Осциллограф. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Осциллограф

Осциллограф (от лат. oscillo - качаюсь и греч. grapho - пишу), измерит. прибор, предназначенный для визуального наблюдения и исследования формы сигналов. О. позволяет достаточно точно и оперативно измерять осн. параметры сигналов: амплитуду, частоту, временные интервалы, фазовый сдвиг и т. д. Под сигналом понимают величину, отражающую тем или иным способом состояние физ. системы. Самыми распространёнными являются электрич. сигналы (ток или напряжение), изменяющиеся во времени, x(t). В зависимости от способа получения графика функции x(t)О. разделяют на светолучевые и электронно-лучевые.
В светолучевых О. значение электрич. сигнала x(t)в какой-то момент времени t преобразуется в пропорц. сигналу вертикальное отклонение светового луча, сфокусированного на отражающем экране или светочувствит. плёнке. Для получения графика функции x(t)необходимо устройство развёртки луча во времени (вдоль горизонтали экрана или плёнки). В качестве преобразователя величины тока или напряжения в пропорц. отклонение светового луча в светолучевом О. применяют магнитоэлектрич. гальванометр, к рамке к-рого прикрепляют отражающее зеркальце. Для развёртки луча по горизонтали экрана можно использовать вращающийся барабан с плоскими зеркальными гранями. Скорость вращения этого барабана определяет коэф. развёртки в с/см. Т. о., светолучевой О. должен включать в себя в качестве осн. блоков магнитоэлектрич. гальванометр и оптич. систему, состоящую из осветителя, фокусирующих линз, зеркальца на рамке гальванометра, зеркального барабана развёртки, экрана и др. вспомогат. устройств. Высокая чувствительность гальванометров позволяет применять их в светолучевых О. без усилителей и исследовать колебат. процессы с частотой до 10 кГц. Магн. система может быть общей для неск. гальванометров, поэтому можно конструировать светолучевые О., имеющие неск. измерит. каналов (2

24).
В электронно-лучевых О. изображение сигнала осуществляется с помощью сфокусированного электронного луча, к-рый вызывает свечение люминофора экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
Структурная схема электронно-лучевого О. (рис. 1) включает след. основные блоки: блок усилителя вертикального отклонения луча, на входе усилителя имеется многоступенчатый делитель напряжения (аттенюатор), задающий коэф. отклонения (отношение входного сигнала к вызванному им отклонению луча); блок развёртки в канале горизонтального отклонения луча, в состав этого блока входят схема синхронизации, генератор пилообразного напряжения развёртки, усилитель горизонтального отклонения; базовый блок, в состав к-рого входят ЭЛТ, схема управления лучом (яркость, фокус, сдвиг по вертикали и горизонтали, модуляция яркости луча), блок питания.
Исследуемый сигнал поступает на вход Y и подаётся (непосредственно или через конденсатор) на входной аттенюатор, с помощью к-рого выбирают коэф. отклонения, т.е. усиление сигнала, удобное для наблюдения на экране ЭЛТ. Конденсатор не пропускает к усилителю постоянную составляющую спгнала. Это необходимо, напр., в тех случаях, когда исследуется небольшая переменная составляющая сигнала на фоне большой постоянной составляющей. После аттенюатора сигнал поступает на вход усилителя вертикального отклонения, с выхода к-рого усиленный сигнал подают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.
Из усилителя вертикального отклонения исследуемый сигнал поступает также на вход схемы синхронизации для запуска развёртки, для этого можно использовать и внеш. сигнал, поданный на вход внеш. синхронизации. Схема синхронизации вырабатывает прямоуг. импульсы пост. амплитуды независимо от формы и величины входного сигнала. Благодаря этому достигается устойчивый запуск генератора развёртки, вырабатывающего пилообразное напряжение.

Рис. 1. Структурная схема осциллографа.

После усиления до необходимой величины усилителем горизонтального отклонения пилообразное напряжение поступает на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Крутизна (скорость изменения) пилообразного напряжения определяет скорость горизонтального перемещения луча и тем самым коэф. развёртки (отношение времени нарастания сигнала к отклонению луча за это время). Одно из осн. условий стабильного изображения сигнала на экране ЭЛТ состоит в том, чтобы временное положение к--л. точки периодич. сигнала относительно начала развёртки оставалось неизменным в каждом цикле развёртки.
В О. предусматривают возможность подачи внеш. напряжения на горизонтально отклоняющие пластаны. При этом усилитель горизонтального отклонения отключают от генератора развёртки и подключают к входу х.
Генератор развёртки может работать в автоколебат. и ждущем режимах. В автоколебат. режиме трудно обеспечить одно из самых важных условий стабильного изображения сигнала на экране ЭЛТ (кратность периода развёртки произвольному периоду повторения сигнала). Этот режим поэтому малоупотребителен при измерениях. В ждущем режиме генератор развёртки в буквальном смысле "ждёт" внутр. или внеш. сигналов запуска (синхронизации). Генератор развёртки в ждущем режиме запускают: при внутр. запуске - самим исследуемым сигналом или напряжением питающей сети; при внеш. запуске - сигналом, подаваемым на вход внеш. синхронизации (для этого в О. имеется переключатель "Синхронизация", к-рый устанавливают в соответствующее положение). При внеш. запуске параметры запускающего сигнала обычно остаются постоянными, поэтому движение луча слева направо начинается в определ. моменты времени, задающие начало отсчёта по оси времени для осциллограммы на экране. Установив ручки управления запуском развёртки, можно измерить фазовые и временные параметры сигнала в разл. точках исследуемой схемы. При внеш. запуске начало развёртки одинаково для всех наблюдаемых сигналов и задаётся сигналом внеш. запуска. При этом чаще всего для внеш. запуска развёртки используют сигнал, связанный во времени с выходным сигналом исследуемой схемы.
На рис. 2 изображена работа развёртки в ждущем режиме с внеш. синхронизацией синхроимпульсами (рис. 2,а), связанными с наблюдаемым сигналом (рис. 2,б) жёсткой временной связью. Синхроимпульсы задают начало импульса пилообразного напряжения (рис. 2,в) развёртки О. По достижении (в момент t₁)своего макс. значения напряжение развёртки затем убывает до минимума (в момент t₂). Отрезок (t₂- t₁)соответствует обратному ходу луча. Начиная с момента t₂ генератор развёртки "ждёт" запуска ближайшим синхроимпульсом в момент t₃ и т. д. Исследуемые импульсы (рис. 2,в) задержаны на нек-рое время относительно синхроимпульсов. Неизменное положение наблюдаемых импульсов относительно импульсов пилообразного напряжения в каждом цикле развёртки обеспечивает их стабильное изображение на экране ЭЛТ. Импульсы (рис. 2, г), вырабатываемые в О., используют для подсвета прямого хода луча в интервале (t₀, t₁)и для гашения обратного хода луча в интервале (t_l, t₂) в каждом цикле развёртки. Желаемый масштаб изображения по горизонтали обеспечивается выбором коэф. развёртки.

Рнс. 2. Развёртка в ждущем режиме с внешней синхронизацией.

По своему назначению электронно-лучевые О. можно разделить на универсальные, импульсные, многоканальные, запоминающие, стробоскопические и т. д.

Универсальные О. предназначены для исследования однократных и периодич. электрич. сигналов и измерения их амплитудных и временных параметров. Универсальность обеспечивается наличием сменных блоков в каналах вертикального отклонения и развёртки.
Для импульсного О. характерны широкая полоса частот усилителя вертикального отклонения, наличие быстрых развёрток с малыми коэф. развёртки. Эти условия необходимы для наблюдения кратковрем. импульсных процессов и измерения их параметров. В нек-рых импульсных О., кроме того, в канале вертикального отклонения имеется широкополосная линия задержки, необходимая для того, чтобы иметь возможность наблюдать передний фронт импульсного сигнала в режиме внутр. синхронизации ждущей развёртки. В этом случае исследуемый сигнал сначала запускает генератор развёртки, а затем, спустя время задержки, появляется на входе усилителя вертикального отклонения.
В много к анальных О. имеется неск. (24) каналов вертикального отклонения и задержанной развёртки, что обеспечивает одноврем. исследование синхронных и несинхронных сигналов в разл. амплитудных и временных масштабах, сравнение сигналов по форме при наличии временного сдвига между ними, подсвет исследуемого участка развёртки с одноврем. изображением его в изменённом временном масштабе, алгебраич. сложение сигналов и т. д.
Взапоминающих О. в качестве ЭЛТ используют запоминающие трубки (потенциалоскопы, графеконы и др.), предназначенные для записи электрич. сигналов, хранения этой записи и считывания (воспроизведения) записанных сигналов в заданный момент времени. Вариантом запоминающих О. являются цифровые запоминающие О., принцип действия к-рых заключается в преобразовании мгновенных значений исследуемых сигналов в цифровую форму с помощью быстродействующих аналого-цифровых преобразователей и запоминания их в цифровых запоминающих устройствах. Форма записанных сигналов и результаты измерения их параметров отображаются на экране ЭЛТ. Примером может служить цифровой запоминающий О. С9 - 8 (СССР), в к-ром управление осн. режимами работы осуществляется 12-разрядным микропроцессором.
Стробоскопические О. предназначены для исследования повторяющихся сигналов малой длительности и характеризуются наличием стробоскопич. блоков в усилителе вертикального отклонения и развёртке. Принцип действия стробоскопич. системы основан на том, что при поступлении повторяющихся исследуемых сигналов (рис. 3,а) на вход усилителя вертикального отклонения при каждом запуске развёртки на экране ЭЛТ изображается не весь сигнал, а только короткая его часть, наз. "вырезкой" сигнала. "Вырезка" мгновенных значений сигнала производится с помощью коротких стробирующих импульсов (рис. 3,б). Каждая "вырезка" сдвинута на величину шага считыванияt относительно предыдущей "вырезки". Автоматический сдвиг стробоскопических импульсов на величинуt в каждом цикле повторения сигнала обеспечивает стробоскопический блок развёртки. На выходе стробирующего устройства получают модулиров. последовательность стробирующих импульсов (рис. 3, в), к-рые затем усиливают, расширяют и подают на схему, запоминающую амплитуду очередного импульса до прихода следующего. Т. о., получается ступенчатая функция, огибающая к-рой воспроизводит форму сигнала (рис. 3,г). Длительность преобразованного сигнала во столько раз больше длительности исследуемого сигнала, во сколько раз его период Т больше шага считыванияt.

Рис. 3. Стробоскопический метод наблюдения коротких импульсов.

Литература по осциллографам

Соловов В. Я., Осциллографические измерения, 2 изд., М., 1975;
Справочник по радиоизмерительным приборам, т. 1 - 3, М., 1976 - 79.

Ю. А. Романюк

Работа с осциллографом к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира