов осциллографа.