Осциллограф — это фундаментальный измерительный прибор в арсенале любого инженера-электронщика, физика или радиотехника. Его основное предназначение — визуализация и анализ электрических сигналов, что делает его незаменимым инструментом при проектировании, наладке, ремонте и исследовании самой разнообразной электронной аппаратуры.
Сердце прибора: электронно-лучевая трубка
Ключевым компонентом классического аналогового осциллографа является кинескоп, или электронно-лучевая трубка. Это вакуумированный стеклянный баллон, в узкой части которого расположена так называемая электронная пушка. Она испускает сфокусированный пучок электронов — электронный луч. Пролетев через трубку, этот луч попадает на экран, покрытый специальным люминофором, и в точке удара возникает яркое светящееся пятно.
Как луч "рисует" график: система отклонения
Чтобы управлять положением светящейся точки на экране, внутри трубки установлены две пары отклоняющих пластин-электродов. Одна пара отвечает за вертикальное смещение луча, другая — за горизонтальное. Если на пластины не подано напряжение, луч попадает точно в центр экрана.
Подача напряжения на вертикальные пластины создает между ними электрическое поле, которое заставляет электронный луч отклоняться вверх или вниз. Чем выше напряжение, тем больше смещение. Если подать переменное напряжение (например, от сети 50 Гц), точка начнет быстро колебаться по вертикали. Для человеческого глаза это движение сольется в сплошную вертикальную линию — подобно тому, как быстро колеблющееся перо чертит прямую на бумаге.
Волшебство развертки: превращение линии в график
Чтобы увидеть не просто линию, а форму сигнала во времени, необходимо заставить луч двигаться и по горизонтали. Для этого на вторую пару пластин подают специальное пилообразное напряжение — напряжение развертки. Оно плавно нарастает, заставляя луч равномерно перемещаться слева направо по экрану, а затем резко падает, возвращая луч в исходную точку для нового цикла.
В результате сложения двух движений — колебаний по вертикали (от исследуемого сигнала) и равномерного «протягивания» по горизонтали (от развертки) — на экране возникает полноценный график зависимости напряжения от времени. Этот процесс и называется разверткой, а полученное изображение — осциллограммой.
Усиление и измерения
Часто исследуемый сигнал слишком слаб, чтобы заметно отклонить луч. Для этого в осциллограф встроен входной усилитель вертикального отклонения. Горизонтальное движение луча синхронизируется и управляется отдельным генератором развертки.
Одна из ключевых функций осциллографа — не только наблюдение, но и точное измерение параметров сигнала. На экран нанесена координатная сетка (шкала). Зная коэффициент усиления усилителя, по вертикальному размеру осциллограммы можно определить амплитуду напряжения. А по горизонтальной шкале, зная скорость развертки, легко вычислить период колебаний или длительность импульса.
Многообразие осциллографов для разных задач
Широкий спектр задач в электронике привел к созданию целого ряда специализированных осциллографов:
- Низкочастотные осциллографы обеспечивают высокую точность измерений при работе с относительно медленными сигналами (частоты от 0 до десятков мегагерц).
- Широкополосные осциллографы способны отображать чрезвычайно быстрые процессы с частотами до нескольких гигагерц, хотя точность измерений напряжения у них обычно ниже.
- Высоковольтные осциллографы предназначены для работы с сигналами очень большой амплитуды (до 10–20 кВ).
- Существуют также компактные портативные модели, например, на транзисторах, с небольшим экраном, которые удобны для полевых работ.
Таким образом, осциллограф остается краеугольным камнем измерительной техники, предоставляя инженерам и ученым уникальную возможность «увидеть» невидимые электрические процессы.