Обобщенная структурная схема и основные параметры электронно-лучевого осциллографа

 

В состав обобщенной структурной схемы осциллографа входят, как видно из рис. 7.1, ЭЛТ со схемой управления лучом, канал вертикального отклонения (канал Y), канал горизонтального от­клонения (канал X), канал управления яркостью (канал Z) и калиб­раторы амплитуды и длительности.

Рис. 7.1. Обобщенная структурная схема осциллографа.

В осциллографах применяют широкополосные ЭЛТ с электро­статическим управлением лучом, рассматриваемые в курсе «Элек­тронные приборы». Они могут иметь один или несколько лучей. В последнем случае осциллограф называется многолучевым, при­чем управление лучами может быть раздельным или совместным. Принцип получения осциллограммы на экране ЭЛТ заключается в подаче на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ (пластины X) развертывающего линейного пилообразного напряжения (напря­жения развертки), а на вертикально отклоняющие пластины (плас­тины Y) — исследуемого сигнала. Под действием напряжения раз­вертки луч на экране ЭЛТ будет перемещаться по горизонтали в одном направлении (слева направо) и с постоянной скоростью, а под действием исследуемого сигнала — отклоняться по вертикали. В результате движения луча на экране ЭЛТ повторит форму иссле­дуемого сигнала, и полученная таким образом осциллограмма изо­бразит в прямоугольных координатах график его функции.

Канал вертикального отклонения предназначен для неискажен­ной передачи исследуемого сигнала от его источника до пластин У ЭЛТ. Передача сигнала, как правило, сопровождается его усиле­нием и требует согласования входа осциллографа с источником ис­следуемого сигнала. Поэтому в состав канала входят ВУ и усили­тель вертикального отклонения (УВО). При исследовании формы сигналов и измерении их амплитудных параметров постоянная составляющая сигнала может учитываться либо исключаться. В связи с этим вход Y может быть как открытым, так и закрытым (по аналогии с вольтметрами). Для расширения функциональных возможностей осциллографа в канал вертикального отклонения может включаться ЭК, с помощью которого на экране однолучевой ЭЛТ могут быть получены осциллограммы двух или более сигналов, поступающих по соответствующим каналам (входы Y 1, Y 2 и т. д.). Такой осциллограф называется многоканальным. Сочетание много­лучевых ЭЛТ с ЭК позволяет относительно несложными схемными решениями существенно расширять функциональные возможности современных осциллографов.

Канал горизонтального отклонения предназначен для создания и подачи на пластины X ЭЛТ напряжения развертки, усиления и преобразования (при необходимости) сигналов синхронизации и запуска развертки, а также для усиления и подачи на пластины X внешнего сигнала со входа X. Как видно из рис. 7.1, перечисленные функции реализуются с помощью генератора развертки (ГР), уси­лителя горизонтального отклонения (УГО) и устройства синхрони­зации и запуска развертки. Эти функциональные узлы будут рас­смотрены при характеристике осциллографов конкретных видов. Здесь отметим лишь общие требования к развертке и синхрониза­ции при получении осциллограмм исследуемых сигналов. В совре­менных осциллографах применяются следующие виды разверток:

автоколебательная — режим работы ГР, когда развертка перио­дически запускается и при отсутствии сигнала запуска;

ждущая — режим работы ГР, когда развертка запускается толь­ко при наличии сигнала запуска;

однократная — режим работы ГР, когда запуск его происходит один раз с последующей блокировкой;

задержанная — режим работы ГР, когда развертка начинается с определенной задержкой после запускающего сигнала;

задерживающая, создаваемая одним ГР и предназначенная для задержки запуска развертки (задержанной развертки), создавае­мой другим ГР;

смешанная, когда сигнал изображается одним и тем же лучом с различными коэффициентами развертки.

 

Как видно из приведенных определений, при любой форме раз­вертывающего напряжения луч на экране ЭЛТ прочерчивает пря­мую горизонтальную линию. Поэтому все перечисленные виды разверток можно квалифициро­вать как разновидности линейной развертки. В осциллографах мо­ гут создаваться и более сложные виды разверток путем подачи раз­вертывающих напряжений одно­временно на пластины X и Y (на­пример, круговая и спиральная развертки).

Автоколебательная развертка применяется при исследовании периодических и импульсных сигналов, если последние имеют малую скважность. Она создается пилообразным напряжением ГР, работающего в автоколе­бательном режиме. В общем случае пилообразное напряже­ние ,как видно из рис. 7.2, характеризуется некоторым начальным уровнем и размахом , а также длитель­ностями прямого хода , обратного хода и блокировки .За время луч на экране ЭЛТ перемещается слева направо с посто­янной скоростью, а за время быстро возвращается в исходное положение. Далее после окончания переходных процессов за время развертка повторяется с периодом . Если с, то за счет инерционной способности человеческого глаза мы видим на экране ЭЛТ непрерывную линию (поэтому иногда такую развертку назы­вают непрерывной). Для получения высококачественной осцилло­граммы необходимо, чтобы . Кроме того, с помощью специальной схемы подсвета луч, как правило, подсвечивается на время и запирается на время .

Наблюдаемая при автоколебательной развертке осциллограмма исследуемого сигнала должна восприниматься как неподвижное изображение. Только тогда можно сделать какое-то заключение о его форме и измерить требуемые параметры. Для этого, как извест­но из теории колебаний, исследуемый сигнал с периодом и напряжение развертки должны быть синхронными, т. е.

(7.1)

где n=1, 2, 3, …(целые числа).

Условие (7.1) называется условием синхронизации и и всегда должно выполняться при работе с осциллографом. Целесообразно выбрать n=2, чтобы хотя бы один период наблюдался полностью (при часть кривой , соответствующая , не воспроизводится). В то же время не рекомендуется выби­рать n>3, так как иначе ухудша­ется детальность осциллограммы. Если условие (7.1) не выполня­ется (п — дробные числа), на эк­ране ЭЛТ наблюдается неустой­чивое, непрерывно «бегущее» изо­бражение .

Как видно из рис. 7.1, синхро­низация обеспечивается с помо­щью специального устройства и может быть внутренней и внеш­ней. При внутренней синхронизации сигнал, управляющий за­пуском ГР, подается из канала вертикального отклонения и явля­ется частью .. Другими словами, внутренняя синхронизация — это синхронизация самим исследу­емым сигналом. При внешней син­хронизации сигнал, управляющий запуском ГР, подается извне на вход X. Этот сигнал в свою оче­редь должен быть синхронным с исследуемым, что накладывает су­щественные ограничения на воз­можности применения внешней синхронизации. Как правило, к ней прибегают тогда, когда имеет недостаточную для устойчи­вой синхронизации амплитуду, а также в ряде специальных случаев (одним из таких случаев является синхронизация от сети).

Автоколебательная развертка имеет два принципиальных недос­татка: не позволяет наблюдать однократные (непериодические) сиг­налы, а при исследовании импульсных сигналов с большой скваж­ностью оказывается практически непригодной. Поясним суть второго недостатка на примере периодической последовательности прямо­угольных импульсов с (рис. 7.3, а). Если принять п=1, то напряжение развертки (рис. 7.3, б) будет иметь скорость, явно недостаточную для получения детального изображения импуль­са. Большая часть вообще не используется, а изображение импульса на экране ЭЛТ имеет вид узкого выброса. Необходимо значительно увеличить скорость развертки, сделав ее период и сравнимым с (рис. 7.3, в). Масштаб осциллограммы будет теперь крупным, однако наблюдение формы импульса и измерение его па­раметров практически невозможны — очень трудно обеспечить син­хронизацию и при , и, кроме того, за время луч многократно прочертит линию развертки, а по вертикали отклонится только один раз (линия развертки будет значительно ярче изобра­жения импульса).

Таким образом, мы приходим к выводу о необходимости приме­нения в рассматриваемых случаях другого вида развертки — ждущей, когда ГР работает в ждущем режиме и запускается только при поступлении . Для этого в осциллографе предусматривается устрой­ство запуска развертки (см. рис. 7.1). Если длительность ждущей развертки сравнима с , то луч детально изображает форму и «ждет» прихода нового сигнала (рис. 7.3, г). Отмеченные недостат­ки автоколебательной развертки с полностью устраняются. Более того, принимаются специальные меры, чтобы фронт наблюдался неискаженным. С этой целью в канал вертикального отклонения включается специальная линия задержки и луч на экране ЭЛТ в течение (рис. 7.3, г) движется горизонтально и только затем отклоняется под воздействием .

Частным случаем ждущей развертки является однократная раз­вертка, применяемая при фотографировании неповторяющихся процессов. В этом режиме ГР подготавливается к разовому запуску с помощью специального устройства и запускается при поступле­нии на вход исследуемого сигнала. После этого ГР становится не­чувствительным к запускающему сигналу и требуется повторная подготовка его к новому запуску.

Остальные виды разверток применяются в практике осциллографических измерений, когда возникает необходимость детально исследовать сигнал, задержанный относительно импульса запуска. Они реализуются с помощью двух ГР, один из которых является устройством переменной задержки для другого. Поясним принцип получения их с помощью рис. 7.4.

Если, например, необходимо получить задержанную развертку, то генератор А запускается сигналом синхронизации, но его пило­образное напряжение подается не на пластины X ЭЛТ, а на компа­ратор. При достижении этим напряжением определенного уровня (соответствующего, например, моменту времени t₂, когда поступает второй импульс) выходной сигнал компаратора запускает генера­тор Б, пилообразное напряжение которого подается на пластины X ЭЛТ и создает задержанную развертку.

Для получения смешанной развертки генераторы А и Б запус­кают так же, но теперь на пластины X подаются оба пилообразных напряжения. Благодаря этому луч на экране ЭЛТ движется в про­межутки времени и со скоростью, определяемой пара­метрами генератора А, а в промежуток времени — со скоро­стью, определяемой параметрами генератора Б. Если пилообразные напряжения подавать на вход УГО поочередно и синхронно сме­щать луч по вертикали, то на экране ЭЛТ будут образованы две ли­нии развертки: задерживающая развертка, создаваемая генерато­ром А и позволяющая наблюдать весь исследуемый сигнал, и за­держанная развертка, создаваемая генератором Б и позволяющая детально исследовать часть сигнала. Так как они имеют разные скорости, этот режим называют еще двухскоростной разверткой, а всю рассмотренную систему — системой двойных разверток.

Помимо каналов вертикального и горизонтального отклонения, большинство типов современных осциллографов имеет дополнительный канал управления яркостью. Выходной сигнал этого ка­нала подается, как правило, на управляющий электрод ЭЛТ и мо­дулирует луч по яркости. Получаемая при этом осциллограмма представляет собой чередование светлых и темных участков, число

Рис. 7.4. Временные диаграммы, поясняющие принцип получения двойных разверток.

 

которых зависит от соотношения частот исследуемого и модули­рующего сигналов. Повышается информативность осциллограммы, что используется при измерениях. При этом расширяются функ­циональные возможности осциллографов.

Калибраторы амплитуды и длительности представляют собой встроенные в осциллограф генераторы сигналов с точно известны­ми параметрами (меры сигналов.). Благодаря этим функциональ­ным узлам осциллограф стал измерительным прибором, обеспечи­вающим возможность измерения амплитудных и временных пара­метров исследуемых сигналов.

Наконец, любой осциллограф имеет схему управления лучом (см. рис. 7.1). Она связана с питающим устройством и содержит органы регулировки напряжений, управляющих яркостью, фокуси­ровкой, астигматизмом и положением пятна на экране ЭЛТ.

Современный осциллограф принято характеризовать системой основных и дополнительных параметров, дифференцируемых в со­ответствии с обобщенной структурной схемой на параметры кана­лов Y, X и Z, параметры, связанные с ЭЛТ, параметры сигналов калибраторов и параметры схемы управления лучом (ГОСТ 22737— 77). Рассмотрим основные параметры каналов Y и X.

 

Основные параметры канала Y

Номенклатура основных параметров канала Y включает основ­ную погрешность измерения напряжения, параметры коэффициента отклонения, параметры переходной характеристики и параметры входа Y.

Основная погрешность измерения напряжения определяет класс точности осциллографа и не должна превышать норм, указанных в табл. 7.1.

Табл. 7.1. Нормы на метрологические характеристики осциллографов

 

Параметр	Норма для осциллографа класса точности

 

Основная погрешность измерения напряжения, %,

не более 3 5 10 12

Основная погрешность коэффициента отклонения, %,

не более 2,5 4 8 10

Неравномерность переходной характеристики, %,

не более 1,5 2 3 5

Основная погрешность измерения временных

интервалов, %, не более 3 5 10 12

Основная погрешность коэффициента развертки, %,

не более 2,5 4 8 10

 

Под коэффициентом отклонения понимается отношение к значению отклонения луча h на экране ЭЛТ, создаваемого :

(7.2)

которое имеет размерность В/см, мВ/см, В/дел и мВ/дел. По опре­делению (2.7),коэффициент отклонения — это постоянная канала Y обратная его чувствительности. Он характеризуется диапазоном калиброванных значений и основной погрешностью. Калиброван­ные значения должны соответствовать ряду

(7.3)

где n = -3, -2, -1, 0, 1 и 2. Основная погрешность нормирует­ся для различных классов точности осциллографов в соответствии с табл. 7.1.

 

Рис. 7.5. График и параметры переходной характе­ристики осциллографа.

В связи с тем что современные осциллографы, как правило, ис­пользуются для исследования импульсных сигналов, их характери­зуют не АЧХ, а переходной характеристикой. Ей соответствует изо­бражение на экране ЭЛТ, получаемое при подаче на вход Y пере­пада напряжения с длительностью фронта 0,3 и менее от времени нарастания характеристики. Как видно из рис. 7.5, параметрами переходной характеристики являются время нарастания , выброс относительно установившегося значения абсолютная и относительная неравномерность, нормируемая в соот­ветствии с табл. 7.1, а также время установления ,в пределах ко­торого неравномерность может превышать заданное значе­ние .

К параметрам входа Y относятся входное сопротивление, вход­ная емкость и КСВ, характеризующий согласование входа осцилло­графа на ВЧ и СВЧ. Требования к входным сопротивлению и емко­сти аналогичны требованиям, предъявляемым к вольтметрам (см. §3.5.3).

Основные параметры канала X

К основным параметрам канала X относятся основная погреш­ность измерения временных интервалов, параметры коэффициента развертки и параметры синхронизации.

Основная погрешность измерения временных интервалов норми­руется в соответствии с табл. 7.1 и также определяет класс точно­сти осциллографа.

Под коэффициентом развертки понимается отношение (см. рис. 7.2) к длине перемещения луча на экране ЭЛТ в тече­ние :

(7.4)

которое имеет размерность время/дел или время/см. Коэффициент развертки характеризуется диапазоном калиброванных значений и основной погрешностью. Калиброванные значения должны соот­ветствовать ряду (7.3), а основная погрешность нормируется табл. 7.1.

К параметрам синхронизации относятся диапазон частот, в ко­тором обеспечивается внутренняя или внешняя синхронизация, предельный уровень синхронизации (минимальное значение напря­жения сигнала синхронизации, необходимое для получения ста­бильного изображения) и нестабильность синхронизации («размыв» изображения в направлении, параллельном развертке).

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Универсальным называется осциллограф, в котором исследуе­мый сигнал подается через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систему ЭЛТ, а горизонтальное откло­нение осуществляется напряжением ГР (ГОСТ 22737—77). Это классический вид электронно-лучевых осциллографов, который до появления осциллографов видов С7, С8, С9 был единственным и, действительно, универсальным. В настоящее время универсальные осциллографы наиболее распространены. В зависимости от приме­няемых схемных решений среди современных типов универсальных осциллографов можно выделить одноканальные, многоканальные, многофункциональные и цифровые. Рассмотрим более подробно эти разновидности.

Рис. 7.6. Структурная схема одноканального универсального осциллографа.

 

ОДНОКАНАЛЬНЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Структурная схема одноканального универсального осциллогра­фа непосредственно вытекает из обобщенной схемы рис. 7.1 и изоб­ражена на рис. 7.6. Рассмотрим специфические особенности этой схемы.