9.5. Универсальные осциллографы со сменными блоками
Универсальные осциллографы со сменными блоками являются многофункциональными приборами, содержащими ряд сменных блоков в каналах вертикального и горизонтального отклонений, предназначены для исследования периодических и однократных импульсных сигналов от 10 мкВ до 500 В в полосе частот от постоянного тока до единиц ГГц путем визуального наблюдения и фотографирования. В состав универсального осциллографа входят дифференциальный, двухканальный, высокочувствительный, стробоскопический и логарифмический усилители и блок сдвоенной развертки.
Характеристики осциллографа находятся в зависимости от применяемых сменных блоков. Исследуемый сигнал подается в канал вертикального отклонения (см. рис. 9.1) на входную цепь, затем он поступает на предварительный усилитель для усиления и преобразования фазы. В зависимости от типа сменного блока в состав предварительного усилителя могут входить: коммутатор (двухканальный блок), смеситель-модулятор (стробоскопический блок), логарифмирующее устройство (логарифмический блок) или другое функциональное устройство, выполняющее основную функцию предварительного усиления и обработки сигнала.
Далее сигнал, преобразованный в парафазный, поступает на линию задержки для компенсации времени срабатывания (запаздывания) канала горизонтального отклонения. Линия задержки выполняет свои функции.при работе с блоками, работающими в реальном масштабе времени. С линии задержки сигнал поступает на оконечный усилитель, возбуждающий сигнальные пластины ЭЛТ.
В режиме внутренней синхронизации из канала ВО снимается часть исследуемого сигнала, поступающая в схему синхронизации, а затем в схему запуска. Запускающий сигнал подается на ГР, формирующий пилообразное линейное напряжение или ступенчатое (стробоскопический блок) напряжение для отклонения луча ЭЛТ пропорционально времени. Генератор развертки содержит устройства регулировки режимов и длительности.
Выходные сигналы ГР (пилообразное напряжение и импульс подсвета) поступают на оконечный усилитель развертки и модулятор ЭЛТ для отпирания электронного луча во время прямого хода. Усилитель развертки преобразует фазу, усиливает пилообразное напряжение до значения, необходимого для получения требуемого временного масштаба изображения на экране.
Для повышения точности измерений в состав осциллографа входят калибраторы амплитуды и времени, предназначенные для калибровки коэффициентов отклонения канала вертикального отклонения и коэффициентов (длительности) развертки канала горизонтального отклонения. Калибратор вырабатывает регулируемые по значению постоянное положительное и отрицательное напряжения; напряжение типа «меандр» и синусоидальное напряжение с частотой 1 МГц. Амплитудные и временные параметры можно измерить разными методами.
Наличие в осциллографе калибратора с плавной регулировкой выходного напряжения позволяет реализовать три метода измерений амплитудных параметров исследуемого сигнала: 1) калиброванной шкалы; 2) замещения; 3) противопоставления. Два последних метода не реализуются со стробоскопическими блоками.
Наличие сменного блока с двумя развертками и входа Z позволяет реализовать три метода измерения временных параметров исследуемого сигнала: 1) калиброванной шкалы; 2) измерения с помощью калибрационных меток; 3) измерения с помощью задержанной развертки.
Измерение амплитуды методом калиброванной шкалы. Метод основан на измерении линейных размеров изображения непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Измеряемую амплитуду напряжения Umax подсчитывают по формуле Umax = Koh.
Метод измерения по калиброванной шкале является основным и был рассмотрен выше.
Измерение амплитуды методом замещения. Данный метод основан на замещении значения измеряемой части сигнала калибрационным напряжением. Отсчет измеряемого значения напряжения производится по показаниям шкалы регулировок калибрационного напряжения. Измерение методом замещения более трудоемко, но обеспечивает большую точность по сравнению с методом измерения по калиброванной шкале. Рекомендуется метод для измерения малых значений изображений сигнала (1—2 деления).
Измерение амплитуды методом противопоставления. В дифференциальном усилителе исследуемый сигнал компенсируется опорным (калибрационным) напряжением. ЭЛТ является нуль-индикатором, по которому устанавливается порог совмещения (компенсации сигнала). Метод обеспечивает высокую точность.
Измерение временных интервалов методом калиброванной шкалы. Измеряемый временной интервал
tx = lKpMp. (9.12)
Измерение временных интервалов с помощью калибрационных меток. Метод основан на создании на линии развертки яркостных отметок от внешнего генератора точной частоты и подсчете их числа на измеряемом интервале. Калибрационные метки, синхронные с периодом повторения исследуемого сигнала, подаются на вход Z или непосредственно на модулятор ЭЛТ.
Измерение временных интервалов с помощью задержанной развертки. Метод основан на смещении изображения вдоль линии развертки относительно выбранной неподвижной точки (линии) шкалы. Отсчет производится по показаниям коэффициента задерживающей развертки и регулировки «задержка». Этот метод позволяет существенно повысить точность измерения временных интервалов длительностью более 1 мкс. Погрешность измерения 1,5—2 %.
Усилитель дифференциальный. Усилитель дифференциальный (УД) предназначен для предварительного усиления исследуемых сигналов. На два входа УД поступают сигналы с различной амплитудой, а на выходе получают один сигнал, пропорциональный разности этих амплитуд.
Усилитель дифференциальный значительно расширяет возможности ЭО. С помощью УД можно исследовать: малые изменения напряжения на большом уровне постоянного напряжения; более детально отдельные участки импульсных сигналов; сигнал при значительном уровне помех; выполнять настройку двух и многоканальных систем с одинаковыми выходными сигналами.
Например, исследование сигнала при значительном уровне помех выполняется в такой последовательности: сигнал с помехой подают на один вход УД, а на другой вход — сигнал, подобный сигналу помехи. На экране ЭЛТ будет представлен только полезный сигнал без помехи (сигнал помехи подавляется).
Двухканальный усилитель-коммутатор. Коммутатор позволяет исследовать два одновременных или следующих один за другим сигнала. В ЭО с коммутатором временные и амплитудные характеристики каналов практически одинаковы. Электронный осциллограф с коммутатором по сравнению с двухлучевым менее громоздок, потребляет меньшую мощность, так как имеет один оконечный усилитель. Используя ЭО с коммутатором, можно получить устойчивое изображение двух сигналов, не синхронных друг другу. Для этого вход синхронизации должен переключаться одновременно с наблюдаемыми сигналами. С помощью усилителя-коммутатора яркость изображения снижается в среднем вдвое; исследовать можно только длительные процессы.
Рис. 9.13. Упрощенная схема двухканального ЭО с синхронным режимом коммутации
Коммутатор ЭО попеременно подключает оконечный усилитель к предварительному усилителю от одного УВ01, то другого УВ02 канала (рис. 9.13). При синхронном режиме коммутации коммутатор переключается во время обратного хода развертки (при обратном ходе луч гасится), а при несинхронном режиме — переключается с постоянной частотой, задаваемой специальным генератором. Частота генераторов переключения составляет от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц.
Несинхронный режим переключения применяют только при длительных развертках и фоторегистрации однократных процессов, а в остальных случаях—синхронный режим. При синхронном режиме изображения сигналов, видимые на экране одновременно, на самом деле соответствуют неодновременным процессам в исследуемом устройстве. Например, если луч прочерчивает изображение сигнала, поданного на Y1 в нечетные периоды развертки, то на Y2 — в четные периоды. Это не приведет к ошибкам, когда периоды сигналов, поданных на Y1 и Y2, равны периоду развертки. Если истинный период сигналов на входах равен двум периодам развертки (в более общем случае — четному числу периодов), то на экране мы увидим как бы совмещенными во времени первую половину периода сигнала Y1 и вторую половину периода сигнала Y2. Несинхронный режим коммутации и двухлучевые осциллографы свободны от этого недостатка.
Сдвоенная развертка. Система сдвоенной развертки позволяет получать большое увеличение участков сигнала по оси времени, а также, повысить точность измерения временных интервалов. С помощью такой системы можно рассматривать любой участок сигналов формы протяженностью менее 1 % периода сигнала.
Рис. 9.14. Упрощенная структурная схема системы с двойной разверткой
Упрощенная структурная схема системы двойной развертки представлена на рис. 9.14. Развертка состоит из двух идентичных генераторов развертки А и Б, которые могут работать независимо друг от друга (в режимах А и Б). Развертка Б подсвечивает развертку А (в режиме А+Б); развертка А запускает через схему задержки развертку Б (в режиме Б3). Генераторы калиброванной развертки содержат: узел синхронизации, преобразующий входной сигнал в серию импульсов постоянной амплитуды и длительности для запуска схемы управления разверткой; узел управления ГР, формирующий импульс, который равен длительности прямого хода развертки, непосредственно управляющий ГР; ГР, вырабатывающий нарастающее (или спадающее) пилообразное напряжение. Задержка начала развертки относительно момента подачи запускающего импульса на время от 1 мкс до 5 с осуществляется при работе обоих генераторов.
Рис. 9.15. Временные диаграммы напряжений на входе компаратора на триггере совпадения и на выходе компаратора
Для формирования импульса задержки относительно начала развертки на один вход компаратора, состоящего из дифференциального усилителя и триггера, поступает развертывающее пилообразное напряжение uр с генератора развертки А, а на другой — постоянное Uo напряжение, регулируемое посредством потенциометра R. Выходной импульс компаратора появится только тогда, когда пилообразный сигнал на входе превысит значение установленного положительного напряжения Uo (рис. 9.15). В этом случае время задержки начала импульса компаратора относительно начала развертки А составляет tз=Uo/S (S — крутизна пилообразного напряжения генератора развертки А).
Импульс компаратора дифференцируется; получающиеся при этом импульсы совпадения поступают на схему «ворот». Регулируя постоянное напряжение и переключая длительность развертки, можно изменять задержку импульса совпадения относительно начала развертки. Схема «ворот» представляет собой триггер с двумя устойчивыми состояниями и вырабатывает импульс задержки для управления режимом запуска триггера управления генератора развертки Б. Этот импульс поступает на внешнее гнездо и на переключатель режимов. В режиме работы А+Б и Бз схема «ворот» с помощью переключателя режимов подключается к входу триггера управления генератора развертки Б, который начинает формировать пилообразное напряжение Б. Генератором Б выполняется калиброванная во времени задержка, после которой генератор А вырабатывает развертывающее напряжение. Наибольшее растяжение во времени сигналов происходит в режиме одновременной работы двух разверток (А+Б) (рис. 9.16, а). Для этого
на полном изображении сложного сигнала, развернутого разверткой А, получают яркостную метку от развертки Б (рис. 9.16, а). Ручкой «Задержка» смещают яркостную метку так, чтобы высвечивалась интересующая часть сигнала. Затем устанавливают переключатель режима работы задержки в положение Б3 и на экране окажется изображение только интересующей нас части сложного сигнала (рис. 9.16,6).
Рис. 9.16. Примеры применения двойной развертки: а — в режиме (А + Б); б — в режиме Бз.
Разобранные выше сменные блоки выполнены в осциллографе С1-70.