Отклоняющая система трубки. Блок развёртки и синхронизации

Положение светового пятна на экране зависит от пары напряжений, приложенных к горизонтально – 6 () и вертикально – 7 () отклоняющим пластинам. Если на – пластины подать переменное, например, синусоидальное напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении. При достаточно большой частоте колебаний (20-50 Гц) электронный луч оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию (рис. 3а). Аналогично, напряжение, поданное на горизонтально отклоняющие пластины – , даст горизонтальную линию.

а) б)

Рис. 3. Принцип образования осциллограммы

При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин можно получить различные осциллограммы. Например, подавая на пластины и два синусоидальных сигнала с определенными соотношениями частот, амплитуд и фаз, можно наблюдать кривые, изображенные на рис. 3б, рис. 4 – фигуры Лиссажу. По получаемым кривым можно определить соотношение частот и фаз двух сигналов.

Рис. 4. Фигуры Лиссажу для двух синусоидальных
сигналов с различными соотношениями частот и фаз

Если мы хотим наблюдать какой-либо периодический сигнал в зависимости от времени, то для получения его действительной формы напряжение должно быть пропорционально времени. В универсальных осциллографах для того, чтобы получить неподвижную картину, а не бегающую точку, необходимо, чтобы однократная осциллограмма не менее 10¸50 раз в секунду повторялась (это связано с временем послесвечения люминофора и временем релаксации глаза) – и каждый раз приходилась бы на одни и те же точки экрана. Для этого надо:

1 – чтобы линейно возрастающее напряжение периодически повторялось – такое напряжение называется пилообразным (рис. 5). Оно вырабатывается специальным генератором, который имеется в осциллографе. В зависимости от поставленной задачи можно пользоваться или этим генератором, или подавать на вход любое необходимое вам напряжение (генератор пилообразного напряжения и блок синхронизации при этом отключается, что соответствует положению переключателя режимов развертки);

Рис. 5. Пилообразное напряжение

2 – чтобы частоты пилообразного напряжения и исследуемого сигнала были равны или кратны друг другу. Добиться этого ручной регулировкой частоты практически невозможно из-за неизбежной нестабильности, как периода развертки, так и периода сигнала. Кроме того, при ручной регулировке периода нарушается временной масштаб и становится невозможным измерение интервалов времени методом калиброванной развертки. Поэтому в осциллографе имеется блок синхронизации, выполняющий автоматическую подстройку периода развертки под исследуемый сигнал. Этот процесс – изменение частоты повторения пилообразного напряжения до значения, равного или кратного частоте сигнала – называется синхронизацией. В зависимости от того, как сигнал попадает в блок синхронизации, различают три вида синхронизации: внутреннюю, внешнюю и от сети.

При внутренней синхронизацииисследуемый сигнал поступает на вход и уже внутри осциллографа разделяется и идёт как на вертикально отклоняющие пластины, так и в блок синхронизации. Таким образом, исследуемый сигнал сам управляет развёрткой осциллографа.

При внешней синхронизации сигнал с входа идёт только на пластины вертикального отклонения, а в блок синхронизации сигнал от внешнего устройства подается с входа . Использовать внешнюю синхронизацию целесообразно в случае, если исследуемый сигнал недостаточен по амплитуде или непригоден по форме для синхронизации (например, содержит шумы). Например, при работе с сигналами, изменяющимися по форме, сложно получить неподвижное изображение при внутренней синхронизации. Тогда на вход подаётся сигнал внешней синхронизации (например, запускающие импульсы исследуемого сигнала) для согласования частоты повторения развертки с частотой исследуемого сигнала. Так как его частота точно равна частоте наблюдаемого сигнала, то картина должна стать неподвижной.

Синхронизация от сети обычно используется для проверки узлов приборов, связанных с преобразованием питающего напряжения от силовой сети (трансформаторов, выпрямителей, стабилизаторов и т.д.). В этом режиме в блок синхронизации подается сигнал с частотой промышленной сети 50 Гц от понижающего трансформатора внутри осциллографа.

Для определения частоты неизвестного гармонического колебания часто используется метод фигур Лиссажу, который заключается в следующем. Исследуемое колебание складывается с взаимно перпендикулярным ему колебанием известной частоты. В общем случае в результате сложения получаются кривые сложной формы, называемые фигурами Лиссажу, по общему виду которых можно определить как отношение частот, так и разность фаз складываемых колебаний.

Рассмотрим два взаимоперпендикулярных колебания X и Y с частотами = 10 и , и разностью фаз :

;

Исключив из этих уравнений время, получим уравнение траектории движения луча. Вид уравнения будет определяться значениями величины , ,
, . Если , т.е. , то уравнение траектории имеет вид:

которое является уравнением эллипса. Вид эллипса зависит от величины и амплитуд , . Если , то эллипс вырождается в прямую. Если , то получается эллипс, оси которого совпадают с осями координат. При эллипс переходит в окружность. При произвольных значениях складываемых колебаний траектория будет сложной. Существует простой метод, позволяющий по фигурам определять отношение частот складываемых колебаний. Отношение числа пересечений неподвижной фигуры Лиссажу с координатными осями равно соотношению частот, т.е.:

где – число пересечений линий фигуры с осью ; – число пересечений линий фигуры с осью ; , – частоты напряжений, подаваемые на пластины и соответственно.

В случае, когда ось координат проходит через точку пересечения линий фигур Лиссажу, при подсчете и её считают дважды.

Например:

а) б) в)

Рис. 6. К подсчёту пересечений фигур с осями

В настоящей работе сравнение частот производится с помощью электронного осциллографа, на вертикально отклоняющие пластины которого подается исследуемое напряжение от источника колебаний звуковой частоты, а на горизонтально отклоняющие пластины напряжение от сети переменного тока с частотой ( =50 Гц).

Порядок выполнения работы

Задание 1. Ознакомление с работой осциллографа

1. Ознакомьтесь с панелью управления осциллографа.

2. Подготовьте осциллограф к работе. Переключите тумблер «Диапазон частоты» блока развёртки в положение «Выкл».

3. Включите осциллограф в сеть переменного тока и включите тумблер «Сеть». После прогрева прибора (~ 4 мин), вращая ручку «Ось Х» и «Ось Y» вправо-влево добейтесь появления светящейся точки на экране и установите её в центр координатной сетки осциллографа. С помощью ручек «Фокус» и «Яркость» добейтесь чёткости и приятной яркости светящегося пятна.

4. На вертикальный вход осциллографа (клеммы «Вход Y», «Земля») подайте напряжение от звукового генератора. Включите звуковой генератор в сеть и установите произвольную частоту напряжения на выходе генератора.

5. Включив внутреннюю синхронизацию тумблером «Внутр» и вращая ручки «Диапазон частот» и «Частота плавно», добейтесь чёткого неподвижного изображения синусоиды на экране осциллографа, зарисовав её и записав подаваемую частоту.

Задание 2. Определение частот сигналов с помощью фигур Лиссажу

1. Соберите схему в соответствии с рис. 7.

2. Включите осциллограф.

3. Включите в сеть звуковой генератор. Включите источник тока ВС-24, подав на вход Х напряжение 5 В.

4. Меняя частоту звукового генератора, получите на экране неподвижную фигуру Лиссажу (по рис. 4).

Рис. 7. Схема эксперимента

5. Зарисуйте фигуру, наблюдаемую на экране осциллографа, и проверьте для неё соотношение , где и – максимальное число точек пересечения фигуры с осями и соответственно.