18-15. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Электронными осциллографами называются приборы, предназначенные для визуального наблюдения, исследования и фотографирования электрических процессов. Они применяются для измерения самых различных электрических величин: амплитуд напряжений и токов, полных сопротивлений, частоты, фазовых сдвигов, длительностей импульсов и др., а также многих неэлектрических величин, преобразуемых с помощью датчиков в электрические. Малая инерционность осциллографа позволяет исследовать переменные величины в широком диапазоне частот от постоянного тока до сотен мегагерц и более. При использовании вспомогательных устройств на экране прибора можно воспроизвести вольт-амперные, частотные, амплитудные, фазовые, переходные и другие характеристики исследуемых установок.

Осциллографы разделяются на три основные группы: 1) с непрерывной (периодической) разверткой, 2) универсальные с непрерывной и ждущей развертками, 3) скоростные или сверхвысокочастотные.

Индикаторное устройство осциллографа

Электроннолучевая трубка. Индикаторами осциллографов обычно являются низковольтные электроннолучевые трубки (ЭЛТ) с электростатической фокусировкой и управлением. Исследуемый процесс на-

л, ~ Экран

Яркость

Фокус

CueuiiHusT

Рнс. 18-55. Схематическое устройство и схема включения осциллографической электроннолучевой трубки.

блюдается в виде светящейся кривой, возникающей на экране трубки в результате его бомбардировки узким пучком быстро-летящих электронов.

Схематическое устройство ЭЛТ и типовая схема ее включения показаны на рис. 18-55.

Электронная пушка. Источником электронов служит подогревный катод К. Яркость свечения экрана регулируется посредством изменения отрицательного смещения на управляющем электроде УЭ потенциометром Ri (примерно в пределах от О до -60 в). Величина смещения определяет количество электронов, проходящих

через отверстие в центре основания цилиндра и образующих электронный луч.

Электроны приобретают требуемую скорость под воздействием полей двух цилиндрических анодов Ai и Лг. На первый анод подается положительное относительно катода напряжение порядка 300-1 ООО е, а на второй анод - порядка 800-4 ООО в.

Фокусировка пучка электронов в узкий луч, сходящийся на экране трубки, происходит в электростатическом поле между анодами Л1 и Лг и достигается подбором напряжения на аноде Ai.

Экран трубки предназначен для визуального наблюдения; он покрывается вил-лемитом или сернистым цинком, дающим зеленое свечение, хорошо воспринимаемое глазом. Для фотографирования пригодны также экраны, покрытые вольфрамовыми солями, дающими синее свечение. Все экраны обладают свойством послесвечения, которое в больщинстве трубок длится в течение десятых долей секунды после прекращения воздействия на экран электронного луча. Для исследования очень медленных, а также быстропротекающих одиночных или редко повторяющихся процессов используются экраны с длительным послесвечением - порядка секунд.

Управление электронным лучом осуществляется с помощью двух пар взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин угУг и XiXz. При отсутствии на этих пластинах напряжений электронный луч, двигаясь прямолинейно, создает светящееся пятно в центре экрана. При подаче на пару цластин напряжения между ними возникает электрическое поле, отклоняющее электронный Луч в сторону положительно заряженной пластины. При этом происходит смещение пятна на экране, величина которого пропорциональна приложенному напряжению.

При подведении к паре отклоняющих пластин переменного напряжения с частотой выше 15-20 гц на экране наблюдается прямая линия, в которую сливаются отдельные положения светящегося пятна. При одновременном воздействии переменных напряжений на пЛастины Уху и XiX2 на экране воспроизводится кривая сложной траектории перемещения пятна.

Потенциал второго анода должен быть равен среднему потенциалу отклоняющих пластин во избежание возникновения между ними отклоняющего поля, могущего нарушить фокусировку электронного луча. Поэтому второй анод трубки, а с ним и положительный полюс источника высоковольтного напряжения Ub соединяют с корпусом; при этом катод трубки оказывается под высоким отрицательным потенциалом относительно корпуса. Для установки начального положения светящегося пятна на пластины трубки подают постоянные напряжения, регулируемые по величине и полярности потенциометрами Rs и Rt.

Чувствительность трубки S численно равна величине отклонения пятна на экране (в миллиметрах) при подведении к пла-

стинам напряжения 1 в. Обычно 5=0,1 -f-0,5 жж/е. Различают чувствительность трубки по вертикальному отклонению Sy и по горизонтальному отклонению S.

Чувствительность осциллографа So по каналу У или X определяется наибольшей длиной светящейся линии на экране в миллиметрах, приходящейся на 1 в амплитудного (с размахом от пика до пика) значения входного напряжения. При синусоидальной форме напряжения длина линии на экране соответствует двойному амплитудному значению поданного напряжения в вольтах. Поэтому чувствительность в пиковых или действующих значениях напряжения следует определять по формулам:

2,82U

где I-длина светящейся линии, лш;

f/-подводимое напряжение, измеренное вольтметром, в. При этом следует помнить, что чувствительность So зависит от установки входного аттенюатора и ручки регулировки усиления канала. При необходимости ее определяют для различных положений ручек управления при подаче на вход канала синусоидального напряжения.

Блок-схема универсального -электронного осциллографа

Элементы схем осциллографов. Большинство современных осциллографов широкого применения {С1-2 - С1-9) являются универсальными; они позволяют производить исследования как непрерывных периодических процессов, так и импульсных сигналов. Типовая блок-схема такого осциллографа представлена на рис. 18-56.

Канал У вертикального отклонения луча. Исследуемый сигнал подается на вход канала .У непосредственно или через выносной делитель напряжения. При большой амплитуде этого сигнала он ограничивается

калиброванным входным аттенюатором, который обычно имеет высокоомный вход; в одном из положений переключателя аттенюатора часто предусматривают уменьшение входного активного сопротивления канала до 50, 75 или 100 ом с целью согласования его входа с соответствующими выходными цепями исследуемых устройств.

Усилитель канала У дает возможность исследовать слабые сигналы. Он делается широкополосным и характеризуется полосой пропускания, в пределах которой коэффициент усиления изменяется не более чем в \/ 2 раз (или на 3 дб) от его максимального значения. При необходимости исследования очень медленных процессов нижняя граница полосы доводится до нулевой частоты путем использования усилителя постоянного тока. В схеме усилителя предусматривают регулировку коэффипиента усиления, а вместе с ним - амплитуды отклонения пятна на экране по оси У. Выходные каскады усилителя канала У часто выполняются по двухтактной схеме; в этом случае на отклоняющие пластины подают переменные напряжения, симметричные относительно корпуса, что улучшает фокусировку электронного луча.

Если амплитуда исследуемых сигналов достаточно велика, а их частота выходит за границы полосы пропускания усилителя, то эти сигналы можно подавать непосредственно на отклоняющие пластины, отключив от последних выход усилителя; при таком включении входное сопротивление канала значительно возрастает.

Канал X горизонтального отклонения. Для наблюдения на экране формы кривой напряжения, поданного на вход У, в канале горизонтального отклонения включается генератор периодической развертки. Вырабатываемое им напряжение пилообразной формы пил после усиления воздействует на пластины XiX . Период этого напряжения Тттп (рис. 18-57) состоит из времени пря-жго хода ДГ], в течение которого напряжение изменяется линейно и заставляет

Аттенюатор

роВка

КалиброВка амплитуды

Усилитель напала У и линия задержки

Усилитель Пластины Y У -0- -0-

Генератор ждуш,ей

(ЖР)

бнеишяя

Внешняя сш<хротзаи,ин

ВходХ

синхронизация

Амплитуда синхротзацаи

Гжратор

, развертки

Род работы

ВхоЗХ

)илитель

Усилитель напала X

Рис. 18-56. Блок-схема универсального осциллографа.

электронный луч равномерно перемещаться по экрану в горизонтальном направлении, развертывая во времени изображение исследуемой кривой, и времени обратного хода ДГ2, в течение которого напряжение быстро возвращается к исходному значению. Обычно линию обратного хода, мешающую наблюдениям, устраняют автоматической подачей на управляющий электрод трубки в течение времени Д большого отрицательного смещения, запирающего электронный луч.

Рис, 18-57. Кривая пилообразного напряжения и изображения синусоидального напряжения на экране при разли-.1иых , отношениях частот 7у/ ?пил

пил = /пйл)-

Для получения на экране неподвижного изображения N периодов исследуемого напряжения частота последнего fy должна в целое число раз превышать частоту пилообразного напряжения / пил.т. е. /у пил= =N, что достигается подбором частоты /пил- Поэтому генераторы развертки работают в широком и плавно регулируемом диапазоне частот, разбитом на несколько поддиапазонов и согласованном с полосой пропускания канала У. Вследствие неизбежных колебаний частот fy и /пил их целочисленное отношение может с течением времени самопроизвольно нарушиться, что приведет к перемещению изображения на экране и необходимости частой регулировки частоты /пил- Чтобы избежать этого, частоту генератора /пил обычно синхронизируют частотой /у, т.е. заставляют частоту /пил автоматически следовать за всеми изменениями частоты /у при сохранении постоянства их отношения. Частоту /пил можно синхронизировать также с частотой внешнего сигнала, подводимого к гнезду внешняя синхронизация , или с частотой 50 гц питающей сети. Для получения устойчивой синхронизации амплитуду синхрони--зирующего напряжения можно усиливать с помощью специального усилителя или усилителя канала X. Выходной каскад усилителя канала часто делают по двухтактной схеме, что уменьшает трапецеидальные искажения.

Для исследования кратковременных импульсов, которые при периодической развертке наблюдаются в виде острых всплесков, применяют генераторы ждущей развертки. Каждый импульс исследуемого напряжения

запускает генератор, который выдает на горизонтально отклоняющие пластины одиночный импульс пилообразного напряжения определенной длительности с амплитудой, необходимой для развертки иа всю ширину экрана. Длительность ждущей развертки (а следовательно, и щирину кривой наблюдаемого импульса) можно изменять ступенями. Так как начало развертки запаздывает относительно запускающего импульса на десятые доли микросекунды, то для наблюдения фронта импульса в канал У вводят линию задержки (искусственную длинную линию). Запуск генератора может производиться по выбору импульсами положительной или отрицательной полярности. Иногда применяются специальные генераторы коротких импульсов для синхронного запуска ждущей развертки и внешних устройств. В= качестве генераторов разверток применяются различные варианты мультивибраторов и фантастронов.

Во многих осциллографах имеется также канал Z, позволяющий модулировать яркость свечения экрана внешним сигналом, подводимым к гнезду модулятор .

Устройства для измерения амплитуды и длительности сигнала. Некоторые осциллографы содержат устройства для измерения амплитуды и длительности исследуемьгх сигналов. Измерение амплитуды напряжения сигнала с точностью порядка 5--107о производится (при Бьжлюченной развертке) сравнением ее с известной амплитудой калибровочного напряжения частотой 50 гц, выдаваемого калибратором амплитуды. При одинаковой длине линий, созданных обоими сигналами на экране, измеряемая амплитуда отсчитывается по шкале делителя напряжения или диодного вольтметра, включенного на выходе калибратора. Для измерения высоты изображений на экран накладывают прозрачную сетку.

Если развертка осциллографа калибрована по длительности или скорости, то длительность исследуемого сигнала можно измерить по горизонтальной шкале с временным масштабом, наложенной на экран. В других случаяд применяются генераторы меток времени, которые через строго определенные интервалы времени выдают импульсы, воздействующие на управляющий электрод (или пластины уху) трубки и создающие на изображении яркостные (или амплитудные) метки. Длительность сигнала с точностью до 3-5% определяется по числу меток, укладывающихся в пределах изображения сигнала.

Некоторые осциллографы (С1-7, С1-12, С1-27) позволяют одновременно наблюдать и исследовать два электрических пропесса. Для этой цели используются двухлучевые электроннолучевые трубки, содержащие внутри общей колбы две самостоятельные системы электронных пушек с управляюши- ми электродами.

Одновременное наблюдение нескольких процессов возможно и на экране обычного однолучевого осциллографа при использо-