Структурная схема осциллографа

Рассмотрим принцип действия осциллографа. Для получения осциллограммы исследуемого сигнала необходимо управлять движением светового пятна на экране ЭЛТ в горизонтальном и вертикальном направлениях. Смещение пятна в вертикальном направлении осуществляется сигналом, а в горизонтальном – напряжением развертки. Генератор развертки вырабатывает колебания пилообразной формы, показанные на рис. 4. На участке ас напряжение развертки U_р линейно нарастает. Время Т_пр, в течение которого U_р изменяется от минимального значения до максимального, называется временем прямого хода развертки.

Участок cd соответствует обратному ходу развертки. Время Т_пр и T_обр составляет период развертки Т_Р. Если приложить напряжение U_р к горизонтальным отклоняющим пластинам, отключив сигнал от пластин вертикального отклонения, электронный пучок ЭЛТ будет отклоняться только в горизонтальной плоскости. При этом светящееся пятно на экране будет занимать следующие положения. При максимальном отрицательном значении U_р (точка а на рис. 5) светящееся пятно находится в крайнем левом положении (точка а') на экране. При линейном нарастании U_р пятно постепенно переместится в точку b` и после изменения полярности U_р в точку с'. На участке а'с' скорость движения пятна будет постоянной, так как U_p нарастает по линейному закону и, согласно формуле (1), имеется линейная зависимость между смещением пятна на экране и напряжением, приложенным к пластинам. После достижения точки с' светящееся пятно начнет движение в обратном направлении (обратный ход). В исходное состояние луч возвращается за время Т_обр<<Т_пр, поэтому скорость движения пятна в обратном направлении значительно выше. Траектория движения пятна во время обратного хода показана на рис. 5 штриховой линией (для наглядности эта линия несколько смещена вниз относительно линии прямого хода). Для получения осциллограммы необходимо, чтобы напряжение U_р в течение всего периода Т_пр изменялось линейно, форма напряжения U_р во время обратного хода cd не имеет принципиального значения. Важно только, чтобы длительность обратного хода была минимальной. Таким образом, при подаче U_р на горизонтальные (х) пластины, ось х является одновременно осью времени t, причем при постоянной скорости движения светящегося пятна на участке а'с' масштаб вдоль оси t является постоянным. Искажение формы U_р на интервале прямого хода вызывает нелинейность развертки, проявляющуюся в неравномерной скорости движения пятна по экрану и в искажении осциллограмм. Неравномерность скорости вызывает неравномерность масштаба вдоль оси х, что затрудняет оценку параметров сигнала.

Образование изображения на экране ЭЛТ при воздействии напряжения развертки U_р и напряжения сигнала U_с (соответственно на X и Y пластины) показано на рис. 6. При построении осциллограммы примем, что период пилообразного напряжения развертки равен периоду сигнала, а Т_обр=0. Период развертки условно разделен на четыре равных интервала с границами t₀, t₁,t₂,t₃,t₄. В момент t₀ U_с=0, а U_р имеет максимальное отрицательное значение и световое пятно находится в точке а. В момент t₁ напряжение сигнала имеет максимальное положительное значение, а U_р=1/4U_Pm, и пятно находится в точке b. Аналогично можно найти положение точек с, d и е на экране ЭЛТ. По окончании развертки световое пятно по прямой линии еа мгновенно возвращается в исходное положение. Направление движения пятна во время прямого и обратного хода показано стрелками. Последующие циклы развертки осциллограммы получаются так же, причем все ее точки совпадут с аналогичными точками осциллограммы, изображенной на рис. 6. Таким образом, оператор видит изображение, образованное наложением на одни и те же места экрана целой серии осциллограмм. Число таких первичных изображений, зафиксированных в зрительном образе, зависит от периода развертки, длительности послесвечения люминофора и зрительной памяти человека. Наложение осциллограмм с образованием неподвижного изображения возможно при выполнении условия, принятого при построении (см. рис. 6), т.е., когда Т_с=Т_р, периодический сигнал делится на временные интервалы, в пределах которых «отрезки» сигнала полностью идентичны и при наложении осциллограмм образуют неподвижное изображение. Так же образуется изображение осциллограммы, когда Т_Р = nТ_с. Если n – целое число, то в одном периоде напряжения развертки укладывается ровно n периодов сигнала. Осциллограмма будет отличаться от изображенной на рис. 6 числом периодов сигнала (2,3...), отложенных вдоль оси х. Выполнение условия Т_р =nТ_с требует, чтобы период развертки Т_р был равен или кратен периоду сигнала.

Рис. 7

Формирование изображения на экране осциллографа при нарушении кратности частот развертки и сигнала показано на рис. 7. Пусть период сигнала синусоидальной формы (рис. 7, а) Т_с>Т_р. При первом цикле развертки (рис. 7, б) на экране отображается осциллограмма в виде отрезка синусоиды между точками 0-1, при втором – отрезок 1-2, при третьем 2-3 и т д. Последовательное появление осциллограмм I….IV создает ощущение движения изображения