5-3. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ РАЗВЕРТКИ

Если на электронный луч одновременно воздействуют два переменных напряжения и их, то на экране осциллографа появляется осциллограмма в виде линии или фигуры, представляющей собой исследуемый сигнал, развернутый по оси X по закону изменения напряжения развертки. В зависимости от формы последнего развертка бывает линейной и синусоидальной. Используются также круговая и спиральная развертки.

Линейная развертка. Наиболее распространенным видом развертки осциллограммы является линейная развертка. Напряжение этой развертки имеет форму пилообразного импульса, т. е. возрастает пропорционально времени, и поэтому луч с равномерной скоростью перемещается по экрану слева направо. В момент достижения лучом края экрана напряжение развертки в идеальном случае мгновенно уменьшается до нуля и луч также мгновенно перебрасывается к левому краю экрана трубки. Далее процесс повторяется и луч чертит на экране прямую линию развертки. Напряжение развертки подается на пластины X, и поэтому линия развертки горизонтальна. Развертка будет линейной, если в пределах ее длительности пилообразное напряжение (рис. 5-5, а) изменяется пропорционально времени:

где размах пилообразного напряжения, его длительность.

Рис. 5-5. Форма напряжения линейной развертки: а — идеализированная; реальная

При подаче на пластины напряжения исследуемого сигнала луч получает дополнительное отклонение по вертикали и на экране появляется осциллограмма сигнала в функции времени: (рис. 5-6). Для наблюдения и фотографирования осциллограммы она должна быть неподвижной, что возможно только при соблюдении равенства или кратности длительности развертки периоду сигнала

Реальная форма пилообразного напряжения развертки отличается от идеализированной (рис. 5-5, б): импульс нарастает нелинейно и спадает до нуля не мгновенно. Поэтому луч движется по экрану с непостоянной скоростью и в осциллограмме появляются искажения. Реальная форма кривой развертывающего напряжения получается от релаксационных генераторов развертки, работающих на принципе заряда и разряда конденсатора через резистор или

стабилизатор тока. Кривая напряжения состоит из трех участков, соответствующих интервалам времени прямого и обратного хода луча и блокировки Сумма этих интервалов (длительностей) составляет период развертки Рабочим интервалом времени является прямой ход луча; его длительность много больше длительности обратного хода. Длительность блокировки определяется временем восстановления транзисторной схемы генератора развертки и при высокочастотной развертке может быть соизмерима с длительностью прямого хода луча.

Рис. 5-6. Получение осциллограммы при линейной развертке

Линейная периодическая развертка характеризуется частотой развертки, размахом пилообразного напряжения, коэффициентом нелинейности, скоростью перемещения луча или коэффициентом развертки.

Частота развертки определяет число перемещений луча по экрану трубки в течение одной секунды. Применяются развертки с частотами от единиц герц до десятков мегагерц. Размах напряжения развертки должен быть достаточным для полного отклонения луча в пределах экрана трубки и поэтому составляет сотни вольт. Коэффициент нелинейности характеризует непостоянство скорости движения луча в пределах его прямого хода. Здесь (рис. 5-5,б) - углы между кривой напряжения и осью абсцисс в начале и конце прямого хода. Коэффициент нелинейности в универсальных осциллографах достигает 5, а в специальных —

Скоростью развертки называют путь прямого хода луча в единицу времени: где чувствительность электронно-лучевой трубки по оси отрезок пути луча, обычно принимаемый равным диаметру (ширине) экрана. Скорость развертки в универсальных осциллографах составляет от единиц сантиметров до десятков километров в секунду, а в скоростных — достигает десятков тысяч километров в секунду.

Вместо скорости удобнее пользоваться коэффициентом развертки которым определяется время, необходимое для пробега лучом пути в 1 см (1 дел) вдоль оси Универсальные осциллографы характеризуются коэффициентом развертки от 10 с/см до а скоростные — от до 0,1 нс/см.

Линейная непрерывная развертка пригодна для наблюдения любых непрерывных периодических сигналов и последовательностей импульсов с малой скважностью. При исследовании импульсов с большой скважностью, у когорт; период повторения много больше длительности импульсов, может быть два случая: период развертки установлен равным периоду повторения и период развертки близок к длительности импульса; в обоих случаях осциллограммы непригодны для наблюдения. В первом изображение импульса будет слишком узким, во втором — бледным и неустойчивым. Причина малой яркости и неустойчивости заключается в том, что за период повторения импульсов совершается много пробегов луча, из которых лишь один «рисует» импульс. Непериодические, случайные и однократные сигналы наблюдать с помощью периодической развертки принципиально невозможно.

Осциллографирование импульсов большой скважности, а также непериодических, случайных и однократных сигналов осуществляют с помощью линейной ждущей развертки. Сущность ее заключается в том, что в отсутствии сигнала на входе развертывающее напряжение не вырабатывается, генератор развертки «ждет»; поступающий на вход исследуемый сигнал через блок синхронизации (см. рис. 5-1) запускает генератор развертки, который вырабатывает одиночный пилообразный импульс, поступающий на пластины Длительность и коэффициент развертки должны соответствовать аналогичным параметрам сигнала. Для воспроизведения на экране осциллографа переднего фронта сигнала нужно, чтобы импульс развертки поступил на пластины X чуть раньше, чем исследуемый сигнал на пластины Для этого последний нужно задержать на

некоторый интервал времени Задержка осуществляется в канале с помощью линии задержки ЛЗ (см. рис. 5-1). Длительность прямого хода луча следует устанавливать несколько большей длительности исследуемого сигнала.

В режиме «ожидания» электронный луч не движется и находшся в левой части экрана, образуя светящуюся точку на люминофоре. Для предотвращения его прогорания следует яркость этой точки ручной регулировкой яркости свести к минимуму или полностью погасить луч. При поступлении сигнала и начале развертки на модулятор трубки через канал поступает положительный импульс подсветки, открывающий электронно-лучевую трубку. Длительность импульса подсветки должна быть связана с длительностью прямого хода луча, поэтому он снимается с соответствующей точки схемы генератора развертки.

Рис. 5-7. Диаграмма задержки сигнала относительно развертки

В режиме непрерывной развертки линия развертки или осциллограмма существует все время наблюдения, поэтому подсветка не нужна. След обратного хода луча и яркая точка, возникающая во время блокировки, устраняются гасящим импульсом, длительность которого должна быть равной сумме Отрицательный гасящий импульс также снимается с некоторой точки схемы генератора развертки и подается на модулятор трубки (на катод — положительный).

Имеются электронно-лучевые трубки, у которых луч не гасится, а выводится за пределы экрана с помощью дополнительных, так называемых бланкирующих пластин, входящих в состав электронной пушки. Необходимое для них напряжение формируется отдельным устройством, управляемым напряжением генератора развертки.

Синусоидальная развертка. Для получения синусоидальной развертки на пластины X подают гармоиическое напряжение Положительный полупериод напряжения развертки вызывает перемещение луча от центра экрана до его правой границы и обратно; отрицательный полу период — от центра экрана до его левой границы и обратно к центру. Скорость перемещения луча изменяется

по синусоидальному закону, поэтому, хотя линия развертки представляет собой горизонтальную линию, синусоидальная развертка является нелинейной. Мгновенные значения отклонения луча по горизонтали

где а — амплитуда отклонения луча; чувствительность трубки в горизонтальном направлении.

Если на пластины подать напряжение вида т. е. той же частоты и формы, что и на пластины X, но имеющее начальный фазовый сдвиг то мгновенные значения отклонения луча по вертикали

где амплитуда отклонения луча и чувствительность трубки в вертикальном направлении.

При одновременном воздействии этих напряжений на луч его след на экране представляет собой фигуру Лиссажу, форму которой легко определить путем исключения времени из уравнений и и выражения у через Из равенства находим

Подставив в формулу значение и воспользовавшись формулой получаем

Формула является уравнением эллипса, т. е. фигура Лиссажу на экране трубки представляет собой эллипс, форма которого зависит от амплитуд отклонений электронного луча по вертикали и горизонтали и начальной фазы одного из напряжений Например, если то если то т. е. в этих случаях эллипс вырождается в прямые, наклоненные под углом к оси При равенстве амплитуд отклонений прямые наклонены под углом 45° или 135° к горизонтальной оси соответственно. Если или 270°, то Это уравнение эллипса с полуосями, совпадающими с осями координат. При условии равенства осциллограмма принимает вид окружности с радиусом Таким образом, форма и наклон эллипса являются признаками фазового сдвига между отклоняющими напряжениями (рис. 5-8, а).

При неравных частотах и разных начальных фазах фигуры Лиссажу приобретают более сложный вид (рис. 5-8, б).

Осциллограмма при синусоидальной развертке неподвижна только при условии равенства или кратности периодов или частоты приложенных напряжений: При этом в течение интервала времени периоды обоих напряжений повторяются целое число раз и луч возвращается в исходное положение.

Рис. 5-8. Фигуры Лиссажу: а — при равенстве частот сигнала и развертки, но разных фазовых сдвигах между ними; б - при разных кратностях частот

При дробном изображение перемещается по экрану тем быстрее, чем больше различие частот.

Синусоидальная развертка применяется для измерения фазового сдвига, частоты, параметров модулированных колебаний и других величин, о чем будет подробно изложено в соответствующих разделах книги.

Рис. 5-9. Схема получения круговой развертки

На основе синусоидальной развертки можно получить так называемую круговую (эллиптическую) развертку. Для этого гармоническое напряжение и с помощью фазо-расщепляющей -цепи (рис. 5-9) преобразуется в два напряжения, сдвинутые на 90° относительно друг друга. Эти напряжения подаются на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины, в результате на экране осциллографа получается осциллограмма в виде окружности или эллипса — линия круговой развертки. В течение периода развертывающего напряжения окружность совершает один оборот, т. е. число оборотов в секунду равно частоте развертывающего напряжения. Применение круговой развертки удлиняет линию развертки в раз по сравнению с линейной разверткой и улучшает условия исследования.

Круговая развертка используется для измерения фазового сдвига, для сравнения частот и др. Исследуемый сигнал, как правило, подается через канал на модулятор трубки и воздействует на яркость следа луча (см. рис. 8-11).