книги из ГПНТБ / Соркин И.М. Основы радиоизмерительной техники

ГЛАВА ШЕСТАЯ

НАБЛЮДЕНИЕ ФОРМЫ И ЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗ 1КОЛЕБАНИЙ

6-1. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Принцип действия электронного осциллографа осно­ ван на отклонении электронного пучка электрическим полем, создаваемым исследуемым напряжением. Являясь практически безынерционным прибором,у электронный осциллограф позволяет производить исследование вы­ сокочастотных электрических колебаний и визуально

„„ Вертикально

Рис. 6-1. Электронно-лучевая трубка.

наблюдать форму кратковременных электрических сиг­ налов при прохождении их в трактах радиотехнических устройств. Кроме того, электронный осциллограф используется для измерений (модуляции, частоты и фазы электрических колебаний, а также для измерения ряда других параметров и характеристик. Электронно-луче­ вые осциллографы делятся на четыре класса точности, из которых первым трем классам соответствуют относи­ тельные погрешности 3; 5 и Ю'Уо1, а для 4-го класса погрешность измерений не гарантируется стандартом

(ГОСТ 9810-61).

Электронно-лучевая трубка

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис. 6-1). Катод трубки излучает поток электронов, который проходит через управляющий электрод, имеющий форму ци-

160

линдра. Управляющий электрод по отношению к катоду находится под отрицательным потенциалом, под дей­ ствием которого поток электронов концентрируется в узкий пучок. Степень концентрации пучка, определяю­ щая его яркость, регулируется изменением потенциала, подаваемого на управляющий электрод, с помощью .по­ тенциометра, ручка которого на передней панели осцил­ лографа обозначена гравировкой «яркость».

За управляющим электродом расположены два ано­ да .в форме дисков с отверстиями посередине. На аноды подается положительный потенциал, причем потенциал второго анода значительно выше потенциала первого. При прохождении электронного пучка через отверстия анодов положительные потенциалы фокусируют его в еще более узкий пучок и сообщают электронам уско­ рение, достаточное для достижения ими флуоресцирую­ щего экрана, на котором электронный пучок создает световое пятно. Степень фокусировки пучка регулирует­ ся величиной положительного потенциала на первом аноде с помощью потенциометра, ручка которого выве­ дена на переднюю панель осциллографа и снабжена гравировкой «фокусировка». Второй анод обычно соеди­ няется с корпусом прибора. Таким образом, катод осциллографа находится под высоким отрицательным потенциалом (порядка 1 000 в) по отношению к корпусу.

После фокусирующих электродов электронный пучок проходит через две пары взаимно-перпендикулярных отклоняющих пластин. На одну пару пластин, откло­ няющую электронный луч в вертикальной плоскости, подается исследуемое напряжение. На эту же пару пластин подается дополнительное постоянное напряже­ ние, регулировкой которого с помощью потенциометра осуществляется смещение пятна на экране трубки вдоль вертикальной оси — оси Y. Ручка этого потенциометра снабжена гравировкой «смещение Y».

На вторую пару пластин, отклоняющую электронный пучок в горизонтальной плоскости, подаются напряже­ ние развертки и дополнительное постоянное напряжение, смещающее пятно вдоль оси X. Ручка потенциометра, регулирующего это напряжение, снабжена гравировкой «смещение X».

При отклонении электронного луча под действием обоих переменных напряжений, приложенных к откло-

мяющим пластинам, пятно, двигаясь по экрану трубки, вычерчивает кривую, соответствующую форме исследуе­ мого напряжения, называемую осциллограммой.

Развертка колебаний

Если на вертикально отклоняющие пластины трубки подать исследуемое напряжение, изменяющееся во вре­ мени по закону

то под действием электростатического поля, создавае­ мого этим напряжением, электронный пучок будет отклоняться в вертикальной плоскости пропорционально величине этого напряжения по закону

При этом пятно на экране трубки будет описьшать вер­ тикальную прямую линию (рис. 6-2,а).

Для того чтобы получить на экране трубки кривую, форма которой соответствует изменению исследуемого

напряжения во времени, на горизонтально отклоняющие пластины подается напряжение развертки.

Для наблюдения периодических процессов исполь­ зуется временная развертка, синхронная и круговая. При наблюдении импульсных сигналов в осциллографах часто применяется так называемая ждущая развертка.

Временная развертка дает кривую исследуемого ко­ лебания в прямоугольных координатах. Она осуще­ ствляется подачей на горизонтально отклоняющие пла­ стины трубки пилообразного напряжения, т. е. периоди-

162

ческого напряжения, изменяющегося во времени линей­ но (рис. 6-3) по закону

Под действием этого напряжения электронный пучок бу­ дет отклоняться в горизонтальной плоскости по закону

(рис. 6-2,6). При одновременном воздействии обоих на­ пряжений пучок опишет на экране электронно-лучевой трубкитраекторию, уравнение которойопределится

исключением t из (6-2) и (6-4). Имеем t — -^-.откуда,

подставляя в (6-2), получаем:

трубки кривую, форма которой, определяемая уравне­ нием (6-5), соответствует закону изменения исследуе­ мого напряжения во времени, согласно (6-1) (рис. 6-2,в).

Для того чтобы изображение кривой на экране труб­ ки было неподвижным, период пилообразного напряже­ ния развертки должен быть равным или кратным пе­ риоду исследуемого напряжения. При этом условии изо­ бражения, описываемые лучом, в отдельные периоды напряжения развертки будут накладываться друг на друга и, таким образом, на экране трубки будет наблю­ даться неподвижная осциллограмма.

При синхронной развертке к вертикально отклоняю­ щим пластинам трубки подводится исследуемое напря­ жение, а на горизонтально отклоняющие пластины по­ дается синусоидальное напряжение развертки. В зави­ симости от соотношения частот исследуемого напряже­ ния (Fv) и напряжения развертки (Fx) на экране труб­ ки будут описываться замкнутые неподвижные фигуры, показанные на рис. 6-4.

При круговой развертке синусоидальное напряжение подается через фазовращатель одновременно на верти­

мое колебание подается на одну из ‘пар отклоняющих пластин и оказывается развернутым вдоль окружности.

Ждущая развертка, чаще всего линейная, срабаты­ вает лишь в момент появления исследуемого сигнала и

Рис. 6-4, Синхронная развертка колебаний.

применяется для исследования и измерения параметров

Принципиальная упрощенная схема тиратронного гене­ ратора развертки, показанная на рис. 6-5, работает сле­ дующим образом. Конденсатор С заряжается от источ­ ника постоянного напряжения через диод, работающий в режиме насыщения. Благодаря этому ток, заряжаю-

Пилообразнов

напряжение

Синхронизирующее

напряжение

Рис. 6-5. Принципиальная схема тиратронного генератора развертки.

щий конденсатор, постоянен по величине и напряжение на конденсаторе нарастает линейно. Напряжение на кон­ денсаторе будет нарастать до тех пор, пока не достиг­ нет напряжения зажигания тиратрона. Как только ти­ ратрон зажжется, сопротивление его резко уменьшится и конденсатор начнет быстро разряжаться через ти­ ратрон. При этом напряжение на конденсаторе будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет напряжения погасания тиратрона. Таким образом, напряжение на

164

Рис. 6-6 Пилообразное н а п р я ж е н и е развертки.

конденсаторе С будет изменяться ©о времени согласно кривой, показанной на рис. 6-6,а.

Уравнение этого напряжения при заряде конденса­ тора

Аналогично в момент времени t — tz, U — U3 и

__tj_

165

Таким образом, напряжение на конденсаторе будет из­ меняться в пределах от Un до U3, т. е. амплитуда пило­ образного напряжения на конденсаторе будет равна:

Определим период пилообразного напряжения развертки Т = t3— t,. Поскольку время разряда практически значи­ тельно меньше времени заряда, то с достаточной степенью точности период пилообразного напряжения можно считать равным:

Преобразуя (6-8) и (6-9), получаем:

Ue-Un tt — ^ = Г31п иб — и3

и, следовательно,

Если выбрать напряжение источника питания достаточно большим, так чтобы Нб > Un и t/б > С/3, то

Таким образом, в зависимости от заданного периода пилообразного напряжения развертки Т определятся значение постоянной времени заряда T3—CR, а следо­ вательно, и параметры цепи заряда С и R.

Одно из основных требований, предъявляемых к ге­ нератору развертки, состоит в том, что выдаваемое им пилообразное напряжение должно быть линейным, что необходимо для неискаженного воспроизведения осцил-

166

лограмм Исследуемых напряжений. Из рис. 6-6,а можно видеть, что для этого нужно работать в начальной ли­ нейной части кривой заряда конденсатора. При этом Т Т3, что согласно (6-13) соответствует Uc<kUс. Та­ ким образом, для получения линейного напряжения развертки напряжение источника питания должно быть значительно больше амплитуды пилообразного напря­ жения.

При подаче пилообразного напряжения на горизон­ тально отклоняющие пластины трубки времени t2—1\ (заряд конденсатора через кенотрон) будет соответство­ вать прямой ход пятна в горизонтальной плоскости от середины до края экрана. Времени t3—12 (разряд кон­ денсатора через тиратрон) соответствует обратный ход пятна от края экрана к середине. Для того чтобы полу­ чить перемещение пятна по всему экрану, от одного края к другому, напряжение развертки снимается через конденсатор Сь который не пропускает постоянной со­ ставляющей напряжения и преобразует напряжение развертки в симметричное относительно горизонтальной оси (рис. 6-6,6).

На сетку тиратрона подается постоянное отрицатель­ ное напряжение, от величины которого зависит напря­ жение зажигания тиратрона, а следовательно, амплиту­ да пилообразного напряжения развертки. Частота пило­ образного напряжения

F = T ~ C R T h

регулируется ступенями, переключением конденсато­ ров С с помощью переключателя. Плавное изменение частоты производится изменением сопротивления заряд­ ной цепи R — регулировкой тока накала кенотрона.

Получение неподвижных осциллограмм осуще­ ствляется путем подачи на сетку тиратрона через транс­ форматор части напряжения исследуемого сигнала для синхронизации напряжения развертки.

Процесс синхронизации генератора развертки сину­ соидальным напряжением исследуемого сигнала пока­ зан на рис. 6-7. На рис. 6-7,а сплошными линиями по­

167

Кратен точно периоду исследуемого напряжения, а не­ сколько меньше его удвоенного значения. При этом тиратрон должен сработать в момент времени ti, опре­ деляемый величиной поданного на его сетку некоторого постоянного отрицательного напряжения смещения.

При подаче синхронизирующего напряжения (рис. 6-7,6) тиратрон не срабатывает в момент време­ ни tu так как на его сетку, помимо постоянного отрица-

Рис. 6-7. Синхронизация генератора развертки на­ пряжением исследуемого сигнала.

тельного напряжения смещения, накладывается отрица­ тельное напряжение синхронизации. Тиратрон срабаты­ вает в момент времени t2, когда напряжение синхрони­ зации пройдет через нулевое значение. Аналогично тира­ трон будет срабатывать в моменты времени ts и А, соот­ ветствующие нулевым значениям напряжения синхрони­ зации. Таким образом, период напряжения развертки удлиняется и оказывается кратным периоду исследуе­ мого сигнала. В результате кривая напряжения разверт­ ки при наличии синхронизации изобразится пунктирны­ ми линиями.

Аналогичным образом произойдет синхронизация в случае (рис. 6-7,в), когда период напряжения разверт­ ки несколько больше удвоенного значения периода исследуемого напряжения. В данном случае срабатыва-

168

ние тиратрона произойдет в моменты времени i2, h и С, раньше окончания периода напряжения развертки, так как в эти моменты на сетку тиратрона поступает поло­ жительное напряжение синхронизации, что ускоряет сра­ батывание тиратрона. Тиратроный генератор развертки генерирует пилообразное напряжение в звуковом диапа­ зоне частот.

Рис. 6-8. Принципиальная схема генератора развертки.

частот осуществляется с помощью генератора развертки на электронных лампах (рис. 6-8). В этой схеме про­ исходит быстрый заряд конденсатора С\ через зарядную лампу Л 2 и медленный разряд этого конденсатора через разрядную лампу Л Лампа Л 3 является управляющей. Она запирает лампу Л 2 при разряде конденсатора и отпирает ее перед зарядом.

При включении источника постоянного напряжения начинается заряд конденсатора Ci через лампу Л 2. При этом конденсатор задает через лампу Л 3 на сетку лам­

положительное смещение. В начале процесса напряже­

результирующее смещение на сетке лампы Л 2 становит­ ся отрицательным. К концу заряда, когда напряжение ца конденсаторе становится равным напряжению источ-

169