Основні відомості

Електронно-променевий осцилограф – прилад для візуального спостереження форми кривої електричних сигналів, а також для вимірювання різних параметрів сигналів (амплітуди, частоти, періоду, тривалості імпульсу). Широке застосування ЕПО пояснюється його перевагами: високою чутливістю, малим власним споживанням, широким частотним діапазоном і універсальністю. Основним блоком електронно-променевого осциллографа є електронно-променева трубка (ЕПТ), яка уявляє собою скляну вакуумовану колбу з джерелом електронів, системою формування вузького електронного променю, відхильних пластин та люмінесцентного екрана.

Схема управління променем ЕПТ показана на рис. 3.1.

Y,X

Джерелом електронів служить оксидний катод К з підігрівачем. Число електронів, з яких формується вузький електронний пучок, залежить від напруги між катодом Кі модулятором (сіткою) М. Величина цієї напруги змінює яскравість світової плями на екрані трубки. Подальше формування пучка відбувається під впливом напруг, прикладених до двох анодів А₁ – фокусуючого та А₂ – прискорювального. Частина ЕПТ, що включає в себе катод, модулятор та 2 аноди, називається електронною гарматою. Призначення її – формування вузького електронного пучка (променя) необхідної інтенсивності. Цей пучок проходить між двома парами взаємно перпендикулярних металічних відхильних вертикальних (ВВП ) і горизонтальних (ВГП) пластин, досягає люмінесцентного екрана, створюючи на ньому яскраву пляму.

З допомогою змінних резисторів, що розташовані в блоці керування електронним променем (БКЕП), можна регулювати вертикальне та горизонтальне зміщення цієї плями на екрані осцилографа (зміщення Y, X).

Якщо до відхильних пластин прикласти електричну напругу, між ними буде створене електричне поле, яке викличе відхилення електронного променя по горизонталі (уподовж осі Х), або по вертикалі (уподовж осі Y).

Це відхилення прямо пропорційне напрузі, що прикладена до пластин

h_X = S_X · U_X, h_Y = S_Y · U_Y,

де h_X, h_Y – відхилення уподовж осей Х та Y, мм.

S_X, S_Y – чутливість трубки уподовж осей Х та Y, мм/В.

U_X, U_Y – напруга на пластинах Х та Y, відповідно, В.

Чутливість ЕПТ мала (до 1 мм/В), тому для отримання достатнього відхилення променя при дослідженні малих напруг потрібне попереднє підсилення сигналу. Тому в схемах осцилографа передбачаються підсилювачі вертикальної Y (ПВВ) і горизонтальної Х (ПГВ) відхиляючих напруг (рис.3.2).

Умовні позначки до рис. 3.2:

БС – блок синхронізації, ГР – генератор розгортки, ВП– вхідний поділювач, ПП – попередній підсилювач, ЛЗ – лінія затримки, ВП_с – вихідний підсилювач, ПГВ – підсилювач горизонтального відхилення, ПВВ – підсилювач вертикального відхилення.

В осцилографах використовуються підсилювачі постійної напруги, які мають широку смугу пропускання частот, високий вхідний опір (до 10⁷ Ом) та необхідний коефіцієнт підсилення.

Регулювання коефіцієнтів підсилення підсилювачів здійснюється за допомогою потенціометрів „Підсилення Y” і „Підсилення Х”.

Основною функцією осцилографа є відображення форми досліджуваної напруги на екрані. Необхідне відображення досягається переміщенням електронного променя в горизонтальному та вертикальному напрямках. При спостереженні періодичних процесів переміщення по вертикалі відбувається під дією досліджуваної напруги, прикладеної до пластин Y, а по горизонталі – прикладеної до пластин Х напруги пилоподібної форми, яку називають напругою розгортки. Цю напругу виробляє генератор розгортки ( ГР ). (рис.3.3).

Якщо сигнал на пластинах Y буде дорівнювати нулю, а на пластинах Х прикладена пилоподібна напруга генератора розгортки, то електронний промінь буде переміщуватися на екрані від т. А до т. В за час t _пр, а зворотне переміщення здійснить за час t _зв Таким чином за час T _р = t _пр+ t _зв, що зветься періодом розгортки, промінь здійснить свій прямий і зворотний рух. Пилоподібна напруга формується так, що

t _пр >> t _зв, тобто T _р» t _пр.

Постільки під час прямого руху променя швидкість плями постійна, вісь Х ототожнюють з віссю часу. Якщо до вертикально відхилених пластин прикласти досліджувану напругу з періодом сигналу Т _с, то місце променя на екрані в кожну мить буде однозначно відповідати значенню цієї напруги. Якщо Т _р = Т _с, то зображення на екрані осцилографа не буде змінюватися.

В більшості випадків вибираються Т _р = nТ _с, де n – ціле число. При цьому на екрані осцилографа спостерігається n періодів досліджуваної напруги. Якщо періоди Т _р и Т _с не кратні один одному, то на екрані виникає ефект біжучого зображення (спостерігаємо безліч кривих, зсунутих по фазі одна відносно другої).

Виконання умови Т _р= nТ _с досягається за допомогою синхронізації, яка полягає в тому, що напруга ГР і досліджувана напруга повинні бути синхронними (одночасними).

Синхронізація досягається регулюванням частоти генератора розгортки відповідно з частотою досліджуваного процесу до отримання правильного нерухомого зображення на екрані. Такий режим роботи генератора розгортки називається безперервним, він застосовується для спостереження періодичних сигналів. Регулювання частоти напруги ГР здійснюється за допомогою перемикача „Діапазон частот” (грубе регулювання) і потенціометра „Частота плавно” (точне регулювання). У осцилографах передбачена внутрішня синхронізація досліджуваним сигналом і зовнішня синхронізація від стороннього джерела або від мережі. Найчастіше використовується внутрішня синхронізація, при якій створюються сприятливі умови для спостереження, оскільки сигнал, що досліджується, навіть при нестабільності його частоти, „веде” за собою частоту розгортки і осцилограма залишається нерухомою.

При дослідженні неперіодичної послідовності імпульсів або одиночних імпульсів застосовують чекаючий режим роботи генератора, при якому виробляється пилоподібний імпульс тільки з приходом досліджуваного імпульсу.

Внаслідок інерційності ГР виробляє пилоподібну напругу з деяким запізненням по відношенню до запускаючого імпульсу. Це приводить до того, що початкова частина імпульсу не буде розгорнена у часі на екрані. Для усунення таких спотворень в каналі вертикального відхилення є лінія затримки, що здійснює тимчасовий зсув (затримку) на деякий час сигналу, що подається на вертикально відхиляючі пластини.

При деяких вимірюваннях, наприклад, частоти, кута зсуву фаз, динамічної петлі гістерезисного циклу, напруга розгортки повинна змінюватися не по лінійному, а по синусоїдному закону. У цьому випадку треба відключити генератор розгортки (перемикач „Діапазон частот” перевести в положення „вимк.”). Горизонтально відхиляючі пластини і ПГВ автоматично підключаються до горизонтального входу осцилографа („Вхід X”).