Принцип работы осциллографа

В осциллографе исследуемый электрический сигнал подается через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систему ЭЛТ, а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляется напряжением горизонтальной развертки.

ЭЛТ представляет собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой размещены электронная пушка, отклоняющие пластины и люминесцентный экран. Электронная пушка состоит из подогреваемого катода К, модулятора (сетки) яркости светового пятна М, электродов фокусировки и ускорения электронного луча — фокусирующего анода А1ускоряющего анода А2 и основного анода А3. Яркость свечения люминофора ЭЛТ регулируется путем изменения отрицательного напряжения на модуляторе М. Напряжение на первом аноде А1 фокусирует электронный поток в узкий луч. Чтобы придать электронам скорость, необходимую для свечения люминофора, на второй анод А2 подается достаточно большое (до 2000 В) положительное напряжение. Для дополнительного ускорения электронов используют основной анод А3, к которому приложено высокое положительное напряжение (до 10… 15 кВ).

Из курса физики вы знакомы с устройством электронной пушки, отметим лишь, что ее назначением является формирование узкого электронного пучка, при попадании которого на люминесцентный экран на экране возникает светящееся пятно.

Упрощенно работу отклоняющих систем ЭЛТ можно пояснить следующим образом. Электронный пучок (луч), проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих Y и горизонтально отклоняющих X. Если к отклоняющим пластинам приложить напряжение, то между ними будет существовать электрическое поле, которое будет вызывать отклонение электронного луча в ту или иную сторону. Когда напряжение приложено к вертикально отклоняющим пластинам, то пятно будет перемещаться по оси Y; если же напряжение приложено к горизонтально отклоняющим пластинам, то световое пятно на экране трубки будет отклоняться вдоль оси X. Если теперь сфокусировать электронный луч так, чтобы световое пятно расположилось в центре экрана ЭЛТ, а затем к пластинам Y приложить исследуемое напряжение, а к пластинам X пилообразное напряжение, то под совместным воздействием двух напряжений луч вычертит на экране трубки осциллограмму, отражающую зависимость входного напряжения от времени.

Канал вертикального отклонения луча служит для передачи на пластины Y ЭЛТ исследуемого сигнала uc(t), подводимого к входу Y. Канал вертикального отклонения луча содержит аттенюатор, линию задержки и усилитель Y. Аттенюатор позволяет ослабить сигнал в определенное число раз, а регулируемая линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала на пластинах Y ЭЛТ относительно начала развертывающего напряжения Ux, что важно для ждущего режима. Усилитель Y обеспечивает амплитуду сигнала на пластинах Y, достаточную для значительного отклонения луча на экране даже малым исследуемым сигналом uс(t).

В свою очередь, усилитель Y канала вертикального отклонения луча содержит входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления Куси парафазный (с противофазными выходными сигналами одинаковой амплитуды) усилитель, обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. В канал вертикального отклонения луча может также входить калибратор амплитуды. Сигнал от калибратора поступает на вход первого усилителя для установки заданного коэффициента усиления Кус1.

Цена деления В/дел масштабной сетки на экране осциллографа без учета аттенюатора определится формулой:

где UK — напряжение на выходе калибратора;

Кус1 — коэффициент усиления усилителя канала, при одном фиксированном положении регулировки;

nк — число делений сетки, занятое изображением калибровочного сигнала на экране ЭЛТ.

Цена деления масштабной сетки с учетом коэффициента деления kд аттенюатора сд=сkд. Если в процессе работы параметр с остается постоянным, то величина сд может быть указана на дискретном переключателе аттенюатора, что и делается на практике.

Основные характеристики канала вертикального отклонения:

• верхняя граничная частота (порядка 100 МГц и более);

• чувствительность Sy = kдКуcSт (Sт— чувствительность трубки); чувствительность составляет около 1 мм/мВ при kд= 1;

• входное сопротивление (1… 3 МОм) и входная емкость канала (1… 5 пФ);

• погрешности измерения напряжения и интервалов времени 5…7 %.

Скакой целью во входной цепи канала вертикального отклонения включают коммутируемый разделительный конденсатор?

— он позволяет при необходимости исключить подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала («закрытый» вход).

^ Канал горизонтального отклонения луча служит для создания горизонтально отклоняющего — развертывающего — напряжения Ux с помощью напряжения генератора развертки или для передачи (через аттенюатор и усилитель) на пластины X исследуемого сигнала, подводимого к входу X.

Схема синхронизации (и запуска развертки) управляет генератором развертки и обеспечивает кратность периодов сигнала и развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом амплитуды и т.д.). Это достигается синхронизацией напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала: Тразв = nТс, где n = 1, 2, 3,4, ….

Развертка — это линия, которую прочерчивает луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала в результате действия только одного развертывающего напряжения.

Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме и запуском — в ждущем. Синхронизация и запуск развертки производятся специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации.

В осциллографе установлены два режима синхронизации: внутренняя и внешняя. При внутренней синхронизации (переключатели П1 и П2 — в положении 1) синхроимпульсы вырабатываются из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней (переключатели П1 и П2 — в положении 2) — сигнал синхронизации подается от внешнего источника на специальный вход X осциллографа. Например, в стандартных генераторах импульсов вырабатываются синхроимпульсы, относительно которых выходной сигнал может быть сдвинут с помощью регулируемой задержки.

Схема синхронизации вырабатывает сигнал синхронизации, поступающий на генератор развертки для получения четкой, неподвижной осциллограммы. Усилитель X канала горизонтального отклонения усиливает пилообразный сигнал Uр генератора развертки и преобразует его в напряжение развертки Ux.

Канал горизонтального отклонения характеризуется чувствительностью и полосой пропускания, показатели которых практически раза в два меньше, чем в канале вертикального отклонения. Основной блок в канале горизонтального отклонения — генератор развертки, работающий в непрерывном или ждущем режиме. К форме пилообразного напряжения генератора предъявляется ряд требований:

• время обратного хода луча должно быть много меньше времени прямого хода, т.е. То6р « Тпр. В противном случае часть изображения сигнала будет отсутствовать;

• напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе луч будет двигаться по экрану с различной скоростью и нарушится равномерность временного масштаба по оси X. Это может привести к искажению сигнала.

Канал управления яркостью (канал модуляции электронного луча по яркости) осциллографа предназначен для подсветки прямого хода луча. Подсветка осуществляется путем передачи с входа Z на управляющий электрод (модулятор М) ЭЛТ сигнала, модулирующего поток ее луча и, следовательно, яркость свечения люминофора. Постоянное напряжение на модуляторе ЭЛТ выбирают на уровне запирания трубки. В схему этого канала входят: аттенюатор, схема изменения полярности и усилитель Z. Для формирования требуемого уровня напряжения, поступающего на модулятор, служит усилитель Z. Усилитель может иметь дополнительный вход. Это дает возможность модуляции изображения по яркости внешним сигналом. Канал Z используется и для создания яркостной отметки в осциллографах с двойной разверткой, а также яркостных меток для измерения частоты и фазы.

Калибратор — генератор напряжений, формирующий периодический импульсный сигнал с известными амплитудой, длительностью и частотой для калибровки осциллографа, т. е. для обеспечения правильных измерений параметров исследуемого сигнала.

Для калибровки оси Y используют постоянные напряжения обеих полярностей (иногда плавно регулируемые) и напряжения в виде меандра. Масштаб по оси X обычно устанавливают по синусоидальному напряжению, стабилизированному по частоте кварцем.

Виды разверток в универсальном осциллографе

Одним из основных блоков осциллографа является ЭЛТ, выходные элементы которой — две пары пластин, с помощью генераторов развертки отклоняющие луч горизонтально и вертикально. Если развертывающее напряжение приложено к одной паре отклоняющих пластин (обычно к пластинам X), то развертку называют по форме развертывающего напряжения (например, линейной или синусоидальной). Если развертывающие напряжения приложены к отклоняющим пластинам X и Y трубки одновременно, то название развертке дается по ее форме (например, круговая или эллиптическая).

Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая пилообразным напряжением Up генератора развертки. В случае линейной развертки луч, двигаясь равномерно по экрану, прочерчивает прямую горизонтальную линию, как бы нанося на экран ось абсцисс декартовой системы координат — ось времени. В зависимости от режима работы генератора развертки такую развертку подразделяют на несколько видов. Рассмотрим некоторые из них.

Автоколебательная развертка — это развертка, при которой генератор развертки периодически запускается (автоматически) и при отсутствии сигнала запуска на его входе.

Ждущая развертка — развертка, при которой генератор развертки запускается только с помощью сигнала запуска.

Однократная развертка — развертка, с помощью которой генератор развертки запускается один раз с последующей блокировкой. Однократная развертка применяется для наблюдения одиночных и непериодических процессов, а также при фотографировании с экрана осциллографа неповторяющихся сигналов.

При подаче на горизонтально отклоняющие пластины напряжения uх = uр пилообразной формы, электронный сфокусированный луч под воздействием этого напряжения перемещается слева направо на интервале Тпр (точки 0-1-2 — длительность прямого хода луча) и справа налево на интервале То6р (точки 2-3 — длительность обратного хода луча). Причем скорость движения луча в обратном направлении много больше (обычно луч при этом гасится), чем в прямом.

С помощью напряжения развертки, подаваемого на горизонтальные пластины ЭЛТ (пластины X) осциллографа, на его экране можно наблюдать исследуемый сигнал, поступающий на пластины У и изменяющийся во времени (развернутый во времени).

Автоколебательная (непрерывная) развертка применяется для исследования периодических сигналов, а также импульсных с небольшой скважностью q = Tс/? Она включается при внутренней синхронизации.

Н а рисунке представлены исследуемые импульсы uс длительностью ? каждый, развертывающее синхронное напряжение uх и наблюдаемая осциллограмма (в рамке). Период повторения импульсов и период развертывающего напряжения: Тс = Тр.

С помощью автоколебательной развертки почти невозможно наблюдать непериодические сигналы и она фактически бесполезна при наблюдении периодических коротких импульсных сигналов с большой скважностью q (это связано с тем, что передний и задний фронты импульса почти сливаются). В этих случаях используют ждущую развертку.

Х арактерный пример использования ждущей развертки в осциллографе показан на следующем рисунке. Генератор развертки запускается только при поступлении импульсов uс. Если длительность развертки, равная t2 – t1 сопоставима с длительностью исследуемого импульса, то его изображение на экране достаточно детально.

В осциллографе в силу инерционности генератора начало ждущей развертки может быть несколько задержано относительно фронта

импульса uс. Поэтому, если фронт импульса очень короткий, то он может не отобразиться на осциллограмме. Для наблюдения короткого фронта сигнал uс задерживают на ?3 во времени в канале Y с помощью линии задержки (штриховые импульсы uс на рис.). Наблюдаемая осциллограмма дана вместе с не задержанным импульсом штриховой линией (справа).

Для решения ряда измерительных задач, например измерения частоты или разности фаз, вместо пилообразного напряжения развертки (линейной развертки) используют синусоидальную развертку. Для получения синусоидальной развертки на пластины X подают напряжение, изменяющееся по гармоническому закону . При этом генератор линейной развертки осциллографа отключается. Положительный полупериод напряжения синусоидальной развертки вызывает перемещение луча от центра экрана до его правой границы и обратно; отрицательный полупериод — от центра экрана до его левой границы и обратно к центру. Скорость перемещения луча изменяется по синусоидальному закону, хотя линия развертки представляет собой горизонтальную линию.

Для получения круговой развертки на пластины Y подается синусоидальный сигнал , а на пластины X— аналогичный по форме и амплитуде сигнал, но задержанный на четверть периода (по фазе на ? = 90°), т.е. . Осциллограмма круговой развертки показана на рисунке.

Под действием напряжений разверток uу и ux луч прочерчивает на экране окружность за период Т. Положение луча на экране в момент времени t = 0 отмечено точкой 0, в момент t1 — точкой 1 и т. д. Если амплитуды сигналов uу и uх не равны, то круг искажается и на экране наблюдается эллипс, т.е. возникает эллиптическая развертка. Например, при uуuх большая ось эллипса расположена по горизонтали, а малая по вертикали. При фазовых сдвигах, не равных 90°, также получается эллипс с наклонными осями, вырождающимися в прямую при нулевом фазовом сдвиге.

В современных осциллографах широко распространены генераторы двойной развертки (задерживающей и задержанной). Применение двойной развертки существенно увеличивает функциональные возможности осциллографа. В частности, это позволяет рассматривать отдельные участки сигнала в удобном масштабе, что повышает точность измерения.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)

Способ получения сфокусированного луча и принцип управления лучом можно пояснить с помощью схемы, представленной на рисунке. Как уже отмечалось, в ЭЛТ совокупность электродов К, М, А1, А2 А3 называется электронной пушкой, которая излучает узкий пучок электронов. Для этого на электроды подаются напряжения, примерные величины которых даны на рисунке.

Основные характеристики ЭЛТ —чувствительность, полоса пропускания, длительность послесвечения, площадь экрана.

Чувствительность трубки ST = LT/UT, где LT — отклонение луча на экране трубки под воздействием напряжения UT, приложенного к паре отклоняющих пластин Обычно SТ порядка 1 мм/B.

С увеличением частоты исследуемого сигнала чувствительность трубки падает. Верхняя граница полосы пропускания ЭЛТ устанавливается на уровне, где чувствительность составляет примерно 0,7 от номинального значения. Для универсальных осциллографов широкого использования эта частота достигает 200 МГц. В современных осциллографах часто применяются многолучевые трубки, что достигается увеличением количества электродов. Более экономичным оказывается использование однолучевого осциллографа в режиме поочередной подачи двух сигналов на отклоняющие пластины (двухканальные осциллографы). За счет эффекта послесвечения трубки и свойств глаза на экране наблюдается одновременное изображение двух сигналов, хотя они подаются поочередно.

Один из важных параметров ЭЛТ — площадь рабочей части экрана, в пределах которой искажения осциллограммы минимальны. Для повышения эффективности использования площади экрана современные ЭЛТ имеют экран прямоугольной формы.

К световым параметрам ЭЛТ относятся:

• диаметр светового пятна, который при оптимальной яркости определяет разрешающую способность ЭЛТ;

• максимальная яркость свечения экрана — зависит от плотности электронного луча и регулируется изменением отрицательного напряжения на модуляторе;

• цвет свечения экрана — чаще всего используют зеленый и желтый цвета, обеспечивающие наименьшую утомляемость глаз; для фотографирования с экрана применяют ЭЛТ с голубым свечением, к которому более чувствительны фотоматериалы;

• время послесвечения — для улучшения визуального восприятия осциллограммы время свечения экрана должно превышать время воздействия на него электронов.

Если требуется наблюдать процессы с частотой менее 10 Гц, используют экраны с послесвечением средней продолжительности до 100 мс. Для фоторегистрации более предпочтителен люминофор с малым (0,01 с) послесвечением. При исследовании медленно меняющихся процессов применяют экраны, имеющие послесвечение более 0,1 с.

Напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе появятся искажения исследуемого сигнала. Нелинейность рабочего участка развертки прямого хода луча характеризуется коэффициентом нелинейности:

физический смысл которого поясняется рисунком ниже. Коэффициент нелинейности выражает относительное изменение скорости нарастания напряжения в начале и конце рабочего хода развертки. Коэффициент нелинейности рабочего участка развертки не должен превышать 1 %.

П еречисленным требованиям отвечал бы идеальный генератор развертки, упрощенная структурная схема которого

Бесконечно большая емкость С заряжается током iзар от источника тока I в течение достаточно большого интервала времени Тпр, а затем в течение очень малого времени при замкнутом ключе происходит ее разряд током iраз. Время замыкания ключа соответствует времени обратного хода. Тогда напряжение развертки для рабочего участка запишется так:

т .е. имеет место линейная зависимость.

Однако реальная схема генератора отличается (справа). Для этой схемы изменение напряжения на конденсаторе в течение рабочего времени определяется формулой:

где ? = RC — постоянная времени.

Разложив функцию в ряд Тейлора

получим:

Если ограничиться двумя членами разложения то нетрудно заметить, что в основном нелинейность напряжения генератора определяется составляющей

Следовательно, необходимо, чтобы значение , что возможно при ? » Тпр. Этот случай соответствует работе на начальном участке экспоненты, т.е. на линейной части развертки. Это значит, что режим источника напряжения Е должен приближаться к режиму генератора тока.

П рактически линейную развертку на экране ЭЛТ при ограниченном уровне питающего напряжения Е можно создать в схемах интеграторов на ОУ .Поскольку в схеме в силу идеальности ОУ ток i0 = 0, находим, что

Приравняв токи и полагая RC = ?а, после несложных преобразований, получим:

т.е., данное устройство на ОУ будет осуществлять линейное интегрирование напряжения развертки.

Двухканальные и двулучевые осциллографы

Двухканальные осциллографы имеют два идентичных канала вертикального отклонения (вход первого — Y1, второго — Y2) и электронный переключатель, который может поочередно подавать выходные сигналы каналов на одни и те же пластины Y. В зависимости от управления работой электронного переключателя можно реализовать следующие основные режимы работы осциллографа: одноканальный (на экране виден один сигнал, подаваемый на И или Y1); поочередный (на экране видны оба сигнала за счет переключения электронного переключателя во время каждого обратного хода развертки). На основе двухканального принципа строят многоканальные осциллографы с числом каналов до восьми.

Двулучевые осциллографы имеют два канала У и специальную двулучевую ЭЛТ, в которой есть две независимые электронные пушки и пара систем отклоняющих пластин. Горизонтальная развертка лучей общая — запускается от генератора развертки, а вертикальная — каждая от «своего» канала У, что позволяет наблюдать на экране осциллограммы двух сигналов (без их периодического прерывания, как в двухканальных). Такие осциллографы намного сложнее схемотехнически и дороже двуканальных.

Автоматизация процесса измерений в универсальных осциллографах

Автоматизация процесса измерений дает значительный выигрыш во времени и в ряде случаев существенно повышает точность измерений. Рассмотрим возможные пути автоматизации регулировок и отсчета показаний при проведении осциллографических измерений.

Автоматическая установка масштабов по осям Y и X.

Действие автоматической установки масштабов заключается в том, что при изменении амплитуды и длительности входного сигнала в интервале динамического диапазона осциллографа размеры изображения остаются постоянными или меняются в заданных пределах. При этом производится цифровая индикация коэффициентов отклонения и развертки либо на специальном индикаторе, либо непосредственно на экране ЭЛТ.

Автоматизация регулировки яркости изображения. Регулировка яркости изображения — одна из необходимых операций при осциллографировании. Она занимает много времени, так как яркость зависит от скорости перемещения луча по экрану, связанной с видом сигнала и величиной установленного масштаба. Кроме того, яркость изображения не остается постоянной в пределах экрана, так как изображение сигнала содержит участки, проходимые лучом с разной скоростью. Для получения одинаковой яркости изображения на экране используется принцип автоматической модуляции луча ЭЛТ. Уровень общей яркости изображения устанавливается для наиболее благоприятных условий наблюдения. Отметим, что выравнивание изображения по яркости увеличивает точность измерения, особенно в случаях, когда сигнал имеет участки с резко отличающейся скоростью изменения напряжения (например, импульс с крутыми фронтами). Так как фокусировка луча зависит от яркости, в современных осциллографах применяют систему автофокусировки. При этом напряжение на фокусирующих электродах ЭЛТ автоматически меняется при вариации яркости луча.

Перевод аналогового входного сигнала в цифровую форму позволяет автоматизировать не только процесс регулировки, но и процесс измерения и обработки сигнала.

Наиболее просто цифровая обработка сигнала реализуется в стробоскопических осциллографах, так как дискретизация сигнала во времени лежит в основе принципа действия стробоскопического преобразователя. В цифровом устройстве проводится дискретизация сигнала только по уровню, результаты преобразования обрабатываются встроенным микропроцессором или внешним компьютером.

Запоминающие осциллографы

При исследовании одиночных сигналов и периодических сигналов с большой скважностью используют запоминающие осциллографы, основой которых являются запоминающие трубки.

З апоминающие электронно-лучевые трубки содержат те же элементы, что и ЭЛТ универсального осциллографа, а также дополнительно оснащаются узлом памяти и системой воспроизведения изображения. Узел памяти состоит из двух плоских сеточных электродов, расположенных параллельно экрану. Непосредственно у экрана находится мишень, покрытая слоем диэлектрика. Поверх мишени размещен другой электрод в виде сетки с более крупной структурой — коллектор.

Изображение записывается электронным лучом высокой энергии (записывающий луч). Электроны луча оседают на мишени, причем количество заряда пропорционально току луча. При перемещении луча на мишени создается потенциальный рельеф, повторяющий форму осциллограммы. После прекращения действия сигнала потенциальный рельеф мишени сохраняется длительное время. Наблюдать записанное изображение позволяет воспроизводящая система, состоящая из подогреваемого катода К’, анода А’2 и модулятора М’. Катод трубки создает поток электронов малой энергии, плотность которого регулируется модулятором М’. В результате формируется широкий расфокусированный пучок электронов, равномерно облучающий мишень. Потенциал мишени подобран таким образом, чтобы при отсутствии записанного изображения медленные электроны воспроизводящего пучка не могли через нее пройти. При наличии потенциального рельефа в этих точках мишени часть электронов проходит к экрану, вызывая его свечение. На экране появляется осциллограмма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Стирается запись путем подачи на коллектор отрицательного импульса, выравнивающего потенциал мишени.

У запоминающей трубки можно выделить три характерных режима работы:

• наблюдение сигнала без записи изображения — на коллекторе небольшое положительное напряжение Uкол = + 50 В, на мишени нулевой потенциал Uмиш= 0, мишень прозрачна для быстролетящих электронов;

• режим записи — Uкол = + 50 В, на мишень подается положительный потенциал Uмиш = 30 В, и мишень становится менее прозрачна, в результате быстро летящие электроны выбивают вторичные электроны и создают на мишени положительный потенциальный рельеф, который может оставаться длительное время;

• режим воспроизведения — потенциал мишени снова становится нулевым Uмиш = 0, кроме тех мест, где записан рельеф; мишень облучается широким потоком медленно летящих электронов с воспроизводящей системы, для этого потока мишень прозрачна только в местах рельефа, где записан сигнал.

Запоминающие ЭЛТ характеризуют следующие параметры:

• яркость свечения экрана в режиме воспроизведения — она регулируется напряжением модулятора системы воспроизведения и может быть высока, так как воспроизведение производится непрерывно;

• время воспроизведения изображения — это время в основном ограничивается устойчивостью потенциального рельефа к ионной бомбардировке; в современных ЭЛТ время воспроизведения может достигать десятков минут;

• время сохранения записи — оно определяется при снятом напряжении с ЭЛТ;

• скорость записи — характеризует быстродействие ЭЛТ в режиме запоминания; определяется временем, необходимым для создания потенциального рельефа достаточной величины.

Современные запоминающие ЭЛТ имеют скорость записи сигналов от 2,5 до 4000 км/с.;

Статьи к прочтению:

Как устроен осциллограф. Как пользоваться осциллографом.

Похожие статьи: