タイムベースジェネレータ

タイムベース ジェネレータ(タイムベースまたはタイム ベースとも呼ばれる) は、特殊なタイプの関数ジェネレータで、特定の波形を生成するために変化する電圧を生成する電子回路です。タイム ベース ジェネレータは、ブラウン管(CRT)のビームを管の表面上で滑らかに偏向させ、その後開始位置に戻すように特別に設計された、非常に高い周波数の鋸歯状波を生成します。

レーダーシステムでは、タイム ベースを使用して、タイム ベースに沿った現在の位置と無線エコーの到着時間を比較し、ターゲットまでの距離を決定します。CRT を使用するアナログ テレビ システムには 2 つのタイム ベースがあり、1 つはビームを水平方向に高速で偏向させるもので、もう 1 つはビームを 1 秒間に 60 回画面に引き下げるものです。オシロスコープには複数のタイム ベースがあることがよくありますが、これらは単純なタイム ベースだけでなく、多数の波形を生成できる、より柔軟な関数ジェネレーターである場合があります。

ブラウン管(CRT) は、加速された電子の流れを生み出す電子銃、電子が当たると光る蛍光体で覆われたスクリーン、そして磁場や電場を利用して飛行中の電子を偏向させ、スクリーン上で電子を方向転換させる偏向板という 3 つの主要部分から構成されています。偏向板を使用して電子の流れを高速で移動させることができるため、CRT はテレビ信号のような非常に高速な信号を表示したり、無線による方向探知( huff-duffを参照) に使用したりできます。

対象となる信号の多くは、時間の経過とともに非常に急速に変化しますが、その根底には周期的な性質があります。たとえば、無線信号には、信号の基礎となる基本周波数、つまり搬送波があります。音は、振幅 (AM)、周波数 (FM)、または同様の技術で信号を変更することによって搬送波に変調されます。このような信号をオシロスコープに表示して検査するには、電子ビームが搬送波と同じ周波数、またはその基本周波数の倍数で循環するように、画面上で電子ビームを掃引することが望ましいです。

これがタイム ベース ジェネレーターの目的です。タイム ベース ジェネレーターは、偏向プレート セットの 1 つ (通常は X 軸) に取り付けられ、無線信号の増幅された出力は、もう一方の軸 (通常は Y 軸) に送信されます。その結果、元の波形が視覚的に再現されます。

一般的なレーダーシステムは、短いパルスの無線信号をブロードキャストし、遠くの物体からのエコーを聞きます。信号は光速で移動し、ターゲットの物体まで往復する必要があるため、ブロードキャストと受信の間の遅延を測定し、その時間で光速を乗じて、2 で割る (往復) ことでターゲットまでの距離を判定できます。このプロセスは非常に高速に行われるため、信号を表示してエコーを探すために CRT が使用されます。

レーダー ディスプレイの最も単純なバージョン(今日では「A スコープ」として知られています) では、タイム ベース ジェネレーターが画面をスイープして、信号がレーダーの最大有効距離を移動した時点でディスプレイが片側に到達するようにします。たとえば、Chain Home (CH)などの早期警戒レーダーの最大範囲は 150 キロメートル (93 マイル) で、これは光が 1 ミリ秒で往復する距離です。これは、放送信号が終了するとスイープを開始し、1 ミリ秒ごとにビームを CRT 全体に引き寄せるタイム ベース ジェネレーターとともに使用されます。ビームがディスプレイを移動すると、エコーがあるとビームが下向きに偏向します (CH の場合)。

CRT 上の「ブリップ」の物理的な位置を測定することで、ターゲットまでの距離を判定できます。たとえば、特定のレーダーのタイム ベースが 1 ミリ秒の場合、その最大距離は 150 km です。これが 4 インチの CRT に表示され、ブリップが左側から 2 インチにあると測定された場合、ターゲットは 0.5 ミリ秒離れており、約 75 km (47 マイル) 離れていることになります。

ブリップが機械的なスケールと正しく一致するように、時間ベースを調整して、特定の時間にスイープを開始することができました。これは手動で調整することも、通常は放送信号を大幅に減衰させた別の信号によって自動的にトリガーすることもできます。

その後のシステムでは、タイム ベースが変更され、ディスプレイ上に定期的に点滅する 2 番目の信号が追加されました。これにより、タイム ベースに応じて変化するクロック信号が提供され、調整する必要がなくなりました。英国の用語では、これらはストロボと呼ばれていました。

テレビ信号は、連続して放送される一連の静止画像で構成されており、NTSC規格では、このような「フレーム」は 1 秒間に 30 回放送されます。各フレーム自体は、一連の「ライン」に分割され、NTSC 規格では 525 です。テレビ放送をオシロスコープで調べると、変調された信号の連続シーケンスが、短い「空の」信号期間で区切られているように見えます。各変調部分は、1 ラインのアナログ画像を伝送します。

信号を表示するために、2 つのタイム ベースが使用されます。1 つは、1 行を送信するのにかかる時間である 1 秒あたり 15,750 回でビームを左から右に水平にスキャンします。2 つ目のタイム ベースでは、ビームが 1 秒あたり 60 回画面をスキャンするため、各行は最後に描画された行の下に表示され、その後上に戻ります。これにより、525 行の信号全体が画面に描画され、2 次元画像が再現されます。

タイム ベースが適切なタイミングで画面のスイープを開始するように、信号にはいくつかの特別な変調が含まれています。各ラインには、信号が一時的に負になる「フロント ポーチ」と「バック ポーチ」という短い期間があります。これにより、水平タイム ベースが画面全体のスイープを開始し、ラインがディスプレイの左側から開始されるようにします。これよりはるかに長いですが、それ以外は同様の信号である垂直ブランキング インターバルによって垂直タイム ベースが開始され、長い遅延があるとタイム ベースがトリガーされます。

• Anand Kumar、「タイムベース ジェネレータ」、パルスとデジタル回路、PHI Learning、2008 年
• 「NTSC 信号仕様」、全米テレビジョン システム委員会、1953 年