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 рис. 4.7 і містить: електронно-променеву трубку (ЕПТ); блок живлення (БЖ), генератор горизонтальної розгортки (ГР), який подає пилкоподібну напругу, підсилювач вертикального відхи­лення (ПідсУ), 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 (рис. 4.8).

Крім вказаних електродів, у трубці знаходяться вертикально (Y) і горизонтально (X) відхиляючі пластини, а також електрод А₃, 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 розгортай. Для виявлення на екрані електронно-променевої трубки осцилограм необхідно на горизонтальний вхід осцилографа подати пилкоподібну регульовану за амплітудою і частотою напругу. На рис. 4.9 показана така напруга: t₁ - час наростання напруги, t₂ - час спаду напруги, Т- період коливання. В ідеальній системі t₂ дорівнює нолю.

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 розгортки 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 Z = U_к (В)/А_к (мм) 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 (Y), 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 Х 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 А_м - амплітуда підсилюваної величини (І, 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 A_eux=f(A_gx), яку називають амплітудною характеристикою, була лінійною.

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