Электронным осциллографом называется устройство для визуального наблюдения и измерения параметров электрических сигналов с помощью электронно-лучевой трубки

Лекция 10

Электронный осциллограф

Принцип действия и обобщенная структура

Электронным осциллографом называется устройство для визуального наблюдения и измерения параметров электрических сигналов с помощью электронно-лучевой трубки.

Строго говоря, это определение справедливо для аналоговых осциллографов, так как индикатором осциллографа может служить не только электронно-лучевая трубка.

Если смысл «измерение» понятен, то «наблюдение» следует определить применительно к осциллографу. «Наблюдение» в данном случае можно определить как представление сигнала в декартовых координатах, где по оси «Х» отложено время, а по оси «У» интенсивность (напряжение) сигнала.

Сначала упрощенно рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки. Трубка представляет собой что-то подобное закрытой колбе, в которой обеспечен вакуум. Внутри трубки (на рис.4.1) помещены элементы электронной оптики, которые генерируют свободные электроны и формируют из них тонкий электронный луч.

Первый анод

Второй анод

Отклоняющие пластины Х

Электронная оптика

Модулятор яркости

Отклоняющие пластины Y

Люминофор

Рис.4.1

За ними помещены аноды, которые разгоняют луч и он с большой скоростью достигает дна трубки, на которое нанесен люминофор – вещество, которое излучает световую энергию в месте, куда попали электроны луча. Яркость свечения тем выше, чем большую энергию «приносит» электронный луч. Поэтому либо электроны должны быть разогнаны до большой скорости, либо луч должен дольше «стоять» в месте свечения – поэтому быстрые процессы, как правило, на экране бледнее, чем медленные. Между анодами и электронной оптикой находится модулятор яркости, напряжение на котором может ускорять или замелять электронный луч, вплоть до того, что он не достигает люминофора – в этом месте не будет свечения. Разогнанный луч попадает в поле двух пар пластин, которые позволяют осуществлять электростатическое отклонение луча. Пластины «Х» расположенные в плоскости рисунка, и могут отклонять луч горизонтально под действием поданного на них напряжения, и пластины «Y», расположенные перпендикулярно плоскости рисунка, и отклоняют луч вертикально. Таким образом, под действием напряжений, поданных на пластины Х и Y можно перемещать луч по всей площади экрана, который образован дном трубки.

Для управления трубкой, таким образом, используются три напряжения, подаваемые на две пары пластин и модулятор.

Так как ось Х отображает время, необходимо подать такое напряжение на пластины Х, которое заставит луч двигаться слева направо с постоянной скоростью – как обычно изображают время на графиках. Это напряжение называется разверткой. Напряжение развертки имеет вид представленный на рисунке 4.3.

На правую (если смотреть на экран трубки) пластину Х подаётся линейно возрастающее напряжение – чем оно больше, тем отрицательные электроны сильнее притягиваются и отклоняются вправо. Аналогично действует напряжение на левой пластине, «отталкивая» электроны луча. Минимальное напряжение соответствует положению луча у правого обреза экрана, максимальное – у левого. Абсолютные значения этих напряжений определяется конструкцией трубки и другими факторами. Обычно рисуют только одно – линейно-возрастающее – напряжение развертки; это же относится к напряжениям, подаваемым на пластины Y.

Напряжение, подаваемое на правую пластину Х

Напряжение, подаваемое На левую пластину Х

U(t)

t

Рис.4.3

Люминофор, который наносится на экран трубки, обладает свойством послесвечения – то есть даже после того, как электроны луча перестали ударяться о люминофор, он продолжает некоторое время светиться. Именно поэтому мы видим на экране изображение сигнала, а не бегущую точку. Это послесвечение может быть разным по длительности.

Длительность развертки - это время, за которое луч проходит от правого образа до левого. Если за время действия развертки на пластины Y подаётся сигнал, то этот сигнал «разворачивается» во времени. Если подавать сигнал на пластины Y и не подавать развертку, то сигнал не разворачивается и на экране будет, независимо от формы подаваемого сигнала, вертикальная линия по центру экрана, высота которой определяется размахом сигнала; если подаётся только напряжение развертки – то горизонтальная линия.

Подан только Подана только

сигнал на пластины развертка Y

Рис.4.4

Длительность развертки (рис.4.5) можно рассматривать как ширину временного окна, через котороё наблюдается сигнал – чем шире окно (длиннее развертка ), тем большая длительность реализации сигнала наблюдается на экране, но так как размеры экрана постоянны, то масштаб будет мельче.

u(t)

Рис.4.5

Важным для работы с осциллографом является режим развертки – то есть когда она «появляется» во времени. Именно это определяет будет ли изображение на экране неподвижным.

Пусть изображение на экране получилось за время первой развертки. В силу послесвечения это изображение будет видно на экране некоторое время после окончания первой развертки. Если вторая развертка появится во время, когда за счет послесвечения на экране присутствует изображение от первой развертки, то на экране появятся два изображения – от первой и второй. То же будет повторяться и для последующих разверток и, если получающиеся изображения сдвинуты, будет казаться, что изображение движется (это справедливо, если наблюдаются сигналы одинаковой формы). Таким образом, неподвижным будет казаться такое изображение, которое «нарисовалось» «след в след», то есть изображение от последующей развертки точно «укладывается» в след изображения от предыдущей, которое будет оставаться на экране из-за послесвечения люминофора. Ясно, что «след в след» могут попадать только одинаковые сигналы, следовательно, не может быть единого условия неподвижного изображения.

Для определения условий неподвижного изображения разобьём все сигналы, встречающиеся на практике, на три группы:

1. Периодические сигналы, то есть сигналы, для которых выполняется условие:

u(t) = u(t+kT),

где Т – период, k- целое число, которое может принимать любые целочисленное значения от 1,2 и далее.

2. Сигналы одинаковой формы, но не имеющие периода.

3. Все остальные сигналы.

Такое разбиение (классификация) сигналов не претендует на универсальность, но для рассматриваемых вопросов – удобно.