5-4. КАНАЛЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ

Канал вертикального отклонения. Канал предназначен для передачи исследуемого сигнала от входа осциллографа на пластины с минимальными допустимыми искажениями. На вход осциллографа может быть подан сигнал в виде переменного или постоянного напряжения любого значения, формы и полярности, поэтому в состав канала входят: ступенчатый аттенюатор, усилитель, линия задержки и коммутируемый разделительный конденсатор для обеспечения работы осциллографа с открытым или закрытым входом.

Рис. 5-10. Структурная схема канала вертикального отклонения

Канал У (рис. 5-10) характеризуется входным сопротивлением и входной емкостью; максимальным допустимым входным напряжением; коэффициентом отклонения нелинейностью отклонения; полосой пропускания; длительностью задержки сигнала.

Аттенюатор предназначен для калиброванного ступенчатого изменения коэффициента отклонения путем ослабления входного сигнала в раз. Ослабление не должно зависеть от частоты, поэтому аттенюаторы выполняются по схеме резистивно-емкостного делителя напряжения (см. рис. 1-4, в). Он также обеспечивает высокое входное сопротивление и малую входную емкость. Иногда осциллографу придается дополнительный внешний делитель. При его включении входное сопротивление возрастает, а входная емкость уменьшается в 3-4 раза. Если осциллограф предназначен для исследования широкополосных импульсных сигналов, то наряду с высокоомным входом предусматривается и низкоомный (50 или 75 Ом), представляющий собой нагрузку для коаксиального кабеля, по которому подается исследуемый сигнал.

Сигнал с выхода аттенюатора поступает на вход усилителя, который состоит из входного каскада предварительного и оконечного усилителей. Коэффициент усиления определяется по чувствительности используемой трубки и минимальному значению коэффициента отклонения: Например, при

Входной каскад предназначен для преобразования большого сопротивления аттенюатора в малое выходное сопротивление, необходимое для согласования его с входом транзисторного предварительного усилителя. Входной каскад выполняется по схеме истокового, эмиттерного или катодного повторителя; его коэффициент усиления близок к 1.

Предварительный усилитель предназначен для усиления исследуемых сигналов в полосе частот осциллографа при минимальных допустимых амплитудных, частотных и фазовых искажениях. В универсальных осциллографах полоса пропускания лежит в пределах в осциллографах с отклонением луча с помощью линии бегущей волны —

В предварительном усилителе предусмотрены органы плавного регулирования коэффициента усиления и смещения (центровки) электронного луча по вертикали. Каскады усилителя строятся по симметричным схемам на маломощных высокочастотных транзисторах с коррекцией амплитуда о- и фазочастотных характеристик и глубокой обратной связью. Для повышения устойчивости и получения большей широкополосности каскады предварительных усилителей часто строят по каскодным схемам. Выходной каскад предварительного усилителя нагружается на низкоомную линию задержки ЛЗ. В качестве линии задержки используют искусственные линии с сосредоточенными постоянными, спиральные кабели задержки и радиочастотные коаксиальные кабели.

Искусственная линия представляет собой ряд LC-звеньев, соединенных по схеме фильтра нижних частот (рис. 5-11, а). Волновое сопротивление одного звена и всей линии одинаково и равно Ом, где индуктивность и емкость звена. Вход и выход линии нагружаются на сопротивления, равные ее волновому, поэтому она вносит минимальные искажения в форму исследуемого сигнала. Отдельное звено, нагруженное на пропускает без ослабления спектр частот от до некоторой граничной частоты в этой полосе фазочастотная

характеристика приближенно определяется выражением Временная задержка, являющаяся производной фазочастотной характеристики,

Общее время задержки линии из звеньев (рис, 5-11, б)

Удобным задерживающим устройством является отрезок специально разработанного для этой цели спирального кабеля задержки (рис. 5-11, в). Внутренний проводник в таком кабеле выполнен в виде спирали, навитой на изоляцию, что увеличивает время задержки.

Рис. 5-11. Линии задержки

Погонная задержка где коэффициент укорочения длины волны в кабеле относительно длины волны в свободном пространстве ; с — скорость света в вакууме. Например, кабель типа [7] с волновым сопротивлением 200 Ом и коэффициентом укорочения 70 имеет погонную задержку и может применяться до частоты Задержка обычного коаксиального кабеля составляет

Оконечный усилитель предназначен для создания двух симметричных противофазных напряжений, достаточных для отклонения луча электронно-лучевой трубки в пределах экрана по вертикали. Максимальное отклоняющее напряжение определяется по формуле: где максимальное отклонение по вертикали, чувствительность трубки, Для обеспечения малых нелинейных искажений напряжение выходного каскада должно быть больше максимального отклоняющего напряжения, по крайней мере, в три раза.

Оконечный каскад нагружен на емкостную нагрузку, состоящую из параллельного соединения емкости отклоняющих пластин со всеми электродами трубки, собственной емкости пластин и емкости монтажа. В емкость выходной

цепи каскада входит также емкость коллекторного перехода транзисторов. Если оконечный усилитель работает на нагрузку типа линии бегущей волны, то нагрузку можно считать чисто активной и равной волновому сопротивлению отклоняющей линии. Для обеспечения линейности амплитудной и фазочастотной характеристик используется глубокая отрицательная обратная связь и работа на линейном участке характеристики транзисторов.

Рис. 5-12. (см. скан) Упрощеннавя схема широкополосного усилителя вертикального отклонения луча

В качестве примера на рис. 5-12 приведена упрощенная схема усилителя верти кального отклонения с полосой пропускания временем нарастания переходной характеристики и выбросом на переходной характеристике Усилитель трехкаскадный: первый и второй каскады — предварительный усилитель, третий каскад — оконечный. Все каскады выполнены по каскодной схеме. На вход транзисторов поступает напряжение после

линии задержки; выход транзисторов Гц, нагружен на волновое сопротивление отклоняющей линии бегущей волны.

Первый каскад (транзисторы представляет собой каскодную схему общий эмиттер — общая база с параллельным питанием. Напряжение от источника питания 12,6 В подается в коллекторные цепи транзисторов и к эмиттерам транзисторов через резисторы Переменный резистор служит для устранения разбаланса усилителя в режиме покоя, т. е. для центровки смещения луча в вертикальном направлении. Цепи создают эмиттерную коррекцию амплитудно-частотной характеристики каскада.

Второй каскад (транзисторы выполнен по каскадной схеме с последовательным питанием. Переменный резистор служит для регулировки усиления в пределах Связь между первым и вторым каскадами -образная, индуктивная, выполнена на элементах Такая связь обеспечивает постоянство входного сопротивления второго каскада, равное сопротивлению резисторов и расширение полосы пропускания по сравнению с другими видами связи. Трансформатор , включенный в эмиттерные цепи представляет собой ферритовое кольцо размером с обмотками но одному витку монтажного провода. Трансформатор улучшает фазовую характеристику усилителя и устраняет опасность самовозбуждения.

Третий каскад (транзисторы ) также выполнен по каскодной схеме с последовательным питанием. Резисторы включены на выходе линии бегущей волны, и их сопротивления согласованы с волновым сопротивлением линии. Элементы компенсируют емкость выходного каскада.

На схеме опущены вспомогательные цепи: температурной компенсации, демпфирующие, выравнивающие амплитудно-частотную характеристику; вследствие этого порядок нумерации элементов на рис. 5-12 нарушен.

Канал горизонтального отклонения. Канал X предназначен для отклонения луча по горизонтали. Для непрерывной развертки формируется периодическое пилообразное напряжение, синхронное с исследуемым сигналом. Для ждущей развертки импульсы пилообразной формы получаются путем запуска вспомогательным или исследуемым сигналом формирующего устройства. Для однократной развертки импульс развертки получается при нажатии

кнопки «пуск». Канал X состоит из селектора синхронизации, генератора развертки и усилителя. Он характеризуется диапазоном синхронизирующих частот и напряжений, коэффициентом развертки входными сопротивлением и емкостью синхронизирующего устройства и усилителя и полосой пропускания последнего. Коэффициент развертки калибруется с большой точностью и его можно изменять ступенями с кратностью 1, 2, 5.

Главной частью канала X является генератор развертки, работающий с широкими пределами регулировки частоты непрерывной развертки или длительностей импульсов пилообразной формы при ждущей развертке. Принцип получения пилообразного напряжения заключается в заряде конденсатора для получения прямого хода луча и разряде — для обратного.

Рис. 5-13. Структурная схема генератора развертки

Линейность нарастания напряжения при заряде достигается применением стабилизатора тока в зарядной цепи или использованием глубокой отрицательной обратной связи при заряде конденсатора через резистор. Переключение конденсатора с заряда на разряд происходит автоматически с помощью электронного быстродействующего переключателя. При непрерывной развертке этот процесс периодически повторяется, при ждущей и однократной — вызывается внешним воздействием.

Генератор развертки (рис. 5-13) состоит из формирующего устройства управляющего устройства устройства формирования пилообразных импульсов и устройства сравнения и блокировки

Формирующее устройство предназначено для преобразования сигналов синхронизации любой формы в импульсы, крутизна фронта и высота которых не зависит от параметров входного сигнала. Оно состоит из усилителя и формирователя запускающих импульсов.

Управляющее устройство вырабатывает прямоугольный импульс, длительность которого определяет время прямого хода луча. Запускающий импульс переводит управляющее

устройство из исходного состояния в рабочее, и в устройстве формирования пилообразных импульсов начинает нарастать напряжение прямого хода. Это напряжение поступает на усилитель X и одновременно в устройство сравнения и блокировки. При достижении пилообразным импульсом установленного уровня сравнения управляющее устройство возвращается в исходное состояние и прямой ход прекращается. В устройстве формирования начинается спад напряжения (обратный ход), и оно также возвращается в исходное состояние. В связи с резким переходом от прямого хода к обратному в устройстве формирования пилообразных импульсов возникает переходный процесс, до окончания которого управляющее устройство не должно реагировать на запускающие импульсы, т. е. должно находиться в исходном состоянии. Это требование реализуется устройством сравнения и блокировки. Процесс «торможения» перехода управляющего устройства от исходного состояния к рабочему называется блокировкой генератора развертки. В качестве управляющего устройства применяются несимметричные триггеры с эмиттерной связью (рис. 5-14) или схемы с использованием туннельного диода, обладающие большим быстродействием.

Рис. 5-14. Упрощенная схема управляющего устройства генератора развертки

Рассмотренный процесс работы управляющего устройства соответствует режиму ждущей развертки. Чтобы осуществить режим непрерывной развертки, нужно перевести генератор развертки в автоколебательный режим. Для этого управляющее устройство, например триггер, показанный на рис. 5-14, с помощью потенциометра («Стабильность») превращается в устройство с одним устойчивым состоянием, соответствующим прямому ходу луча. При достижении пилообразным напряжением заданного уровня (конец прямого хода) устройство блокировки вырабатывает импульс, переводящий триггер в неустойчивое состояние, начинается обратный ход и процесс восстановления формирующего устройства. После окончания действия импульса

блокировки триггер возвращается в рабочее (устойчивое) состояние самостоятельно, без запускающего импульса.

Устройство сравнения и блокировки можно построить по различным схемам. Одна из них (рис. 5-15) работает следующим образом. В исходном состоянии транзистор закрыт, так как напряжение смещения равно нулю вследствие соединения базы транзистора с эмиттером через резистор На его базе с помощью делителя установлен некоторый положительный относительно коллектора потенциал. Ток через туннельный диод не протекает, и транзистор закрыт; напряжение на его коллекторе равно 10 В. Диод закрыт вследствие наличия потенциала на его катоде более высокого, чем на аноде. Диод открыт.

Рис. 5-15. Упрощенная схема устройства сравнения и блокировки

Во время прямого хода положительное пилообразное напряжение поступает на эмиттер транзистора и последний откроется в момент равенства пилообразного напряжения потенциалу его базы, установленному с помощью резистора . В цепи туннельного диода возникнет ток, при котором установится режим диода с большим напряжением. Транзистор Т открывается, напряжение на его коллекторе падает, и диод открывается. Это приводит к быстрому разряду конденсатора через диод и транзистор Ту и уменьшению напряжения на входе управляющего устройства до значения, при котором оно переходит в исходное состояние; процесс формирования прямого хода развертки заканчивается.

Во время обратного хода развертки потенциал на аноде быстро понижается, транзистор закрывается, диод и транзистор возвращаются в исходное состояние. Начинается медленный заряд конденсатора через резистор Постоянная времени цепи выбрана такой, чтобы за время заряда все переходные процессы

закончились. Когда напряжение на конденсаторе достигнет уровня, установленного на катоде диода с помощью потенциометра управляющее устройство становится чувствительным к запускающим импульсам. С помощью резистора производится установка максимального значения пилообразного напряжения на выходе формирующего устройства, без изменения его крутизны.

Устройство формирования пилообразных импульсов в большинстве современных осциллографов реализуется по схеме интегратора Миллера, представляющего собой усилитель постоянного тока с отрицательной обратной связью, осуществляемой через конденсатор. Одна из простых схем формирователя (рис. 5-16) состоит из усилителя, работающего на транзисторе по схеме с общим эмиттером, и переключателя (на транзисторе . В исходном состоянии транзистор насыщен, диоды открыты, транзистор закрыт. При наличии на входе управляющего импульса транзистор и диоды и Да запираются, транзистор открывается. Конденсатор С заряжается, формируя прямой ход напряжения развертки. На базе транзистора происходит скачок напряжения; скачок на выходе формирователя устраняется с помощью резистора с небольшим сопротивлением Когда управляющий импульс закончится, начинается обратный ход — конденсатор С разряжается.

Рис. 5-16. Простейшая схема формирователя пилообразных импульсов

Улучшение формы пилообразного напряжения достигается увеличением входного и уменьшением выходного сопротивлений усилителя. Одним из способов получения требуемых значений этих сопротивлений является применение на входе истокового повторителя, а на выходе — эмиттерного повторителя.

После рассмотрения отдельных узлов генератора развертки рассмотрим его полную схему (рис. 5-17). Здесь управляющее устройство состоит из диода туннельного диода и транзистора Формирователь пилообразного напряжения выполнен по схеме интегратора Миллера;

(кликните для просмотра скана)

в него входят: усилитель на полевом транзисторе каскад усиления с общим эмиттером и эмиттерный повторитель, выполненные на микросхеме Коэффициент развертки (длительность прямого хода, частота) устанавливается переключением конденсатора С и резистора скачками и с помощью резистора плавно. Устройство сравнения и блокировки состоит из микросхемы транзистора и туннельного диода Кроме перечисленных узлов в схему генератора развертки входит микросхема транзистор которой используется для фиксации начального уровня пилообразного напряжения и уменьшения длительности обратного хода, а также микросхема с помощью которой устанавливается режим ждущей или непрерывной развертки.

В ждущем режиме уровень напряжения на базе транзистора микросхемы устанавливается равным 2,3 В с помощью устройства управления режимом, поэтому туннельный диод находится в режиме с малым напряжением, транзистор закрыт, транзистор микросхемы насыщен и шунтирует конденсатор С. Когда через диод поступает положительный запускающий импульс, туннельный диод переходит в режим с большим напряжением транзистор открывается, транзистор микросхемы закрывается и конденсатор С заряжается: интегратор формирует линейно растущее напряжение. С выхода эмиттерного повторителя (транзистор микросхемы это напряжение поступает на вход усилителя X и сравнивающее устройство. Когда уровень пилообразного напряжения достигнет 7,5 В, на туннельном диоде устанавливается большое напряжение, транзистор открывается и блокировочный конденсатор через диод быстро разряжается, потенциал базы транзистора микросхемы Мех понижается и транзистор запирается. Начинается обратный ход: транзистор микросхемы открывается, и конденсатор С быстро разряжается. Когда напряжение на выходе понижается до 4 В, на туннельном диоде устанавливается малое напряжение и транзистор и диод закрываются; начинается заряд конденсатора через резистор Пока напряжение на не достигнет исходного уровня, устанавливаемого при помощи транзистора (в диодном включении) микросхемы ток туннельного диода мал и запускающий импульс не может перевести его в режим с большим напряжением — генератор блокируется.

В автоколебательном режиме на базе транзистора

микросхемы должно быть зафиксировано напряжение 4 В, при котором на туннельном диоде устанавливается большое напряжение без запускающего сигнала.

Рассмотренный генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение с длительностью прямого хода от до 1,6 с, т.е. коэффициент развертки составляет ; размах напряжения около 6 В.

Усилитель горизонтального отклонения выполняется по балансной схеме усилителя постоянного тока с глубокой отрицательной обратной связью. Предусматривается возможность скачкообразного и плавного изменения коэффициента усиления, а значит, и коэффициента развертки. Двухтактный выход усилителя X связан с горизонтально отклоняющими пластинами гальванической связью.

В качестве примера рассмотрим однокаскадную схему усилителя (рис. 5-18), обеспечивающую полосу пропускания и размах выходного напряжения на каждом плече по 40 В. Усилитель собран на одной микросхеме (транзисторная сборка типа и двух транзисторах средней мощности Входной эмиттерный повторитель выполнен на транзисторе Выходной каскад — фазоинвертор с эмиттерной связью — работает на транзисторах ; в эмиттерной цепи этих транзисторов вместо высокоомных резисторов включены генераторы постоянного тока (транзисторы Потенциал на базе транзистора устанавливается с помощью транзистора включенного по схеме с общим коллектором. Изменяя потенциал базы транзистора можно управлять положением луча по горизонтали и симметрировать плечи усилителя.

Резистор предназначен для точной установки глубины обратной связи и коэффициента усиления, что позволяет калибровать коэффициент развертки. С помощью переключателя глубину обратной связи можно изменять скачком. В положении она в пять раз меньше, чем в положении усиление и скорость развертки соответственно возрастают. Точное соотношение их значений при переключении устанавливают с помощью резистора Предусмотрена коррекция амплитудно-частотной характеристики усилителя, для чего в цепи обратной связи включены подстроечные конденсатор и резистор

Канал управления яркостью. Канал предназначен для управления током луча с целью установки необходимой яркости изображения на экране трубки, а также высвечивания или гашения (подсвета или бланкирования) части

осциллограммы. Установка яркости производится вручную (см. рис. 5-2), а подсвет или бланкирование — автоматически, путем подачи в цепь модулятор — катод импульсов напряжения соответствующей полярности. Импульсы должны совпадать по времени с прямым (подсвет) и обратным (гашение) ходами луча, и потому они снимаются с соответствующих точек схемы генератора развертки.

Рис. 5-18. Принципиальная схема усилителя горизонтального отклонения луча

Изменение яркости получается за счет изменения плотности электронного потока в луче.

Существует и другой способ подсвета и гашения осциллограммы. Он осуществляется путем подачи соответствующих импульсов на дополнительные, так называемые бланкирующие пластины, расположенные внутри электроннолучевой трубки между первым анодом и диафрагмой с

малым отверстием. Импульс напряжения, приложенный к бланкирующим пластинам, отклоняет луч за пределы диафрагмы, и экран затемняется; плотность луча при этом не изменяется. Такой способ применяется в осциллографах со сравнительно узкой полосой пропускания и имеет ограниченное распространение.

В цепь модулятор — катод подают калиброванное напряжение для измерения длительности линии развертки или исследуемого сигнала, а также напряжение сигнала при круговой развертке. В этих случаях осциллограмма приобретает вид штриховой линии: темный штрих вызывается отрицательным, светлый — положительным полупериодом напряжения, поданного в цепь модулятор — катод трубки. Темный и светлый штрихи называются метками. Цена метки в единицах времени (длительность светлого и темного штрихов) равна периоду калиброванного сигнала. Этот сигнал должен иметь прямоугольную форму и определенный уровень, поэтому в канале предусматривается усилитель, состоящий из формирующего и оконечного каскадов. Схемы каналов чрезвычайно разнообразны, и выделить типовую из них трудно. Однако чаще всего в качестве формирующего каскада применяются триггеры, а оконечного — эмиттерные повторители, выполненные на высокочастотных транзисторах средней мощности.