Формирование изображений на экране электронно-лучевой трубки

Если и на пластины Y,и на пластины X поступают изменяющие­ся во времени сигналы, то траектория движения светящегося пятна на экране будет определяться характером поведения этих сигналов.

Если напряжения на пластинах меняются достаточно быстро (с частотой более 20...30 Гц), то траектория пятна на экране пред­ставляется сплошной линией. При малых скоростях (частоты ниже 1 Гц) можно наблюдать на экране светящуюся точку, перемещаю­щуюся по экрану ЭЛТ.

В ЭЛО используются разные способы (режимы) формирования изображения.

3.2.1. Режим линейной развертки (режим Y – t )

Режим линейной развертки (рис. 40) называется также режимом Y – t,поскольку входной сигнал Y какбы разворачивается в текущем времени t.

Рис. 4.0. Режим линейной развертки (режим Y – t)

Это наиболее часто используемый режим, в котором можно исследовать изменения входного сигнала во времени. В этом случае на пластины Y подается ис­следуемый сигнал, а на пласти­ны X подается пилообразное на­пряжение. На рис. 40 показан слу­чай синусоидального исследуемо­го сигнала U_Y с периодом Т_си линейно изменяющегося напря­жения ГР U_X с периодом Т_р = Т_с.Линейная развертка может быть реализована в автоколеба­тельном режиме или в режиме ждущей развертки.

Автоколебательный режим раз­вертки.В этом режиме ГР непре­рывно генерирует периодическое пилообразное напряжение. Если период сигнала Т_сокажется равным периоду напряжения генератора развертки Т_р,то траектория движения светящегося пятна на экране будет повторяться от цик­ла к циклу, т.е. в каждом периоде развертки Т_ризображение будет одним и тем же. Таким образом, изображение на экране будет ус­тойчивым (рис. 41).

Рис. 41. Случай равенства периодов сигнала и генератора развертки

Отметим, что изображение будет устойчивым также и при крат­ном отношении (Т_р / Т_с= 2; Т_р/ Т_с = 3; Т_р / Т_с= 4; ...).

В более общем случае, когда периоды исследуемого сигнала и ГР не равны (и не кратны), изображение на экране будет неустой­чивым и/или неудобным, так как в каждом цикле развертки луча изображение будет отличаться от изображений предыдущих цик­лов. Суммарное изображение как бы бежит по экрану. В некоторых случаях изображение может быть устойчивым, но неудобным для анализа. При достаточно высоких частотах сигналов (десятки герц и выше) отдельные изображения в каждом цикле чередуются так быстро, что (из-за инерционности человеческого глаза) накладываются друг на друга, создавая единый образ.

Одни и те же пары сигналов могут создавать разные изображе­ния на экране в зависимости от начальных временных сдвигов напряжений на пластинах.

На рис. 42 приведены примеры изображений для сигналов с различными временными сдвигами. Изображение 1 соответствует паре напряжений U_Y и U_X1. Изображение 2 соответствует паре напряжений U_Y и U_X2, изображение 3 соответствует паре напряжений U_Y и U_X3, изображение 4 соответствует паре напряжений U_Y и U_X4.

Рис. 42. Формирование изображения на экране

Ждущий режим развертки.В отличие от автоколебательного режима развертки режим ждущей развертки позволяет получить повторяющееся устойчивое изображение при периодическом сигнале на входе Y независимо от соотношения периодов напряжения ГР U_ГР и входного напряжения U_Y. При этом цикл работы ГР определяется (задается) неким управляющим напряжением, например входным исследуемым сигналом U_Y. Запуск ГР (начало формирования «пилы») происходит лишь при наличии заданных оператором признаков, например определенного уровня входного сигнала и знака его изменения (производной). На рис. 43 показан случай, соответствующий нулевому уровню запуска (значению входного напряжения U_Y = 0) и положительному изменению входного сигнала (т.е. при его возрастании).

Цикл работы ГР при этом состоит из интервалов рабочего хода – T_р и интервала ожидания – T_ож. Значение Т_рне зависит от периода входного сигнала и задается оператором. Значение Т_ож(точ­нее – момент его окончания) определяется следующим моментом совпадения заданных признаков управляющего сигнала (см. рис. 43).

Рис.43. Режим ждущей развертки

В качестве управляющего запуском развертки сигнала (сигнала синхронизации) могут использоваться:

• входной исследуемый сигнал (внутренний запуск);

• внешний вспомогательный сигнал (внешний запуск);

• сигнал напряжения электрической сети питания ЭЛО.
Режим ждущей развертки удобен в большинстве случаев, по­
этому он наиболее часто используется.

3.2.2. Режим Y – X

В отличие от режима линейной развертки в этом режиме на входы Y и X могут поступать исследуемые сигналы различных форм. Генератор развертки при этом не используется.

Метод эллипса.В режиме круговой (эллиптической) развертки на входы Y и X ЭЛО подаются синусоидальные сигналы одной частоты или разных частот. На рис. 50 приведен пример формиро­вания изображения при поданных на пластины Y и X двух синусо­идальных напряжений одной частоты, сдвинутых друг относи­тельно друга на 90°.

Рис. 44. Режим круговой развертки (режим Y и X)

Если на пластины Y и X поступают два синусоидальных сигнала одной частоты f = 1 / T, но с некоторым сдвигом фаз φ = (D t · 360) / T, то на экране ЭЛТ возникнет изображение наклоненного эллипса, по параметрам которого можно найти значение фазо­вого сдвига φ.

Измерив отрезки а и b,или сиdв изображении эллипса на экране, можно найти фазовый сдвиг φ (рис. 45).

Рис. 45. Определение значения фазового сдвига

Поскольку sin φ = а/b,или sin φ = с/d, то значение фазового сдвига φ определяется таким образом:

φ = arcsin(a/b) = arcsin(c/d).

На рис. 46 приведены примеры изображений для разных зна­чений фазового сдвига φ.

Рис. 46. Изображения на экране в методе эллипса для разных значений фазового сдвига:

а – φ= 0°; б – φ= 30°; в – φ= 60°; г –φ= 90°; д –φ= 180°

Метод фигур Лиссажу.Если на пластины Y и X поступают си­нусоидальные напряжения разных частот f_Y и f_X,то на экране ЭЛТ возникает изображение замкнутой фигуры – фигуры Лиссажу. На рис. 47 показан случай формирования изображения, когда часто­та f_Y вдвое больше частоты f_X.

Рис. 47. Метод фигур Лиссажу

Зная значение одной из частот, можно найти значение другой. Этот метод используется для измерения неизвестной частоты си­нусоидальных сигналов. На один вход ЭЛО (любой), например, на вход Y,подается сигнал неизвестной частоты, на другой – вход X – подается напряжение с выхода генератора синусоидальных сигналов. Изменением частоты сигнала генератора добиваются ус­тойчивого изображения на экране одной из понятных (удобных) фигур Лиссажу. Затем определяется число точек пересечения полу­ченной фигуры горизонтальной и вертикальной линиями (рис. 48, а). Для получения правильного результата линии должны проходить таким образом, чтобы число точек пересечения обе­ими линиями было максимальным.

После этого отсчитывается значение установленной частоты сигнала генератора. Отношение частот f_Y / f_X равно отношению чис­ла точек пересечения по горизонтали N_ги по вертикали N_в:

f_Y / f_X = N_г / N_в.

Рис. 48. Определение точек пересечения (а) или касания (б)

На рис. 48, а приведен пример фигуры Лиссажу с соотноше­нием точек пересечения N_г / N_в = 6/4. Это значит, что частота сиг­нала на входе Y в полтора раза больше, чем частота сигнала на входе X. Например, если частота сигнала генератора, поданного на вход X,оказалась равной 12,4 кГц, то при такой фигуре на экране значение неизвестной частоты сигнала, поданного на вход Y рав­но 18,6 кГц.

Можно использовать и касательные к фигуре линии (см. рис. 48, б),тогда нужно применять аналогичное соотноше­ние, но точек касания горизонтальной и вертикальной каса­тельной.

Общий случай. В режиме Y – X возможна также работа с сигна­лами любых форм.

Понимание принципа управления отклонением луча позволяет априори определить возможную траекторию движения пятна на экране при известных диаграммах сигналов на пластинах. При до­статочном навыке для построения изображения можно обойтись сравнительно небольшим числом точек. Кроме того, для случаев кусочно-линейных сигналов (или хотя бы одного из них) можно упростить процесс построения, рассматривая интервалы време­ни, соответствующие однообразному (постоянному) поведению сигналов, например, постоянным производным, и дающие сразу целые фрагменты траектории, а не только точки. На рис. 49 пока­зан случай двух сигналов с постоянными производными на неко­торых интервалах времени. Легко видеть, что на интервалах 1, 2, 3, 4 на экране будут отрезки прямых линий, что при систематичес­ком и достаточно быстром повторении образует на экране прямоугольник (квадрат).

В этом режиме ЭЛО может использоваться в качестве характериографа – инструмента исследования характеристик электрон­ных, электрических и электромагнитных устройств. Например, с помощью ЭЛО можно получить зависимость выходного напряже­ния четырехполюсника от входного.

Рис. 49. Формирование изображения на экране

3.2.3. Растровый режим (режим Y – X – Z)

В этом режиме на пластины Y и X подаются периодически из­меняющиеся сигналы U_Y и U_X,которые заставляют луч последо­вательно с большой скоростью обегать множество сдвинутых па­раллельных горизонтальных строк (рис. 50). Так формируется растр.

Не вся траектория луча видна на экране. Изменением напря­жения U_Z на модуляторе М ЭЛТ можно управлять яркостью от­дельных элементов траектории. Таким образом можно формиро­вать разнообразные изображения (как графические, так и знако­вые) с помощью множества светящихся точек или небольших фрагментов.

Отрицательное значение напряжения U_Z, как говорят, «запи­рает» ЭЛТ, т.е. резко уменьшает число электронов в пучке, и све­чения пятна на экране при этом не будет. Положительным им­пульсом напряжения U_Z ЭЛТ «открывается» и в соответствующем месте экрана возникает светящееся пятно. В примере на рис. 50 светящиеся в начале каждой строки пятна образуют как бы верти­кальную линию в левой части экрана.

Рис. 50. растровый режим (режимY – X – Z)

Скорость обегания всего экрана должна быть достаточно высо­кой с тем, чтобы обновление всего кадра не замечалось глазом, т.е. не реже 25 раз в секунду.

Число строк также должно быть достаточно большим для обра­зования удовлетворительного по разрешающей способности изобра­жения (образа).

Обычно число строк в этом режиме – не менее нескольких сотен. Чем больше число строк и чем выше скорость изменения кадров, тем выше качество изображения.

Отметим, что подобный режим редко применяется в класси­ческих электронно-лучевых осциллографах, но является основным в электронно-лучевых трубках цифровых осциллографов, телеви­зоров, мониторов персональных компьютеров.