При отсутствии напряжения на Х, Y электродах электронный луч попадает в центр экрана, который мы примем за начало координат. Изображение на экране исследуемого напряжения создаётся следующим образом. Исследуемый сигнал UХ(t) подводится к вертикально отклоняющим пластинам Y и вызывает смещение луча по вертикали.
Для получения изображения необходимо, чтобы луч одновременно перемещался с постоянной скоростью по горизонтали под действием так называемого развёртывающего пилообразного напряжения UР(t)., график зависимости которого от времени напоминает зубцы пилы.
В течение почти всего периода развертки развертывающее напряжение изменяется по закону UР(t)=kt, где k – коэффициент, определяющий скорость нарастания напряжения развертки. Затем напряжение практически мгновенно принимает первоначальное значение и снова начинает нарастать. Этот процесс повторяется многократно. Если на X - электроды подать развертывающее напряжение, а на Y – электроды - исследуемый периодический сигнал, то электронный луч одновременно равномерно бежит по оси X и совершает движения вдоль оси Y. При этом луч периодически вычерчивает на экране график зависимости исследуемого напряжения от времени. Световая инерция экрана способствует получению на нём не мелькающей кривой, повторяющей в определённом масштабе исследуемый сигнал. Условием неподвижного (не плывущего влево и вправо) изображения является кратность отношения периода развёртывающего напряжения к периоду исследуемого сигнала, т.е. ТР/Т = N, где N – целое число. Если N = 1, то на экране создаётся изображение одного периода исследуемого сигнала, если N = 2, то наблюдатель видит на экране два периода и т.д.
При незначительном нарушении этого условия осциллограмма начинает двигаться влево или вправо вдоль оси Х. Для обеспечения точной кратности частот исследуемого и пилообразного напряжений в осциллографе предусмотрен блок синхронизации. Сущность синхронизации состоит в том, что при наблюдении периодического сигнала осуществляется принудительная «подгонка» частоты развёртки под частоту исследуемого сигнала.
Если приложить переменное напряжение к обеим парам электродов, то электронный луч будет вычерчивать на экране некоторую кривую, форма которой зависит от соотношения частот, амплитуд и фаз приложенных переменных напряжений.
В этом случае имеет место сложение взаимно-перпендикулярных гармонических колебаний:
Х = а1 cos w t
Y = a2 cos (w t +a),
Где w - частота колебаний, а1,а2 – амплитуды, a - разность фаз обоих колебаний.
 |
Результат сложения приводит к соотношению:
Форма траектории определяется разностью фаз складываемых колебаний и может представлять собой прямую, окружность, эллипс, по-разному расположенные по отношению к координатным осям.
Если частоты взаимно-перпендикудярных колебаний неодинаковы, то траектория результирующего движения имеет вид сложных кривых, называемых фигурами Лиссажу.
 |
На Рис.3 показана одна из простейших траекторий, получающихся при соотношении частот 1:2 и разности фаз p/2.
рис.3.
Уравнения колебаний имеют вид:
Х = а1 cos w t
Y = a2 cos (2w t +p/2).
На рис.4 приведены фигуры Лиссажу при различных соотношениях между частотами и фазами складываемых перпендикулярных колебаний.
Наблюдая фигуры Лиссажу, можно очень точно определить соотношение частот и фаз исследуемых сигналов.
рис.4.
 |
Блок-схема осциллографа
На Рис.5 изображена упрощенная блок-схема электронного осциллографа. Осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и двух электрических каналов Y и Х. По этим каналам поступает напряжение на Х и Y – электроды трубки для вертикального и горизонтального отклонения электронного луча.
 | |||||
 | |||||
 |
 | |||
 | |||
Внеш.
От сети
рис.5.
Необходимое напряжение на все элементы подаётся от блока питания.
Канал вертикального отклонения (канал У) состоит из входного устройства и усилителя У. На вход У подаётся исследуемый сигнал. Он поступает на усилитель У через входной делитель напряжения, который служит для уменьшения в случае необходимости напряжения исследуемого сигнала, чтобы не перегружать усилитель. Обычно коэффициенты деления К выбираются 1; 10; 100. При этом на усилитель подаётся полное напряжение, поданное на вход, или его десятая или сотая часть.
Усилитель необходим потому, что для отклонения луча на весь экран нужно подавать на отклоняющие пластины сотни вольт, а напряжение исследуемого сигнала может быть значительно меньшим.
Канал горизонтального отклонения (канал развёртки и синхронизации) служит для создания напряжения развёртки, подаваемого на Х-электроды. Он состоит из генератора развёртки, цепей синхронизации и усилителя.
Чтобы автоматически осуществлялась синхронизация развёртывающего напряжения с исследуемым периодическим сигналом, в блок синхронизации поступает исследуемый сигнал с усилителя У. Синхронизация может осуществляться и другими путями: от сетевого напряжения или от внешнего источника синхронизации. Подходящий способ синхронизации подбирается с помощью переключателя (см. рис.5).
Блок синхронизации управляет работой генератора развёртки, который должен вырабатывать пилообразное напряжение с периодом, точно кратным периоду исследуемого сигнала. С генератора развёртки пилообразное напряжение через отдельный усилитель поступает на Х-электроды электроннолучевой трубки.
Более совершенные осциллографы имеют и другие блоки, кроме представленных на Рис 5, например, калибраторы напряжения и длительности. С помощью калибратора напряжения можно подать на усилитель Y известное напряжение, устанавливаемое по градуированной шкале. При этом луч получает некоторое отклонение, измеряемое по сетке, наложенной на экран трубки. Затем по той же сетке измеряют амплитуду исследуемого сигнала и сравнивают с отклонением от известного напряжения. Таким способом можно измерить амплитуду сигнала в вольтах.
Калибратор длительности, называемый также генератором меток времени, позволяет измерить длительность исследуемого процесса. Генератор вырабатывает импульсы строго определенной частоты, которые подаются на модулятор электроннолучевой трубки. Эти импульсы периодически изменяют яркость светового пятна, в результате чего осциллограммы имеют вид пунктирной линии. Если на осциллограмме поместилось n таких штрихов, то длительность процесса равна произведению n на цену одной метки. По положению указателя ручки определяют цену одной метки в микросекундах. С помощью меток времени легко измерить период и частоту исследуемого сигнала.