Будова та призначення аналогових осцилографів

2.1 Застосування

Аналогові осцилографи. Прибори цього типу вважаються класичними представниками загального поняття про осцилограф, як контрольно-вимірювальних приладів. В цілому, будь-який аналоговий осцилограф складається з наступних складових: вхідний дільник, підсилювач вертикального відхилення, схема синхронізації і горизонтального відхилення, джерело живлення та електронно-променева трубка. У осцилографах застосовують електронно-променеві трубки з електростатичним відхиленням, на відміну від телевізорів і моніторів, де використовується магнітне відхилення. Електронно-променеві трубки з електростатичним відхиленням, хоча й більш складні у виготовленні, мають значно більший частотний діапазон. В кожний конкретний момент відхилення електронного променя та світлової плями на екрані, що він утворює, пропорційно напрузі, що додається до пластинам вертикального відхилення. Напруга на пластинах горизонтального відхилення змінюється лінійно, забезпечуючи горизонтальну розгорнення. Нижня частота, при якій картинка ще читається, складає в середньому 10 Гц, хоча при застосуванні спеціальних електронно-променевих трубок з великим часом після підсвічення вона може бути значно нижче. Верхня робоча частота визначається в основному характеристиками підсилювача вертикального відхилення і ємністю між відхиляючими пластинами. В останнім часом цифрові осцилографи, які мають великий ряд переваг, витісняють аналогові прилади з світового ринку, але все-таки традиційні аналогові осцилографи реального часу не зникають повністю, в першу чергу з-за низької вартості в порівнянні з цифровими осцилографа. Плюс до цього з розвитком елементної бази аналогові осцилографи придбали ряд важливих додаткових функцій і можливостей, наприклад, надзвичайно що полегшують роботу курсори з цифровим відліком величин (напруги і часу) і дуже зручний цифрове управління. За допомогою вхідного мультиплексора для декількох каналів можна досить просто організувати єдину розгортку на однопроменевій трубці з відображенням декількох сигналов. Цифрові запам'ятовуючі осцилографи в порівнянні з аналоговими попередниками вони мають більш широкі можливості, а завдяки зниженню вартості цифрових схем з кожним роком вони стають більш доступними потенційним покупцям. У загальному вигляді цифровий осцилограф складається з вхідного дільника, і нормалізуючого підсилювача, аналого-цифрового перетворювача, блоку пам'яті, пристрої управління та пристрої відображення. Пристрій відображення зазвичай виконується на основі рідкокристалічною панелі

Використовуються в прикладних, лабораторних і науково-дослідних цілях, для контролю-вивчення електричних сигналів — як безпосередньо, так і одержуваних при впливі різних пристроїв-середовищ на датчики, що перетворюють ці дії в електричний сигнал.

2.2Будова пристрою

Осцилограф з дисплеєм на базі ЕПТ складався з електронно-променевої трубки, блоку горизонтальної розгортки та вхідного підсилювача (для посилення слабких вхідних сигналів). Також містяться допоміжні блоки: блок управління яскравості, блок вертикальної розгортки, калібратор тривалості, калібратор амплітуди

1.1. Екран, ЕПТ

Схема електронно-променевої трубки осцилографа:

1 — катод

2 — анод

3 — вирівнювальний циліндр

4 — екран

5 — регулятор площини

6 – регулятор висоти

В осцилографах застосовують, як правило, електронно-променеві трубки (ЕПТ) з електростатичним керуванням і формуванням променя. ЕПТ являє собою вакуумну скляну оболонку з люмінесцентним екраном (рис.1). Всередині оболонки розташовані: катод з підігрівачем; електроди прискорення та фокусування променя (1-ї—3-ї аноди); модулятор яскравості світлової плями; пара пластин для відхилення променя по вертикалі (вісь У); пара пластин, що відхиляють, промінь по вертикальній координаті (вісь X). Принцип дії ЕПТ заснований на наступному. Електрони, емітовані з катода, прискорюються і формуються у вузький пучок (електронний промінь). Проходячи повз пластин, електронний промінь під впливом прикладеного до них напруги відхиляється по осях X і У. Потрапляючи на люмінесцентний екран, електрони викликають світіння у вигляді яскравої точки. Розміри і конфігурацію пластин вибирають так, щоб зміщення світлової плями було пропорційно значенням відхиляючих напруг, поданих на пластини. При цьому світлове пляма описує траєкторію, звану осциллограммой.

Основні хаактеристики роботи ЕПТ описуються наступними експлуатаційними параметрами:

· чутливість ЕПТ по осях Х і У (һхи hy), яка виражається величиною переміщення світлового плями, викликаного отклоняющим напругою величиною 1;

 

· смугою пропускання ЕПТ — діапазоном частот, в межах якого чутливість по вертикалі становить не менш 0,707 від максимального значення. З-за кінцевого часу прольоту електронів уздовж відхиляючих пластин τпрполоса пропускання обмежена з боку верхніх частот. Для врахування цього ефекту використовують поняття динамічної чутливості, яка пов'язана зі статичною чутливістю, введеної раніше, наступною залежністю:(1).

Осцилограф має екран, на якому відображаються графіки вхідних сигналів (у цифрових осцилографів зображення виводиться на дисплей (монохромний або кольоровий) у вигляді готової картинки, у аналогових осцилографів в якості екрану використовується електронно-променева трубка з електростатичним відхиленням). На екран зазвичай нанесена розмітка у вигляді координатної сітки. Важливим параметром ЕПТ також є, розмір робочої частини екрана, в межах якої спотворення осцилограми мінімальні. Для покращення використання площі екрану сучасні ЕПТ мають прямокутний екран.

Розглянемо деякі шляхи поліпшення параметрів ЕПТ. Шкала екрана ЕПТ наноситься на внутрішню поверхню скла. Це усуває суб'єктивні помилки через паралакс, які виникають при використанні шкали, що накладається на ЕПТ зовні. Для збільшення яскравості зображення використовують металізований екран. Зсередини на нього наносять тонку плівку алюмінію, прозору для електронів, але відбиває світловий потік (спрямований всередину трубки) у бік оператора.

Іншим способом збільшення яскравості, застосовуваним при фотореєстрації швидкоплинних процесів, є застосування скловолоконних екранів. Такі екрани являють собою сукупність коротких відрізків світловодів — скляних ниток з відбиваючою оболонкою. У кожному світловоді випромінювання поширюється від одного торця до іншого з мінімальним боковим розсіюванням, тому практично вся світлова енергія досягає фотоплівки, накладеної, безпосередньо на екран.

2.3Сигнальні входи

Осцилографи поділяються на одноканальні та багатоканальні (2, 4, 6, і т. д. каналів на вході). Багатоканальні осцилографи дозволяють одночасно порівнювати сигнали між собою (форми, амплітуди, частоти та ін)

2.4Управління розгорткою

Є значні відмінності в аналогових і цифрових осцилографах. У цифрових осцилографах,навпаки від аналогових, строго кажучи, не потрібна синхронізація, так як при частоті оновлення 1 секунда і меншому зображення на екрані цілком читається візуально.

 

Режими розгортки:

· автоматичний;

· режим;

· автоколивальний;

· однократний;

Види розгорток та їх застосування. Для відтворення форми досліджуваного сигналу на екрані ЕПТ використовується його розгортка у часі. Розгорткою називають лінію на екрані осцилографа, яку креслить промінь у відсутність сигналу. В осцилографах найчастіше використовують лінійну розгортку. Для деяких вимірювань використовують кругову та еліптичну розгортку.

У випадку лінійної розгортки промінь, рухаючись рівномірно по екрану, прокреслює пряму горизонтальну лінію, як би наносячи на екран вісь абсцис декартової системи координат — вісь часу. Якщо на вертикально відхиляючі пластини подати досліджуваний сигнал, то промінь буде зміщуватися від ліній розгортки причому величина відхилення пропорційна миттєвому значенню сигналу в даний момент часу (в даній точці розгортки).

 

Лінійна розгортка може бути одноразовою, безперервної.

Одноразова розгортка застосовуеться для спостереження одиночних і неперіодичних процесів. Для фіксації зображення застосовують фоторегистрацию або запам’ятовуючю ЕПТ. При одноразовому розгортці на пластини X подають лінійно змінюється (пилкоподібної) імпульс (рис.6) від спеціального генератора, вмонтованого в осцилограф і званого генератором розгортки. Запуск генератора розгортки виробляють кілька раніше моменту появи напруги на пластинах, для чого в осцилографі виробляється невелика затримка вхідного сигналу. Після того як промінь досягне краю екрана (при цьому напруга на пластинах X дорівнює амплітуді розгортки UР), промінь повертається в початкове положення і осцилограф готовий до приходу наступного сигналу.

Непреривна розгортка застосовується для дослідження періодично повторюваних сигналів. Напруга розгортки, при цьому виробляється безперервно і зображення утворюється накладанням осцилограм, отриманих на кожному періоді досліджуваного сигналу або на декількох періодах. Період розгортки слід вибирати так, щоб зображення на екрані було нерухомим. Це можливо при виконанні наступного умови: відношення періоду розгорнення до періоду досліджуваного сигналу Т кратною цілому числу: Тр/Т=п, n=1, 2, 3,....

 

. Якщо кратність не виконується, то зображення сигналу на кожному періоді зміщуються. Це призводить до появи «біжить» зображення; спостерігати сигнал при цьому неможливо. Кратність розгортки періоду повторення сигналу забезпечується пристроєм синхронізації осцилографа.

Чекаюча розгортка застосовується для дослідження неперіодичних сигналів, а також імпульсів малої тривалості з великим періодом повторення, коли безперервна розгортка малопридатна. Це пояснює рис. 8. Як видно, при ТР= Т масштаб зображення не підходить для спостереження форми сигналу. Спроба зменшити період розгортки ТР<Т призводить до спотворення осцилограми (рис. 10, в) — крім сигналу на екрані з'явиться лінія розгортки, прокреслена під час холостих проходів променя. Число цих проходів може бути велике, тому яскравість нульової лінії істотно більше яскравості зображення сигналу. Практично з-за обмеженого динамічного діапазону ЕПТ по яскравості зображення сигналу спостерігатися не може.

Кругова і эллиптична развертки. У цьому випадку лінія розгортки являє собою коло або еліпс, причому її довжина більше, ніж у випадку лінійної розгортки, і відсутній зворотний хід променя. Дані обставини збільшують роздільну здатність осцилографа приблизно в три рази. Для створення кругової розгортки використовується генератор синусоїдальної напруги, сигнал з якого подається на пластини X безпосередньо, а на пластини У — зі зсувом 90°. Рівність амплітуд напруги на пластинах дає кругову розгортку, при нерівності лінія розгортки являє собою еліпс

Якщо запуск розгортки ніяк не пов'язаний з піднаглядним сигналом, зображення на екрані буде виглядати «біжучим» або навіть зовсім розмазаним. Це відбувається тому, що в цьому випадку осцилограф відображає різні ділянки спостережуваного сигналу на одному і тому ж місці. Для одержання стабільного зображення все осцилографи містять систему, звану тригер. Тригер в осцилографі — це пристрій, який затримує запуск розгортки до тих пір, поки не будуть виконані певні умови. Тригер має як мінімум дві установки:

Рівень сигналу: задає вхідна напруга (у вольтах), при досягненні якого запускається розгортка. Тип запуску: по фронту або по спаду. Таким чином, тригер запускає розгортку завжди з одного і того ж місця сигналу, тому зображення сигналу на осцилограмі виглядає стабільним і нерухомим (звичайно, тільки при правильних налаштуваннях тригера).

Основні технічні характеристики осцилографа.

Параметри осцилографа характеризують його технічні і експлуатаційні можливості як вимірювального приладу. Можна виділити три групи параметрів:

· визначальні умови неискаженного відтворення на екрані форми сигналів;

· характеризують точність вимірювання;

· експлуатаційні параметри.

Серед інших параметрів зазначимо нормальний діапазон осцилографа, в межах якої нерівномірність осцилографа не перевищує похибки вимірювання напруги для даного осцилографа. Цей параметр визначає частотні границі вимірювання амплітуд гармонічних сигналів з заданою точністю.

Специфічним видом спотворень є відтворення на екрані осцилографа власних шумів підсилювача. При цьому лініях розгортки виходить розмитим і спостереження сигналу та вимірювання його параметрів утруднено або неможливо. Рівень власних шумів визначає максимальну чутливість осцилографа — параметр, чисельно виражається мінімальним коефіцієнтом відхилення, при якому можливі вимірювання з заданою точністю. Власні шуми проявляються сильніше у широкосмугових каналах, тому високочутливі осцилографи, як правило, вузькосмугові.

3.5Використання

Для роботи з осцилографом попередньо необхідно провести калібрування його каналу (каналів). Калібрування проводиться після прогріву приладу (приблизно 5 хвилин). Калібратор вбудований в більшість осцилографів. Для калібрування високочастотних моделей бажано мати шнур з двома роз'ємами (на вихід калібратора і на вхід осцилографа) інакше можливі спотворення сигналу. Для низькочастотних моделей можливо просто торкнутися щупом виходу калібратора. Далі ручку вольт/справ. ставиться так, щоб сигнал калібратора займав 2-4 поділу на екрані (тобто, якщо калібратор 1 вольт, то на 250 мілівольт). Після цього канал включається на змінну напругу і на екрані з'явиться сигнал. Далі, в залежності від частоти калібратора, ручка розгортки ставиться в положення при якому видно не менше 5-7 періодів сигналу. Для частоти 1 кілогерц частота розгортки при якій кожен період займає одне поділ екрана дорівнює 1 мс (одна мілісекунда). Далі необхідно переконатися, щоб сигнал протягом цих 5-7 періодів потрапляв точно по розподілах екрану. Для аналогових осцилографів нормується як правило ±4 поділки від центру екрану, тобто протягом восьми поділок повинен збігатися точно. Якщо не збігається, слід повертати ручку плавної зміни розгортки домагаючись збігу. Заодно перевіряється амплітуда (розмах) сигналу — вона повинна збігатися з тим, що написано на калибраторе. Якщо не збігається, то необхідно домогтися збігу, повертаючи ручку плавної зміни чутливості вольт/справ. Необхідно пам'ятати, що якщо встановлена чутливість каналу в 250 мілівольт, то сигнал в 1 вольт займає при правильному налаштуванні 4 ділення. Після калібрування прилад буде показувати сигнал точно. Тепер можна не тільки дивитися, але і вимірювати сигнали.

Припустимо, є пристрій на виході якого завідомо відомий сигнал по напрузі. Чутливість вертикального відхилення (Вольт/справ) встановлюється так, щоб відображається на екрані сигнал не виходив за рамки екрану, щуп встановлюється в потрібне місце на платі, після чого на екрані з'явиться досліджуваний сигнал. При необхідності розгортка перемикається в зручну позицію для спостереження. Якщо сигнал перевищує допустиму документацією осцилографа, то необхідно скористатися дільником з коефіцієнтом ділення 1/10 або 1/100 та дотримуватися правил електробезпеки. Можна вимірювати амплітуду та частоту сигналу підраховуючи ділення по вертикалі і горизонталі. Деякі моделі осцилографів оснащені системою яка підсвічує частина променя і вимірює час цього підсвіченого ділянки, це зручно при вимірюванні частоти або періоду — виставляється вручну довжина підсвіченого ділянки, наприклад, на початок і кінець одного або кількох періодів сигналу на цифровому табло зчитується значення в мілісекундах або іншої тимчасової одиниці. Амплітуда сигналу вимірюється аналогічно.