Осциллограф — один из самых незаменимых приборов для научных исследований. С его помощью изучают процессы и явления, происходящие в различных электрических схемах и цепях. Всюду, где требуется контроль, где нужно наладить или отремонтировать электроаппаратуру или радиоаппаратуру, специалистам не обойтись без осциллографа.
Главным его элементом является кинескоп, или электроннолучевая трубка, — стеклянный баллон с откачанным из него воздухом. В узкой части баллона смонтирована электронная «пушка», которая испускает тонкий, как игла, пучок электронов. Вырвавшись из пушки, электронный луч проходит последовательно между двумя парами пластин-электродов и ударяется в экран, покрытый люминесцентным составом. В месте удара луча на экране возникает светящаяся точка.
Две пары пластин-электродов образуют отклоняющую систему кинескопа: первая пара служит для отклонения луча по вертикали, вторая — по горизонтали. Когда на электродах нет напряжения, луч ударяется точно в центр экрана. Если подать некоторое напряжение на первую пару пластин, то между ними появится электрическое поле. Электроны под действием электрических сил начнут смещаться, и луч отклонится от центра экрана. Точка на экране сместится по вертикали тем дальше, чем больше поданное на пластины напряжение. Будем постепенно уменьшать напряжение до нуля — точка двинется назад, к центру экрана.
Представим теперь, что на первую пару пластин мы подали переменное напряжение, например как в бытовой электросети. Мы увидим, что точка начнет колебаться вверх-вниз относительно центра, повторяя колебания напряжения в сети. Точнее, мы увидим не точку, а светящуюся вертикальную прямую, след от быстрых перемещений точки, поскольку колеблется она с частотой 50 Гц — быстрее, чем может уловить наш глаз.
Точно такую же прямую вычерчивает на неподвижном листе бумаги перо с чернилами, прикрепленное к маятнику.
Подобным образом можно на экране осциллографа получить и картину колебаний электрического тока. Только для этого нужно не двигать экран относительно «электронного пера», а, наоборот, заставить двигаться электронный луч относительно экрана, не только по вертикали, но еще и по горизонтали. С этой целью на вторую пару электродов тоже подают напряжение, только особое: оно равномерно нарастает от нуля до некоторого значения, затем почти мгновенно падает до нуля, снова возрастает и снова падает. Под действием такого напряжения луч плавно перемещается по горизонтали от одного края экрана к другому, затем быстро возвращается обратно, чтобы снова повторить свой путь. В итоге колебания точки по вертикали, складываясь с поступательным движением по горизонтали, как бы разворачиваются из прямой линии в плоскость, и на экране мы видим синусоиду, отображающую изменение напряжения в сети. Этот процесс называют разверткой по времени, а напряжение, подаваемое на вторую пару отклоняющих пластин, — напряжением развертки.
Таким способом получают графическое изображение — осциллограмму — электрических сигналов любой формы и характера. Если напряжение в изучаемой цепи недостаточное, чтобы сместить луч на заметное расстояние по экрану, сигнал, подаваемый на первую пару пластин, усиливают с помощью входного усилителя вертикального отклонения.
В то же время с генератора развертки на вторую пару пластин поступает напряжение развертки для отклонения луча по горизонтали.
Осциллограф дает возможность не только наблюдать различные сигналы, но и измерять их основные параметры. Это делается с помощью вертикальной и горизонтальной шкал с делениями, нанесенными на стекло экрана. Например, измеряя вертикальный размер изображения сигнала и зная коэффициент усиления входного усилителя, можно определить значение напряжения (амплитуду сигнала), поданного на вход осциллографа. А с помощью горизонтальной шкалы определяют период колебания или длительность импульсного сигнала.
Задачи электротехнических и радиотехнических измерений чрезвычайно многообразны. И это потребовало создания целого семейства осциллографов, каждый из которых лучше всего приспособлен, специализирован для решения какой-то одной задачи или круга задач, близких по своему характеру. Например, низкочастотные осциллографы точнее отображают картину медленных электрических колебаний с частотой от 0 до десятков МГц, но неточны при исследовании высокочастотных процессов, чрезвычайно быстрых изменений электрических сигналов при частотах свыше 100 МГц. У так называемого широкополосного осциллографа диапазон частот гораздо шире — от 0 до нескольких ГГц, зато точность измерения напряжений у него в несколько раз хуже, чем у низкочастотного. Для измерения очень больших напряжений — до 10—20 кВ — существуют специальные высоковольтные осциллографы.
Очень удобен миниатюрный портативный осциллограф на транзисторах с размером экрана 20 мм по диагонали.