Получение изображения на экране ЭЛТ. Периодические во времени процессы изображаются в виде графиков, по оси ординат которых откладываются переменная величина (функция)

Периодические во времени процессы изображаются в виде графиков, по оси ординат которых откладываются переменная величина (функция), а по оси абсцисс время (аргумент). На рис. 3 показаны графики некоторых видов периодических сигналов.

Для наблюдения на экране ЭЛТ этих процессов необходимо каким-либо способом преобразовать величину в пропорциональное ей напряжение и подать его на вертикально отклоняющие пластины. Т.к. напряжение будет меняться со временем, светящаяся точка на экране будет смещаться от центра вниз и вверх, так что в каждый момент времени y=j·U, где U — мгновенная величина напряжения. При быстрых колебаниях из-за инертности зрения мы увидим на экране вертикальную светящуюся линию, длина которой пропорциональна удвоенной амплитуде переменного напряжения.

Рис. 3

Чтобы увидеть на экране колебания в форме графиков (рис. 3), необходимо одновременно с началом колебаний смещать луч слева на право, равномерно прикладывая к горизонтально отклоняющим пластинам линейно возрастающее со временем напряжение. Однако при некоторой разности потенциалов луч может выйти за пределы экрана. Чтобы этого не произошло, напряжение должно возрастать до некоторой максимальной величины. Это напряжение называется развертывающим напряжением, а процесс перемещения луча медленно слева направо и быстро — справа налево, называется разверткой. Иногда за его характерную форму это напряжение называют «пилообразным». График такого напряжения показан на рис. 4.

Рис. 4

Так как никакой процесс не может протекать мгновенно, то спад напряжения будет не вертикальным, а наклонным (рис. 4). Кроме того, чтобы использовать всю площадь экрана ЭЛТ, необходимо отклонять луч как влево, так и вправо от центра экрана. Это достигается тем, что напряжение развертки делают симметричным относительно оси абсцисс (рис. 4).

Время движения луча слева направо и обратно называется периодом развертки. Оно складывается из времени прямого луча Т₁ и времени обратного хода Т₂. Напряжение развертки получают с помощью генератора развертки.

Генератор развертки

Упрощенная схема генератора развертки показана на рис. 5.

Схема состоит из цепочки RC, соединенной последовательно с источником питания +А, -А. Параллельно емкости С подключен тиратрон Л. Конструктивно тиратрон близок к обычному триоду, но вместо вакуума имеет в баллоне газ под низким давлением.

На сетку тиратрона подано напряжение синхронизации U_с о назначении которого будет сказано ниже. Тиратрон обладает тем свойством, что при напряжении ниже заданной величины, называемой напряжением зажигания, U_заж, он не проводит ток. Величина U_заж определяется конструкцией тиратрона и напряжением на его управляющей сетке. При достижении внешнего напряжения U=U_заж происходит «зажигание» тиратрона и он начинает проводить ток. В проводящем состоянии тиратрон обладает низким внутренним сопротивлением. Изменение напряжения на сетке «зажженного» тиратрона практически не влияет на его проводимость. Таким образом, сетка тиратрона, в отличие от триода, управляет только моментом зажигания, а затем перестает влиять на работу.

При снижении внешнего напряжения до U_заж тиратрон не гаснет. Чтобы он погас, необходимо снизить внешнее напряжение до U_гаш<U_заж - После гашения тиратрон перестает проводить ток и может зажечься при увеличении внешнего напряжения U=U_заж. В момент подключения источника конденсатор С не имеет заряда. Напряжение на сетке будет считаться равным нулю. После подключения начинается процесс зарядки конденсатора С от источника через сопротивление R. График этого процесса показан на рис. 6 (кривая 1).

Рис.5

Рис.6

Если бы в схеме не было тиратрона, процесс зарядки происходил бы по экспоненте до U=U₀ (напряжение источника). Но при достижении U=U_заж происходит зажигание тиратрона. А так как он обладает низким сопротивлением, то конденсатор разряжается через него и напряжение на конденсаторе быстро падает до U_raш при котором тиратрон гаснет (кривая 2 на рис. 6). После этого процесс повторяется, но уже не от нуля, а от U_гаш. В результате напряжение на конденсаторе С будет меняться по кривой, близкой к пилообразному напряжению. Специальными мерами, которые здесь не рассматриваются, можно улучшить форму кривой, сделав ее практически линейной. Для изменения частоты развертывающего напряжения нужно менять величину С и R. При увеличении R и С увеличивается время зарядки конденсатора и частота уменьшается, а при уменьшении — возрастает.

Синхронизация

Для того, чтобы изображение кривой периодического процесса выглядело бы на экране неподвижным, необходимо выполнить условие

Т_разв=nТ_сигн, (1)

где Т_разв — период развертки,

Т_сигн — период исследуемого сигнала,

n — целое число.

При п=1 на экране будет виден один период сигнала, при п=2 — два периода и т.д.

Подбор соотношений между периодом развертки и периодом сигнала осуществляется путем перенастройки генератора развертки: изменением величины емкости С (ручка «частота грубо») и сопротивлением R (ручка «частота плавно»).

Но добиться равенства или кратности частот двух независимо работающих генераторов практически невозможно из-за «плавания» частоты, т.е. случайных отклонений частоты в большую или меньшую сторону, вызываемых нестабильностью работы генераторов.

Для выполнения условия (2) необходимо подстраивать непрерывную частоту генератора развертки. Это осуществляется подачей напряжения исследуемого сигнала на управляющую сетку тиратрона (рис. 6). Напряжение внешнего сигнала называется «синхронизирующим» напряжением или сигналом, а сам процесс автоматической подстройки генератора развертки называется «синхронизацией». Синхронизация осуществляется с помощью ручки «амплитуда синхронизации».

Блок-схема осциллографа

Осциллограф состоит из ЭЛТ, вертикально отклоняющих пластин, связанных с генератором развертки через «усилитель У». С помощью переключателя «частота грубо» можно отключить генератор развертки и соединить горизонтально — отклоняющие пластины с входом «X». На «X» и «У» можно подавать два независимых сигнала.

Блок питания осциллографа дает постоянное напряжение для питания усилителей, генератора развертки и ЭЛТ, а также переменное напряжение 6,3 В для питания нитей накала ламп и ЭЛТ.

Виды измерений

Почти все виды измерений параметров сигналов можно свести к трем видам измерений: 1) измерению амплитуды, 2) измерению частот, 3) измерению фазы сигнала (точнее — разности фаз между двумя сигналами).

Измерение амплитуды

Подача переменного сигнала на вертикально — отклоняющие пластины дает на экране вертикальную линию длина которой h=2 y=2j_oU_o. Здесь U_o — амплитуда напряжений на пластинах и j₀ — чувствительность ЭЛТ. Так как сигнал подается не прямо на пластины, а на аттенюатор «усилитель У», то амплитуда напряжения на пластинах U₀ и амплитуда изучаемого сигнала U_k, связаны отношением:

U₀=k₁k₂U_k,

где k₁ — коэффициент усиления «усилителя»;

k₂ — коэффициент ослабления аттенюатора.

В результате можно записать: y=jU, т.е. длина видимой на экране линии пропорциональна напряжению сигнала. Величина (3) называется чувствительностью осциллографа.

Измерение частоты

Частота различных сигналов с помощью осциллографа может измеряться несколькими методами. Наиболее распространен метод фигур Лиссажу. Если два синусоидальных сигнала U_x = U_ax·sin ω_x·t и U_y = U_ay·sin ω_y ·t подать на выходы «X» и «У», отключить генератор развертки, то на экране ЭЛТ можно наблюдать кривую, являющуюся результатом сложения двух взаимно-перпендикулярных колебаний электронного луча с частотами ω_x и ω_y. Как показывает расчет, кривая на экране будет неподвижна, если выполнено условие n ω_x =m ω_y, где m иn—любые целые числа. Такие кривые получили название фигур Лиссажу, которые показаны на рис. 8

Рис. 7

По форме кривых можно определить соотношение частот сигналов. Для этого надо мысленно провести к кривой две касательных – вертикальную и горизонтальную. Пусть m — число касаний горизонтальной линии. Тогда . Зная частоту ω_х, можно найти частоту ω_у. Для этого на вход «X» подключают сигнал с известной частотой (генератор), а на вход «У» — с неизвестной частотой. Изменяя частоту генератора, добиваются получения одной из фигур Лиссажу и определяют m и n. Тогда:

ω_N = ω_у, (4)

где ω_N, — частота генератора;

ω_у — частота исследуемого сигнала.

Измерение разности (сдвига) фаз (φ₂ — φ₁)

Принцип измерения разности фаз с помощью осциллографа основывается на измерении параметров эллипса (фигуры Лиссажу), получающейся на экране ЭЛТ при подаче на входы «X» и «У» двух напряжений, одинаковых по частоте, но сдвинутых по фазе:

U_x=U₁cos(ωt +φ₁)

U_y=U₂cos(ωt+φ₂) (5)

Разность (φ₂ – φ₁) называется разностью или сдвигом фаз сигналов U_х U_y.

Так величина отклонения угла пропорциональна величине напряжения, то вместо уравнения (5) можно записать:

x=a₁сos(ωt+φ₁)

y=a₂cos(ωt+φ₂)

Здесь х —отклонение луча по горизонтали;

у — отклонения луча по вертикали;

а₁ — максимальное отклонение луча по горизонтали;

а₂ — максимальное отклонение луча по вертикали.

Система уравнений (6) представляет собой уравнения траектории электронного луча на экране ЭЛТ в параметрической форме. Исключение приводит к уравнению следующего вида:

Это уравнение эллипса, оси которого

расположены под некоторым углом к осям X и У (рис.8).

Рис. 8

Найдем точки А и В на оси X. А - точка пересечения эллипса с осью X, а точка В — максимальная координата Х_мах=а. Точка А получается при подстановке в уравнение у=0.

Точка В соответствует максимальному отклонению луча по оси X, т.е. величина X_B=ai.

Следовательно, такой метод позволяет находить разность фаз двух сигналов с точностью до знака.

Знак разности фаз можно найти, если есть возможность менять фазу одного из сигналов, например, U_x. Тогда, увеличивая ф₂ можно по изменении формы кривой определить, возрастает или уменьшается разность фаз (ф₂-ф₁). Если с ростом разность фаз уменьшается, то в выражении (10) надо взять знак «-».

Перечисленные виды измерений далеко не исчерпывают всех возможностей применения электронного осциллографа. Однако, специальные виды измерений здесь не рассматриваются.

Выполнение работы:

Установка состоит из осциллографа типа С1-5, ГЗ-109 звукового генератора. Работа состоит из трех самостоятельных задач:

1. Градуировка чувствительности осциллографа.

2. Наблюдение сигналов различной формы и измерение их амплитуд.

3. Измерение частоты генератора методом фигур Лиссажу.