Генератор развертки осциллографа принцип работы. Устройство осциллографа, его настройка и сферы применения

Осциллограф представляет прибор, используемый для исследования временных и амплитудных параметров электрического сигнала, который подается на его вход, или непосредственно на экране, или записываемого на фотоленте. На сегодняшний день это один из самых распространенных типов контрольно-измерительных приборов, который наряду с мультиметрами позволяет производить производственные и научные исследования.

На сегодняшний день промышленность не стоит на месте. Создаются современные приборы, которые позволяют значительно сокращать время исследований и разработок. Они обладают значительным набором измерительных приложений, емкостным сенсорным дисплеем, глубокой памятью и высочайшей скоростью обновления сигналов на экране.

Виды

Всего имеется несколько типов приборов, которые различаются по характеристикам:

• Аналоговые.

• Аналогово-цифровые.

• Цифровые запоминающие.

• Устройства смешанных сигналов.

• Виртуальные устройства.

По количеству лучей осциллограф может быть:

• Однолучевой.
• Двулучевой и так далее.

Число лучей может быть 16 и более (n-лучевой прибор имеет n сигнальных входов, в том числе может отображать на экране одновременно n графиков входных сигналов).

Приборы также классифицируются по принципу действия:

• Электронный: аналоговый и цифровой.
• Электромеханический: электродинамический, выпрямительный, электростатический, термоэлектрический, электромагнитный, магнитоэлектрический.

По развертке их можно поделить:

• Специальный.
• Запоминающий.
• Стробоскопический.
• Скоростной.
• Универсальный.

Имеются также приборы, которые совместимы с иными измерительными устройствами. Это может быть не только автономное устройство, но и приставка, к примеру, компьютер, карта расширения или вовсе подключение к внешнему порту.

Устройство

Конструкция аналоговых устройств базируется на применении систем аналоговой горизонтальной развертки и электронно-лучевых трубок. Одним из главных блоков данных приборов являются генераторы линейно меняющегося напряжения пилообразной формы.

Аналоговый осциллографимеет:

• Отклонение луча на экране определяется напряжение пластин. Трубки выделяются большим диапазоном частоты. Горизонтальная развертка функционирует от напряжения горизонтальных пластин по линейной зависимости. Верхняя граница частоты определяется усилителем и емкостью пластин. Нижний предел соответствует 10 герцам.
• Для визуализации характеристик и формы в аналогово-цифровых приборах исследуемого сигнала используются системы аналоговой горизонтальной развертки, электронно-лучевые трубки, в том числе генераторы линейно изменяющегося напряжения. К тому же в конструкции приборов имеются встроенные запоминающие модули, которые используются для хранения изображения.
• Запоминающие цифровые приборы применяют высокоскоростную оцифровку аналоговых сигналов, обеспечивают их хранение и выводят на жидкокристаллический индикатор, который применяется вместо электронно-лучевой трубки. Цифровой осциллограф имеет преобразователь аналогового сигнала, усилитель, делитель, блок управления, память и блок выведения на ЖК панель.
• Устройства смешанных сигналов быстро оцифровывают аналоговые сигналы, в том числе имеют функцию ввода цифровых последовательностей. Вся необходимая информация сохраняется в запоминающий модуль и выводится на жидкокристаллический монитор при необходимости.

Принцип действия

Аналоговые устройства для создания изображения на экране применяют электронно-лучевую трубку. В ней напряжение, которое подается на оси X и Y, заставляет точку передвигаться по экрану. На горизонтали можно наблюдать зависимость от времени, тогда как по вертикали идет отображение пропорциональное входному сигналу. В целом же сигнал усиливается и направляется на электроды, которые отклоняют по оси Y электронно-лучевой трубки с применением аналоговой технологии.

Цифровойосциллограф работает несколько по-другому:

• Выполняется модификация входящего аналогового сигнала в цифровую форму.
• Затем происходит его сохранение. Скорость сохранения зависит от управляющего устройства. Верхняя граница определяется скоростью преобразователя, при этом у нижней границы нет ограничений.
• Преобразование сигнала в цифровой код позволяет повысить устойчивость отображения, сделать масштаб и растяжку проще, сохранить данные в память.
• Использование дисплея вместо электронной трубки дает возможность отображать любые данные, в том числе выполнять управление прибором. У дорогостоящих приборов установлены цветные экраны, благодаря чему они дают возможность выделять цветом различные места, различать курсоры и сигналы иных каналов.
• Синхронизацию можно наблюдать прямо перед включением развертки. Используемые процессоры обработки сигнала позволяют обрабатывать сигнал при помощи анализа преобразованием Фурье.
• Информация в цифровом виде дает возможность записать экран с итогами измерения в память, в том числе распечатать на принтере. Большинство приборов имеют накопители, чтобы можно было записать изображения в архив и в дальнейшем произвести их обработку.

Применение

Осциллографпредставляет измерительный прибор, при помощи него можно:

• Определить значения напряжения сигнала (амплитуду) и временные параметры.
• Измерив временные характеристики сигнала, удастся определить его частоту.
• Наблюдать сдвиг фаз, происходящий при прохождении разных участков цепи.
• Выяснить переменную (AC) и постоянную (DC), которые составляют сигнал.
• Наблюдать искажение сигнала, который вносит определенный участок цепи.
• Выяснить соотношение сигнал/шум, определить стационарность шума или его изменение по времени.
• Понять процессы, которые происходят в электрической цепи.
• Выяснить частоту колебаний и так далее.

Эти устройства преимущественно применяются в электронике и радиотехнике. Особенно важным элементом прибор используется в электромеханических сферах производства. Данное устройство выступает в качестве фиксирующего прибора, который наглядно отображает все колебания электрического тока, происходящие в определенном электрическом механизме. С помощью прибора можно найти помехи, а также искажения прохождения электрического импульса в самых разных узлах схемы.

Применение в диагностике и ремонте автомобилей

Применяются эти приборы и в других областях. Так они часто используются для определения неисправностей в системе исполнительных механизмов и иной диагностике. При помощи них даже можно диагностировать механические неисправности двигателя.

К примеру, осциллограф способен:

• Выявить неисправный катализатор.
• Определить соответствие установки задающего шкива коленвала по отношению к датчику положения коленчатого вала.
• Выявить сильный подсос воздуха.
• Наблюдать сигналы с датчиков системы, отслеживать их изменение.
• Считывать коды неисправностей, сохраненные системой.
• Указать идентификационные данные системы, ЭБУ.
• Выполнить проверку работу исполнительных механизмов и так далее.

Естественно, что такой прибор должен иметь логический анализатор, специальное программное обеспечение и уметь выполнять дешифровку протоколов.

Как выбрать осциллограф

На рынке представлено множество самых разных моделей. Поэтому перед покупкой следует определиться:

• Следует узнать, где будет применяться прибор?
• Какова амплитуда измеряемых сигналов?
• Сигналы в скольких точках схемы будет нужно измерять одновременно?
• Необходимость измерения одиночных и периодических сигналов?
• Необходимость сигналов в частотной области, функции быстрого преобразования Фурье и так далее?

При выборе следует обратить внимание на следующие параметры:

• Количество каналов. Они будут влиять на число отображаемых независимых сигналов на дисплее. Их одновременное наличие позволит наблюдать за несколькими графиками, проводить их сравнение и анализировать. Для работы с простой техникой хватит 2-4 каналов. Наиболее продвинутыми являются приборы с функцией логического анализатора и 16 каналами.
• Частота дискретизации будет влиять на число выборок сигнала в секунду, то есть на качество разрешения изображения на экране. Большее количество точек сигнала позволит построить более точное изображение. Данный параметр важен при измерении переходных и однократных процессов.
• Тип питания. При работе с прибором на выезде или вдали от сети лучше покупать модель с аккумулятором. В остальных случаях лучше покупать измерительные приборы, работающие от сети.
• Полоса пропускания. Следует учесть, что полоса пропускания должна в 3-5 раз быть выше значения частот исследуемых сигналов. Для простых усилителей звуковой частоты и цифровых схем достаточно параметра в 25 МГц. Для профессиональных исследований и радиочастотных схем будет нужно устройство с полосой пропускания порядка 100-200 МГц.

Сегодня вполне можно купить устройства, выпущенные 30-40 лет назад. Однако такой осциллограф лучше не использовать, ведь:

• Для калибровки необходимо использовать подстроечники, которых полно и сверху и сбоку. Обеспечить точную настройку будет затруднительно.
• Высохшие электролиты.
• Габариты и так далее.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Московский государственный технологический

университет "Станкин"

Егорьевский технологический институт (филиал)

Изучение электронного осциллографа

Методические указания

К выполнению лабораторной работы.

ЕТИ.Ф. 01

Егорьевск 2008

Составитель ст. преподаватель Никифоров В.Ю.

Рецензент к.ф-м.н. Бурмистров А.В.

В методических указаниях рассмотрены: физические процессы в электронно-лучевой трубке, эмиссионные явления и их применения, возникновение электрического тока в вакууме, назначение, устройство и принцип действия электронного осциллографа и методы исследования электрических процессов с помощью осциллографа на примере осциллографа типа ОМЛ – 3М, принцип работы цифрового осциллографа.

Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по специальностям: 151001 «Технология машиностроения», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (машиностроение)», 280202 «Инженерная защита окружающей среды» по дисциплине "Физика" при изучении раздела «Электричество и магнетизм».

Методические указания обсуждены на заседании кафедры естественно-научных дисциплин.

Протокол № от

Заведующий кафедрой А.П. Нилов

Методические указания рассмотрены и одобрены методическим советом института

Протокол № от

Председатель совета А.Д.Семенов

Изучение электронного осциллографа типа ОМЛ –3М

1 Цель работы: Ознакомиться с назначением, устройством и принципом действия электронного осциллографа и методами исследования электрических процессов с помощью осциллографа на примере осциллографа типа ОМЛ – 3М.

2 Оборудование: осциллограф электронно-лучевой ОМЛ – 3М, генераторы сигналов звуковой частоты (2 шт.), вольтметр, соединительные провода.

3.1 Изучить теоретический материал.

3.2 Ознакомиться с назначением и расположения органов управления осциллографа

3.3 Включить осциллограф

3.4 Собрать схему, подключив генераторы звуковой частоты к осциллографу.

3.5 Произвести измерения напряжения, частоты с помощью осциллографа при различных параметрах цепи.

3.6 Сравнить результаты измерений с результатами теоретических расчетов.

3.7 Вычислить погрешности.

3.8. Пронаблюдать и зафиксировать фигуры Лиссажу.

3.9 Сделать вывод.

3.10 Оформить отчет.

Теоретические сведения к работе

Назначение осциллографа

Электронный осциллограф – прибор, предназначенный для наблюдения, исследования и регистрации разнообразных быстропеременных электрических процессов путем их графического воспроизведения на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Например, с помощью осциллографа можно измерить силу тока и напряжение, найти изменение их со временем, определить сдвиг фаз между ними, сравнить частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т.д. Осциллограф характеризуется большим входным сопротивлением, высокой чувствительностью и малой инерционностью.

Электронно-лучевые трубки для осциллографирования, т. е. записи быстропеременных электрических явлений, были впервые задействованы в начале прошлого столетия, и одной из первых таких трубок была разработанная проф. Д. А. Рожанским в 1910-1911 гг.

Осциллограф малогабаритный любительский ОМЛ-ЗМ предназначен для наблюдения и исследования формы электрических сигналов в диапазоне частот от постоянного тока до 5МГц путем визуального наблюдения и исследования их временных и амплитудных значений, для настройки низкочастотной и высокочастотной бытовой радиоаппаратуры конструкторами-любителями.

Условное обозначение1У1 на задней панели свидетельствует о том, что изделие не предназначено для промышленных измерений.

Электронный осциллограф (ЭО) — устройство, с помощью которого наблюдают, исследуют и измеряют амплитуды электрических сигналов и их временные параметры. Такой прибор является наиболее распространенным радиоизмерительным агрегатом, благодаря которому можно увидеть происходящие электрические процессы вне зависимости от момента появления импульса и его продолжительности. По передаваемому на экран изображению возможно с точностью определить амплитудные колебания исследуемого сигнала и их длительность на любом участке сети.

Осциллографы, работающие на основе электронно-лучевой трубки — громоздкие и маломобильные агрегаты. Однако они отличаются высокой точностью измерений. Такие приборы способны быстро обрабатывать входящие сигналы. Они имеют широкий частотный диапазон и отличную чувствительность.

Сфера использования ЭО

Область применения осциллографов обширна. С их помощью исследователь сможет наблюдать формы электрических импульсов, благодаря чему этот прибор стал незаменимым «помощником» в наладочных работах электронной аппаратуры. Возможности ЭО:

• определение напряжения и временных параметров сигнала и его частоты;
• наблюдение формы сигнала;
• отслеживание искажения импульсов на любом участке сети;
• определение сдвига фаз;
• измерение силы тока, сопротивления.

При измерении значений напряжения в электрических цепях осциллограф практически не потребляет энергию и работает в широком диапазоне частот.

Электронный осциллограф используется в исследовательских лабораториях, диагностических автосервисах, в мастерских по ремонту электроники. Благодаря такому прибору можно оперативно определить причину неисправности микросхемы.

Устройство электронных осциллографов

Несмотря на широкий ассортимент радиоизмерительных приборов, схема осциллографа вне зависимости от модели и конструктивных особенностей агрегатов, примерно одна и та же. Наиболее важные составляющие любого ЭО:

• электронно-лучевая трубка (ЭЛТ);
• каналы отклонения (вертикальный и горизонтальный);
• блок управления;
• калибраторы;
• источник питания.

Главная часть ЭО — вакуумная ЭЛТ, которая представляет собой вытянутую емкость из стекла. В ней находятся комплекс электродов (называемый электронной пушкой) и люминофорный экран, благодаря которому в результате попадания электронов, можно наблюдать биолюминесценцию. В вакуумной трубке также находится катод, модулятор, 2 анода и пара отклоняющих пластин. Горизонтальный канал содержит генератор развертки, синхронизирующее устройство и усилитель. В канал вертикального отклонения входит кабель соединения, входной тумблер, а также делители напряжения.

Блок управления предназначается для подсветки прямого хода развертки и необходим для погашения электронного луча в процессе возвратного хода. Калибратор — устройство, выполняющее функцию генератора напряжения. Он предназначен для высокоточного определения частоты и амплитуды импульсных сигналов. Питающий блок обеспечивает электропитание всех узлов и механизмов ЭО. На блок производится подача напряжения 220В, после чего происходит его преобразование и направление на накаливающие нити, генераторные усилители и иные составляющие прибора.

Особенности функционирования электронных осциллографов

Функционирование любых моделей ЭО предполагает превращение исследуемых импульсов в наглядный рисунок, отображаемый на экран вакуумной ЭЛТ. Испускание электронов осуществляется при помощи электронной пушки, которая расположена противоположно концу лучевой трубки. Между системой электродов и экраном расположен модулятор, посредством которого происходит регулировка потока электронов, а также 2 пары пластин, позволяющих производить отклонение электронного луча по горизонтали или вертикали.

Принцип работы ЭЛТ заключается в следующем: на нить накаливания подается переменное, а на модулятор — постоянное напряжение. На отклоняющиеся пластины производится подача постоянного напряжения, за счет чего происходит смещение потока электронов в стороны, и переменного, необходимого для создания линии развертки. На ее длину влияет значение амплитуды пилообразного напряжения. При единовременной подаче напряжения на одну и вторую пару пластин на экране отображается синусоидальная линия развертки исследуемого импульса.

Выбор ЭО в зависимости от назначения

Самыми распространенными моделями электронных осциллографов считаются универсальные устройства. В них подача исследуемого сигнала осуществляется через аттенюаторы и усилители на вертикально отклоняющуюся ЭЛТ. Горизонтальный уклон происходит за счет генератора развертки. Такие приборы позволяют исследовать электрические импульсы в широком диапазоне частот и амплитуд. Благодаря этим моделям осциллографов возможно измерение длительности поступающего сигнала от долей секунд.

Использование стробоскопических электронных осциллографов позволяет проводить исследование форм и измерять амплитудные и временные параметры периодически возникающих сигналов. Такие приборы необходимы, чтобы исследовать переходные процессы в быстродействующей полупроводниковой технике, микромодульных и интегральных устройствах. При помощи этого измерительного прибора можно наблюдать за повторяющимися сигналами с длительностью в доли секунд.

Специальные электронно-лучевые осциллографы предназначены для решения конкретных задач. Чаще всего такие приборы применяют для исследования телевизионных и радиолокационных сигналов. Агрегаты специального назначения содержат в своем устройстве специфические узлы.

Также широко распространены запоминающие осциллографы. Они применяются при необходимости исследования медленных процессов и одиночных импульсов. Такие модели ЭО оснащены специальным устройством с памятью, благодаря которому возможно сохранить полученные данные на определенное время. В случае необходимости сигнал можно воспроизвести для его исследования и последующей обработки.

Для наблюдения за гармоничными или импульсными сигналами, протекающими в режиме реального времени за единицы наносекунд, используют скоростные ЭО. Оперативная обработка импульсов такими устройствами достигается за счет применения ЭЛТ с бегущей волной. У этих приборов нет генерирующего усилителя в вертикальном канале отклонения.

Огромным спросом также пользуются ЭО со сменными блоками. Меняя блок на приборе можно изменять его характеристики и основные рабочие параметры, такие как:

• полоса пропускания;
• коэффициент развертки;
• значение отклонения.

При помощи смены блока возможно изменение функциональных возможностей устройства.

Выбор ЭО в зависимости от числа каналов

Производители радиоизмерительных приборов выпускают осциллографы, которые могут быть одно, двух или многолучевыми, а также двух и многоканальными. Однолучевой ЭО — агрегат, имеющий одно входное устройство. Самыми распространенными считаются двухлучевые и двухканальные приборы. Они предназначены для одновременного наблюдения и исследования на одном экране ЭЛТ двух импульсных сигналов.

Двухлучевые осциллографы удобно использовать при необходимости сопоставления импульсных сигналов на выходе и входе, для наблюдения за разными преобразователями и для решения других задач. Эти электронные устройства имеют 4 рабочих режима:

1. Одноканальный, при активации которого работает только один из двух каналов.
2. Чередования, позволяющего включать по очереди один и второй канал после каждой развертки.
3. Прерывания, позволяющего активировать оба канала. Однако их переключение происходит с неодинаковой частотой.
4. Сложения, благодаря которому оба канала функционируют при одной нагрузке.

Двухканальные и двулучевые устройства имеют свои достоинства и недостатки. Преимущества первых - бюджетная цена и отличные технические характеристики. Достоинства вторых заключаются в возможности исследования двух сигналов как раздельно, так и вместе. Многолучевые электронные приборы произведены по принципу двухлучевых. Сколько лучей имеет осциллограф, столько же у него имеется и сигнальных входов.

Достоинства электронных осциллографов

Электронные осциллографы имеют ряд важных преимуществ:

• оперативное измерение осциллографом амплитуды сигнала;
• высокая устойчивость изображения;
• повышенная чувствительность;
• огромные функциональные возможности практического применения.

Измерения, сделанные ЭО, имеют исключительную наглядность. С их помощью можно рассмотреть любые электрические процессы. По изображению на ЭЛТ возможно произвести измерение и сравнение токов и напряжения вне зависимости от формы, а также произвести оценку их амплитудных значений, фазовых характеристик различной техники. Осциллограф — простой прибор с высокой точностью измерений. Наличие огромного ассортимента таких радиоизмерительных устройств позволит подобрать прибор для конкретных целей.

Особенности подключения ЭО

Подключение радиоизмерительного прибора к источнику исследуемых сигналов необходимо производить при помощи проводов и коаксиального кабеля. Для наблюдения за непрерывными низко и среднечастотными импульсами следует использовать соединительные провода. С целью исследования импульсов и высокочастотных напряжений целесообразно применить кабели высокой частоты. Чтобы ослабить влияние входной цепи, прибор подключают при помощи повторителя. Такое приспособление имеет большое активное сопротивление, небольшую входную емкость, равнозначные амплитудные и частотные параметры, малый коэффициент передачи.

В случаях измерения напряжения с высоковольтным импульсом между выходом источника сигнала и входом в радиоизмерительный прибор необходимо включить делитель напряжения. Для того чтобы избежать искажений при выдаче коротких импульсов, целесообразно применять высокочастотные кабели, имеющие минимальную длину. При необходимости получения осциллограмм с импульсами тока, в исследуемую цепь следует включить дополнительный резистор с малым значением индуктивности.

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 (до 100 МГц), высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение.

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.4.20) подогреваемый катод К , модулятор (сетка) М, фокусирующий анод А 1 ускоряющий анод А 2 , две пары взаимно перпендикулярных откло-няющих пластин ОП х и ОП у (горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины). Внутренняя поверхность дна баллона (экран Э) покрыта люминофором, способным светиться под действием бомбардировки электронами .

Рис. 4.20. Схема управления лучем электронно-лучевой трубки

Совокупность электродов К , M, A 1 , А 2 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.4.20, где ЦУЭЛ — цепи управления электронным лучом.

Интенсивность электронного луча регулируют путем изменения отрицательного относительно катода напряжения на модуляторе , что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Напряжения на первом и втором анодах формируют электронную линзу для фокусировки потока электронов в узкий луч, позволяющий получить на экране трубки светящееся пятно малого размера. Для ускорения электронов до скорости, необходимой для свечения люминофора, служит третий анод А3, на который подается высокое положительное напряжение.

Сформированный электронный луч проходит между парами отклоняющихся пластин ОП х и ОП у и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется, соответственно, по осям координат X и У, вызывая смещение светящегося пятна на экране трубки. На рис.4.20 также показана упрощенная схема управления начальной установки луча по оси Y (по оси X управление аналогичное). Меняя положение подвижного контакта переменного резистора («Смещение Y»), можно изменять напряжение на пластинах Y и тем самым смещать луч по экрану.

Чувствительность электроннолучевой трубки равна

где l t — отклонение луча на экране трубки, вызванное напряжением U t приложенным к отклоняющим пластинам. Обычно S T = 0,5 ÷ 5 мм/В.

Устройство и принцип действия осциллографа.

Упрощенная функциональная схема осциллографа (рис.4.21) включает в себя электронно-лучевую трубку ЭЛТ, входной делитель напряжения ВД, усилитель вертикального отклонения УВО, состоящий из предварительного усилителя ПУ, линии задержки ЛЗ и выходного усилителя ВУ, блок синхронизации БС, генератор развертки ГР, усилитель горизонтального отклонения УГО и калибраторы амплитуды КА и длительности КД.

Рис.4.21. Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа

Исследуемый сигнал подается на вход Y 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 Y.

При подаче переменного напряжения на вход Y 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 ОП х линейно изменяющегося пилообразного напряжения, вырабатываемого генератором развертки ГР .

Принцип развертки изображения иллюстрируется рис.4.22, где даны кривые изменения напряжения и х и u у , подаваемые на пластины ОП х и OП y 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 и х и u Y на экране получается неподвижное изображение одного периода исследуемого сигнала. При увеличении периода пилообразного напряжения и х в п раз на экране появится изображение п периодов исследуемого сигнала.

Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа частота пилообразного напряжения развертки должна быть кратна частоте исследуемого сигнала. Выдержать точно кратность частот напряжений их и uY на практике оказывается достаточно сложно вследствие «ухода» частоты генератора ГР и изменения частоты исследуемого сигнала. Это приводит к неустойчивости изображения сигнала. Для обеспечения устойчивости изображения в осциллографе имеется блок синхронизации БС, который осуществляет изменение частоты генератора ГР (в некоторых пределах) в соответствии с частотой исследуемого процесса.

Для наблюдения непериодических или однократных сигналов используется ждущий режим работы генератора развертки, при котором пилообразный импульс вырабатывается только с приходом исследуемого импульса. Для того, чтобы не потерять изображение на экране начальной части сигнала, в канале вертикального отклонения используется линия задержки ЛЗ. Благодаря ей исследуемый сигнал поступает на пластины вертикального отклонения спустя некоторое время t ЗАД после начала работы генератора развертки.

В осциллографах предусматривается также возможность запуска генератора развертки от внешнего источника сигналов, подключаемого к специальному входу «Вход синхронизации».

Основные характеристики осциллографов.

Коэффициент отклонения К U - отношение напряжения входного сигнала к отклонению луча (в делениях шкалы), вызванному этим напряжением. Типовой диапазон значений 50 мкВ/дел - 10 В/дел.

Коэффициент развертки К t - отношение времени Δt к отклонению луча, вызванному напряжением развертки за это время. Типовой диапазон значений 0,01 мкс/дел - 1 с/дел.

Полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого коэффициент отклонения изменяется не более чем на 3 дБ относительно значения на средней частоте. Современные осциллографы имеют полосу пропускания 100 МГц.

Классы точности осциллографов - 1, 2, 3 или 4 при величине основной погрешности измерения напряжения и временных интервалов, соответственно, не более 3, 5, 10, 12%.

Параметры входов осциллографов определяется активным сопротивлением R ВХ (>1 Мом) и входной емкостью С ВХ (единицы пикофарад)

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.