Электрическая схема электронного осциллографа обеспечивает синхронное включение отдельных элементов электронно-лучевой трубки. Основными частями электрической схемы осциллографа являются следующие: блок питания электронно-лучевой трубки, блок временной развертки, блок открытия луча, блок преобразования внешнего импульса.
На рис. 5-66 представлена блок-схема осциллографа для регистрации произвольных (неуправляемых) явлений, например тока молнии, ядерных процессов и др.
Высокое напряжение отрицательной полярности от источника 3 при помощи делителя напряжения ДН распределяется по электродам трубки. На модулятор подается потенциал, отрицательный по отношению к катоду К, запирающий электронный луч.
Исследуемое явление ИЯ попадает в кабель задержки К и воздействует на блок преобразования внешнего импульса 1. Последний генерирует импульс положительной полярности, который воздействует на блок открытия луча 2 и через задержку времени τ на блок временной развертки 4. Блок открытия луча генерирует импульсы положительной полярности необходимой для записи явления длительности. Этот импульс подается на модулятор — при этом открывается электронный луч.
Рис. 5-66. Блок-схема осциллографа для регистрации произвольных явлений.
Блок временной развертки генерирует импульс, который подается на пластины времени ПВ и вызывает смещение электронного луча по временной оси. Время пробега явления по кабелю
должно быть такой величины, чтобы явление попадало на пластины явления ПЯ после появления временной развертки. В некоторых схемах осциллографов блоки преобразования внешнего импульса и открытия луча отсутствуют.
Существенное значение в работе электрической схемы осциллографа имеют коммутирующие элементы, в качестве которых применяются искровые промежутки и тиратроны.
На рис. 5-67 представлены разновидности искровых промежутков. В искровых промежутках, показанных на рис. 5-67,6 и в, ультрафиолетовое излучение разряда между стержневыми электродами вызывает появление электронов, необходимых для развития разряда между шаровыми (основными) электродами. Искровой промежуток, изображенный на рис. 5-67,в, был исследован И. С. Стекольниковым и назван им искросветным реле. Оказалось, что если напряжение на шаровом промежутке на 1—2% меньше пробивного, то его пробой происходит спустя очень малое время (1 ±0,5) 10-8 сек после пробоя стержневого промежутка при расстоянии между разрядниками порядка нескольких сантиметров. Поэтому такое искросветное реле применяется для синхронизации' работы двух контуров (например, блока временной развертки и схемы импульсного генератора).
В искровом промежутке, изображенном на рис. 5-67,д, импульс напряжения проходит через емкость С и повышает потенциал верхнего шара, вызывая пробой промежутка.
Рис. 5-67. Разновидности искровых промежутков, применяющихся в схемах осциллографов.
а — трехэлектронный промежуток; б, в — двухпарные промежутки; г — тригатрон; д — промежуток с емкостной связью.
Время срабатывания искрового промежутка складывается из статистического времени запаздывания и времени формирования разряда. Поэтому промежутки, изображенные на рис. 5-67,а и д, в общем случае имеют большее время срабатывания, чем остальные промежутки, изображенные на рис. 5-67, так как ультрафиолетовое излучение разряда во вспомогательном промежутке значительно снижает статистическое время запаздывания. Можно получить очень малое время запаздывания разряда во вспомогательном промежутке (порядка сотых долей микросекунд), если расстояние между его электродами достаточно мало, а конфигурация электродов обеспечивает резкую неоднородность поля между ними, и амплитуда импульса напряжения, поданного на вспомогательный промежуток, значительно превосходит его пробивное напряжение.
Медные электроды искровых промежутков после многих
срабатываний подгорают, и их пробивное напряжение изменяется. Более устойчивыми против подгорания являются
дюралюминий, алюминий, нержавеющая сталь и другие материалы. Пробивное напряжение искрового промежутка зависит также от температуры и давления окружающего воздуха. Поэтому при наличии в схеме осциллографа искровых промежутков приходится перед началом работы производить их регулировку и добиваться синхронизованной работы схем осциллографа и исследуемого явления.
В современных высоковольтных осциллографах обычно применяются тиратроны, наполненные инертными газами и водородом.
Рис. 5-68. Цепочка RC для задержки по времени.
U о— амплитуда импульса; U — напряжение поджигания коммутирующего элемента.
В водородных тиратронах время образования проводящего пути составляет несколько сотых микросекунды, является стабильным и независимым от внешних условий (температура, давление, влажность). Достоинством тиратрона по сравнению с искровым реле является также низкое напряжение зажигания разряда. К недостаткам высоковольтных тиратронов относятся их высокая стоимость, необходимость цепи накала, которая усложняется, если катод находится под высоким напряжением, сравнительно малый срок службы и усложнение схемы осциллографа.
В качестве элементов задержки по времени применяются кабели. Кабели применяются для задержки во времени, не превышающей десятых долей микросекунды.
Для задержки во времени широко применяются также цепи RC (рис. 5-68). Величина задержки в основном определяется произведением RВСВ, а также величинами U0 и U и может изменяться в широких пределах.
Для питания электронно-лучевых трубок применяются постоянное и импульсное напряжения. При питании постоянным напряжением применяется высоковольтная выпрямительная схема, состоящая из повысительного трансформатора, вентилей и емкостей. С целью сокращения элементов выпрямительной схемы применяют схемы удвоения и учетверения. Выпрямленное напряжение подается на активный делитель, с различных частей которого оно подводится к электродам электронно-лучевой трубки. Ток через делитель должен быть достаточно велик, чтобы электроны пучка, оседающие на электродах трубки, не могли изменить потенциалов этих электродов. Слишком большие токи через делитель нежелательны, так как это приведет к большим пульсациям напряжения или потребует большой емкости для уменьшения пульсации. Обычно ток через делитель напряжения для осциллографической трубки составляет 1—2 мА, а сопротивление делителя Rд=1 — 0,5U Мом, где U — напряжение на делителе, кВ. Для сглаживания пульсации напряжения обычно применяются П-образные фильтры.
При импульсном питании электронно-лучевой трубки ускоряющее напряжение воздействует кратковременно, только на время записи. Преимущества импульсного питания осциллографов показаны в работах И. С. Стекольникова.
При питании на постоянном напряжении наибольшая величина ускоряющего напряжения ограничивается разрядами в электронно-лучевой системе, которые вызывают засвечивание экрана. Когда применяют импульсное питание, то разряды не успевают развиться, и ускоряющее напряжение можно значительно увеличить, а, следовательно, повысить яркость свечения экрана и максимальную скорость записи. В опытах И. С. Стекольникова к электронно-лучевым трубкам с номинальным ускоряющим напряжением 2—3 кВ прикладывалось импульсное напряжение от 8 до 27 кВ. В этом случае были получены рекордные для 40-х годов скорости записи, достигающие 150—200 X 103 км/сек.
В качестве источника импульсного напряжения часто используется импульсный генератор, состоящий из емкости С и активного сопротивления R. Емкость С должна быть рассчитана из условия, чтобы за время записи τ снижение напряжения на плоской части импульса ускоряющего напряжения составляло не более нескольких (k) процентов.
При этом емкость С определяется по формуле
(5-129)
На рис. 5-69 приведена электрическая схема осциллографа с импульсным питанием, разработанная И. С. Стекольниковым, А. Я. Инковым, А. М. Чернушенко.
При срабатывании тригатрона Т формирующая линия разряжается на сопротивление 
на котором возникает импульс, близкий к прямоугольному, с амплитудой, равной половине напряжения, до которого была заряжена формирующая цепочка.
Этот импульс подается на вход импульсного трансформатора.
Рис. 5-69. Принципиальная схема осциллографа с импульсным питанием с применением импульсного трансформатора.
На выходе трансформатора возникает импульс с амплитудой 35—40 кВ, который воздействует на делитель, присоединенный к осциллографической трубке. Двойная бифилярная обмотка импульсного трансформатора позволила применить для накала катода трубки накальный трансформатор без изоляции на высокое напряжение между обмотками. Описанный осциллограф имеет малые размеры.
Для временной развертки используется изменяющееся во времени напряжение. Наиболее просто такое напряжение получается при разряде емкости С на сопротивление R. Напряжение на сопротивлении R изменяется по закону
При этом скорость изменения напряжения уменьшается со временем, и, следовательно, электронный луч перемещается по экрану с уменьшающейся скоростью. Поэтому на экране получается искаженное изображение характера изменения исследуемого явления во времени. Для определения временных характеристик явления на его осциллограмму при повторном срабатывании осциллографа накладываются колебания с известной частотой. В схемах временной развертки часто предусматривается возможность подачи смещающего напряжения на пластины
времени.
На рис. 5-70 представлена схема временной развертки и смещения на пластинах времени. Величина смещающего напряжения регулируется путем изменения положения движков делителя напряжения (ДН). При этом изменяется первоначальное положение пятна на экране.
Рис. 5-70. Схема временной развертки и смещения на пластинах времени.
Для временной развертки используется импульсное напряжение, возникающее на сопротивлениях R0 при разряде на них емкостей Со после пробоя промежутка Р. Импульсное напряжение через разделительные конденсаторы Ср подводится к пластинам времени.
Рис. 5-71 Перемещения электронного луча при различных смещениях. А —ширина экрана.
На рис. 5-71 показаны отклонения луча при различных положениях переключателя на ДН.
Полярности импульсного напряжения временной развертки и напряжения смещения различны. Поэтому за счет изменения напряжения на фронте импульсов происходит отклонение луча от первоначального положения в сторону, обратную той, в которую было смещено первоначальное положение луча под действием смещающего напряжения. Поскольку напряжение на фронте импульса изменяется очень быстро·, то этот ход луча, называемый прямым, остается незафиксированным. За счет изменения напряжения на хвосте импульса происходит перемещение луча в сторону первоначального положения. Это движение луча, называемое обратным, получается видимым и фиксируется на экране.
С помощью сопротивления Rф и емкости Сф можно удлинить фронт импульса напряжения, воздействующего на пластины времени. При этом прямой ход луча будет видимым и часто используется для записи кратковременных процессов. Время перемещения луча по экрану
(5 130)
Если амплитуда импульса достаточна для отклонения луча на расстояние, в α раз большее ширины экрана, a tэ — желаемое время прохождения луча через экран, то
(5-131)
Значение α лежит в пределах 1—2.
Неискаженная запись явления будет получена при применении равномерной развертки, для получения которой используется разряд емкости через электронную лампу, работающую в режиме насыщения. При этом ток Is через лампу остается постоянным, и напряжение на емкости изменяется по линейному закону. Начиная с некоторого напряжения, ток через лампу начинает уменьшаться и развертка замедляется. Поэтому время развертки будет несколько больше величины
(5-132) где Uo — первоначальное напряжение на емкости С. Для получения наиболее быстрой временной развертки нужно взять наименьшее значение С и наибольшее значение Наименьшее значение емкости для развертки ограничивается монтажной емкостью схемы, которую в лучшем случае удается свести к 20 пф.На рис. 5-72 представлена схема временной развертки осциллографа КО-20. Запускающий импульс поджигает тиратрон Л1. Разряд емкости С2 через тиратрон и сопротивление R3 поддерживает в тиратроне проводящее состояние.
При этом напряжение емкости С4, имеющей большую величину, прикладывается между сеткой и катодом лампы Л2. Постоянство напряжения между катодом и управляющей сеткой обеспечивает постоянство тока через лампу Л2, через которую разряжается подключенная емкость С5. Скорость временной развертки регулируется путем изменения емкости С5.
Рис. 5-72. Схема временной развертки осциллографа КО-20.
В качестве разрядной лампы Л2 использован лучевой тетрод 6ПЗ с максимальным током насыщения 1,66 а. Емкость монтажа цепи временной развертки составляла 24,5 пф. При этих условиях явление длительностью 0,01 мксек могло быть развернуто по экрану на 20 мм.
Рис. 5-73. Схема блока открытия луча.
А —к модулятору.
Для получения более быстрых разверток применяют генераторную лампу ГУ-50, работающую с максимальным током насыщения 10 а.
На рис. 5-73 представлена схема блока открытия луча. Запускающий импульс через разделительную емкость С2 воздействует на сетку тиратрона Л1 и вызывает его срабатывание. Емкость C1 разряжается через Л1 на сопротивление. Импульс напряжения, возникающий через сопротивление небольшой величины R6 и разделительный конденсатор подается на модулятор и открывает электронный луч, а также вызывает зарядку емкостей С3 и С4 через сопротивления R4 и R5. Тиратрон Л2 заперт благодаря отрицательному смещающему напряжению. Когда напряженно на емкости С4 достигнет определенной величины. срабатывает тиратрон Л2 и срезает хвост импульса напряжения. Путем изменения сопротивления R5 можно регулировать длительность открытия луча.
Рис. 5-74. Схема преобразования внешнего импульса.
А —к блоку временной развертки; Б — к контуру отпирания луча.
Для запуска осциллографа по условиям эксперимента может быть подан импульс различной формы и полярности. Для поджигания блока открытия луча и блока временной развертки необходимы прямоугольные импульсы положительной полярности. Такие импульсы в схеме осциллографа генерирует блок преобразования внешнего импульса, схема которого представлена на рис. 5-74.
Отрицательный внешний импульс на входе схемы рис. 5-74 вызывает открытие тиратрона Л1. При этом емкость C1 разрядится на сопротивление на котором возникает импульс напряжения, вызывающий срабатывание тиратрона Л2. Емкость С2 разряжается на сопротивление r2, создавая на нем импульс напряжения, который используется для зажигания блока открытия луча и блока временной развертки. Заряд на емкости С4 обеспечивает более медленное спадание напряжения на плоской части импульса. Если внешний импульс имеет положительную полярность, то он вызывает открытие тиратрона Л2 и, следовательно, срабатывание всей схемы блока.
На рис. 5-75 представлена упрощенная схема электронного осциллографа ОК-19 М. На схеме не показана вторая трубка, отсутствуют некоторые вспомогательные блоки.
Схема питания содержит трансформатор Тр на 5,5 кВ, схему учетверения напряжения, состоящую из вентилей, К2, К3, К4 и К5 конденсаторов С2, С3, С4 и С5, и делитель напряжения ДН1, с которого потенциалы подаются к электродам трубки. Ускоряющее напряжение составляет 20 кВ.
Трансформатор Тр, емкость С1 и делитель напряжения ДНП служат для питания блока временной развертки.
При подаче на зажимы (—) пуск или ( + ) пуск импульса соответственно отрицательной или положительной полярности происходит запуск осциллографа. В обоих случаях на управляющей сетке тиратрона Л2 (ТГИ-0,1/1,3) появляется импульс положительной полярности, и тиратрон срабатывает.
При этом емкость С14 разряжается на сопротивления R15, R16, R17 и R18, на которых возникают импульсы положительной полярности с отвесным фронтом. Емкость С16 перезаряжается от импульса положительной полярности, возникающего на сопротивлении R18. Когда напряжение на емкости С16 достигает некоторой положительной величины, тиратрон Л3 (ТГИ-0,1/1,3) срабатывает и срезает импульс напряжения. Таким образом, импульсы напряжения, возникающие на сопротивлениях R16, R17, и R18, имеют форму, близкую к прямоугольной. Один из импульсов через разделительную емкость С7 подается на модулятор трубки и открывает электронный луч. Другой импульс напряжения через разделительную емкость С11 подается на управляющую сетку лампы Л4 (ГУ-50), через которую начинает разряжаться подключенная емкость С10. Лампа ГУ-50 работает в режиме насыщения, так что напряжение на подключенной емкости С10 изменяется линейно во времени. Это линейно изменяющееся во времени напряжение через разделительную емкость С9 подается на пластины времени, обеспечивая равномерную временную развертку.
Кроме указанного запуска осциллографа, предусмотрен вспомогательный запуск от кнопки для записи градуировочных высокочастотных колебаний. Каждая трубка в осциллографе ОК-19М имеет отдельный делитель напряжения ДНИ и отдельный блок временной развертки.
Рис. 5-75. Упрощенная схема электронного осциллографа ОК-19М.
Кроме основных блоков, в схеме осциллографа ОК-19М имеются: блок сигнала согласования, предназначенный для сопоставления осциллограмм во времени при совместной работе нескольких приборов ОК-19М, генераторы высокой частоты, вырабатывающие синусоидальные напряжения частотой 10 и 100 и релейная система, предназначенная для включения и выключения схемы в необходимой последовательности.
