Схемотехника аналоговых электронных устройств
Лабораторная работа № 1.
Наблюдение формы электрических сигналов и измерение их основных параметров с помощью электронного осциллографа
Цель работы: изучить классификацию электрических сигналов, изучить общее устройство и принцип действия электронно-лучевого осциллографа; получить общее представление о структуре и технических характеристиках применяемого лабораторного стенда; получить практические навыки работы с электронно-лучевым осциллографом на примере наблюдения фигур Лиссажу.
Краткие теоретические сведения
Электрическим сигналом называют напряжение или ток, представляющие собой изменяющиеся во времени физические величины, несущие информацию.
Сигналы бывают периодические (рисунок 1.1) и непериодические (рисунок 1.2). Периодические сигналы могут быть гармоническими и негармоническими. К последним относятся прямоугольные, треугольные, пилообразные и сигналы любой другой формы.
Рисунок 1.1 Рисунок 1.2
Любой периодический сигнал характеризуется периодом повторения 
(рисунок 1.1), с периодом однозначно связана другая важнейшая величина – частота колебаний 
; частота обратно пропорциональна периоду:
.
Часто применяют понятие угловая частота 
. Угловая частота показывает скорость изменения фазы тока или напряжения; угловая частота связана с частотой и периодом повторения следующими соотношениями:
.
Гармонический сигнал (рисунок 1.1, а) является важнейшим частным случаем периодических сигналов; математически такой сигнал может быть представлен следующим образом:
,
где 
– амплитуда колебания; – угловая частота; 
– начальная фаза. Сам аргумент 
называют фазой колебаний; отсюда понятен смысл названия величины : начальная фаза – это фаза колебания в начальный момент времени (при 
).
Важное практическое значение имеют сигналы с постоянной составляющей; так, например, на рисунке 1.1, б показан гармонический сигнал с постоянной составляющей. Колебания происходят не относительно нулевого значения, а относительно некоторой постоянной величины 
, которую и называют постоянной составляющей. Амплитуда переменной составляющей 
~, очевидно, определяется как максимальное отклонение сигнала от величины . В общем случае постоянная составляющая может присутствовать в сигналах любой формы. Полярность постоянной составляющей также может быть разной.
Для импульсных сигналов (рисунок 1.1, в) применяют понятия длительность импульса 
и длительность паузы 
, очевидно, период следования импульсов равен сумме длительности импульса и длительности паузы:
.
Скважностью последовательности импульсов называют отношение периода следования импульсов к длительности импульсов, обратную величину часто называют коэффициентом заполняемости (иногда под скважностью понимают отношение длительности импульса к длительности паузы или наоборот, обычно это дополнительно оговаривается).
В случае периодической последовательности импульсов непрямоугольной формы (рисунок 1.3) необходимо учитывать длительности фронтов. Передний фронт называют также нарастанием 
, а задний – спадом 
; на графиках передний фронт находится левее (подразумевается, что во времени нарастание происходит раньше). Для трапециидальных импульсов (рисунок 1.3, а) определение длительностей импульса, паузы, нарастания и спада не представляет труда. Для треугольных импульсов (рисунок 1.3, б) длительность импульса обычно не измеряют, говорят только о нарастании, спаде и паузе. Для импульсов сложной формы иногда бывает трудно определить временные границы фронтов, импульсов и пауз; в этом случае часто применяют некоторые условные соглашения: например, границы фронтов могут определяться по уровням 0,1 и 0,9 от максимального уровня сигнала (рисунок 1.3, в). Для пилообразных импульсов (рисунок 1.3, г) оперируют только понятиями длительность нарастания и спада, длительности импульсов и пауз не определяют.
Рисунок 1.3
Следует отметить, что описанные параметры импульсов носят достаточно условный характер: для реальных сигналов в зависимости от конкретных условий временные параметры импульсов могут определяться различными способами, а некоторые параметры могут не учитываться.
Для визуального наблюдения параметров электрических сигналов применяют универсальный измерительный прибор – электронно-лучевой осциллограф. В общем случае, осциллограф графически (на экране электронно-лучевой трубки) показывает зависимость одного напряжения от другого. Если в качестве второго напряжения использовать напряжение, пропорциональное времени, то на экране осциллографа будет наблюдаться зависимость первого напряжения от времени; именно в этом режиме осциллограф обычно и применяется.
В настоящее время широко применяются два класса осциллографов – аналоговые и цифровые. При выполнении настоящего цикла лабораторных работ будет применяться аналоговый осциллограф.
Основной частью любого аналогового осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу с системой электродов (рисунок 1.4). Между анодом (А) и катодом (К) прикладывается высокое (единицы киловольт) напряжение, которое создает электрическое поле. Электроны, вылетающие с поверхности катода, под действием электрического поля ускоряются в направлении анода. Применением специальных дополнительных электродов электроны фокусируются в узкий пучок (луч). Электронный луч достигает экрана ЭЛТ. С внутренней стороны экран покрыт слоем люминофора – вещества, которое светится под действием электронной бомбардировки. В горловине ЭЛТ осциллографа расположены две пары параллельных металлических пластин; сами пары установлены взаимно перпендикулярно: одна пара пластин расположена горизонтально, а другая – вертикально. Эти пластины называются отклоняющими. Подача электрического напряжения на пару параллельных пластин приводит к возникновению электрического поля, направленного перпендикулярно плоскости пластин; электрическое поле вызывает отклонение электронного луча. Подача напряжения на вертикально расположенные пластины вызывает смещение луча в горизонтальном направлении, эти пластины называют горизонтально отклоняющими или X-пластинами; подача напряжения на горизонтально расположенные пластины вызывает смещение луча в вертикальном направлении, эти пластины называют вертикально отклоняющими или Y-пластинами. Смещения луча по горизонтали и по вертикали пропорциональны приложенным к X-пластинам и Y-пластинам напряжениям, поэтому электронный осциллограф и используется в качестве электроизмерительного прибора.
Рисунок 1.4
Для того чтобы наблюдать на экране ЭЛТ осциллографа зависимость исследуемого сигнала (электрического напряжения) от времени, исследуемый сигнал подается на Y-пластины, а на X-пластины подается сигнал развертки. Развертка – это равномерное перемещение электронного луча (и соответствующей святящейся точки на экране) по горизонтали. Чтобы луч перемещался с постоянной скоростью, напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах должно изменяться во времени линейно, а для возвращения луча в исходное положение напряжение развертки должно быстро падать до начального значения. Таким образом, сигнал развертки должен иметь пилообразную форму (рисунок 1.5), причем длительность спада должна быть маленькой. Время нарастания импульса развертки 
называют также временем прямого хода луча, а время спада 
– временем обратного хода, т.к. 
, то
,
где 
– период развертки.
Яркость изображения на экране ЭЛТ, очевидно, зависит от величины тока луча и от времени воздействия луча на конкретный участок люминофора, т.е. от скорости перемещения луча по экрану (чем больше скорость перемещения луча, тем меньше яркость). Именно из-за описанного эффекта ощутимо уменьшается яркость при малых временах развертки, а также сильно снижена яркость крутых фронтов сигналов на осциллограммах (часто вертикальные участки осциллограмм практически не видны). Для получения корректной осциллограммы сигнала необходимо, чтобы обратные ходы развертки не были видны. Для этого во время обратных ходов требуется уменьшать ток луча ЭЛТ, кроме того, величину этого тока желательно регулировать для оперативной установки оптимальной яркости изображение. Управление величиной тока луча ЭЛТ (регулировку яркости) осуществляют изменением напряжения (смещения) на модуляторе (специальный электрод в ЭЛТ) или катоде. Многие осциллографы, кроме того, позволяют изменять яркость луча подачей внешнего напряжения (дополнительного сигнала) на специальный внешний разъем; такой режим может применяться для более детального исследования отдельных участков сигнала. Канал управления яркостью луча (канал модуляции яркости) в осциллографах называют Z-каналом; канал вертикального луча называют Y-каналом, а канал го 
ризонтального отклонения луча называют X-каналом.
Рисунок 1.5
Реальное начальное значение напряжения развертки (на рисунке оно составляет 0 В) зависит от конструкции ЭЛТ и определяется таким образом, чтобы при этом напряжении луч попадал на левую границу экрана (если смотреть на экран спереди). Максимальное значение напряжения развертки также определяется параметрами ЭЛТ: оно должно соответствовать отклонению луча до правой границы экрана. Для того, чтобы вручную (с помощью выведенного на переднюю панель регулятора) перемещать луч (и всю осциллограмму) влево или вправо к пилообразному сигналу развертки добавляется постоянная составляющая соответствующей полярности.
Для получения сигнала развертки в осциллографе применяется встроенный генератор пилообразного сигнала (генератор развертки), частота колебаний (точнее время прямого хода) этого генератора может изменяться в широких пределах регулятором «Время развертки» (или «Скорость развертки»). На экране осциллографа имеется сетка или просто координатные оси с делениями. Регулятор «Время развертки» градуируется в единицах измерения времени, приходящихся на одно деление (например, 5 миллисекунд на деление); очевидно, этот параметр определяет масштаб графика (осциллограммы) по оси абсцисс. Увеличение времени развертки визуально сжимает график; уменьшение – растягивает.
Фактически форма сигнала «прорисовывается» на экране за каждый прямой ход развертки. Время развертки (длительность прямого хода), как сказано выше, для универсальных осциллографов может регулироваться в широких пределах (обычно от долей секунды до долей микросекунды). Следующий прямой ход развертки вновь прорисовывает сигнал на экране. И свечение люминофора, и зрение человека обладают инерционностью, т.е. при быстрой смене «картинок» они накладываются друг на друга и воспринимаются как единое целое. Естественно, мы увидим правильное и неподвижное изображение сигнала только в том случае, если прорисовываемая на экране форма сигнала не будет меняться для первого, второго и т.д. прямых ходов развертки; это возможно, только если исследуемый сигнал периодический. Другими словами, универсальный осциллограф может применяться для наблюдения формы только периодических сигналов.
Чтобы график на экране осциллографа был неподвижен, необходимо, чтобы сигнал развертки был «привязан» к какому-то уровню исследуемого сигнала, иначе говорят, что развертка должна быть синхронизирована с исследуемым сигналом. На большинстве моделей осциллографов обычно имеется регулятор «Синхронизация» (он может называться и иначе), который позволяет осуществить синхронизацию (установить неподвижное изображение). Кроме того, на всех осциллографах имеется регулятор «Уровень», позволяющий выбрать точку (уровень) на запускающем сигнале, с которой синхронизируется развертка.
В случае непериодических сигналов синхронизация невозможна. Для наблюдения непериодических сигналов могут применяться осциллографы с запоминающей трубкой (в них сигнал прорисовывается однократно, но его можно наблюдать на экране трубки в течение значительного, т.е. достаточного для визуальной оценки параметров, времени). Для наблюдения непериодических сигналов с помощью аналогового осциллографа (с обычной ЭЛТ) может также применяться фотографирование осциллограммы.
Система синхронизации осциллографа является одной из важнейших и в определенном смысле наиболее сложным электронным узлом. При неудовлетворительной работе системы синхронизации проводить с помощью осциллографа измерения практически невозможно. Рассмотрим подробнее вопросы синхронизации осциллографа.
Как было указано выше, в осциллографе имеется генератор развертки. Этот генератор может работать в автоколебательном и ждущем режимах. Для переключения режимов работы генератора развертки применяется специальный регулятор (в разных моделях осциллографов он может называться «Синхронизация», «Стабильность» и т.п.); технически этот регулятор может быть переменным резистором, поворотным (галетным) переключателем, тумблером, кнопкой и т.п. В автоколебательном режиме колебания заданной формы и частоты генерируются непрерывно. В ждущем режиме генератор формирует только один цикл (период) колебания, т.е. один пилообразный импульс, причем формирование импульса начинается в момент подачи на специальный управляющий вход генератора специального запускающего импульса. Форма запускающего импульса в большинстве случаев несущественна, но фронты этих импульсов стараются сделать крутыми, т.к. запуск генератора обычно происходит переднему или заднему (это зависит от конкретной схемной реализации цепей запуска генератора) фронту запускающего импульса.
Когда генератор работает в автоколебательном режиме, он независимо от наличия исследуемого сигнала генерирует пилообразные импульсы, которые подаются на X-пластины. Если исследуемый сигнал (на Y-пластинах) отсутствует (равен нулю), то на экране, очевидно, будет видна линия развертки. Рассмотрим, что произойдет при подаче какого-нибудь исследуемого сигнала на Y-пластины; для определённости предположим, что подан гармонический сигнал 
(рисунок 1.6), при этом сигнал развертки 
и исследуемый сигнал никак не связаны друг с другом. За время первого (по рисунку) прямого хода развертки на экране прорисуется изображение, соответствующее 1-му «кадру»; за время второго хода – изображение, соответствующее 2-му «кадру» и т.д. Как отмечалось выше, при зрительном восприятии «кадры» накладываются друг на друга, и на экране мы увидим изображение, показанное внизу на рисунке 1.6. Как видно, это изображение не соответствует действительности. Кроме того, реально фазы исследуемого сигнала и сигнала развертки со временем будут меняться (т.к. сигналы независимы), поэтому в ряде случаев изображение не будет неподвижным: оно будет перемещаться влево или вправо. В этом случае или будет видна движущаяся («плывущая») осциллограмма, подобная приведенной на рисунке 1.6, или (при быстром перемещении в какую-либо сторону) изображение сольется в сплошную полосу (рисунок 1.7).
Рисукнок 1.6
Рисунок 1.7
Анализируя рисунок 1.6, становится понятно, что для получения неподвижного изображения необходимо, чтобы все прямые ходы развертки начинались одновременно с достижением исследуемым сигналом заданного уровня; только в этом случае все «кадры» будут одинаковы (рисунок 1.8). Естественно, что запуск следующего прямого хода развертки должен начаться не раньше окончания обратного хода предыдущего цикла развертки. Таким образом, для синхронизации генератора развертки от исследуемого сигнала необходимо переключить генератор развертки в ждущий режим и сформировать запускающие импульсы 
.
В принципе, возможен еще один способ получения неподвижного изображения на экране осциллографа: автоколебательный режим работы генератора развертки с синхронизацией от вышеупомянутых запускающих импульсов (которые в этом случае часто называют синхронизирующими). Этот режим отличается от вышеописанного ждущего режима тем, что импульсы развертки генерируются независимо от наличия исследуемого сигнала (как для обычного автоколебательного режима), но частота импульсов развертки за счет изменения длительности обратного хода автоматически делается кратной частоте запускающих (синхронизирующих) импульсов.
Практически применяются оба описанных способа синхронизации. Экспериментально отличить, в каком именно режиме работает генератор развертки вашего осциллографа можно следующим образом. Сначала следует убедиться, что синхронизация вообще есть, т.е. что на экране наблюдается стабильная корректная осциллограмма. Если после отключения исследуемого сигнала на экране остается видимая линия развертки, то генератор развертки работает в автоколебательном режиме; если же при отключении исследуемого сигнала пропадает и линия развертки (на экране не видно ничего), то генератор работает в ждущем режиме. Для проведения измерений никакой реальной разницы между этими режимами нет; регулировка осциллографа в обоих случаях выполняется одними и теми же органами управления. Вообще же синхронизация на основе формирования запускающих импульсов для находящегося в ждущем режиме генератора развертки является более предпочтительной, так обычно реализующие этот метод схемы более устойчивы и работают в более широких диапазонах частот исследуемых сигналов и различных временах развертки.
Строго говоря, схема, вырабатывающая запускающие импульсы для находящегося в ждущем режиме генератора развертки, должна называться схемой запуска; схема же, вырабатывающая синхронизирующие импульсы для находящегося в автоколебательном режиме генератора развертки, должна называться схемой синхронизации. Так как речь идет об одной и той же схеме (а импульсы запуска и импульсы синхронизации являются одними и теми же импульсами), то могут применяться оба отдельных названия (схема синхронизации или схема запуска), или одно комбинированное название – схема синхронизации и запуска.
Далее опишем особенности запуска генератора развертки, находящегося в ждущем режиме.
Рисунок 1.8
Сигнал достигает заданного уровня два раза за период: один раз при возрастании величины сигнала, другой раз при убывании (рисунок 1.9). Этот факт необходимо учитывать; чтобы получить корректное изображение на экране осциллографа запуск прямого хода развертки всегда должен осуществляться от однотипных совпадений сигнала с опорным уровнем (или всегда при нарастании, или всегда при спаде); в примере на рисунке 1.8 запуск осуществляется от совпадений сигнала с опорным уровнем при нарастании сигнала. Величина запускающего (опорного) уровня может меняться от максимального за период значения исследуемого сигнала до минимального (с учетом полярности). Обычно на осциллографах имеется специальный переключатель, выбирающий от какого совпадения сигнала с уровнем (при нарастании или при спаде) осуществляется запуск развертки. Если для сигнала в примере на рисунке 1.8 запуск развертки осуществлять от совпадений сигнала с опорным уровнем при спаде сигнала (при том же опорном уровне), то вид осциллограммы изменится (рисунок 1.10)
Рисунок 1.9
Рисунок 1.10
Вид осциллограммы изменится и при изменении величины запускающего (опорного) уровня; на рисунке 1.11 изображен процесс построение осциллограммы для такого же сигнала, как в примере на рисунке 1.8, но при другом запускающем уровне (при этом запуск осуществляется от совпадений сигнала с опорным уровнем при нарастании сигнала).
Следует чётко понимать, что все три осциллограммы (рисунки 1.8, 1.10 и 1.11) соответствуют одному и тому же сигналу; только мы наблюдаем разные фрагменты этого сигнала. Более того, осциллограммы на рисунках 1.6 и 1.7 соответствуют этому же сигналу, но эти осциллограммы наблюдаются на несинхронизированном с исследуемым сигналом осциллографе, поэтому они являются некорректными.
Рисунок 1.11
Таким образом, чтобы получить неподвижную осциллограмму необходимо, чтобы генератор развертки генерировал пилообразные импульсы, начинающиеся в момент совпадения величины исследуемого сигнала с опорным уровнем (сам уровень выбирается соответствующим регулятором). Для этого генератор развертки должен работать или в ждущем режиме с запуском от специальных импульсов, или в автоколебательном режиме с синхронизацией от тех же специальных импульсов. Как было сказано выше, ждущий режим генератора – это такой режим, при котором генератор выдает один импульс (в данном случае пилообразный), который начинается в момент подачи управляющего сигнала (сам управляющий сигнал, как правило, представляет собой короткий импульс). В задачу схемы синхронизации и запуска входит формирование импульсов, которые запускают находящийся в ждущем режиме генератор развертки или синхронизируют находящийся в автоколебательном режиме генератор развертки. Синхронизирующие (запускающие) импульсы должны формироваться в моменты совпадения величины исследуемого периодического сигнала с установленным опорным уровнем с учетом поведения (возрастание или уменьшение) в этот момент исследуемого сигнала и состояния соответствующего переключателя (синхронизация по нарастанию или по спаду).
Конкретная техническая реализация схемы синхронизации и запуска может быть различной, рассмотрим один из возможных вариантов (рисунок 1.12). Элемент, обозначенный на схеме DA1, называется компаратор, он представляет собой устройство, сравнивающее два напряжения, поданных на два его входа; один вход (верхний по схеме) называется неинвертирующим, а другой (нижний по схеме, отмеченный кружком) – инвертирующим. Компараторы выпускаются в виде микросхем. Если напряжение на неинвертирующем входе больше, чем напряжение на инвертирующем, то на выходе компаратора будет постоянное напряжение близкое к положительному напряжению питания; если же напряжение на неинвертирующем входе меньше, чем напряжение на инвертирующем, то на выходе компаратора будет постоянное напряжение близкое к отрицательному напряжению питания (для некоторых компараторов уровни выходных напряжений могут отличаться и составлять, например, +5 В в первом случае и 0 В во втором). Обычно компараторы имеют двуполярное относительно общего провода питание. Как видно по схеме, регулятором «Уровень» можно установить любое опорное напряжение в диапазоне от 
до 
. Компаратор сравнивает входной сигнал с установленным опорным уровнем. На конденсаторе С1 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, выделяющая фронты импульсов соответствующие моментам совпадения опорного уровня и входного сигнала. Причем совпадениям при возрастании сигнала будут соответствовать положительные короткие импульсы, а совпадениям при убывании сигнала – отрицательные короткие импульсы. Переключателем S1 можно выбрать, какие импульсы (положительные или отрицательные) пропустить на выход схемы, для удаления импульсов ненужной полярности использованы диоды VD1 и VD2 (резистор R3 является нагрузкой диодов). Временные диаграммы работы приведенной схемы (для показанного на схеме положения переключателя полярности запускающих импульсов) приведены на рисунке 1.13, для наглядности на диаграммах показаны также пилообразные импульсы развертки и получающееся изображение. Как видно на рисунке, не каждый запускающий импульс используется для запуска генератора развертки; как уже отмечалось, следующий импульс развертки должен формироваться не раньше, чем полностью закончился предыдущий; это обеспечивается схемотехникой цепей запуска генератора развертки. Другими словами, генератор развертки не может быть перезапущен (даже если запускающий импульс пришел), пока не окончился текущий пилообразный импульс. Еще раз отметим, что описанный вариант схемы синхронизации не является единственно возможным; кроме того, приведенный пример является упрощенным – реальные схемы синхронизации и запуска осциллографов обычно существенно сложнее.
Рисунок 1.12
Рисунок 1.13
Следует отметить, что даже при наблюдении периодических сигналов синхронизация возможна не во всех случаях. Пусть, например, исследуемый периодический (с периодом 
) сигнал имеет форму, показанную на рисунке 1.14. В этом случае синхронизация возможна не для всех уровней, например, для показанного на рисунке уровня синхронизировать осциллограф не удастся. Происходит это потому, что за период повторения опорный уровень в данном случае достигается четыре раза – два при возрастании и два при убывании сигнала. Возникает показанная на рисунке неоднозначность формирования запускающего импульса, что приводит к невозможности синхронизации. Однако для данного исследуемого сигнала синхронизировать осциллограф можно на уровнях, близких к максимальным и минимальным величинам сигнала, т.к. для этих уровней неоднозначности не будет, они будут достигаться за период только два раза: один раз при нарастании и один раз при убывании (рисунок 1.15). Если выбрать запускающий уровень больше максимального значения сигнала или меньше минимального, то на экране осциллографа вообще не будет никакого изображения, т.к. генератор развертки будет находиться в ждущем режиме, т.е. «ждать» запускающий импульс, а запускающий импульс не будет сформирован поскольку уровень сигнала никогда не совпадет с выбранным опорным уровнем.
Рисунок 1.14
Рисунок 1.15
Описанный процесс синхронизации соответствует синхронизации от исследуемого сигнала. Кроме того, практически во всех моделях осциллографов предусмотрена внешняя синхронизация, при которой сигнал синхронизации подается в осциллограф через специальный разъем. Режим внешней синхронизации удобно использовать в тех случаях, когда требуется исследовать много различных синхронизированных друг с другом сигналов (такая ситуация типична, например, для различных цифровых схем). Режим внешней синхронизации незаменим также в тех случаях, когда необходимо измерить временное положение сигналов друг относительно друга. Естественно практически режим внешней синхронизации можно применить только в том случае, если сигнал синхронизации существует и имеется техническая возможность подачи этого сигнала на осциллограф. В большинстве профессиональных радиоэлектронных приборов (измерительных генераторах, радиоприемниках и др.) специально предусмотрен разъем, с которого можно снимать пригодный для синхронизации осциллографа (и других приборов) сигнал. В ряде моделей осциллографов предусмотрен также ручной запуск развертки, этот режим может применяться для однократного наблюдения сравнительно медленного непериодического сигнала. Таким образом, в осциллографе обычно имеются следующие режимы синхронизации: внутренняя (автоколебательный или синхронизированный с напряжением питающей сети режим генератора развертки), от исследуемого сигнала (ждущий режим генератора развертки или режим синхронизации автоколебательного режима), ручной однократный запуск, внешняя синхронизация. Иногда имеются дополнительные режимы синхронизации, например синхронизация от видеосигнала (применяется для телевизионных измерений).
Исследуемый сигнал подается на Y-пластины через усилитель, если уровень сигнала низкий, или делитель (аттенюатор), если уровень сигнала высокий. Коэффициент передачи вертикального канала (усилителя или делителя) изменяется в широких пределах регулятором «Усиление». Этот регулятор проградуирован в единицах напряжения, приходящихся на одно вертикальное деление экрана (например, 50 милливольт на деление); параметр «Усиление» определяет масштаб графика (осциллограммы) по оси ординат. Исследуемый сигнал может подаваться непосредственно или через разделительный конденсатор; в первом случае говорят об открытом входе или входе по постоянному току, а во втором случае – о входе по переменному току. Второй режим предназначен для наблюдения только переменной составляющей сигнала. На лицевой панели осциллографа обычно располагается соответствующий переключатель, который подключает или отключает разделительный конденсатор последовательно входу прибора. Чтобы вручную (с помощью выведенного на переднюю панель регулятора) перемещать луч (и всю осциллограмму) вверх или вниз к подаваемому на Y-пластины исследуемому сигналу добавляется постоянная составляющая соответствующей полярности.
Так как для формирования в схеме синхронизации запускающего генератор развертки импульса требуется некоторое время (на рисунках 1.8, 1.10 и 1.11 это время не показано), то для того чтобы иметь возможность наблюдать начальный участок исследуемого сигнала (например, передний фронт импульса) в канал вертикального отклонения включают линию задержки.
В двухканальном осциллографе имеются два одинаковых тракта вертикального отклонения, сигнал с выхода обоих каналов подается на Y-пластины попеременно, для этого применяют специальное электронное устройство – коммутатор; частота переключения коммутатора выбирается такой, чтобы визуально прерывистость прорисовки линий не просматривалась, и на экране наблюдались два луча. Синхронизация может осуществляться от первого или от второго сигнала. Часто коммутатор двухканального осциллографа позволяет дополнительно наблюдать сумму сигналов, поданных на оба канала.
В принципе, существуют двухлучевые осциллографы, в которых используют специальные (двухлучевые) ЭЛТ с двумя катодами и отдельными для каждого луча парами Y-пластин; в этом случае взаимовлияние двух сигналов практически отсутствует. Однако двухлучевые ЭЛТ сложнее однолучевых, а современная элементная база и уровень развития схемотехники позволяют реализовывать с высокими параметрами коммутаторы для двухканальных однолучевых осциллографов; в настоящее время двухлучевые осциллографы практически не производятся. Вообще следует отметить, что в связи с интенсивным внедрением цифровых осциллографов и постоянным улучшением их характеристик, производство и применение аналоговых осциллографов сокращается.
Оптимальные установки параметров развертки и усиления каналов зависят от вида исследуемого сигнала и от того, какие именно параметры сигнала измеряются или оцениваются с помощью осциллографа. Для большинства случаев (когда требуется получить общее представление о форме сигнала и оценить числовые значения параметров сигнала) время развертки следует выставлять таким, чтобы на экране помещалось 3–5 периодов исследуемого сигнала. Усиление канала при наблюдении переменной составляющей сигнала (или полного сигнала, который не имеет постоянной составляющей) должно быть таким, чтобы сигнал занимал примерно 2/3 экрана осциллографа (если сигнал однополярный, то он должен занимать 2/3 соответствующей половины экрана, если не применяется смещение по вертикали). При наблюдении полного сигнала с постоянной составляющей усиление канала должно быть таким, чтобы наблюдался весь сигнал (т.е. таким, чтобы график сигнала в областях максимальных значений напряжений не выходил за пределы экрана). Следует учесть, что если постоянная составляющая сигнала существенно превышает амплитуду переменной составляющей, то при наблюдении полного сигнала на экране осциллографа переменная составляющая может быть плохо видна. Для ее наблюдения и предназначен режим входа по переменному току. При необходимости можно применять смещение луча по вертикали, следует только учитывать, что при этом снижается наглядность осциллограммы (например, смещением по вертикали можно сделать полностью невидимой постоянную составляющую сигнала), поэтому всегда следует обращать внимание на значение смещения луча по вертикали. Практически оценить установленное смещение луча по вертикали можно путем отключения исследуемого сигнала: при отключенном сигнале уровень развертки по вертикали непосредственно покажет значение смещения луча, т.е. текущее положение «нулевой» линии.
Разумеется, если параметры сигнала известны априори, то осциллограф следует настроить заблаговременно, т.е. до подключения исследуемого сигнала. Если же никакие параметры исследуемого сигнала априори не известны, то усиление используемого вертикального канала следует установить минимальным, а время развертки установить максимальным, затем следует подать исследуемый сигнал на открытый вход (режим DC) осциллографа и, увеличивая усиление и уменьшая время развертки, добиться оптимального изображения (см. выше); затем, если в сигнале визуально видна большая постоянная составляющая, то следует переключить используемый канал осциллографа в режим входа по переменному току и, продолжая увеличивать усиление, вновь получить оптимальное изображение, но теперь уже для наблюдения переменной составляющей.
Необходимо также отметить, что при подаче импульсного сигнала на вход по переменному току вид осциллограммы будет зависеть от скважности, т.к. «нулевая линия» в этом случае будет определяться как среднее значение сигнала за период.
Перед выполнением измерений с помощью осциллографа выполняют (при необходимости) балансировку канала вертикального отклонения и калибровку каналов ветикального и горизонтального отклонения. При переключении пределов усиления канала вертикального отклонения «нулевая» линия не должна изменять свой уровень («скакать»), т.к. это затрудняет измерения, да и просто неудобно. Если присутствует описанный эффект, то говорят, что усилитель Y-ка<