Генераторы непрерывной развертки являются источниками периодического пилообразного напряжения, регулируемого по частоте повторения в широком диапазоне, с которым должна быть согласована полоса пропускания усилителя вертикального отклонения. Например, если частота генератора может изменяться в пределах от 10 до 50 кГц, то на экране достаточно детально (с числом наблюдаемых периодов не более десяти) могут воспроизводиться кривые колебаний с основной частотой в диапазоне 10-500 кГц, гармонические составляющие которых занимают еще более обширную полосу частот. Амплитуда пилообразного напряжения должна обеспечивать отклонение светового пятна по горизонтали вдоль всего диаметра экрана.

Напряжение пилообразной формы создается в результате периодического процесса заряда-разряда конденсатора. Для автоматического управления этим процессом используются коммутирующие схемы, которые обычно представляют собой различные варианты несимметричных мультивибраторов или триггеров.

Синхронизация частоты генераторов непрерывной развертки

Рисунок 5 - Изображение формы сигнала на осциллографе.

Условие устойчивости наблюдаемого на экране изображения рисунка, первоначально удовлетворяемое регулировкой частоты f_пл генератора развертки, с течением времени самопроизвольно нарушается вследствие неизбежных колебаний частот f_у и f_пл, обусловленных нестабильностью питающих напряжений, самопрогревом аппаратуры и другими факторами. В результате изображение на экране начинает перемещаться и приходится вновь регулировать частоту f_пл. Чтобы избежать этого, частоту генератора развертки обычно синхронизируют с частотой исследуемого напряжения (или кратной ей частотой).

Сущность процесса синхронизации частот поясняется графиком на рисунке 5 - на экране трубки будет наблюдаться устойчивое изображение одного периода кривой исследуемых колебаний.

При увеличении напряжения синхронизации амплитуда пилообразного напряжения, а с ней и ширина линии развертки на экране уменьшаются. При чрезмерном синхронизирующем напряжении в отдельные моменты времени напряжение U_м может оказаться близким к напряжению Uн; это вызовет искажение формы кривой напряжения развертки, поскольку каждому периоду напряжения U_син будут отвечать два или большее число импульсов пилообразного напряжения различных амплитуд и длительностей.

Если частота автоколебаний генератора в несколько раз меньше частоты /С) Ш, то имеет место синхронизация на субгармониках последней, принцип которой поясняется графиком на рисунке. При увеличении напряжения синхронизации не только уменьшается амплитуда пилообразного напряжения, но также возможно и понижение кратности синхронизации, т.е. отношение частот U_син / U_пл может стать равным двум или даже единице. При малом напряжении U_син амплитуда пилообразного напряжения и кратность синхронизации возрастают, однако синхронизация становится неустойчивой и при небольших колебаниях напряжения U_син возможно скачкообразное изменение кратности синхронизации, а, следовательно, и числа наблюдаемых на экране периодов исследуемого напряжения.

Таким образом, синхронизирующее напряжение систематически в каждый его период или через фиксированное число N периодов прерывает процесс постепенного заряда или разряда времязадающего конденсатора на прямом участке формирования пилообразного напряжения, в результате чего автоматически поддерживается кратность частот U_син и U_пл.

В различных генераторах оптимальное значение напряжения U_син заключено в пределах от десятых долей вольта до десятков вольт.д.ля обеспечения устойчивой синхронизации в осциллографах предусматривают плавную регулировку напряжения U_син, а иногда и возможность его усиления.

Осуществлять синхронизацию рекомендуется в следующем порядке. Сперва напряжение U_син уменьшают входным потенциометром до минимума и регулировкой частоты генератора добиваются получения неподвижного изображения кривой процесса с требуемым числом периодов; затем частоту генератора немного понижают и, постепенно повышая напряжение синхронизации, добиваются устойчивости наблюдаемой кривой.

Помимо исследуемого сигнала, в качестве синхронизирующего можно использовать внешние сигналы, подводимые к зажимам "Внешняя синхронизация" или к входу канала X, а также напряжение сети частотой 50 Гц; последний вид синхронизации применяется, в частности, для выявления фона переменного тока, наложенного на исследуемые колебания.

В некоторых осциллографах пилообразное напряжение развертки выводится на зажим или гнездо передней панели и может быть использовано для синхронизации частоты внешних источников колебаний.

Генераторы ждущей развертки

Электроннолучевые осциллографы с генераторами непрерывной развертки непригодны для исследования кратковременных импульсов, длительность которых t_и значительно меньше периода их повторения Т_п; на экране такие импульсы будут наблюдаться в виде узких вертикальных выбросов, форма которых неразличима - рисунок 6.

Рисунок 6 - Воспроизведение импульсов на экране с непрерывной и ждущей развертками.

Для исследования периодических процессов с большой скважностью, а также одиночных и непериодических импульсов в состав универсальных и импульсных осциллографов включают генераторы ждущей развертки. В отличие от генераторов непрерывной развертки, они могут неограниченное время находиться в заторможенном состоянии (режиме "ожидания"). Генераторы вырабатывают одиночные импульсы линейного пилообразного напряжения при каждом воздействии на них сигналов запуска; в качестве последних обычно используются исследуемые импульсы или внешние импульсные сигналы, синхронизированные по частоте повторения с исследуемыми. Пилообразные импульсы (с учетом их усиления) должны иметь амплитуду U_пл, обеспечивающую отклонение светового пятна вдоль всей ширины экрана, и длительность t_пл, регулируемую в широких пределах. Обычно t_пл устанавливается несколько большей длительности исследуемых импульсов t_и. При этом благодаря большой скорости развертки кривая исследуемого импульса оказывается растянутой на большую часть ширины экрана, что позволяет детально исследовать её форму и измерить ряд параметров импульса (длительность, амплитуда и др.)

Любой генератор пилообразных колебаний, работающий в автоколебательном режиме, посредством некоторых изменений в его схеме, обычно небольших, может быть переведен в ждущий режим. Поэтому схемы генераторов непрерывной и ждущей разверток часто совмещаются.

Запуск генератора ждущей развертки должен производиться короткими импульсами с крутым фронтом. Поэтому исследуемые сигналы, используемые для запуска, иногда подвергаются нелинейным преобразованиям (дифференцированию, амплитудному ограничению и т.п.) с целью придания им требуемой формы и полярности. В некоторых генераторах предусматривается возможность запуска ждущей развертки импульсами любой полярности при использовании переключателя, позволяющего изменять точку приложения этих импульсов.

3. Электронно-счетный частотомер при измерении частоты СВЧ сигналов: схема, принцип действия, погрешности

Электронно-счетные частотомеры по своим возможностям являются универсальными приборами. Их основное назначение - измерение частоты непрерывных и импульсных колебаний, осуществляемое в широком частотном диапазоне (примерно от 10 Гц до 100 МГц) при погрешности измерений не более 0,0005%. Кроме того, они позволяют измерять периоды низкочастотных колебаний, длительности импульсов, отношения двух частот (периодов) и т.д.

Действие электронно-счетных частотомеров основано на дискретном счете числа импульсов, поступающих за калиброванный интервал времени на электронный счетчик с цифровой индикацией. На рисунке 7 приведена упрощенная функциональная схема прибора. Напряжение измеряемой частоты f _x в усилительно-формирующем устройстве преобразуется в последовательность однополярных импульсов, повторяющихся с той же частотой f _x. Для этой цели часто используется система из усилителя-ограничителя и триггера Шмитта, дополненная на выходе дифференцирующей цепочкой и диодным ограничителем. Временной селектор (электронный ключ с двумя входами) пропускает эти импульсы на электронный счетчик лишь в течение строго фиксированного интервала времени Δ t, определяемого длительностью прямоугольного импульса, воздействующего на его второй вход. При регистрации счетчиком m импульсов измеряемая частота определяется формулой:

f _x = m / Δ t

Например, если за время Δ t = 0,01 с отмечено 5765 импульсов, то f _x = 576,5 кГц.

Погрешность измерения частоты определяется главным образом погрешностью калибровки выбранного интервала времени счета. Задающим компонентом в системе формирования этого интервала является высокостабильный кварцевый генератор, положим, частоты 100 кГц. Создаваемые им колебания с помощью группы последовательно включенных делителей частоты преобразуются в колебания с частотами (f₀) 10 и 1 кГц, 100, 10, 1 и 0,1 Гц, которым соответствуют периоды (Т₀) 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 и 10 с (последние одно или два из указанных значений f₀ и Т₀ у некоторых частотомеров отсутствуют).

Колебания выбранной (посредством переключателя В2) частоты f₀ (числовое значение последней является множителем к отсчету по счетчику) с помощью триггера Шмитта преобразуются в прямоугольные колебания с частотой повторения f₀. Под их действием в управляющем устройстве формируется интервальный импульс длительностью Δ t = Т₀ = 1/ f₀ строго прямоугольной формы. Этот импульс вызывает сброс предыдущих показаний счетчика, а затем (с задержкой на несколько микросекунд) поступает на селектор и открывает его на время Δ t для пропускания импульсов с частотой повторения f _x. После закрывания селектора число пропущенных им импульсов m фиксируется индикатором счетчика, а измеряемая частота определяется по формуле f _x = m / Δ t .

Рисунок.7 - Структурная схема электронно-счётного частотомера.

Цепь управления селектором может запускаться вручную (нажатием кнопки "Пуск"); в этом случае управляющее устройство посылает на селектор одиночный импульс длительностью Δ t и счетчик выдает разовый результат измерений с неограниченным временем его индикации. В режиме автоматического измерения частоты импульсы реле времени периодически повторяются и результаты измерения обновляются через выбранные интервалы времени.

Частотомер может служить источником колебаний ряда опорных частот f₀; получаемых с помощью кварцевого генератора, умножителя и делителей частоты и снимаемых со специального выхода. Эти же колебания, поданные на вход частотомера, могут служить для проверки правильности показаний счетчика.

Счетчик частотомера собирается из 4-7 пересчетных декад на триггерных схемах и цифровых индикаторных лампах. Число декад определяет максимальное число значащих цифр (разрядов) в результатах измерений. Возможная ошибка счета, называемая погрешностью дискретности, составляет одну единицу в цифре самого младшего разряда. Поэтому желателен выбор такого интервала времени счета Δ t, при котором используется максимальное число разрядов счетчика. Так, в рассмотренном выше примере при Δ t = 0,01 с (f₀ = 100 Гц) для отсчета оказалось достаточным четырех разрядов счетчика и результат измерений f_x = 576,5 кГц± 100 Гц. Предположим, что измерения повторены при Δ t = 0,1 с (f₀ = 10 Гц) и получен отсчет m = 57 653 импульсов. Тогда f _x = 576,53 кГц± 10 Гц. Еще меньшая погрешность дискретности (± 1 Гц) будет получена при Δ t = 1с (в этом случае счетчик должен иметь не менее шести декад).

При расширении диапазона измерений частотомера в сторону высоких частот ограничивающим фактором является быстродействие пересчетных декад. При выполнении триггерных схем на высокочастотных кремниевых транзисторах (например, типа КТ316А), имеющих время рассасывания заряда в базе примерно 10 н c, верхняя предельная измеряемая частота может достигать десятков мегагерц. В некоторых приборах при измерении высоких частот, превышающих, например, 10 МГц, их предварительно преобразуют в частоту, меньшую 10 МГц (например, частоту 86,347 МГц в частоту 6,347 МГц),, пользуясь гетеродинным методом.

Фактором, ограничивающим нижнюю предельную измеряемую частоту, является время измерений. Если, например, установить наибольший для многих частотомеров интервал времени счета Δ t = 1с, то при регистрации счетчиком 10 импульсов результатом измерений явится частота f _x = 10 ± 1 Гц, т.е. погрешность измерения может достигать 10%. Для уменьшения погрешности, положим, до 0,01% необходимо было бы производить счет импульсов в течение времени Δ t = 1000 с. Еще большее время требуется для точного измерения частот, равных 1 Гц и менее. Поэтому в электронно-счетных частотомерах измерение очень низких частот f _x заменяют измерением периода их колебаний Т _x = 1/f _x . Схема измерения периода колебаний образуется при установке переключателя В1 в положение "ТХ". Исследуемое напряжение после преобразования в триггере. Шмитта воздействует на управляющее устройство, в котором формируется прямоугольный импульс длительностью Т _x, поддерживающий временной селектор в открытом состоянии; в течение этого времени счетчик регистрирует импульсы, формируемые из колебаний одной из опорных частот f ₀, определяемой установкой переключателя В2. При числе m отмеченных импульсов измеряемый период T _x =m / f₀.

Например, при m = 15 625 и f₀ = 1000 Гц период Т _x = 15,625 с, что соответствует частоте f _x = 1/Т _x = 0,064 Гц. Измерения, в целях уменьшения их погрешности, желательно производить при возможно большем значении частоты f ₀ (исключающем, конечно, перегрузку счетчика). Если период Т_х < 1 с (fx > 1 Гц), то может оказаться рациональным использование колебаний частоты f ₀, равной 1 или 10 МГц, получаемых после умножителей частоты. При этом нижний предел измеряемых частот удается расширить до 0,01 Гц.

Измерению отношения двух частот f₁/f₂ (f₁ > f₂) соответствует установка переключателей В2 в положение "Выключено", a B1 - в положение "f_x". Напряжение меньшей частоты f₂ подводят к зажимам "f₀", и его период определяет интервал времени счета Δ t. Напряжение частоты f₁, подводимое к входу "fx", преобразуется в импульсы, число которых (m ) регистрируется счетчиком в течение временя Δ t = l // 2. Искомое отношение частот f₁/f₂ = m (с погрешностью до единицы). Очевидно, что данным способом имеет смысл находить отношение лишь значительно различающихся частот.

К недостаткам электронно-счетных частотомеров следует отнести сложность их схем, значительные габариты и массу, высокую стоимость.