Формирование изображений на экране электронно-лучевой трубки
Если и на пластины Y,и на пластины X поступают изменяющиеся во времени сигналы, то траектория движения светящегося пятна на экране будет определяться характером поведения этих сигналов.
Если напряжения на пластинах меняются достаточно быстро (с частотой более 20...30 Гц), то траектория пятна на экране представляется сплошной линией. При малых скоростях (частоты ниже 1 Гц) можно наблюдать на экране светящуюся точку, перемещающуюся по экрану ЭЛТ.
В ЭЛО используются разные способы (режимы) формирования изображения.
3.2.1. Режим линейной развертки (режим Y – t )
Режим линейной развертки (рис. 40) называется также режимом Y – t,поскольку входной сигнал Y какбы разворачивается в текущем времени t.
Рис. 4.0. Режим линейной развертки (режим Y – t)
Это наиболее часто используемый режим, в котором можно исследовать изменения входного сигнала во времени. В этом случае на пластины Y подается исследуемый сигнал, а на пластины X подается пилообразное напряжение. На рис. 40 показан случай синусоидального исследуемого сигнала UY с периодом Тси линейно изменяющегося напряжения ГР UX с периодом Тр = Тс.Линейная развертка может быть реализована в автоколебательном режиме или в режиме ждущей развертки.
Автоколебательный режим развертки.В этом режиме ГР непрерывно генерирует периодическое пилообразное напряжение. Если период сигнала Тсокажется равным периоду напряжения генератора развертки Тр,то траектория движения светящегося пятна на экране будет повторяться от цикла к циклу, т.е. в каждом периоде развертки Тризображение будет одним и тем же. Таким образом, изображение на экране будет устойчивым (рис. 41).
Рис. 41. Случай равенства периодов сигнала и генератора развертки
Отметим, что изображение будет устойчивым также и при кратном отношении (Тр / Тс= 2; Тр/ Тс = 3; Тр / Тс= 4; ...).
В более общем случае, когда периоды исследуемого сигнала и ГР не равны (и не кратны), изображение на экране будет неустойчивым и/или неудобным, так как в каждом цикле развертки луча изображение будет отличаться от изображений предыдущих циклов. Суммарное изображение как бы бежит по экрану. В некоторых случаях изображение может быть устойчивым, но неудобным для анализа. При достаточно высоких частотах сигналов (десятки герц и выше) отдельные изображения в каждом цикле чередуются так быстро, что (из-за инерционности человеческого глаза) накладываются друг на друга, создавая единый образ.
Одни и те же пары сигналов могут создавать разные изображения на экране в зависимости от начальных временных сдвигов напряжений на пластинах.
На рис. 42 приведены примеры изображений для сигналов с различными временными сдвигами. Изображение 1 соответствует паре напряжений UY и UX1. Изображение 2 соответствует паре напряжений UY и UX2, изображение 3 соответствует паре напряжений UY и UX3, изображение 4 соответствует паре напряжений UY и UX4.
Рис. 42. Формирование изображения на экране
Ждущий режим развертки.В отличие от автоколебательного режима развертки режим ждущей развертки позволяет получить повторяющееся устойчивое изображение при периодическом сигнале на входе Y независимо от соотношения периодов напряжения ГР UГР и входного напряжения UY. При этом цикл работы ГР определяется (задается) неким управляющим напряжением, например входным исследуемым сигналом UY. Запуск ГР (начало формирования «пилы») происходит лишь при наличии заданных оператором признаков, например определенного уровня входного сигнала и знака его изменения (производной). На рис. 43 показан случай, соответствующий нулевому уровню запуска (значению входного напряжения UY = 0) и положительному изменению входного сигнала (т.е. при его возрастании).
Цикл работы ГР при этом состоит из интервалов рабочего хода – Tр и интервала ожидания – Tож. Значение Трне зависит от периода входного сигнала и задается оператором. Значение Тож(точнее – момент его окончания) определяется следующим моментом совпадения заданных признаков управляющего сигнала (см. рис. 43).
Рис.43. Режим ждущей развертки
В качестве управляющего запуском развертки сигнала (сигнала синхронизации) могут использоваться:
• входной исследуемый сигнал (внутренний запуск);
• внешний вспомогательный сигнал (внешний запуск);
• сигнал напряжения электрической сети питания ЭЛО.
Режим ждущей развертки удобен в большинстве случаев, по
этому он наиболее часто используется.
3.2.2. Режим Y – X
В отличие от режима линейной развертки в этом режиме на входы Y и X могут поступать исследуемые сигналы различных форм. Генератор развертки при этом не используется.
Метод эллипса.В режиме круговой (эллиптической) развертки на входы Y и X ЭЛО подаются синусоидальные сигналы одной частоты или разных частот. На рис. 50 приведен пример формирования изображения при поданных на пластины Y и X двух синусоидальных напряжений одной частоты, сдвинутых друг относительно друга на 90°.
Рис. 44. Режим круговой развертки (режим Y и X)
Если на пластины Y и X поступают два синусоидальных сигнала одной частоты f = 1 / T, но с некоторым сдвигом фаз φ = (D t · 360) / T, то на экране ЭЛТ возникнет изображение наклоненного эллипса, по параметрам которого можно найти значение фазового сдвига φ.
Измерив отрезки а и b,или сиdв изображении эллипса на экране, можно найти фазовый сдвиг φ (рис. 45).
Рис. 45. Определение значения фазового сдвига
Поскольку sin φ = а/b,или sin φ = с/d, то значение фазового сдвига φ определяется таким образом:
φ = arcsin(a/b) = arcsin(c/d).
На рис. 46 приведены примеры изображений для разных значений фазового сдвига φ.
Рис. 46. Изображения на экране в методе эллипса для разных значений фазового сдвига:
а – φ= 0°; б – φ= 30°; в – φ= 60°; г –φ= 90°; д –φ= 180°
Метод фигур Лиссажу.Если на пластины Y и X поступают синусоидальные напряжения разных частот fY и fX,то на экране ЭЛТ возникает изображение замкнутой фигуры – фигуры Лиссажу. На рис. 47 показан случай формирования изображения, когда частота fY вдвое больше частоты fX.
Рис. 47. Метод фигур Лиссажу
Зная значение одной из частот, можно найти значение другой. Этот метод используется для измерения неизвестной частоты синусоидальных сигналов. На один вход ЭЛО (любой), например, на вход Y,подается сигнал неизвестной частоты, на другой – вход X – подается напряжение с выхода генератора синусоидальных сигналов. Изменением частоты сигнала генератора добиваются устойчивого изображения на экране одной из понятных (удобных) фигур Лиссажу. Затем определяется число точек пересечения полученной фигуры горизонтальной и вертикальной линиями (рис. 48, а). Для получения правильного результата линии должны проходить таким образом, чтобы число точек пересечения обеими линиями было максимальным.
После этого отсчитывается значение установленной частоты сигнала генератора. Отношение частот fY / fX равно отношению числа точек пересечения по горизонтали Nги по вертикали Nв:
fY / fX = Nг / Nв.
Рис. 48. Определение точек пересечения (а) или касания (б)
На рис. 48, а приведен пример фигуры Лиссажу с соотношением точек пересечения Nг / Nв = 6/4. Это значит, что частота сигнала на входе Y в полтора раза больше, чем частота сигнала на входе X. Например, если частота сигнала генератора, поданного на вход X,оказалась равной 12,4 кГц, то при такой фигуре на экране значение неизвестной частоты сигнала, поданного на вход Y равно 18,6 кГц.
Можно использовать и касательные к фигуре линии (см. рис. 48, б),тогда нужно применять аналогичное соотношение, но точек касания горизонтальной и вертикальной касательной.
Общий случай. В режиме Y – X возможна также работа с сигналами любых форм.
Понимание принципа управления отклонением луча позволяет априори определить возможную траекторию движения пятна на экране при известных диаграммах сигналов на пластинах. При достаточном навыке для построения изображения можно обойтись сравнительно небольшим числом точек. Кроме того, для случаев кусочно-линейных сигналов (или хотя бы одного из них) можно упростить процесс построения, рассматривая интервалы времени, соответствующие однообразному (постоянному) поведению сигналов, например, постоянным производным, и дающие сразу целые фрагменты траектории, а не только точки. На рис. 49 показан случай двух сигналов с постоянными производными на некоторых интервалах времени. Легко видеть, что на интервалах 1, 2, 3, 4 на экране будут отрезки прямых линий, что при систематическом и достаточно быстром повторении образует на экране прямоугольник (квадрат).
В этом режиме ЭЛО может использоваться в качестве характериографа – инструмента исследования характеристик электронных, электрических и электромагнитных устройств. Например, с помощью ЭЛО можно получить зависимость выходного напряжения четырехполюсника от входного.
Рис. 49. Формирование изображения на экране
3.2.3. Растровый режим (режим Y – X – Z)
В этом режиме на пластины Y и X подаются периодически изменяющиеся сигналы UY и UX,которые заставляют луч последовательно с большой скоростью обегать множество сдвинутых параллельных горизонтальных строк (рис. 50). Так формируется растр.
Не вся траектория луча видна на экране. Изменением напряжения UZ на модуляторе М ЭЛТ можно управлять яркостью отдельных элементов траектории. Таким образом можно формировать разнообразные изображения (как графические, так и знаковые) с помощью множества светящихся точек или небольших фрагментов.
Отрицательное значение напряжения UZ, как говорят, «запирает» ЭЛТ, т.е. резко уменьшает число электронов в пучке, и свечения пятна на экране при этом не будет. Положительным импульсом напряжения UZ ЭЛТ «открывается» и в соответствующем месте экрана возникает светящееся пятно. В примере на рис. 50 светящиеся в начале каждой строки пятна образуют как бы вертикальную линию в левой части экрана.
Рис. 50. растровый режим (режимY – X – Z)
Скорость обегания всего экрана должна быть достаточно высокой с тем, чтобы обновление всего кадра не замечалось глазом, т.е. не реже 25 раз в секунду.
Число строк также должно быть достаточно большим для образования удовлетворительного по разрешающей способности изображения (образа).
Обычно число строк в этом режиме – не менее нескольких сотен. Чем больше число строк и чем выше скорость изменения кадров, тем выше качество изображения.
Отметим, что подобный режим редко применяется в классических электронно-лучевых осциллографах, но является основным в электронно-лучевых трубках цифровых осциллографов, телевизоров, мониторов персональных компьютеров.