Слово "осцилограф" утворено від "осціллум" - коливання і "графо" -пише. Звідси і призначення цього вимірювального приладу - відображати на екрані криві струму або напруги як функції часу.
Зустрічається й інша назва цього приладу - осцилоскоп (від того ж осціллум, і скопео-дивлюся) -прилад для спостереження форми коливань. І хоча друга назва точніше, в літературі російською мовою прийнято все-таки перше - осцилограф.
Основна деталь електронного осцилографа - електронно-променева трубка (рис. 1.1), що нагадує за формою телевізійний кінескоп. Екран трубки покритий зсередини люмінофором - речовиною, здатним світитися під (ударами) електронів. Чим більше потік електронів, тим яскравіше світіння тієї частини екрану, куди вони потрапляють.
Випускаються ж електрони так називаемойелектронной гарматою розміщеної на протилежному від екрану кінці трубки. Вона складається з підігрівача (нитки розжарення) і катода. Між "гарматою" і екраном розміщені модулятор - регулюючий потік летять до екрану електронів, двох анодів - створюють потрібне прискорення пучку електронів і його фокусування, і двох пар пластин, за допомогою яких електрони можна відхиляти по горизонтальній (X) і вертикальної (Y) осях .
Екран електронно-променевої трубки буде світитися лише при подачі на її електроди певних напружень. На нитку розжарення зазвичай подають змінну напругу, на керуючий електрод (модулятор) постійне, негативної полярності по відношенню до катода) на аноди - позитивне, причому на першому аноді (фокусуючому) напруга значно менше, ніж на другому (ускоряющем). На відхиляють подається як постійна напруга, що дозволяє зміщувати пучок електронів в будь-яку сторону, щодо центру екрану, так і змінне, що створює лінію розгортки тієї чи іншої довжини, а також "малює" на екрані форму досліджуваних коливань.
Щоб уявити, як же виходить на екрані зображення коливань, зобразимо умовно екран трубки у вигляді кола (хоча у трубки він може бути і прямокутний) і помістимо усередині неї відхиляють (рис.1.2).
Якщо підвести до горизонтальних пластин Х1 і Х2 пилкоподібна напруга, на екрані з'явиться світиться горизонтальна лінія - її називають лінією розгортки або просто розгорткою. Довжина її залежить від амплітуди пилкоподібної напруги (рис. 1.2а).
Якщо тепер одночасно з пилкоподібною напругою, поданим на пластини Х1 і Х2, подати на іншу пару пластин (вертикальних - Y1Y2), наприклад, змінна напруга синусоїдальної форми, лінія розгортки в точності "зігнеться" за формою коливань і "намалює" на екрані зображення ( рис. 1.2б).
У разі рівності періодів синусоїдального і пилообразного коливань, на екрані буде зображення однієї "сінусойди". При нерівності же періодів на екрані з'явиться стільки повних коливань, скільки періодів їх укладається в періоді коливань пилкоподібної напруги розгортки. В осцилографі є регулювання частоти розгортки, за допомогою якої домагаються потрібного числа спостережуваних на екрані коливань досліджуваного сигналу.
СТРУКТУРНА СХЕМА ОСЦИЛОГРАФА.
На малюнку 1.3 зображена структурна схема осцилографа. На сьогоднішній день існує велика кількість різних за конструкцією і призначенням осцилографів. По різному виглядають їх лицьові панелі (панелі управління), дещо відрізняються назви ручок управління і перемикачі. Але в будь-якому осциллографе існує мінімально необхідний набір вузлів, без яких він не може працювати. Розглянемо призначення цих основних вузлів.
Блок живлення забезпечує енергією роботу всіх вузлів електронного осцилографа. На вхід блоку живлення надходить змінна напруга від міської електромережі, як правило величиною 220 В. В ньому воно перетворюється в напруги різної величини: змінне 6,3 В для живлення нитки розжарення електронно-променевої трубки, постійна напруга 12-24 В для живлення підсилювачів і генератора, якщо вони напівпровідникові (або 250 В якщо лампові), близько 150 В для живлення кінцевих підсилювачів горизонтального і вертикального відхилення променя, кілька сотень вольт для фокусування електронного променя і кілька тисяч вольт для прискорення електронно про пучка.
З блоку живлення крім вимикача харчування (5), виведені на передню панель осцилографа регулятори: "ФОКУСУВАННЯ" (6) і "Яскравість" (7). При обертанні цих ручок змінюються напруги, що подаються на перший анод і модулятор. При зміні напруги на першому аноді, змінюється конфігурація електростатичного поля, що призводить до зміни ширини електронного променя. Модулятор в електронно-променевої трубки виконує роль керуючої сітки в ламповому триоде. При зміні напруги на модуляторі змінюється струм електронного променя (змінюється кінетична енергія електронів), що призводить до зміни яскравості світіння люмінофора екрану.
Він видає пилкоподібна напруга, частоту якого можна змінювати грубо (ступенями) перемикачем (9) і плавно - регулятором (8). На лицьовій панелі осцилографа вони називаються "ЧАСТОТА ГРУБО" (або "ДЛИТЕЛЬНОСТЬ РОЗГОРТКИ") і "ЧАСТОТА ПЛАВНО". Діапазон частот генератора досить широкий - від одиниць герц до одиниць мегагерц. Правда, близько перемикача діапазонів проставлені значення тривалості (тривалості) пилкоподібних коливань, а не їх частоти (в деяких осцилографах проставлені саме частоти).
Потрібно вміти знаходити по тривалості частоту, і навпаки. Роблять це за формулами: f = 1 / T і T = 1 / f, де f - частота коливань, а T - тривалість (або період) одного коливання. Якщо частота виражена в герцах, то тривалість виходить в секундах, частота - в кілогерцах (1 кГц = = 1000 Гц), тривалість - в мілісекундах (1 мс = 0,001 c); частота - в мегагерцах (1 МГц = 10 6 Гц), тривалість - в мікросекундах (1 мкс = 10 -6 с).
Наприклад, тривалості 50 мс відповідає частоті 1 / 0,05 = 20 Гц, а тривалості 0,1 мкс - частота 1/10 -7 = 10 7 Гц = 10 МГц. Ці значення наведені по відношенню до одного поділу масштабної сітки - вона прикріплена до екрану осцилографа.
Подібний підрахунок справедливий для синусоїдальних коливань або імпульсних сигналів при рівних длительностях імпульсу і паузи (рис. 1.4). Якщо ж тривалість імпульсів і пауз між ними різна, формулу слід підставляти значення періоду проходження імпульсів (період висловлюють тими ж одиницями, що і тривалість).
Підсилювач каналу горизонтального відхилення.
З генератора розгортки сигнал подається на підсилювач каналу горизонтального відхилення (каналу X). Цей підсилювач необхідний для отримання такої амплітуди пилкоподібної напруги, при якій електронний промінь відхиляється на весь екран. В підсилювачі розташовані регулятор довжини лінії розгортки (інакше кажучи, регулятор амплітуди вихідного пилоподібного напруги) (12) (на передній панелі осцилографа він називається "ПОСИЛЕННЯ X" або "АМПЛИТУДА X") і регулятор зміщення лінії розгортки по горизонталі (13) (позначений значком ).
Канал вертикальної розгортки складається з вхідного атенюатора (подільника вхідного сигналу) і двох підсилювачів - попереднього і кінцевого.
Атенюатор дозволяє вибирати потрібну висоту розглянутого зображення в залежності від амплітуди досліджуваних коливань. За допомогою перемикача вхідного атенюатора (4), амплітуду сигналу можна зменшити в 10 або 100 разів. (Близько перемикача стоять написи: 1: 1 - в цьому випадку вхідний сигнал не послабляти; 1:10 і 1. 100 - в цих випадках ослаблення відповідно в 10 і 100 разів). Більш плавні зміни рівня сигналу, а значить і розміру зображення на екрані, отримують за допомогою регулятора чутливості крайового підсилювача каналу Y (10). У крайовому підсилювачі цього каналу, як і каналу горизонтального відхилення, є регулювання зміщення променя (11), а значить, і зображення, по вертикалі.
Крім того, на вході каналу вертикального відхилення варто перемикач 1, за допомогою якого можна або подавати на підсилювач (звичайно через атенюатор) постійну складову досліджуваного сигналу, або позбавлятися від неї включенням розділового конденсатора. Це в свою чергу, дозволяє користуватися осцилографом як вольтметром постійного струму, здатним вимірювати постійні напруги. Причому вхідний опір "вольтметра" досить висока - більше 1 МОм.
Про інші регулювання
Крім перемикача (9) і регулятора (8) тривалості розгортки у генератора розгортки є ще один перемикач - перемикач режиму роботи розгортки. Він також виведений на передню панель осцилографа (на структурній схемі він не вказаний). Генератор розгорток може працювати в двох режимах: в автоматичному - генерує пилкоподібна напруг заданої тривалості і в режимі очікування - "очікує" приходу вхідного сигналу, і з його появою запускається. Цей режим буває необхідний при дослідженні сигналів з'являються випадково, або при дослідженні параметрів імпульсу, коли його передній фронт повинен бути на початку розгортки. В автоматичному режимі роботи випадковий сигнал може з'явитися в будь-якому місці розгортки, що ускладнює його спостереження. Зручності режиму очікування ви зможете оцінити під час імпульсних вимірювань.
Перемикач (9) спарений (рис. 4). У всіх положеннях верхній (за кресленням) секції перемикача, крім крайнього лівого, генератор виробляє пилкоподібна напруга різної тривалості. В крайньому ж лівому положенні генератор розгорток відключається, а нижня секція перемикача (9) підключає крайовий підсилювач каналу горизонтального відхилення до гнізд "Вхід X".
Тепер горизонтальна лінія розгортки буде виходити тільки при подачі сигналу на зазначені гнізда. Причому чутливість цього каналу менше, ніж каналу вертикального відхилення. Довжину лінії розгортки можна встановлювати регулятором (12).
Такий режим роботи осцилографа буває потрібен, наприклад, при дослідженні частотних і фазових співвідношень гармонійних коливань так званим методом фігур Ліссажу, коли одні коливання подають на вхід Y осцилографа, а інші - на вхід X.
Якщо між генератором розгортки і сигналом немає ніякого зв'язку, то починатися розгортка і з'являтися сигнал будуть в різний час, зображення сигналу на екрані осцилографа буде переміщатися або в одну, або в іншу сторону - в залежності від різниці часто сигналу і розгортки. Щоб зупинити зображення потрібно "засінхронізіровать" генератор тобто забезпечити такий режим роботи, при якому початок розгортки буде збігатися з початком появи періодичного сигналу (скажімо синусоїдального). Причому синхронізувати генератор можна як від внутрішнього сигналу (він береться з підсилювача вертикального відхилення), так і від зовнішнього, що подається на гнізда "вxода СІНXР.". Вибирають той чи інший режим перемикачем (2) - ВНУТР.- зовнішніх. синхронізація (на структурній схемі перемикач знаходиться в положенні "внутрішня синхронізація).
Плавно регулюється синхронізація регулятором (5). Цю ручку можна повертати від крайнього лівого положення (знак (-) до крайнього правого (знак (+). Це регулювання синхронізації розгортки від сигналу відповідної полярності. Коли ручка (5) знаходиться в крайньому лівому положенні (-), генератор розгортки синхронізується негативним фронтом синусоїдальної напруги), в крайньому правому (+) - позитивним. у середньому положенні ручки синхронізація вимикається. у деяких конструкціях осцилографів перемикання синхронізації від (+) або від (-) здійснюється окремим перемикачем. у цьому случ ае ручка (5) змінює амплітуду синхронізації, що сприяє отриманню більш стійкого зображення на екрані.