Назначение и принцип работы электронно-лучевого осциллографа

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) предназначен для изучения функциональных связей между двумя или несколькими электрическими напряжениями. Принцип работы ЭЛО основан на визуализации следа тонкого электрического луча на люминесцирующем экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

ЭЛТ (рисунок 1) состоит из электронно-лучевой пушки 1, двух пар отклоняющих пластин «Х» и «Y» и люминесцирующего экрана 2.

Электронно-лучевая пушка представляет собой электронно-оптическую систему, формирующую тонкий электронный пучок (электронный луч), который, проходя через отклоняющие пластины «Х» и «Y», отклоняется пропорционально поданным напряжениям и . Результатом этого являются отклонения луча на экране трубки по осям и , пропорциональные соответствующим напряжениям, приложенным к отклоняющим пластинам. Попадая на люминесцирующий экран 2, электронный луч вызывает свечение, которое продолжается в течение облучения, а также и после окончания, в течение времени люминесценции.

При непрерывном изменении во времени и на экране формируется светящаяся траектория, отражающая функциональную зависимость от , называемая осциллограммой.

Чаще всего осциллограмма отражает временную зависимость , для этого в качестве используется линейно растущее во времени напряжение , где – время, – скорость нарастания напряжения.

По такой осциллограмме можно определить полярность, амплитуду и длительность сигнала.

Осциллограф имеет проградуированную в вольтах шкалу по вертикали и в секундах по горизонтали. Это обеспечивает возможность одновременного наблюдения и измерения величины сигнала во времени.

Упрощенная блок-схема осциллографа в режиме исследования временной зависимости сигнала приведена на рисунке 2.

Исследуемый сигнал А поступает на вход усилителя вертикального отклонения, предназначенного для согласования величины отклонения луча с величиной входного сигнала. Коэффициент усиления усилителя изменяется регулировкой «Вольт/деление».

Горизонтальное перемещение луча создается генератором развертки, который формирует для этой цели пилообразное напряжение Е, время нарастания которого контролируется регулировкой «Время/деление». Кроме того, генератор пилообразного напряжения формирует на время прямого хода импульс подсвета луча F, «открывающий» электронно-лучевую пушку. На время обратного хода электронная пушка «закрывается» и свечения экрана не происходит.

Пилообразное напряжение поступает на вход усилителя горизонтального отклонения, который обеспечивает на выходе два противофазных напряжения, пропорциональных входному, которые подаются на горизонтально отклоняющие пластины. Электронный луч перемещается по экрану с постоянной скоростью, создавая, таким образом, линейную развертку времени. Скорость развертки изменяется регулировкой «Время/деление».

Для получения стабильного изображения каждая новая развертка должна начинаться с одной и той же точки исследуемого сигнала. Это обеспечивается подачей исследуемого сигнала В с усилителя вертикального отклонения на синхронизатор, который формирует импульс запуска генератора развертки Д в момент, соответствующий выбранной точке сигнала по времени.

Поскольку срабатывание синхронизатора требует определенного времени, то в тракт исследуемого сигнала высокоскоростных осциллографов вводится линия задержки, на которой исследуемый сигнал задерживается на величину времени задержки .

2. Основные способы исследования переменных напряжений с помощью осциллографа

2.1. Измерения в режиме непрерывной развертки (автоколебательном режиме)

Этот режим может быть использован только для наблюдения периодических колебаний с достаточно стабильной частотой.

При этих измерениях генератор развертки (ГР) осциллографа работает в режиме автоколебаний, частота которых регулируется.

Для получения неподвижной осциллограммы период колебаний напряжения генератора развертки должен быть кратен периоду колебаний исследуемого напряжения. Поскольку из-за нестабильности периодов ГР и исследуемого сигнала это условие постоянно нарушается, то для его восстановления применяется схема синхронизации, роль которой в этом режиме сводится к автоматической подстройке частоты колебаний генератора развертки.

Измерение промежутков времени осуществляется по измерению расстояния по горизонтальной оси между двумя точками и переводу его во временной интервал в соответствии с положением переключателя «Вольт/деление».

2.2. Измерение в режиме ждущей развертки с синхронизацией исследуемым сигналом

Режим ждущей развертки может быть применен для исследования как периодических, так и непериодических процессов. В этом режиме генератор развертки начинает формировать пилообразное напряжение только после прихода импульса запуска, который формируется синхронизатором в определенной точке исследуемого сигнала так, как это было описано в разделе 1.

Поскольку до прихода импульса запуска напряжение на выходе генератора развертки не меняется, то в отсутствии входного сигнала развертка на экране осциллографа не наблюдается. Этот факт может быть использован для проверки правильности выбора режима: при отключении входного сигнала развертка должна исчезать.

2.3. Измерение в режиме ждущей развертки с синхронизацией внешним сигналом

Этот режим может быть применен для исследования синхронных периодических и непериодических процессов. В этом случае начало развертки может быть синхронизировано одним из процессов, а исследоваться другой.

Для примера рассмотрим два синхронных напряжения, эпюры которых приведены на рисунке 3.

Как видно из рисунка 3, напряжение меняется синхронно с . Поэтому для наблюдения можно запускать развертку напряжением . При этом на экране осциллографа будет наблюдаться осциллограмма, приведенная на рисунке 4.

Практически этот режим осуществляется переключением синхронизатора в режим внешней синхронизации: подачей на вход синхронизации напряжения , а на вход усилителя вертикального отклонения – напряжения .

Проверка правильности выбора режима может быть осуществлена отключением синхронизирующего напряжения от входа внешней синхронизации, что должно приводить к исчезновению развертки.

Режим ждущей развертки с синхронизацией внешним сигналом может быть использован для измерения временной задержки одного сигнала относительно другого, например, для измерения сдвига фаз двух напряжений.

Для измерения сдвига фаз необходимо синхронизировать развертку внешним сигналом, подать его параллельно на вход вертикального отклонения осциллографа и запомнить положение на экране характерных точек осциллограммы (точка на осциллограмме 1 рисунка 5).

После этого, не меняя условий внешней синхронизации, подать на вход вертикального отклонения исследуемый сигнал (осциллограмма 2). Измерив расстояние между соответствующими точками (т.т. и на рисунке 5), поделив его на период колебаний ( на рисунке 5) и умножив на 2p, получим сдвиг фаз j в радианах (или в градусах, если умножить на 360^о).

Для примера, на рисунке 5 (рад) ( (град)), причем напряжение 2 опережает напряжение1 на угол , т.к. соответствующая ему точка достигается по времени раньше, чем точка .