11. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ.

11.1 Общая характеристика.

Электронные осциллографы предназначены для:

а) визуального наблюдения формы электрических сигналов,

б) измерения параметров электрических сигналов.

Возможность наблюдения формы изменяющихся во времени электрических сигналов делает осциллограф удобным при определении различных параметров электрических сигналов и одним из самых универсальных измерительных приборов. Следующие достоинства осциллографов обусловили их широкое применение:

Широкий частотный диапазон;

Высокая чувствительность;

Большой динамический диапазон исследуемых сигналов;

высокое входное сопротивление и малая входная емкость.

В настоящее время выпускается множество осциллографов, различающихся назначением и характеристиками. Промышленность выпускает:

Аналоговые и цифровые электронные осциллографы;

Электронные осциллографы для наблюдения и измерения непрерывных и импульсных сигналов;

Универсальные электронные осциллографы, низкочастотные и высокочастотные электронные осциллографы;

Многофункциональные осциллографы со сменными блоками;

Запоминающие осциллографы для регистрации одиночных импульсов;

Одноканальные и многоканальные (в основном - двухканальные) и т.д.

В основе работы любого электронного осциллографа лежит преобразование исследуемого электрического сигнала в осциллограмму, формируемую на экране электронно-лучевой трубки или матричной индикаторной панели.

11.2 Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением.

В современных электронных осциллографах визуализация сформированной осциллограммы осуществляется с помощью электронно-лучевой трубки или матричной индикаторной панели. В настоящее время в осциллографах широкого применения преимущественно используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением.

Простейшая однолучевая ЭЛТ с электростатическим управлением представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Внутри баллона располагаются (см. рис. 1):

Подогревной катод - К;

Модулятор (сетка) – М;

Фокусирующий анод – А 1 ;

Ускоряющий анод – А2;

Две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин - ОП Х (горизонтальные) и ОП У (вертикальные);

Внутренняя поверхность дна баллона покрыта слоем люминофора, способного светиться в месте бомбардировки его электронами, образующего экран трубки Э.

Рисунок 1 – Устройство электронно-лучевой трубки

с электростатическим управлением

Совокупность электродов К, М, А 1 , А 2 называют электронной пушкой. Конструктивно электроды пушки выполняются в виде цилиндров, расположенных на оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов – электронный луч. Интенсивность электронного луча регулируется изменением отрицательного потенциала М относительно К, что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Положительное напряжение на А 1 (относительно К) фокусирует поток электронов в узкий луч, позволяющий получать на экране ЭЛТ светящееся пятно малого диаметра. Для ускорения электронов луча до скорости, обеспечивающей свечение люминофора, на анод А 2 подается высокое положительное напряжение. Сформированный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин ОП х и ОП у и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется соответственно по осям Х и У, вызывая смещение светящегося пятна на экране ЭЛТ.

При исследовании быстро протекающих процессов с малой частотой повторения или одиночных импульсов электронный луч не успевает приобрести достаточную кинетическую энергию и в достаточной мере возбудить люминофор. Поэтому свечение экрана может быть недостаточным. В современных ЭЛТ дополнительно ускоряют электроны луча при помощи третьего анода А 3 , подавая на него высокое положительное напряжение.

В современных ЭЛО применяются и более сложные ЭЛТ, в частности, многолучевые трубки для одновременного наблюдения 2-х и более сигналов.

11.3 Структурная схема эло.

Упрощенная структурная схема однолучевого ЭЛО представлена на рис. 2. Исследуемый сигнал U c , осциллограмму которого надо получить на экране ЭЛТ, подается на «Вход У». Через «Входной делитель» и «Усилитель канала У» он поступает на пластины ОП У и управляет перемещением луча в вертикальном направлении. Делитель необходим для работы с сигналами большой амплитуды.

Рисунок 2 – Структурная схема ЭЛО

Для управления перемещением луча в горизонтальном направлении служит «Генератор развертки», выходное напряжение которого поступает на ОП Х через «Усилитель канала Х» (режим линейной развертки). При необходимости «Генератор развертки» можно отключить, установив переключатель П2 в нижнее положение, и подать на ОП Х внешний сигнал со «Входа Х» через «Усилитель канала Х» (режим синусоидальной развертки, т.к. чаще всего подается гармонический сигнал).

Электронно-лучевые осциллографы .

Электронно-лучевые осциллографы – приборы, предназначенные для визуального наблюдения форм исследуемых электрических сигналов. Кроме того, осциллографы могут применяться для измерения частоты, периода и амплитуды.

Основная деталь электронного осциллографа - электронно-лучевая трубка (смотри рисунок), напоминающая по форме телевизионный кинескоп.

Экран трубки (8) покрыт изнутри люминофором - веществом, способным светиться под ударами электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают. Испускаются же электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала) (1) и катода (2). Между “пушкой” и экраном размещены модулятор (3), регулирующий поток летящих к экрану электронов, два анода (4 и5), создающих нужное ускорение пучку электронов и его фокусировку, и две пары пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной Y (6) и вертикальной X (7) осям.

Работает электроннолучевая трубка следующим образом:

На нить накала подают переменное напряжение, на модулятор постоянное, отрицательной полярности по отношению к катоду на аноды - положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону, относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины (пластины Пх), а также ”рисующей” на экране форму исследуемых колебаний (пластины Пу).

Чтобы представить, как получается на экране изображение, экран трубки представим в виде окружности (хотя у трубки он может быть и прямоугольный) и поместим внутри нее отклоняющие пластины (см. рисунок). Если подвести к горизонтальным пластинам Пх пилообразное напряжение, на экране появится светящаяся горизонтальная линия - ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения.

Если теперь одновременно с пилообразным напряжением, поданным на пластины Пх, подать на другую пару пластин (вертикальных - Пу), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности “изогнется” по форме колебаний и “нарисует” на экране изображение.

В случае равенства периодов синусоидального и пилообразного колебаний, на экране будет изображение одного периода синусоиды. При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в периоде колебаний пилообразного напряжения развертки. В осциллографе имеется регулировка частоты развертки, с помощью которой добиваются нужного числа наблюдаемых на экране колебаний исследуемого сигнала.

Структурная схема осциллографа.

На рисунке изображена структурная схема осциллографа. На сегодняшний день существует большое число различных по конструкции и назначению осциллографов. По-разному выглядят их лицевые панели (панели управления), несколько отличаются названия ручек управления и переключатели. Но в любом осциллографе существует минимально необходимый набор узлов, без которых он не может работать. Рассмотрим назначение этих основных узлов. На примере осциллографа С 1-68.

На рисунке:

ВА- входной аттенюатор; ВК- входной каскад усилителя; ПУ- предварительный усилитель; ЛЗ- линия задержки; ВУ- выходной усилитель; К- калибратор; СБ- схема блокировки; УП- усилитель подсвета; СС- схема синхронизации; ГР- генератор развертки; ЭЛТ- электроннолучевая трубка.

Схема работает следующим образом.

Блок питания

Блок питания обеспечивает энергией работу всех узлов электронного осциллографа. На вход блока питания поступает переменное напряжение, как правило, величиной 220 В. В нем оно преобразуется в напряжения разной величины: переменное 6,3 В для питания нити накала электронно-лучевой трубки, постоянное напряжение 12-24 В для питания усилителей и генератора, около 150 В для питания оконечных усилителей горизонтального и вертикального отклонения луча, несколько сотен вольт для фокусировки электронного луча и несколько тысяч вольт для ускорения электронного пучка.

Из блока питания кроме выключателя питания, выведены на переднюю панель осциллографа регуляторы: “ФОКУСИРОВКА” и “ЯРКОСТЬ” При вращении этих ручек изменяются напряжения, подаваемые на первый анод и модулятор. При изменении напряжения на первом аноде, меняется конфигурация электростатического поля, что приводит к изменению ширины электронного луча. При изменении напряжения на модуляторе изменяется ток электронного луча (изменяется кинетическая энергия электронов), что приводит к изменению яркости свечения люминофора экрана.

Генератор развертки

Выдает пилообразное напряжение, частоту которого можно изменять грубо (ступенями) и плавно. На лицевой панели осциллографа они называются “ЧАСТОТА ГРУБО” (или “ДЛИТЕЛЬНОСТЬ РАЗВЕРТКИ”) и “ЧАСТОТА ПЛАВНО”. Диапазон частот генератора весьма широк - от единиц герц до единиц мегагерц. Около переключателя диапазонов проставлены значения длительности (продолжительности) пилообразных колебаний.

Усилитель канала горизонтального отклонения

С генератора развертки сигнал подается на усилитель канала горизонтального отклонения (канала X). Этот усилитель необходим для получения такой амплитуды пилообразного напряжения, при которой электронный луч отклоняется на весь экран. В усилителе расположены регулятор длины линии развертки, на передней панели осциллографа он называется “УСИЛЕНИЕ X“ или “ АМПЛИТУДА X”, и регулятор смещения лини развертки по горизонтали.

Канал вертикальной развертки

Состоит из входного аттенюатора (делителя входного сигнала) и двух усилителей - предварительного и оконечного. Аттенюатор позволяет выбирать нужную амплитуду рассматриваемого изображения в зависимости от амплитуды исследуемых колебаний. С помощью переключателя входного аттенюатора, амплитуду сигнала можно уменьшить. Более плавные изменения уровня сигнала, а значит и размера изображения на экране, получают с помощью регулятора чувствительности оконечного усилителя канала Y. В оконечном усилителе этого канала, как и канала горизонтального отклонения, есть регулировка смещения луча, а значит, и изображения, по вертикали.

Кроме того, на входе канала вертикального отклонения стоит переключатель 1, с помощью которого можно либо подавать на усилитель постоянную составляющую исследуемого сигнала, либо избавляться от нее включением разделительного конденсатора. Это в свою очередь, позволяет пользоваться осциллографом как вольтметром постоянного тока, способным измерять постоянные напряжения. Причем входное сопротивление канала Y достаточно высокое - более 1 МОм.

О ДРУГИХ РЕГУЛИРОВКАХ

У генератора развертки есть еще один переключатель - переключатель режима работы развертки. Он также выведен на переднюю панель осциллографа (на структурной схеме он не указан). Генератор разверток может работать в двух режимах: в автоматическом - генерирует пилообразное напряжение заданной длительности и в ждущем режиме - “ожидает” прихода входного сигнала, и с его появлением запускается. Этот режим бывает необходим при исследовании сигналов появляющихся случайно, либо при исследовании параметров импульса, когда его передний фронт должен быть в начале развертки. В автоматическом режиме работы случайный сигнал может появиться в любом месте развертки, что усложняет его наблюдение. Ждущий режим целесообразно применять во время импульсных измерений.

Синхронизация

Если между генератором развертки и сигналом нет никакой связи, то начинаться развертка и появляться сигнал будут в разное время, изображение сигнала на экране осциллографа будет перемещаться либо в одну, либо в другую сторону - в зависимости от разности частот сигнала и развертки. Чтобы остановить изображение нужно “засинхронизировать” генератор, т.е. обеспечить такой режим работы, при котором начало развертки, будет совпадать с началом появления периодического сигнала на входе Y (скажем синусоидального). Причем синхронизировать генератор можно как от внутреннего сигнала (он берется с усилителя вертикального отклонения), так и от внешнего, подаваемого на гнезда “ВXОД СИНXР.”. Выбирают тот или иной режим переключателем S2 - ВНУТР.- ВНЕШН. синхронизация (на структурной схеме переключатель находится в положении “внутренняя синхронизация).

Принцип синхронизации поясняет следующая диаграмма.

Для наблюдения высокочастотных сигналов, когда их частота во много раз превышает принципиально возможную частоту каналов усиления осциллографа, применяют стробоскопические осциллографы.

Принцип работы стробоскопического осциллографа поясняет следующая диаграмма.

Осциллограф работает следующим образом: Каждый период исследуемого напряжения u(t) формируется синхронизирующий импульс Uc, который запускает генератор развертки. Генератор развертки формирует напряжение пилообразной формы, которое сравнивается со ступенчато - нарастающим (на U) напряжением (см. диаграмму). В момент равенства напряжений формируется строб – импульс, причем каждый последующий период строб – импульса увеличивается по отношению к предыдущему на величину t. В момент прихода строб – импульса формируется импульс выборки. Его амплитуда равна амплитуде исследуемого сигнала и выводится на экран осциллографа. Таким образом, на экране получается изображение в виде импульсов, амплитудная огибающая которых, соответствует исследуемому сигналу только “растянутому” во времени. Стробоскопические осциллографы применяются в телевизионной, радиолокационной и других видах высокочастотной техники.

Погрешности осциллографов .

У осциллографов, при измерении напряжений, выделяют следующие погрешности:

Применение осциллографов.

1. Измерение амплитуды исследуемого сигнала.

Измерение амплитуды исследуемого сигнала может быть произведено следующими методами:

Измерение амплитуды методом калиброванной шкалы . Метод основан на измерении линейных размеров изображения непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Измеряемая амплитуда U m определяется как U m = K oh . К о - коэффициент отклонения по вертикали.

Измерение амплитуды методом замещения . Метод основан на замещении измеряемой части сигнала калиброванным напряжением. (Метод рекомендуется применять при измерении малых напряжений).

Измерение амплитуды методом противопоставления . Метод заключается в том, что в дифференциальном усилителе входного канала Y исследуемый сигнал компенсируется калиброванным. Метод обеспечивает высокую точность при измерении малых сигналов.

2. Измерение временных интервалов.

Измерение временных интервалов методом калиброванной шкалы . Метод основан на измерении линейных размеров периода изображения по оси Х непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Измеряемое время t x определяется как t x =K pl M p . К p - коэффициент развертки, М р - мсштаб развертки по оси Х, l- длина периода изображения на экране ЭЛТ.

Измерение временных интервалов с помощью калибрационных меток . Метод основан на создании в кривой исследуемого сигнала яркостных меток образцовой частоты. Это достигается подачей на модулятор ЭЛТ (вход Z) сигнала с измерительного генератора.

Измерение временных интервалов с помощью задержанной развертки. Метод основан на смещении изображения вдоль линии развертки относительно выбранной неподвижной точки (линии шкалы). Отсчет производится по регулировочной шкале “задержка”.

Электронно-лучевые (электронные) осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение.

В настоящее время выпускается множество осциллографов, различающихся назначением и характеристиками. Осциллографы могут быть предназначены для наблюдения и измерения непрерывных или импульсных процессов; большое распространение получили универсальные осциллографы для периодических и непериодических сигналов непрерывного и импульсного характера в широком (до 100 МГц) диапазоне частот. Выпускаются также осциллографы специального назначения: многофункциональные со сменными входными блоками, запоминающие для регистрации одиночных импульсов, стробоскопические для исследования высокочастотных процессов и другие. По количеству одновременно исследуемых сигналов осциллографы могут быть одноканальными и многоканальными (в основном двухканальными). В последнее время получили распространение цифровые электронные осциллографы.

Осциллографы могут различаться чувствительностью, полосой пропускания, погрешностью воспроизведения формы кривой и другими характеристиками.

Рассмотрим устройство и принцип действия наиболее распространенных универсальных электронно-лучевых осциллографов.

В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевые трубки.

Простейшая однолучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и в котором расположены (рис. 6-22) подогреваемый катод модулятор (сетка) М, фокусирующий анод ускоряющий анод две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин (горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины). Внутренняя поверхность дна баллона (экран Э) покрыта люминофором, способным светиться под действием бомбардировки электронами. Совокупность электродов К,

Рис. 6-22. Схема управления лучом электронно-лучевой трубки

Называют электронной пушкой. Конструктивно эти электроды выполнены в виде цилиндров, расположенных по оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов - электронный луч. Для этого на электроды пушки подают напряжение, как показано на рис. 6-22, где - цепи управления электронным лучом. Интенсивность электронного луча регулируют путем изменения отрицательного относительно катода напряжения на модуляторе, что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Напряжение на первом аноде фокусирует поток электронов в узкий луч, позволяющий получить на экране трубки светящееся пятно малого размера. Для ускорения электронов до скорости, необходимой для свечения люминофора, на второй анод подается высокое положительное напряжение. Сформированный электронный луч проходит между парами отклоняющихся пластин и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется, соответственно, по осям координат , вызывая смещение светящегося пятна на экране трубки. На рис. 6-22 также показана упрощенная схема управления начальной установки луча по оси (по оси X управление аналогичное). Меняя положение подвижного контакта переменного резистора («Смещение К»), можно изменять напряжение на пластинах и тем самым смещать луч по экрану.

При исследовании быстропротекающих процессов с малой частотой повторения или однократных импульсов электронный луч не успевает возбудить в достаточной мере люминофор и яркость свечения может оказаться недостаточной. Поэтому в современных электронно-лучевых трубках применяют дополнительное ускорение электронов при помощи третьего анода подавая на него большое положительное напряжение.

Рис. 6-23. Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа

Осциллографические электронно-лучевые трубки характеризуются чувствительностью, полосой пропускания, длительностью послесвечения, рабочей площадью экрана, цветом свечения люминофора и другими характеристиками.

Чувствительность трубки где - отклонение луча на экране трубки, вызванное напряжением приложенным к отклоняющим пластинам. Обычно С увеличением частоты напряжения чувствительность трубки падает. Верхняя частота полосы пропускания трубки равна такой частоте, при которой ее чувствительность уменьшается до значения (на 3 дБ), где - чувствительность на малых частотах. У рассматриваемых электронно-лучевых трубок верхняя частота примерно 100 МГц.

Длительность послесвечения экрана характеризуют временем от момента прекращения действия электронного луча до момента, когда яркость изображения составит 1 % первоначальной. Трубки с длительным послесвечением (более 0,1 с) облегчают наблюдение непериодических и медленно изменяющихся сигналов. Специальные запоминающие трубки позволяют сохранить изображение сигнала на интервалы времени от нескольких минут до нескольких суток.

Рабочая площадь экрана определяется диаметром трубки. Выпускают трубки с диаметром 70 мм и более. Тип люминофора определяет цвет свечения экрана. Обычно находят применение трубки с зеленым цветом свечения. Для фотографирования изображения с экрана осциллографа используют трубки с голубым свечением экрана.

В современных осциллографах применяют также и более сложные, в частности, многолучевые трубки для наблюдения сразу двух и более сигналов, трубки с линией бегущей волны для наблюдения за сверхвысокочастотными колебаниями и др.

Рис. 6-24. Форма напряжения линейной развертки

Устройство и принцип действия осциллографа.

Упрощенная функциональная схема осциллографа (рис. 6-23) включает в себя электронно-лучевую трубку ЭЛТ, входной делитель напряжения ВДУ усилитель вертикального отклонения УВО, состоящий из предварительного усилителя ПУ, линии задержки и выходного усилителя ВУ, блок синхронизации БС, генератор развертки ГРУ усилитель горизонтального отклонения УГО и калибраторы амплитуды и длительности КД.

Исследуемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения, включающего в себя входной делитель и усилитель вертикального отклонения. Выходное напряжение УВО, поступая на вертикальные отклоняющие пластины, управляет отклонением электронного луча в трубке по оси Для получения требуемого размера изображения на экране входной сигнал усиливается (или ослабевает) в канале вертикального отклонения до необходимого значения, определяемого чувствительностью трубки. Последовательное включение делителя напряжения и усилителя вертикального отклонения обеспечивает значительный диапазон исследуемых напряжений. Основное усиление УВО обеспечивается предварительным усилителем ПУ, а выходной усилитель ВУ в основном служит для преобразования усиливаемого сигнала в управляющее напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины.

При подане переменного напряжения на вход электронный луч вычерчивает на экране осциллографа вертикальную линию. Для получения изображения исследуемого сигнала, развернутого во времени, необходимо смещать (развертывать) луч по оси X с равномерной скоростью. Это осуществляется подачей на отклоняющие пластины линейно изменяющегося пилообразного напряжения (рис. 6-24). Принцип развертки изображения иллюстрируется рис. 6-25, где даны кривые изменения напряжения их и подаваемые на пластины и получающееся при этом изображение на экране осциллографа. Цифрами 1-4, 1-4 обозначены точки кривых в соответствующие моменты времени. Из рисунка видно, что при равенстве периодов напряжений их и на экране получается неподвижное

Рис. 6-25. Временные диаграммы, поясняющие получение осциллограмм при линейной развертке

изображение одного периода исследуемого сигнала. При увеличении периода пилообразного напряжения их в раз на экране появится изображение периодов исследуемого сигнала.

Напряжение развертки вырабатывает генератор развертки Реальная кривая напряжения развертки (см. рис. 6-24) имеет время прямого и время обратного хода - время возвращения луча в исходное положение. Для того чтобы во время обратного хода электронный луч не вычерчивал линии на экране осциллографа, его гасят на это время путем подачи отрицательного импульса на модулятор. Исследование сигналов в широком диапазоне частот обеспечивается переключением частоты пилообразного напряжения, предусмотренном в генераторе развертки. Это позволяет проводить наблюдения исследуемых сигналов в нужном масштабе времени. Выходное напряжение генератора усиливается в до значения, необходимого для управления электронным лучом в и получения изображения требуемого размера.

Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа частота пилообразного напряжения развертки должна быть кратна частоте исследуемого сигнала. Выдержать точно кратность частот напряжений их и на практике оказывается достаточно сложно вследствие «ухода» частоты генератора и изменения частоты исследуемого сигнала. Это приводит к неустойчивости изображения сигнала. Для обеспечения

Рис. 6-26. Временные диаграммы, поясняющие получение изображения сигналов при ждущей развертке

устойчивости изображения в осциллографе имеется блок синхронизации (см. рис. 6-23), который осуществляет изменение частоты генератора (в некоторых пределах) в соответствии с частотой исследуемого процесса. Для этого сигнал из канала вертикального отклонения подается на блок синхронизации, на выходе которого вырабатываются импульсы синхронно с изменением исследуемого сигнала для управления генератором развертки, принудительно заставляя его работать с частотой, кратной частоте входного сигнала. Такой режим работы генератора развертки называется непрерывным. Он применяется при наблюдении периодических сигналов. При исследовании непериодической последовательности импульсов или одиночных импульсов непрерывный режим работы приводит к тому, что положение изображения импульсов на экране по оси времени становится неопределенным. В этом случае применяют ждущий режим работы генератора, при котором вырабатывает пилообразный импульс только с приходом исследуемого импульса. При таком режиме обеспечивается устойчивое положение изображения этих импульсов на экране. Рисунок 6-26 иллюстрирует ждущий режим работы где показаны входные импульсы (рис. 6-26, а), пилообразные импульсы иГР (рис. 6-26, б) генератора развертки и изображение на экране осциллографа (рис. 6-26, в).

В осциллографах предусматривается также возможность запуска генератора от внешнего источника (внешняя синхронизация). Для этого имеется специальный вход «Вход синхронизации» и переключатель

Исследование импульсных и особенно непериодических сигналов имеет ряд особенностей. В частности, генератор развертки вследствие своей инерционности вырабатывает пилообразное напряжение с некоторым запаздыванием отношению к запускающему импульсу. Это может привести к тому, что начальная часть импульса не будет развернута во времени на экране (рис. 6-27, а). Для устранения таких искажений в канале

Рис. 6-27. Временные диаграммы, поясняющие назначение линии задержки

вертикального отклонения имеется линия задержки осуществляющая временной сдвиг (задержку) на некоторое время сигнала, подаваемого на пластины (рис. 6-27, б, где - напряжение на выходе Такая задержка позволяет получить изображение всего импульса, включая его начальную часть, на экране осциллографа. В низкочастотных осциллографах, предназначенных для исследования периодических процессов, линия задержки может отсутствовать.

Для расширения функциональных возможностей осциллографа имеются дополнительные входы, позволяющие осуществить управление электронным лучом. Во многих осциллографах предусмотрена возможность управления отклонением луча по оси X внешним напряжением. Для этого у осциллографа есть «Вход X» (см. рис. 6-23), на который подается внешнее управляющее напряжение, и переключатель устанавливаемый в этом случае в нижнее (по схеме) положение. В осциллографах имеются также зажимы «Вход пластин X» и «Вход пластин У», позволяющие подавать внешнее напряжение непосредственно на пластины электронно-лучевой трубки. В некоторых осциллографах имеется вход который через разделительный конденсатор (или специальный усилитель) соединен с модулятором М электронно-лучевой трубки. Подавая импульсы напряжения на этот вход, можно модулировать (изменять) яркость свечения изображения на

экране. Это позволяет, например, отмечать характерные точки на изображении, подавая импульсы на вход в необходимые моменты времени.

При измерении амплитудных и временных параметров исследуемых сигналов обычно измеряют соответствующие геометрические размеры изображения сигнала на экране и с помощью коэффициентов отклонения и коэффициентов развертки (см. далее), характеризующих чувствительность каналов, определяют значения этих параметров. Для повышения точности измерений осциллографы имеют калибраторы амплитуды и длительности позволяющие контролировать и устанавливать номинальные значения коэффициентов отклонения и коэффициентов развертки. Калибраторы часто представляют собой генераторы прямоугольных импульсов с известными значениями амплитуды и частоты. Для проверки коэффициентов отклонения переключатель (см. рис. 6-23) ставится в положение «Калибровка». Меняя усиление УВО, добиваются нормированного отклонения луча на экране, что приводит к установке соответствующего коэффициента отклонения. По периоду калибровочного импульса можно проверить или установить нормированное значение коэффициента развертки. В некоторых осциллографах КД представляет собой стабильный по частоте генератор, выход которого при измерении подключается к модулятору ЭЛТ. Сигнал генератора вызывает появление на экране чередующихся светлых и темных участков. По их числу, зная частоту генератора КД, можно определить временные параметры исследуемых сигналов.

Основные характеристики осциллографов.

Коэффициент отклонения - отношение напряжения входного сигнала к отклонению луча (в делениях шкалы), вызванному этим напряжением. У наиболее распространенных осциллографов коэффициент отклонения находится в диапазоне . Коэффициент отклонения - параметр, обратный чувствительности осциллографа к напряжению:

Полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого коэффициент отклонения изменяется не более чем на 3 дБ (примерно относительно его значения на некоторой средней (опорной) частоте. Для низкочастотных осциллографов полоса пропускания находится в диапазоне от 0 до 1-5 МГц; для универсальных осциллографов верхняя частота достигает десятков мегагерц, для высокочастотных - сотен мегагерц.

Для измерения импульсных сигналов важными являются параметры переходной характеристики - время нарастания переходной характеристики и максимальный выброс.

Коэффициент развертки - отношение времени к отклонению луча, вызванному напряжением развертки за это время.

Обычно осциллографы имеют широкий диапазон изменения коэффициента развертки. Например, у осциллографа коэффициент развертки находится в диапазоне . Коэффициент развертки - параметр, обратный скорости перемещения луча по оси X.

Основная погрешность измерения напряжения и основная погрешность измерения временных интервалов определяются максимально допускаемыми погрешностями измерения соответствующих параметров при подаче на вход осциллографа стандартного сигнала синусоидальной или прямоугольной формы. В зависимости от значений этих погрешностей выпускают осциллографы четырех классов точности имеющих, соответственно, основные погрешности измерений, не превышающие Часто вместо основных погрешностей измерений нормируют основные погрешности коэффициента отклонений и коэффициента развертки, а также нелинейность отклонения и развертки.

Параметры входов осциллографа определяются входным активным сопротивлением и входной емкостью Обычно , а составляет десятки пикофарад. Для высокочастотных осциллографов составляет единицы пикофарад.

Осциллографы характеризуются и другими параметрами, например: максимально допустимым входным напряжением, размерами рабочей части экрана, потребляемой мощностью, габаритами, массой и др.

Измерить простые электрические величины, такие как ток, сопротивление, напряжение можно используя мультиметр. Но исследовать форму сигнала или поведение его во времени им не удастся. Поэтому для измерений, проверки и точной настройки приборов нужен осциллограф. Это универсальное устройство ранее применялось только в лабораториях и сервисных центрах, но сегодня стало вполне доступным для использования и радиолюбителями.

Виды и характеристики

Различные исследования в области электричества требовали прибора, позволяющего выполнять ряд измерений поведения того или иного параметра в течение промежутка времени. Родоначальником такого устройства стал Андре Блондель, родившийся в 1863 году во Франции. Изучая электротехнику, он основал в городе Леваллупе лабораторию. В ней, основываясь на теории Альфреда Корню, учёный придумал и сконструировал магнитоэлектрический прибор с бифилярным подвесом. Произошло это в 1893 году.

Это устройство позволяло регистрировать интенсивность переменных токов путём записи колебаний маятника с чернилами, соединённого с катушкой индуктивности. Измеритель отличался низкой точностью из-за механических частей. А полоса пропускания его лежала в диапазоне 10−19 кГц.

Дальнейшая эволюция прибора привела к появлению в 1897 году осциллографа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Его конструктором стал физик из Германии Карл Браун. Но первый промышленный экземпляр был выпущен только в 1932 году британской компанией A. C. Cossor Ltd. В ноябре американская фирма Allen B. DuMont Laboratories представила осциллограф, состоящий из двух частей: ЭЛТ и кожуха. В последнем размещались блоки фокусировки луча, источник питания и узел развёртки. Но технология производства экрана позволяла его использовать не более одной тысячи часов.

Вторая мировая война остановила развитие прибора, но по её окончании инженеры Воллюм и Мердок, основатели компании Tektronix, внедряют в устройство прибора ждущую развёртку, то есть ту, которая запускается только во время возникновения электромагнитного сигнала. Этот прибор работал с полосой пропускания 10 МГц.

Развитие полупроводниковой техники привело к разработке цифрового устройства фирмой LeCroy в 1980 году. После чего цифровые аппараты стали массово производиться в Европе, не только профессионального уровня, но и радиолюбительского. На рынках появились всевозможные устройства, отличающиеся классом точности и функциональностью.

На начало 2000 годов цифровая техника почти полностью вытеснила аналоговые приборы, этому поспособствовало развитие персональных компьютеров и возможность сопряжения с ними измерителя. Но при этом, какой бы способ обработки сигналов ни использовался, принцип работы различных осциллографов остаётся одинаковым.

Аналоговое устройство

Сегодня всё реже можно встретить аналоговые осциллографы в исследовательских лабораториях или сервисных центрах. Но у радиолюбителей всё ещё достаточно морально устаревших, но ещё вполне работоспособных таких приборов. Любое аналоговое устройство состоит из одного или нескольких вертикальных каналов, горизонтального канала, схемы запуска и электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

ЭЛТ является основной частью устройства. На ней отображается форма исследуемого сигнала. Выполняется она из вакуумной колбы, в которую впаиваются электроды различного назначения. Первая группа формирует электронную пушку, образующую луч. На неё подаётся исследуемый сигнал. А вторая - состоит из контактов вертикально и горизонтально отклоняющих пластин и к ней подводится напряжение генератора развёртки.

Таким образом, устройство состоит из следующих частей:

• аттенюатора - входной делитель напряжения;
• предварительный усилитель;
• блок задержки;
• схема синхронизации и запуска развёртки;
• генератор;
• оконечный усилитель.

Измеряемый сигнал поступает на вертикальные пластины, а далее на аттенюатор, который позволяет настраивать чувствительность прибора. Выполняется регулирующее устройство в виде поворотной ручки. Шкала переключения указывается в вольтах на одно деление. При измерениях мощного сигнала используются делители. Это специальные устройства, работающие по принципу аттенюаторов, но при этом они уменьшают сигнал до безопасного уровня для входных цепей осциллографа.

Сигнал с делителя или аттенюатора разветвляется на предварительном усилителе и попадает в блок задержки и синхронизации. Последний узел создаёт условия для запуска генератора при появлении электромагнитных колебаний. Пилообразный сигнал с генератора поступает в горизонтальный канал X, где усиливается и подаётся на экран.

Вторая же часть сигнала через линию задержки поступает в канал Y, а затем на ЭЛТ. В результате на экране в системе координат XY выводится положение импульса. Нижний частотный предел находится в районе 10 Гц, а верхний зависит от ёмкости пластин и качества усилителей.

Поэтому если на пластины подаётся измеряемое напряжение, то луч начинает отклоняться по вертикали и горизонтали. Эти перемещения происходят синхронизировано, и в результате сигнал «разворачивается» во времени. Получившееся изображение на экране называют осциллограммой.

Цифровой прибор

Цифровое устройство сочетает в себе аналоговый осциллограф и мини-компьютер. Используя его можно не только визуально увидеть форму, но и выполнить ряд операций, таких как сложение и вычитание сигналов, преобразование Фурье, определение спектра. В состав прибора входит:

Сигнал поступает на вход масштабирующего узла, где снижается до безопасной величины для внутренних схем прибора. Далее он подаётся через усилитель на АЦП. В нём происходит преобразование аналоговой формы в ряд дискретной последовательности логического кода. Для этого используется микроконтроллер, работающий на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Код записывается в ОЗУ, из которого после выполнения определённого условия передаётся в запоминающие ячейки. Каждому блоку соответствует пиксель, который засвечивается. Координата Х определяется номером ячейки, а координата Y кодом, записанным в неё. В запоминающей ячейке может содержаться несколько символов кода, которые и формируют линию из непрерывно горящих пикселей.

Цифровые осциллографы разделяются на несколько подтипов и могут быть:

Использование ЖК экрана повышает удобство в работе с осциллографом. На нём становится возможным визуально отображать любые данные, а использование памяти в устройстве позволяет сравнивать любые изменения формы сигнала во времени.

Осциллограф, как и любой электрический прибор, имеет ряд технических параметров. Именно они определяют его функциональность и степень использования. К его работе предъявляются требования по классу точности, стабильности работы, шумовым характеристикам.

Важнейшими параметрами прибора являются:

Осциллограф предназначен для изучения различных взаимосвязей между несколькими величинами. Отображаемая на экране осциллограмма показывает как изменяется форма напряжения во времени. Так, по ней можно легко определить полярность, амплитуду, длительность, скважность и частоту сигнала.

В грубом приближении осциллограф работает как графический вольтметр. Он измеряет сигнал и выводит его форму на дисплей. Устройством можно измерить даже напряжение высокой частоты. Его основное назначение заключается использование поиска неисправностей в сложных радиоэлектронных схемах или исследовательских измерениях. Например, с помощью него возможно:

• определять временные параметры;
• изучать фазовый сдвиг;
• фиксировать частоту сигнала;
• наблюдать переменную и постоянную составляющую напряжения;
• отмечать присутствие гармоник и их параметров;
• выяснять процессы, происходящие во времени.

Таким образом, осциллограф нужен для того, чтобы можно было наглядно наблюдать колебания электротехнического сигнала, а также видеть помехи и искажения, тем самым определяя неисправный элемент в различных узлах по форме входного и выходного импульса. Кроме этого, осциллограф широко применяется при диагностике электродвигателей. Изучая генерации, возникающие при работе мотора, можно вычислить неисправность катализатора, выявить увеличенный подсос воздуха, отследить сигналы с различных датчиков.

Работа с измерителем

Перед тем как воспользоваться осциллографом, выполняется калибровка. Для этого измерительные щупы подключаются к входу усилителя (отклонение луча в вертикальной плоскости) и общему выводу, обозначаемому как земля. В случае если используется ЭЛТ, после включения необходимо подождать некоторое время для прогрева экрана. Затем понадобится пройти следующие этапы:

Таким образом, использование осциллографа, позволяет осуществлять операции по настройке и ремонту сложных приборов, которые с помощью тестера выполнить невозможно. Работа на современном устройстве не намного сложнее измерений, проводимых мультиметром.

Устройство осциллографа

Осцилло́граф (лат. oscillo - качаюсь + греч. γραφω - пишу) - прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи; также измерения) амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране.

По назначению и способу вывода измерительной информации:

Осциллографы с периодической развёрткой для непосредственного наблюдения формы сигнала на экране (электронно-лучевом, жидкокристаллическом и т. д.);

Осциллографы с непрерывной развёрткой для регистрации кривой на фотоленте (шлейфовый осциллограф).

По способу обработки входного сигнала

Аналоговый;

Цифровой

По количеству лучей: однолучевые, двулучевые и т. д. Количество лучей может достигать 16-ти и более (n-лучевой осциллограф имеет nное количество сигнальных входов и может одновременно отображать на экране n графиков входных сигналов).

Осциллографы с периодической развёрткой делятся на: универсальные (обычные), скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные; цифровые осциллографы могут сочетать возможность использования разных функций.

Также существуют осциллографы, совмещенные с другими измерительными приборами (напр. мультиметром).

Осциллограф также может существовать не только в качестве автономного прибора, но и в виде приставки к компьютеру (подключаемой через какой-либо порт: LPT, COM, USB, вход звуковой карты).

С помощью электронного осциллографа можно наблюдать форму электрического сигнала, что делает его незаменимым при наладке и исследовании радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, электронным осциллографом можно измерять напряжение в исследуемых цепях; при этом он практически не потребляет энергии от исследуемый цепи и может работать в широком диапазоне частот. Благодаря этим свойствам прибора его широко применяют не только в радиотехнике, но и в других областях научных исследований.

Несмотря на разнообразие схем электронных осциллографов, они основаны на использовании электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Осциллограф с дисплеем на базе ЭЛТ состоит из электронно-лучевой трубки, блока горизонтальной развертки и входного усилителя (для усиления слабых входных сигналов). Также содержатся вспомогательные блоки: блок управления яркости, блок вертикальной развертки, калибратор длительности, калибратор амплитуды.

Рассмотрим типичную электронно-лучевую трубку с электростатическим управлением. Трубку откачивают до высокого вакуума, чтобы электроны могли двигаться без столкновения с молекулами воздуха (рис. 1).

Накаленный катод является источником электронов. Электроны летят вдоль оси трубки благодаря действию ускоряющего электрода или анода А, потенциал которого поддерживается положительным (несколько сотен или тысяч вольт) по отношению к катоду К.

Анод в простейшем случае представляет собой круглый диск с отверстием, из которого выходит некоторое количество электронов в виде узкого пучка (электронного луча). Пучок, распространяющийся вдоль оси трубки, попадает на флуоресцирующий экран, где часть кинетической энергии электронов превращается в световую энергию, и появляется светящейся пятно.

Катод окружен цилиндрическим электродом G, имеющим отрицательный потенциал по отношению к катоду. Электрод выполняет две функции: собирает электроны вдоль оси трубки и управляет (как и сетка в электронной лампе) количеством электронов, идущих от катода к аноду. В электронно-лучевой трубке количество электронов, зависящее от потенциала управляющего электрода, определяет яркость светящегося пятна на экране трубки. Катод, сетка и анод составляют так называемую "электронную пушку", или "электронный прожектор".

В трубке простого устройства светящееся пятно на экране будет похоже скорее на светящийся диск, чем на точку. Это связано с действием сил взаимного расталкивания электронов в пучке и отклонением их от оси. Поэтому необходимо иметь устройство для превращения расходящегося электронного пучка в сходящийся. По аналогии с оптикой этот процесс называют фокусировкой.

При электростатической фокусировке вводят два или более анода, причем потенциал второго анода более высокий, чем потенциал первого. Электрон, отклонившийся от оси электронной пушки, попадает в поле между двумя анодами, стремясь следовать в направлении линий электрического поля, т. е. он отклоняется внутрь по направлению к оси. Степень сходимости и, следовательно, положение фокуса можно менять изменением потенциала одного из анодов.

Светящееся пятно перемещают по экрану в соответствии с исследуемым напряжением. Электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин, к которым приложено напряжение. Одна пара пластин Х1 и Х2 создает поперечное электрическое поле, вызывающее отклонение луча в горизонтальном направлении. Другая пара пластин Y1 и Y2 создает вертикальное отклонение луча. Чувствительность к отклонению определяется смещением светящегося пятна на экране, вызванным разностью потенциалов между пластинами 1 В. Чувствительность обратно пропорциональна ускоряющему напряжению, поэтому желательно иметь низкое анодное напряжение. Однако существует противоположные требования: яркость пятна увеличивается при возрастании анодного напряжения. Чувствительность типичной осциллографической трубки на среднее напряжение несколько меньше 1 мм/В.