ОСЦИЛЛОГРАФ

ОСЦИЛЛОГРАФ

(от лат. oscillo - качаюсьи греч. grapho - пишу), измерит. прибор, предназначенный для визуальногонаблюдения и исследования формы сигналов. О. позволяет достаточно точнои оперативно измерять осн. параметры сигналов: амплитуду, частоту, временныеинтервалы, фазовый сдвиг и т. д. Под сигналом понимают величину, отражающуютем или иным способом состояние физ. системы. Самыми распространённымиявляются электрич. сигналы (ток или напряжение), изменяющиеся во времени,x(t). В зависимости от способа получения графика ф-ции x(t )О. <разделяют на светолучевые и электронно-лучевые.
В светолучевых О. значение электрич. сигнала x(t )в какой-то момент времени t преобразуется в пропорц. <сигналу вертикальное отклонение светового луча, сфокусированного на отражающемэкране или светочувствит. плёнке. Для получения графика ф-ции x(t )необходимоустройство развёртки луча во времени (вдоль горизонтали экрана или плёнки).В качестве преобразователя величины тока или напряжения в пропорц. отклонениесветового луча в светолучевом О. применяют магнитоэлектрич. гальванометр, <к рамке к-рого прикрепляют отражающее зеркальце. Для развёртки луча погоризонтали экрана можно использовать вращающийся барабан с плоскими зеркальнымигранями. Скорость вращения этого барабана определяет коэф. развёртки вс/см. Т. о., светолучевой О. должен включать в себя в качестве осн. блоковмагнитоэлектрич. гальванометр и оптич. систему, состоящую из осветителя, <фокусирующих линз, зеркальца на рамке гальванометра, зеркального барабанаразвёртки, экрана и др. вспомогат. устройств. Высокая чувствительностьгальванометров позволяет применять их в светолучевых О. без усилителейи исследовать колебат. процессы с частотой до 10 кГц. Магн. система можетбыть общей для неск. гальванометров, поэтому можно конструировать светолучевыеО., имеющие неск. измерит. каналов (224).
В электронно-лучевых О. изображение сигналаосуществляется с помощью сфокусированного электронного луча, к-рый вызываетсвечение люминофора экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
Структурная схема электронно-лучевогоО. (рис. 1) включает след. основные блоки: блок усилителя вертикальногоотклонения луча, на входе усилителя имеется многоступенчатый делитель напряжения(аттенюатор), задающий коэф. отклонения (отношение входного сигнала к вызванномуим отклонению луча); блок развёртки в канале горизонтального отклонениялуча, в состав этого блока входят схема синхронизации, генератор пилообразногонапряжения развёртки, усилитель горизонтального отклонения; базовый блок, <в состав к-рого входят ЭЛТ, схема управления лучом (яркость, фокус, сдвигпо вертикали и горизонтали, модуляция яркости луча), блок питания.
Исследуемый сигнал поступает на вход . и подаётся (непосредственно или через конденсатор) на входной аттенюатор, <с помощью к-рого выбирают коэф. отклонения, т. <е. усиление сигнала, удобноедля наблюдения на экране ЭЛТ. Конденсатор не пропускает к усилителю постояннуюсоставляющую спгнала. Это необходимо, напр., в тех случаях, когда исследуетсянебольшая переменная составляющая сигнала на фоне большой постоянной составляющей. <После аттенюатора сигнал поступает на вход усилителя вертикального отклонения, <с выхода к-рого усиленный сигнал подают на вертикально отклоняющие пластиныЭЛТ.
Из усилителя вертикального отклоненияисследуемый сигнал поступает также на вход схемы синхронизации для запускаразвёртки, для этого можно использовать и внеш. сигнал, поданный на входвнеш. синхронизации. Схема синхронизации вырабатывает прямоуг. импульсыпост. амплитуды независимо от формы и величины входного сигнала. Благодаряэтому достигается устойчивый запуск генератора развёртки, вырабатывающегопилообразное напряжение.

Рис. 1. Структурная схема осциллографа.

После усиления до необходимой величиныусилителем горизонтального отклонения пилообразное напряжение поступаетна горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Крутизна (скорость изменения)пилообразного напряжения определяет скорость горизонтального перемещениялуча и тем самым коэф. развёртки (отношение времени нарастания сигналак отклонению луча за это время). Одно из осн. условий стабильного изображениясигнала на экране ЭЛТ состоит в том, чтобы временное положение к.-л. точкипериодич. сигнала относительно начала развёртки оставалось неизменным вкаждом цикле развёртки.
В О. предусматривают возможность подачивнеш. напряжения на горизонтально отклоняющие пластаны. При этом усилительгоризонтального отклонения отключают от генератора развёртки и подключаютк входу х.
Генератор развёртки может работать в автоколебат. <и ждущем режимах. В автоколебат. режиме трудно обеспечить одно из самыхважных условий стабильного изображения сигнала на экране ЭЛТ (кратностьпериода развёртки произвольному периоду повторения сигнала). Этот режимпоэтому малоупотребителен при измерениях. В ждущем режиме генератор развёрткив буквальном смысле "ждёт" внутр. или внеш. сигналов запуска (синхронизации).Генератор развёртки в ждущем режиме запускают: при внутр. запуске - самимисследуемым сигналом или напряжением питающей сети; при внеш. запуске -сигналом, подаваемым на вход внеш. синхронизации (для этого в О. имеетсяпереключатель "Синхронизация", к-рый устанавливают в соответствующее положение).При внеш. запуске параметры запускающего сигнала обычно остаются постоянными, <поэтому движение луча слева направо начинается в определ. моменты времени, <задающие начало отсчёта по оси времени для осциллограммы на экране. Установивручки управления запуском развёртки, можно измерить фазовые и временныепараметры сигнала в разл. точках исследуемой схемы. При внеш. запуске началоразвёртки одинаково для всех наблюдаемых сигналов и задаётся сигналом внеш. <запуска. При этом чаще всего для внеш. запуска развёртки используют сигнал, <связанный во времени с выходным сигналом исследуемой схемы.
На рис. 2 изображена работа развёрткив ждущем режиме с внеш. синхронизацией синхроимпульсами (рис. 2, а),связанными с наблюдаемым сигналом (рис. 2, б) жёсткой временной связью. <Синхроимпульсы задают начало импульса пилообразного напряжения (рис. 2, в )развёртки О. По достижении (в момент t₁ )своегомакс. значения напряжение развёртки затем убывает до минимума (в момент t₂). Отрезок (t₂- t₁ )соответствует обратному ходу луча. Начиная с момента t₂ генератор развёртки "ждёт" запуска ближайшим синхроимпульсом в момент t₃ и т. д. Исследуемые импульсы (рис. 2,в) задержаны на нек-рое время относительно синхроимпульсов. Неизменноеположение наблюдаемых импульсов относительно импульсов пилообразного напряженияв каждом цикле развёртки обеспечивает их стабильное изображение на экранеЭЛТ. Импульсы (рис. 2, г), вырабатываемые в О., используют для подсветапрямого хода луча в интервале (t₀, t₁ )идля гашения обратного хода луча в интервале (t_l, t₂ )в каждом цикле развёртки. Желаемый масштаб изображения по горизонтали обеспечиваетсявыбором коэф. развёртки.

Рнс. 2. Развёртка в ждущем режиме с внешнейсинхронизацией.

По своему назначению электронно-лучевыеО. можно разделить на универсальные, импульсные, многоканальные, запоминающие, <стробоскопические и т. д.

Универсальные О. предназначены для исследованияоднократных и периодич. электрич. сигналов и измерения их амплитудных ивременных параметров. Универсальность обеспечивается наличием сменных блоковв каналах вертикального отклонения и развёртки.
Для импульсного О. характерны широкаяполоса частот усилителя вертикального отклонения, наличие быстрых развёртокс малыми коэф. развёртки. Эти условия необходимы для наблюдения кратковрем. <импульсных процессов и измерения их параметров. В нек-рых импульсных О.,кроме того, в канале вертикального отклонения имеется широкополосная линиязадержки, необходимая для того, чтобы иметь возможность наблюдать переднийфронт импульсного сигнала в режиме внутр. синхронизации ждущей развёртки. <В этом случае исследуемый сигнал сначала запускает генератор развёртки, <а затем, спустя время задержки, появляется на входе усилителя вертикальногоотклонения.
В много к анальных О. имеется неск. (24)каналов вертикального отклонения и задержанной развёртки, что обеспечиваетодноврем. исследование синхронных и несинхронных сигналов в разл. амплитудныхи временных масштабах, сравнение сигналов по форме при наличии временногосдвига между ними, подсвет исследуемого участка развёртки с одноврем. изображениемего в изменённом временном масштабе, алгебраич. сложение сигналов и т. <д.
Взапоминающих О. в качестве ЭЛТ используютзапоминающие трубки (потенциалоскопы, графеконы и др.), предназначенныедля записи электрич. сигналов, хранения этой записи и считывания (воспроизведения)записанных сигналов в заданный момент времени. Вариантом запоминающих О. <являются цифровые запоминающие О., принцип действия к-рых заключается впреобразовании мгновенных значений исследуемых сигналов в цифровую формус помощью быстродействующих аналого-цифровых преобразователей и запоминанияих в цифровых запоминающих устройствах. Форма записанных сигналов и результатыизмерения их параметров отображаются на экране ЭЛТ. Примером может служитьцифровой запоминающий О. С9 - 8 (СССР), в к-ром управление осн. <режимами работы осуществляется 12-разрядным микропроцессором.
Стробоскопические О. предназначены дляисследования повторяющихся сигналов малой длительности и характеризуютсяналичием стробоскопич. блоков в усилителе вертикального отклонения и развёртке. <Принцип действия стробоскопич. системы основан на том, что при поступленииповторяющихся исследуемых сигналов (рис. 3, а) на вход усилителявертикального отклонения при каждом запуске развёртки на экране ЭЛТ изображаетсяне весь сигнал, а только короткая его часть, наз. "вырезкой" сигнала. "Вырезка"мгновенных значений сигнала производится с помощью коротких стробирующихимпульсов (рис. 3, б). Каждая "вырезка" сдвинута на величину шагасчитывания . относительнопредыдущей "вырезки". Автоматический сдвиг стробоскопических импульсовна величину . вкаждом цикле повторения сигнала обеспечивает стробоскопический блок развёртки. <На выходе стробирующего устройства получают модулиров. последовательностьстробирующих импульсов (рис. 3,в), к-рые затем усиливают, расширяюти подают на схему, запоминающую амплитуду очередного импульса до приходаследующего. Т. о., получается ступенчатая ф-ция, огибающая к-рой воспроизводитформу сигнала (рис. 3, г). Длительность преобразованного сигналаво столько раз больше длительности исследуемого сигнала, во сколько разего период Т больше шага считывания t.

Рис. 3. Стробоскопический метод наблюдениякоротких импульсов.

Лит.: Соловов В. Я., Осциллографическиеизмерения, 2 изд., М., 1975; Справочник по радиоизмерительным приборам, <т. 1 - 3, М., 1976 - 79.

Ю. А. Романюк.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.