Осцилографи, генератори, підсилювачі, датчики

Електронний осцилограф - прилад, який використо­вується для дослідження періодичних та аперіодичних про­цесів. За його допомогою можна спостерігати криві періодичного процесу, вимірювати напругу, фазу, глибину модуляції.

Блок-схема найпростішого осцилографа представле­на на мал. 2.47 і містить: електронно-променеву трубку (ЕПТ); блок живлення (БЖ), генератор горизонтальної роз­гортай (ГР), який подає пилкоподібну напругу, підсилювач вертикального відхилення (Підс¥), який дозволяє збільшувати амплітуду досліджуваного сигналу, блок син­хронізації (БС), дільники напруги.

До складу електронно-променевої трубки, яка являє собою вакуумну колбу, входить ряд електродів (електронна гармата), котрі фокусують пучок на екрані трубки і надають електронам необхідну швидкість (мал. 2.48).

Мал. 2.47. Мал. 2.48.

Крім вказаних електродів, у трубці знаходяться верти­кально (Y) і горизонтально (X) відхиляючі пластини, а та­кож електрод завдяки якому відводять електрони, що накопичуються на екрані.

Блок синхронізації. Частота генератора не зовсім ста­більна з ряду причин - флуктуації напруги й опору залежно від змін навколишніх умов та інших причин. Джерела досліджуваних сигналів також не стабільні. Це приводить до нестійкості осцилограми. Для усунення цього недоліку генератор горизонтальної розгортки узгоджують з дослід­жуваним сигналом, примушуючи їх працювати синхронно. Цю функцію в електронному осцилографі виконує блок синхронізації.

Блок живлення. Забезпечує необхідну постійну напру­гу на електродах електронно-променевої трубки. До катода трубки прикладається негативна напруга більше 1000 В, а до анода - позитивна напруга до 5 кВ. Блок забезпечує та­кож живлення нитки розжарення електронно-променевої трубки.

Генератор розгортки. Для виявлення на екрані елек­тронно-променевої труб­ки осцилограм необхідно на горизонтальний вхід осцилографа подати пил­коподібну регульовану за амплітудою і часто­тою напругу. На мал. 2.49 показана така на­пруга: - час наростан­ня напруги, - час спаду напруги, Т - період ко­ливання. В ідеальній системі дорівнює нулю.

Для спостереження синусоїдальних коливань (напруг) служить неперервна розгортка. Якщо спостерігаються про­цеси, які повторюються через неоднакові проміжки часу чи мають вигляд аперіодичних або одноразових імпульсів, то тривалість розгортки повинна бути трохи більшою, ніж тривалість досліджуваного сигналу. Такі розгортки назива­ються очікуючими чи одноразовими. Генератори такої роз­гортки приводяться в дію за допомогою зовнішнього пус­кового сигналу, під дією якого генератор очікуючої роз­гортки створює тільки один пилкоподібний імпульс. Часто генератор очікуючої розгортай сам виробляє сигнал, тоді відпадає необхідність синхронізації.

Генератор міток часу. Сучасні осцилографи високого класу мають генератор міток часу або калібратор тривалос­ті. Короткі імпульси цього генератора певної частоти підсилюються і подаються на модулятор. Позитивний по­тенціал модулятора утворює на осцилограмі ряд яскравих точок, негативний - утворює ряд менш яскравих, ніж осци­лограми, точок. Точність визначення тривалості процесів зростає зі збільшенням кількості відміток часу на осцило­грамі.

Генератор калібрувального сигналу. Щоб вимірювати напругу, необхідно порівняти досліджуваний сигнал із сиг­налом каліброваної напруги - тобто такої, що має точно ви­значену величину. Для її отримання в осцилографі існує спеціальний генератор, який працює від стабілізатора на­пруги. За допомогою калібрувального сигналу визначають ціну поділки або, якщо сітка екрана проградуйована, перевіряють правильність роботи приладу. Генератор калібрувального сигналу є не тільки в осцило­графі, а і в більшості вимірювальних приладів (цифрових вольтметрах, реографах, кардіографах тощо).

Отримання осцилограм. На екрані електронно-проме­невої трубки буде видно вертикальну світну лінію, якщо на вертикально відхилюючі пластини (X) подати змінну напру­гу. Якщо змінну напругу подати на горизонтально відхи­люючі пластини (У), то на екрані трубки буде горизонталь­на лінія. Якщо ж змінну напругу одночасно подати на вер­тикально та горизонтально відхилюючі пластини, то на ек­рані буде осцилограма, вигляд якої залежатиме від співвід­ношення частот, амплітуд і фаз сигналів, які подані на пла­стини X та Y.

Для того щоб отримати стійку осцилограму на екрані електронно-променевої трубки, необхідно на У-пластини подавати досліджувану напругу, а на X - пилкоподібну на­пругу. Частоти цих напруг повинні бути або рівними або кратними одна одній.

Отже, основними параметрами ЕО є:

1. Чутливість S електронно-променевої трубки - відно­шення зміщення електронного променя (в мм) до величини напруги (у Вольтах) на відхиляючих пластинах, якою вик­ликане це зміщення:

2. Коефіцієнт підсилення за напругою К, який дорівнює відношенню амплітуди напруги на виході до амплітуди вхідного сигналу відповідного підсилювача (Х чи Y):

3. Частотна смуга пропускання підсилювачів. Підсилення і генерація електричних сигналів

Підсилювачами електричних сигналів називають при­строї, які збільшують ці сигнали за рахунок енергії сторон­нього джерела.

Залежно від призначення розрізняють підсилювачі на­пруги, сили струму, потужності. Основною характеристи­кою підсилювача є коефіцієнт підсилення, який дорівнює відношенню зміни вихідного сигналу до зміни вхідного, якою вона обумовлена:

При підсиленні синусоїдальних сигналів, як правило, користуються відношенням амплітуд вхідного і вихідного сигналів:

де - амплітуда підсилюваної величини (I, U, Р). Суттє­вою вимогою до підсилювачів є повторення вхідного сиг­налу без спотворення його форми. Для цього необхідно, щоб коефіцієнт підсилення не залежав від величини вхідного сигналу, тобто, щоб залежність яку називають амплітудною характеристикою, була ліній­ною.

Варто відзначити, що індуктивні та ємнісні властивості провідників, наскільки малими вони б не були, при збіль­шенні частоти можуть сутгєво впливати на коефіцієнт під­силення, викликаючи так звані частотні спотворення. Не­обхідною умовою їх відсутності є постійність коефіцієнта підсилення Діапазон частот для якого це справедливе, називають смугою пропускання підсилювача.