Универсальные осциллографы

Электронный осциллограф

 

Электронный осциллограф предназначен для визуального наблюдения формы электрического сигнала и измерения его характеристик, таких как частота, период и длительность импульсов, фаза, величина напряжения. Они могут использоваться для фотографирования формы сигналов. Условно осциллографы могут быть разделены на ряд классов:

1) Универсальные осциллографы (С1).

Они позволяют исследовать сигналы в диапазоне частот от постоянного тока до 350МГц при длительности временных интервалов от долей мксек до сотен мсек и величинами входных напряжений от единиц мкВ до 50 В

2) Скоростные. Предназначены для наблюдения однократных импульсов или сигналов с частотами до единиц Г (С7).

3) Стробоскопические. Позволяют исследовать сигналы от постоянного тока до нескольких ГГц с амплитудой от нескольких мВ до нескольких В (С7).

4) Запоминающие. В них используются электроннолучевые трубки с послесвечением. Такие осциллографы позволяют наблюдать однократные и редко повторяющиеся сигналы (С8).

Различают также однолучевые, 2-х лучевые и многолучевые осциллографы. Два последних типа позволяют одновременно наблюдать два и более электрических процесса.

 

 

Функциональная схема осциллографа включает электронно-лучевую трубку, блок вертикального отклонения (у - канал), блок синхронизации, блок горизонтального отклонения (х - канал), блок управления яркостью луча. Одним из основных узлов осциллографа является электронно-лучевая трубка.

Электроннолучевая трубка предназначена для воспроизведения электрического сигнала на экране осциллографа.

Электроннолучевая трубка состоит из:

1 - катод;

2 - модулятор;

3 - фокусирующая система;

4 - вертикальные отклоняющие пластины;

5 - горизонтальные отклоняющие пластины

Важнейшей характеристикой электроннолучевой трубки является её чувствительность, которая показывает величину отклонения луча на 1 В напряжения и имеет размерность мм/В. Современные электроннолучевые трубки имеют чувствительность 0,1 - 1,5 ^мм)/В. Это недостаточная чувствительность для отклонения луча сигналом, поэтому осциллографы обязательно включают, усилители напряжения.

Входной усилитель должен обладать большим входным сопротивлением, малой входной ёмкостью, широкой полосой усиливаемого сигнала, он включает в себя входную цепь, катодный повторитель, имеющий высокое входное сопротивление и широкополосный усилитель. Полосой частот усилителя называется область частоты, в которой коэффициент усиления падает не ниже 30%, т е. в раз (на 3 дБ). Входная цепь осциллографа представляет собой частотно независимый резистивно-емкостной делитель.

Если подобрать сопротивления и конденсаторы таким образом, чтобы постоянные времени этих цепей были равны, т.е. R₁C₁ = R₂C₂, то коэффициент деления определяется выражением:

.

 

Видно, что он не зависит от частоты и на низкой частоте делитель работает как резистивный, а на высокой как ёмкостной.

Входное сопротивление канала вертикального отклонения равно сумме R₁+R₂ и составляет 1-2Мом, входная ёмкость и составляет 30-40 пф. Требуемая чувствительность осциллографа обеспечивается необходимым коэффициентом усиления усилителя и чувствительностью трубки.

Чтобы осциллограф позволял без искажений воспроизводить короткие импульсы, он должен иметь достаточно широкую частотную полосу и линейную фазочастотную характеристику. Это следует из того, что последовательность импульсов можно представить совокупностью гармонических колебаний, верхняя граничная частота которых определяется выражением

.

Нижнюю граничную частоту определяет наименьшая частота повторения. Иногда требуется измерить постоянное напряжение. В этом случае У -канал работает в режиме открытого входа, т.е. работает усилитель с гальванической связью. В тех случаях, когда постоянная составляющая отсутствует, для уменьшения помех ставят разделительные конденсаторы.

X - канал включает в себя задающий генератор развёртки и уси­литель развёртки. Генератор вырабатывает пилообразное напряжение, которое через усилитель поступает на горизонтальные отклоняющие пластины.

t_р - время развёртки;

t_пр-время прямого хода луча;

t_обр - время обратного хода луча.

Чтобы на экране осциллографа наблюдалось устойчивое изображение, время развертки должно быть равно или кратно периоду исследуемого сигнала.

t_р=nT.

На время обратного хода луча он в осциллографе гасится. Добиться равенства или кратности частот генератора развёртки и исследуемого сигнала настройкой невозможно, поэтому используется режим синхронизации, при котором сам исследуемый сигнал или импульсы с той же частотой, полученные из него на дифференцирующих цепочках и ограничителях, подаются на генератор развёртки и навязывают ему свою или кратную частоту. Для наблюдения на экране осциллографа сигнала с большой скважностью или передних фронтов импульсов применяется режим ждущей развёртки. Изображение импульса большой скважности на экране осциллографа имеет вид.

В ждущем режиме запуск генератора развёртки осуществляется самим приходящим импульсом. Генератор развёртки формирует пилообразный сигнал нужной длительности, а затем ждёт прихода следующего импульса. При этом меняя длительность пилообразного импульса, удается, как угодно сильно растянуть изображение на экране осциллографа. Такой режим позволяет лучше исследовать форму самого импульса и его фронтов.

Для двух указанных видов развёртки различают синхронизацию внутренний и внешнюю. Внутренняя синхронизация осуществляется сигналом, вырабатываемым внутри осциллографа из исследуемого сигнала. При внешней синхронизации синхронизирующий сигнал на вход задающего генератора поступает от внешнего источника.

При работе в режиме ждущей развёртки могла бы наблюдаться потеря информации в том случае, если бы запускающий импульс несколько запаздывал по отношению к исследуемому сигналу. Чтобы этого избежать, сигнал на вход У -усилителя подаётся через линию задержки, нагруженную на конце согласованным сопротивлением.

Блок управления яркостью луча служит для подсветки прямого хода и гашения обратного хода, нанесение меток времени (в некоторых осциллографах).

Калибратор амплитуды служит для калибровки осциллографа методом замещения. Образцовое напряжение снимается с образцового источника внутри осциллографа. Это напряжение регулируется потенциометром и контролируется прибором, расположенным на передней панели осциллографа. Вместо контрольного прибора в некоторых моделях осциллографов используются градуированные потенциометры.

Генератор меток времени служит для калибровки масштаба Х -канала при измерении временных интервалов. Генератор эталонной частоты управляет модулятором, который изменяет соответственно яркость луча. В результате на экране осциллографа появляется не сплошное, а прерывистое изображение. Зная период эталонного генератора не сложно определить длительность импульса. Однако, этот метод имеет тот недостаток, что при измерении искажается форма исследуемого сигнала. В связи с этим в современных осциллографах применяются калиброванные развёртки. Длительность сигнала определяется умножением коэффициента отклонения (цены деления на экране осциллографа) на размер сигнала в делениях. Такой метод применяется в осциллографах С1-72, С1-74 и др.