Низкочастотные измерительные генераторы синусоидальных колебаний

Низкочастотные измерительные генераторы (звуковой и ультра­звуковой частот) вырабатывают синусоидальные колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц - 200 кГц), ампли­тудой (от долей милливольта до 150 В) при нескольких фиксиро­ванных значениях сопротивления нагрузки. Максимальная мощ­ность - от 1 мВт до 10 Вт.

Степень нелинейных искажений гармонического выходного сигнала характеризуется коэффициентом гармоники, равным отно­шению среднеквадратичного напряжения суммы всех гармоник сигнала , кроме первой, к среднеквадратичному напряжению  первой (основной) гармоники:

                          (3.1)

Обычно значение (3.1) выражают в процентах. Коэффициент  зависит от значений частоты и выходной мощности сигнала.
Диапазон генерируемых частот характеризуется коэффициентом перекрытия , равным отношению максимальной генерируемой частоты  к минимальной :

                                     (3.2)

Расширение диапазона генерируемых частот возможно за счет применения частичных поддиапазонов.

Стабильность частоты генератора определяется отношением абсолютного изменения частоты  к начальной частоте  при определенных условиях:

                                                        (3.3)

где  - частота генератора, измененная внешними условиями.

Точность установки частоты определяется качеством шкальных устройств и механизмов органов настройки.

Значение абсолютной погрешности установки частоты для гене­раторов низких частот обычно выражается в виде

                                        (3.4)

где  - относительная погрешность; n - минимальное значе­ние абсолютной погрешности установки частоты, Гц.

Измерительные генераторы имеют малое выходное сопротивление, значение которого можно регулировать для согласования с сопротивлением внешней нагрузки. В них регулировка в широких пределах частоты и напряжения (мощности) выходного сигнала.

Измерительный генератор состоит из задающего генератор а, выходного усилителя, выходного устройства (аттенюатора, согла­сующего трансформатору электронного вольтметра) (рис. 3.1).

Задающий генератор (возбудитель) создает стабильные по частоте и амплитуде синусоидальные колебания в требуемом диапа­зоне частот. Он во многом определяет характеристики измеритель­ного генератора (форму или периодичность выходного сигнала).

В зависимости от схемного решения задающего генератора изме­рительные генераторы делят на LC-генераторы, генераторы на биениях и RC-генераторы.

Выходной усилитель обеспечивает развязку задающего генератора от нагрузки, усиливает напряжение (мощность) генерируемых колебаний (повышает энергетический уровень сигналов) на задан­ной нагрузке, т. е. согласует выход задающего генератора с вы­ходным устройством измерительного генератора.

Рисунок 3.1 – Схема измерительного генератора низкой частоты

В состав выходного устройства входят аттенюатор, согласующий трансформатор, электронный вольтметр. Аттенюатор и элек­тронный вольтметр служат для регулировки и контроля уровня выходного напряжения (мощности), подводимого к нагрузке. Согласующий трансформатор предназначен для согласования (урав­нивания) выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки, что обеспечит получение максимальной выходной мощ­ности и минимальных нелинейных искажении.

LC - генераторы. В LC - генераторах частота генерируемых коле­баний f определяется емкостью С и индуктивностью L колеба­тельного контура задающего генератора, работающего в режиме самовозбуждения:

                                 (3.5)

Основные недостатки LC - генераторов - громоздкость колебательного контура и сложность его перестройки. Для создания измерительного генератора с регулируемой частотой от 20 Гц до 20 кГц, т. е. при коэффициенте перекрытия , равном , требуются большие емкости и индуктивности. LC - генераторы широкого распространения не получили и изготовляются на узкий диапазон частот либо на одну или несколько фиксированных ча­стот.

Генераторы на биениях. Задающий генератор составлен из двух высокочастотных, близких по частоте маломощных генераторов LC - типа, смесителя и фильтра низких частот (рис. 3.2). Генера­тор фиксированной частоты генерирует колебания фиксированной частоты , частота  генератора регулируемой частоты плавно регулируется в некоторых пределах. Напряжения этих частот через буферные каскады (катодные или эмиттерные повторители) поступают на смеситель. В результате взаимодействия колебаний с частотами  и  на выходе смесителя образуются колебания серии комбинационных частот  (mиn— целые числа) и частоты f, равной разности частот .Фильтр низких частот задерживает высшие частоты и выделяет разностную частоту, т.е. частоту биений f, напряжение которой усиливается в усилителе низких частот и через аттенюатор подается на выход. До аттенюатора включен вольтметр выходного напряжения.

Значения частот  и  выбирают такими, чтобы разностная частота f лежала в диапазоне низких частот (например, ). Недостатки генераторов на биениях - сложность схемы и относительная неста­бильность низкой частоты. Однако эти генераторы применяют в измерительной технике, поскольку выходное напряжение не за­висит от частоты и весь диапазон выходных частот плавно меняется с изменением емкости переменного конденсатора в колебательном контуре генератора регулируемой частоты.

Рисунок 3.2 – Схема генератора на биениях

Примером генератора на биениях служат генераторы ГЗ-18, ГЗ-104.

RC – генераторы. Наиболее распространенными измерительными генераторами низкой частоты являются RC - генераторы, выпол­ненные по схеме, изображенной на рис. 3.1 и характеризующиеся простотой схемы и хорошими характеристиками. Задающий RC - генератор представляет собой двухкаскадный усилитель с RC поло­жительной частотно-зависимой связью (рис. 3.3).

Положительная обратная связь создается фазирующим делителем, образованным резисторами и конденсаторами ,  и , _, предназначенными для обеспечения условий самовозбуждения лишь на одной частоте.

Условие генерации напряжения синусоидальной формы запи­шется в виде

или                         (3.6)

где  - комплексный коэффициент передачи усилителя;  - комплексный коэффициент обратной связи.

Из последнего уравнения следует:

условие баланса амплитуд ;

условие баланса фаз , где n = 1, 2, ... .

Так как RC - генератор обычно строится по схеме двухкаскадного усилителя на резисторах, для которого  (К - величина вещественная), то для выполнения условия баланса фаз угол  должен быть равен нулю (коэффициент  должен быть ве­щественным).

Из рисунка 3.3 видно, что . После подстановки в это выражение значений  и  с учетом, что  и , получим . Коэффициент  веществен, т.е. , если его мнимая часть равна нулю, т. е. . Из этого выражения можно определить частоту самовозбуждения:

                     .                                       (3.7)

На данной частоте .

Изменение частоты, при которой имеет место баланс фаз, достигается измене­нием сопротивления R и емкости С.

Рисунок 3.3 – Схема RC-генератора

Условие баланса амплитуд выполняется при . Генератор с малым коэффициентом работает нестабильно. Чтобы сохранить стабильность во всем рабочем диапазоне генерирования, применяют усилители с большим коэффициентом вводят допол­нительную отрицательную обратную связь, которая регулируется автоматически и позволяет уменьшить коэффициент усиления до  и обеспечить работу усилителя в пределах линейного ре­жима.

Цепь отрицательной обратной связи представляет собой дели­тель напряжения, образуемый из инерционного нелинейного рези­стора  с отрицательным температурным коэффициентом (термистора) и резистора  с которого снимается напряжение отрица­тельной обратной связи. Отрицательная частотно-независимая связь стабилизирует работу генератора во всём диапазоне генерируемых частот и автоматически поддерживает уровень выходного напряжения задающего генератора неизменным. Например, при увеличении выходного напряжения увеличивается ток в цепи отри­цательной обратной связи, что приводит к уменьшению сопротивле­ния термистора, т. е. к увеличению коэффициента обратной связи и приближению выходного напряжения к номинальному значению. Частоту генератора регулируют изменением сопротивлений рези­сторов  и емкостей конденсаторов  фазирующей цепи. Ступенчатое изменение значений сопротивления позволяет весь диапазон частот разбивать на несколько поддиапазонов. Плавная установка частоты внутри поддиапазонов достигается изменением емкости С конденсаторов.

Рисунок 3.4 – Схема выходного устройства генератора

Выходной усилитель предназначается для создания необходимой мощности на нагрузкево всем диапазоне генерируемых частот. Напряжение на выходе усилителя изменяется от нуля до максимума с помощью резистора, включенного на его входе. Усилительсостоит из каскадов усиления напряжениями усиления мощности. Первый каскад представляет собой фазоинвертор, превращающий однотактное входное напряжение в двухтактное; второй каскад - усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме с глубокой отрицательной обратной связью, нагрузкой которого является выходное устройство (рис. 3.4). Напряжение на выходе усилителя измеряется вольтметром.

Выходное устройство состоит из градуированного аттенюатора и согласующего трансформатора СТр и вольтметра.

Аттенюатор (ослабитель) представляет собой резистивный дели­тель напряжения и состоит из последовательно соединенных Т- и П- образных звеньев, которые при коммутации обеспечивают ослабление сигнала N ступенями, т.е. , где ,  - входное и выходное напряжения аттенюатора; N - ослабление сигнала, дБ.

Особенность аттенюатора в том, что значения входного  и выходного  сопротивлений мало зависят от установлен­ного значения затухания. Калибровка аттенюатора производится при условии работы на согласованную нагрузку; это выгодно также тем что на нагрузке выделяется максимально возможная выходная мощность. Поэтому вторичная обмотка согласующего трансформатора СТр выпол­няется секционированной, число ее витков изменяют таким обра­зом, чтобы приведенное к первичной обмотке сопротивление на­грузки было равно сопротивлению  первичной обмотки транс­форматора СТр и было одинаково для всех указанных (на лице­вой панели измерительного генератора) значений нагрузки, т. е.

                                            (3.8)

где  - коэффициент трансформации трансформатора СТр;  и  - соответственно число витков первичной и каждой сек­ции вторичной обмоток.

Для выполнения условия согласования при различных значе­ниях сопротивления нагрузки  коэффициент трансформации , а число витков .

Переключение выхода генератора на различные нагрузки про­изводится переключателем . В положении аТТ переключателя  к выходным зажимам подключается непосредственно выход аттеню­атора. Аттенюатор обычно рассчитывается на активную нагрузку 600 Ом, поэтому коэффициент трансформации n соответственно для различных значений сопротивлений нагрузки равен:

для  

для

для

При высокоомной внешней нагрузке, превышающей наибольшее значение, указанное на лицевой панели измерительного трансформатора, условия согласования выполняются только при включенной к зажимам аттенюатора внутренней нагрузке , равной
600 Ом, когда согласующий трансформатор СТр отключается и напряжение на нагрузку подается непосредственно с точек а и b аттенюатора (переключатель находится в положении  - включено).

При работе на несимметричную нагрузку один из выходных зажимов (1 или 2) согласующего трансформатора СТр соединяют с заземленным зажимом 4.

Вторичная обмотка согласующего трансформатора имеет вывод 3 от средней точки, чтопозволяет еще в два раза уменьшить значение выходного сопротивления, а также получить одновременно два напряжения, равных по значению, но противоположных по фазе.

Вольтметр подключается к входу аттенюатора и служит для контроля выходного напряжения генератора. Он представляет собой сочетание мостовой схемы с двумя полупроводниковыми диодами и магнитоэлектрического измерительного механизма. Шкала вольтметра отградуирована в действующих значениях синусоидального сигнала - в вольтах. Вольтметр имеет также шкалу, отградуированную в децибелах. Ослабление в децибелах отсчитывается относительно уровня 0,775 В.

По схеме RC - генераторов выполнены источники синусоидаль­ного напряжения низкой частоты марок ГЗ-33; ГЗ-34; ГЗ-102.

Импульсные генераторы

Импульсные генераторы вырабатывают одиночные или периоди­ческие импульсы прямоугольной формы различной полярности, амплитуды, длительности, частоты следования.

Генераторы могут выдавать импульсы с регулируемыми пара­метрами; несвязанными выходами и независимой регулировкой параметров; опорный и задержанный на определенное время по от­ношению к опорному. Наиболее широко используют генераторы прямоугольных импульсов, вырабатывающие импульсы обеих полярностей со ступенчатой и плавной регулировкой дли­тельности, плавной регулировкой амплитуды и частоты следования. Амплитуда генерируемых импульсов меняется от нескольких мил­ливольт до 150 - 200 В, длительностью от нескольких наносекунд до единиц секунд и частотой следования от нескольких герц до мегагерц.

Принцип действия генератора поясняется схемой, представ­ленной на рис. 3.5. Задающий генератор выдает тактовые импульсы, поступающие на схему внешнего и разового запуска. Работая в автоколебательном режиме, задающий генератор обеспечивает плавноступенчатую регулировку частоты повторения импульсов. В режиме внешнего запуска и разового пуска прибора задающий генератор отключается от схемы внешнего и разового запуска. Сформированный по длительности и амплитуде сигнал со схем внешнего запуска поступает на схему задержки основного импульса и на схему формирования импульсов синхронизации.

Рисунок 3.5 – Схема импульсного генератора

Схема формирования импульсов синхронизации выдает синхро­импульсы обеих полярностей. Через коммутирующий элемент син­хроимпульсы поступают на выходное гнездо прибора. Схема задержки основного импульса выдает импульс с регулируемым временным сдвигом, а также обеспечивает pежим нулевого временного сдвига основного импульса относительно импульса синхронизации прибора. Импульс с выхода схемы задержки основного импульса запускает схему формирования длительности основных импульсов, которая выдает стартовый и столовый импульсы с регулируемым временным сдвигом между ними. Поступая на схему выходного формирования и регулировки амплитуды, стартовый импульс определяет начало (фронт) выходного основного импульса, а сто­ловый - его конец (срез). Со схемы формирования длительности основных импульсов на схему выходного формирователя поступает также импульс срыва, совпадающий во времени со стоповым импульсом и обеспечивающий быстрое восстановление схемы вы­ходного формирователя в исходное состояние. Схема выходного формирователя и регулировки амплитуды обеспечивает формиро­вание прямоугольных импульсов с максимальной амплитудой, определенной длительностью, частотой повторения на согласован­ной внешней нагрузке. Выходной импульс может плавно-ступен­чато регулироваться по амплитуде от  до . Через ком­мутационный элемент выходной импульс со схемы выходного фор­мирователя поступает или на выходное гнездо 1:1, или на делители, дополнительно ослабляющие амплитуды импульсов в 10 и 100 раз.

Измерение амплитуды выходных импульсов в пределах плавной регулировки осуществляется с помощью схемы измерителя ампли­туды в качестве индикатора, в которой используется вольтметр.

Схема питания обеспечивает приборы постоянными стабилизи­рованными напряжениями и регулируемым напряжением.

По данной схеме выполнен импульсный генератор Г5-54, выра­батывающий прямоугольные импульсы с максимальной амплиту­дой  В, длительностью 0,1-1000 мкс; длительностью фронта и среза соответственно 50 нс и 100 нс; частотой повторения 0,01 - 100 кГц на внешней нагрузке 500 Ом с параллельной емкостью.

4 ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

4.1 Электронные осциллографы общего назначения

Электронный осциллограф предназначен для наблюдения и исследования формы электрических сигналов в диапазоне частот от постоянного тока до десятков мегагерц, путем визуального наблюдения измерения их временных и амплитудных значений.

Основной элемент электронного осциллографа - электронно­лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим управлением луча и люминесцирующим экраном. Для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение на экране вертикально и горизон­тально отклоняющие пластины ЭЛТ перемещают электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране электронного осциллографа картины изменения сигнала во времени напряжение этого сигнала подается на вертикально отклоняющие пластины и одновременно электронный луч отклоня­ется с постоянной скоростью в горизонтальном направлении с по­мощью линейно-изменяющегося напряжения, приложенного к го­ризонтально отклоняющим пластинам. Напряжение, отклоняющее луч в горизонтальном направлении, называют развертывающим. По окончании цикла развертки развертывающее напряжение принимает первоначальное значение, при этом луч возвращается в исходное положение и цикл начинается сначала. Чувствительность ЭЛТ мала и для отклонения, луча на весь экран требуется довольно большое напряжение (3-200 В). Напряжения исследуе­мого сигнала и развёртки могут быть малыми, поэтому в каналах вертикального (ВО) и горизонтального (ГО) отклонений электрон­ного осциллографа предусматриваются усилители.

Усилитель вертикального отклонения, на вход которого подается исследуемый сигнал, должен обладать большим входным сопротивлением и малой емкостью, что обусловливает минимальное влияние подключения осциллографа на электрический режим исследуемой цепи; высоким регулируемым коэффициентом усиления; широкой полосой пропускания.

Полоса пропускания усилителя - диапазон частот, в пределах которого выходное напряжение усилителя падает на 30% от мак­симального значения при неизменном входном напряжении. Чем шире полоса пропускаемых частот, тем меньше искажения.

Схема осциллографа изображена на рис. 4.1. Исследуемый сигнал подается непосредственно (вход Y открытый) или через раз­делительный конденсатор (вход Y закрытый) на аттенюатор канала вертикального отклонения осциллографа. При помощи аттенюатора устанавливается необходимое ослабление сигнала, что позволяет обеспечить работу усилителя ВО в режиме минимальны нелинейных искажений. С выхода аттенюатор а исследуемый сигнал через входной каскад эмиттерный или истоковые повторитель) подаётся на предварительный усилитель. Усиленный сигнал задерживается линией задержки на время, необходимое для срабатывания канала горизонтального отклонения осциллографа, т. е. гене­ратора развертки и усилителя ГО, чтобы движение луча по гори­зонтали началось раньше, чем усиленный сигнал поступит на вер­тикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

Выходной усилитель ВО, собранный по балансной схеме, уси­ливает задержанный сигнал до значения, удобного для наблюдения на экране. С его выхода сигнал поступает на вертикально отклоняю­щие пластины ЭЛТ.

Устойчивость изображения на экране достигается синхронизацией частоты развертки  с частотой исследуемого сигнала f. Частота развертки  должна быть равна или в кратное число раз меньше частоты f исследуемого сигнала, т. е.  или , где  и Т - соответственно периоды напряжения развертки и исследуемого сигнала, п = 1, 2, 3…

Запуск, схемы синхронизации может быть как от внутреннего, так и внешнего сигнала. Кроме того, схема синхронизации дает возможность изменять уровень и полярность сигнала синхрониза­ции. При работе осциллографа в режиме внутренней синхрониза­ции из канала вертикального отклонения (до линии задержки) снимается часть исследуемого сигнала и подается на вход схемы, синхронизации. Последняя совместно со схемой запуска развертки вырабатывает короткие запускающие импульсы постоянной ампли­туды независимо от значения и формы приходящего на вход сиг­нала. Благодаря этому достигается устойчивый запуск генератора развертки.

Для запуска генератора развертки может быть использован внешний сигнал, поданный на вход схемы синхронизации (внешняя синхронизация). Генератор развертки формирует пилообразное линейное напряжение (рис. 4.2) для временной развертки луча ЭЛТ. Время прямого хода луча  много больше времени обратного хода , поэтому период развертки .

Входной сигнал генератора развертки поступает на выходной
усилитель ГО, предназначенный для преобразования пилообразного

 напряжения, поступающего с генератора развертки в два противофазных сигнала и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по горизонтали на весь экран ЭЛТ. Затем сигнал подается на горизонтально отклоняющие пластины. В осциллографе предусмотрена возможность поступления внешнего сигнала на горизонтально отклоняющие пластины при подаче его на вход X. При этом усилитель ГО отключается от схемы генератора развертки и подключается к входу X. Генератор развертки содержит органы регулировки режимов работ и длительности. Он может работать в режиме: а) автоколебательной периодической развертки (схема синхронизации переводится в режим непрерывных колебаний, т. е. на ее вход не подается сигнал); б) ждущей развертки (запускается только при наличии синхронизирующего сигнала). Схема блокировки обеспечивает работу генератора развертки в автоколебательном режиме, а также предупреждает повторный запуск при обратном ходе развёртывающего напряжения.

Рисунок 4.2 – Развертывающее напряжение осциллографа

Для увеличения яркости линии развертки используют прямо­угольный импульс подсвета луча, который с усилителя подсвета подается на модулятор ЭЛТ. Длительность его должна совпадать с длительностью нарастающей части развертывающего пилообраз­ного напряжения и служит для отпирания ЭЛТ при прямом ходе развертки и запирания ее при обратном. В некоторых электронных осциллографах импульс подсвета вырабатывается генератором раз­вертки.

Для получения яркостных меток времени в ряде осциллографов имеется вход Z. Внешний модулирующий сигнал через конденсатор подается на модулятор. Четкость изображения достигается регулировкой яркости и фокусировки луча, для этого на модулятор и аноды ЭЛТ от выпрямителя, питаемого от сети переменного тока, подается высокое регулируемое напряжение. Для повышения точности измерений в состав осциллографа входят калибраторы напряжения и  времени, предназначенные соответственно для проверки правильности масштаба вертикальной (в единицах напряжения) и горизонтальной (в единицах времени) осей экрана осциллографа. В современных осциллографах в одном калибраторе совмещены калибраторы напряжения и времени. Калибратор выдает прямоугольные сигналы типа «меандр» (рис. 4.3) определенного размаха (500 мВ или 1 В) и частоты (1 или 2 кГц). При строго калиброванном напряжении, подаваемом на вход Y осциллографа (коэффициент деления аттенюатора 1:1), определяется минимальный коэффициент отклонения  тракта вертикального отклонения.

Коэффициент отклонения  (В/дел) представляет собой отношение напряже­ния калиброванного сигнала U к от­клонению h по вертикали, т.е. . Минимальный коэффициент  в осциллографах обычно равен 0,01 В/дел. Калибровка выпол­няется либо при размахе калиброванного сигнала мВ и отклонении h = 4 дел, либо при  и h = 5 дел. При строго калиброванной частоте проверяют длительность калибро­ванной развертки.

Рисунок  4.3 – Прямоугольное напряжение типа «Меандр»

Длительность развертки (коэффициент развертки)  (Время/дел) - номинальное время, за которое электронный луч пробе­гает одно деление шкалы на экране ЭЛТ в горизонтальном направ­лении, т. е. , где  - определенная длительность раз­вертки;  - горизонтальное отклонение луча на определенное расстояние, соответствующее .

При калиброванной частоте сигнала, равной 1 кГц, длитель­ности развертки мс/дел да экране появляется изображение, где один период сигнала укладывается в одном делении.

4.2 Основные узлы электронных осциллографов

Канал вертикального отклонения. Канал вертикального отклонения электронного осциллографа предназначен для передачи исследуемого электрического сигнала на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. В канал вертикального отклонения входят входное устройство (входная цепь и аттенюатор), усилитель с линией задержки.

Входное устройство позволяет расширить пределы измеряемых входных напряжений и обеспечить необходимое входное сопро­тивление.

По схеме входной цепи различают осциллографы с открытым и закрытым входом. Открытый вход осциллографа (рис. 4.4, а) - вход, при котором сигнал подается непосредственно на аттенюатор и используется для передачи сигнала с постоянной составляющей; закрытый вход осциллографа (рис. 4.4, б) - вход, при котором сигнал подается через разделительный конденсатор и не пропускает постоянной составляющей. Входное сопротивление канала состав­ляет 0,5-2 МОм, а входная емкость 10-50 пФ. Некоторые осциллографы имеют низкоомный вход сопротивлением 50 или 75 Ом. Высокочастотные или широкополосные сигналы через коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом подаются на низкоомный вход. Исключая низкоомный вход параллельно входной цепи осциллографа включается аттенюатор с дискретным коэффициентом деления.

Рисунок  4.4 – Открытый (а) и закрытый (б) вход осциллографа

Аттенюатор (делитель напряжения) предназначен для регулировки коэффициента отклонения GV по вертикали путем ослабления сигнала и обеспечивает постоянное значение коэффициента откло­нения во всем диапазоне полосы пропускания усилителя ВО, почти неизменное большое входное сопротивление и малую входную ем­кость при переходе от одного коэффициента деления к другому. Аттенюатор (рис. 4.5, где  и  - соответственно входное и выходное напряжения аттенюатора) состоит из резисторов сопро­тивлениями  и конденсаторов емкостями

Коэффициент деления равен

                                                             (4.1)

где ;  - комплексные сопротивления звеньев  и .

Если в  подставить значения  и принять , то

                (4.2)

Рисунок 4.5 – Схема делителя напряжения

Шкалы аттенюаторов градуируются в значениях коэффициента отклонения  по вертикали (0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20 В/дел), что позволяет существенно упростить процесс определения значения искомого напряжения. На рис. 4.6 показана лицевая панель осциллографа С1 -73

.

Усилитель ВО предназначен для преобразования измеряемого сигнала в два противофазных сигнала и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по вертикали на весь экран. Для согласования выхода аттенюатора с входом предварительного усилителя служит входной каскад, выполненный по схеме истокового (катодного, эмиттерного) повторителя. Истоковый повтори­тель обеспечивает большое входное сопротивление и малую вход­ную емкость. С выхода истокового повторителя исследуемый сиг­нал поступает на балансный усилитель с обратной связью, обла­дающий хорошей стабильностью и широкополосностью, большим входным и малым выходным сопротивлениями. Одно плечо трехкаскадного балансного усилителя нагружено на линию задержки, а со второго плеча снимается сигнал для внутренней синхронизации.

Рисунок 4.6 – Лицевая панель осциллографа С1-73

Линия задержки представляет собой однопроводный коаксиальный кабель или искусственные длинные линии. Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением порядка 800-1000 Ом обеспечивает задержку исследуемого сигнала примерно на 200 нс.

Выходным каскадом является парафазный усилитель, создаю­щий на отклоняющих пластинах два симметричных противофазных напряжения и обеспечивающий малое выходное сопротивление. Парафазный усилитель при любом значении выходного сигнала создает неизменный потенциал средней линии между пластинами, что предотвращает появление нелинейных искажений в осцилло­грамме сигнала, улучшает фокусировку.

В осциллографах имеется возможность подачи исследуемого сиг­нала непосредственно на пластины.

Канал горизонтального отклонения предназначен для формирования синхронного с иссле­дуемым сигналом линейно-изменяющегося напряжения с амплиту­дой, достаточной для отклонения луча ЭЛТ на весь экран по гори­зонтали. Канал горизонтального отклонения состоит из схемы синхронизации, генератора развертки, выходного усилителя ГО, усилителя подсвета.

Генератор развертки предназначен для формирования линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения, синхронного с иссле­дуемым сигналом. Развертывающее напряжение, вырабатываемое генератором развертки, обеспечивает горизонтальное перемещение луча с постоянной скоростью.

Развертка – линейное перемещение электронного луча, или создаваемый им след на экране. Развертывающее напряжение должно иметь высокую линейность при прямом ходе луча, быстрый спад при обратном ходе луча, т. е. , достаточную амплитуду для отклонения луча на весь экран и регулируемую в широких пределах частоту развертки (от сотых долей герца до нескольких мегагерц) или длительность.

Рисунок  4.7 – Схема генератора развертки

При изменениях длительности раз­вертки изменяются скорость движения луча по горизонтали, а, следовательно, и масштаб времени. Принцип работы ге­нератора развертки (рис. 4.7) заключает­ся в заряде и разряде конденсатора че­рез сопротивление резистора или элек­тронной лампы. Переключение конден­сатора с заряда на разряд выполняется автоматически. Разверт­ка получается периодической (непрерывной) при работе электрон­ной коммутирующей схемы  в автоколебательном режиме и ждущей - при работе в ждущем режиме. Если постоянная вре­мени цепи заряда много больше постоянной времени цепи разряда , то напряжение , создаваемое в процес­се заряда конденсатора, используют для прямого хода луча (рис. 4.8, а). Если же , то прямой ход луча создается напря­жением разряда, а об­ратный ход - напряже­нием заряда (рис. 4.8, б).

Рисунок 4.8 – Временные диаграммы развертывающего напряжения u_P(t)

Параметры элементов коммутирующей схемы, емкости конденсаторов и сопротивление рези­сторов цепи (см. рис. 4.7) определяют продолжительность замкнутого или разомкнутого состояния коммутатора , а следовательно, длительность или частоту развертывающего напряжения. Для изменения диапазона длительности или частоты развертки обычно предусматриваются набор конденсато­ров и переменный резистор - для плавной регулировки внутри диапазона.

Генераторы развертки могут быть релаксационного и интегрирующего типов, выполняться на ионных приборах, электронных лампах, транзисторах и интегральных схемах. Генераторы развертки выполненные на транзисторных и интегральных схемах, используются в полупроводниковых осциллографах. Их достоинства - малые потребление энергии, габариты и масса. Генераторы развертки, выполненные на электронных лампах, используют в широкополосных, универсальных и скоростных осциллографах.

Генераторы развертки должны иметь высокую линейность пило­образного напряжения. Коэффициент нелинейности, выражающий относительное изменение скорости нарастания напряжения в на­чале и конце прямого хода, должен быть не более 1-3 %. Требо­вание высокой линейности пилообразного напряжения вызвано тем, что в осциллографах применяется калиброванная развертка, при которой определенному горизонтальному отклонению луча  соответствует строго определенная длительность развертки . Пределы изменения пилообразного напряжения  могут точно фиксироваться (рис. 4.9). Фиксированному  соответствует опре­деленное время развертки , что позволяет калибровать времен­ной масштаб.

С длительностью развертки  связано понятие ско­рости развертки (дел/время) - пути прямого хода луча в единицу времени, т. е. . На рис. 4.9 можно наблюдать шка­лу калиброванной развертки от  до .

Рисунок 4.9 – Напряжение линейной калиброванной развертки

Линейная непрерывная развертка используется при исследовании сигналов синусоидальных, импульсных малой скважности. Линейная ждущая развертка используется при исследовании сигналов импульсных большой скважности с крутыми фронтами, несинусоидальных, а также при тщательном исследовании отдельных участков сигнала.

При исследовании импульсов большой скважности импульс за­нимает малую долю развертки, поэтому плохо просматривается на экране осциллографа. Если период развертки выбрать равным периоду повторения импульсов , то изображение импульса на экране получится очень сжатым. Если же период развертки выбрать в несколько раз короче, чем период повторения исследуемого импульса , то импульс наблюдается на экране, но он будет бледным по сравнению с линией развертки, которая прочерчивается несколько раз за одно его появление. Импульс хорошо наблюдается на экране, если развертка ждущая.

Чтобы иметь возможность полностью наблюдать на экране импульс и его фронт, необходимо поступление импульса на пла­стины несколько задержать по отношению к началу нарастания развертывающего напряжения, что выполняет линия задержки (см. рис. 4.1).

Схема синхронизации предназначена для принудительного генерирования напряжения генератором развертки с частотой, равной или кратной частоте исследуемого сигнала, т. е. . В схеме синхронизации сигнал любой формы и полярности преобразуется в прямоугольные или остроконечные импульсы положительной полярности с амплитудой, достаточной для запуска генератора раз­вертки. Запускающие импульсы, формируются от исследуемого сигнала (внутренняя синхронизация) или от внешнего источника (внешняя синхронизация).

Синхронизация тем лучше, чем частота генератора развертки ближе к частоте напряжения синхронизации. Устойчивость син­хронизации зависит от значения синхронизирующего напряжения.

Исследуемый сигнал и напряжение генератора развертки соз­даются разными источниками, их параметры поэтому независимы, но изменение частоты одно­го из этих сигналов при­водит к нарушению усло­вий неподвижности  изображения исследуемого сигнала на экране. Часто­та напряжения генератора развертки обычно синхро­низирована с частотой на­пряжения исследуемого сигнала с помощью схемы синхронизации и запуска генератора развертки. Уро­вень синхронизирующего сигнала, при котором сра­батывает синхронизация, плавно регулируется и на­ходится в пределах от де­сятых долей вольта до де­сятков вольт.

Схемы синхронизации и запуска преобразовывают сигнал любой формы и по­лярности, поступающий ли­бо от усилителя ВО, либо от внешнего источника, в остроконечные импульсы положительной полярности, имеющие амплитуду, достаточную для запуска гене­ратора развертки, и синхронизированные по частоте повторения с исследуемым сигналом. При запуске генератора развертки синхронизирующим импульсом обеспечивается ждущий режим без синхронизирующего импульса – автоколебательный.

Рисунок 4.10 – Временные диаграммы напряжений при исследовании синусоидального сигнала

Рисунок 4.11 – Временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольного сигнала

На рисунке 4.10 показаны временные диаграммы напряжений при исследовании синусоидального сигнала и работе генератора раз­вертки в автоколебательном режиме: а - изображение устойчи­вое (выполнено условие синхронизации); б – изображение неустойчивое (синхронизация нарушена).

На рисунке 4.11, а представлены временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных импульсов с внутренней син­хронизацией, режим работы генератора развертки ждущим.

Внешний сигнал для синхронизации чаще всего используется в случае, когда нужно запустить генератор развертки опережающим сигналом по отно­шению к исследуемому.

На рисунке 4.11, б показаны временные диаграммы напряже­ний, поясняющие режим внеш­ней синхронизации, при иссле­довании сигнала. Внешние сиг­налы положительной полярно­сти, преобразованные в остро­конечные импульсы, запускают генератор развертки с частотой, синхронизированной с частотой исследуемого сигнала. Время задержки  исследуемого сиг­нала относительно запуска генератора развертки может регу­лироваться в необходимых пре­делах.

Рисунок 4.12 – Изображение исследуемого сигнала при M_Р=1; M_Р=0,2

Выходной усилитель ГО предназначен для преобразования пилообразного напряжения ге­нератора развертки в два про­тивофазных сигнала и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по гори­зонтали на весь экран. Полоса частот усилителя ГО значи­тельно уже полосы частот усилителя ВО, а коэффициент отклонения  примерно в 100 раз больше минимального коэффициента отклонения .

В ряде осциллографов предусматривают схему с изменяющимся скачкообразно (например, в пять раз) коэффициентом усиления усилителя ГО, что позволяет соответ­ственно увеличить напряжения развертки в  раз и растянуть изображение, тем самым изменить временной масштаб (  - мно­житель развертки). Новое значение калиброванной длительности развертки . На рис. 4.12 показано построение изобра­жения исследуемого сигнала на экране осциллографа при двух значениях . Усилитель ГО имеет возможность усиливать сиг­нал непосредственно от внешнего источника (при выключенном гене­раторе развертки).