9.7. Применение и выбор электронно-лучевого осциллографа

Электронно-лучевой осциллограф применяют для измерения амплитуды и мгновенных значений электрического сигнала (напряжения, тока); временных параметров сигнала (длительности импульса, длительности фронта, среза, периода повторения, скважности, задержки); частоты гармонического сигнала (методами линейной и круговой развертки; фигур Лиссажу); сдвига фаз между двумя сигналами; мощности синусоидального сигнала (мгновенных значений, среднего значения); мощности импульсного сигнала (мгновенных значений, импульсной мощности, среднего значения); полного сопротивления, активной и реактивной составляющих сопротивления; амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников; коэффициента амплитудной модуляции, равного отношению разности максимального и минимального значений модулированного сигнала к их сумме; функциональных зависимостей Y(X)—характеристик электронных ламп, транзисторов, диодов, интегральных схем; характеристик магнитных материалов и др.

Достоверность измерений ЭО зависит от многих факторов. Достаточно сложным вопросом является правильный выбор ЭО, зависящий от назначения его измерительных возможностей (предела измерения напряжения, временных интервалов, погрешности измерения амплитудных и временных параметров, числа одновременно регистрируемых сигналов, возможности запоминания сигналов и т. д.), особенностей объекта исследования и правильной эксплуатации. Например, неправильный выбор уровней сигналов приводит к тому, что на экране можно увидеть идеальный импульс, хотя на самом деле импульс неидеальный.

При воспроизведении сигналов большое влияние на исследуемую схему оказывают входные цепи осциллографа. Активная составляющая входного сопротивления для осциллографов общего назначения обычно 1,0 МОм, значение входной емкости 30—60 пФ. Чем больше полоса пропускания ЭО, тем меньше значение входной емкости. Одной из главных качественных характеристик ЭО является время нарастания переходной характеристики (рис. 9.18) канала ВО. Переходная характеристика— это изображение на экране ЭО, получаемое при подаче на вход перепада напряжения с длительностью фронта 0,3 и менее от времени нарастания ПХ. Время нарастания тн переходной характеристики (не) связано с полосой пропускания соотношением

τ_н = 0,35/f_в, (9.13)

где f_в — верхняя граничная частота полосы пропускания, МГц.

Время нарастания τ_н канала Y определяет возможность воспроизведения ЭО быстрых импульсных процессов. Время установления τ_уст определяется временем, необходимым для прочерчивания электронным лучом на экране ЭЛТ фронта отклика на поданный на вход ЭО идеальный перепад напряжения с фронтом бесконечно малой длительности.

Часто приходится измерять время установления в условиях, когда измеряемое время одного порядка с временем установления ЭО,

Рис. 9.18. Переходная характеристика канала ВО

В этом случае можно использовать соотношение

τ²_изм = τ²_уст + τ²_ф (9.14)

где τ_изм — время, измеряемое по шкале ЭЛТ; τ_уст — время нарастания канала ВО; τ_ф — время нарастания входного импульса.

Частотная характеристика определяет качественную передачу широкополосных сигналов. Чем широкополоснее ЭО, тем более детально можно исследовать сигнал.

Если нужно воспроизвести без искажений фронт прямоугольного импульса t_ф (нc) длительностью t_и, то необходимо выполнить условие f_в≥0,35/t_ф, где f_в — верхняя граничная частота, МГц; t_ф ≈0,1t_и. Если нужно воспроизвести без искажений амплитуду прямоугольного импульса длительностью t_и (нc), а неискаженное воспроизведение фронтов не требуется, то можно выбрать ЭО с менее широкой полосой пропускания:

f_в≥0,7/t_и . (9.15)

Нижняя граничная частота f_н, определяющая неравномерность вершины импульса ΔU_max относительно его амплитуды U_max,

f_н ≤ΔU_max/(U_max2πt_и). (9.16)

При исследовании прямоугольных импульсов с крутыми фронтами выбирают ЭО с малой входной емкостью, т. е. с более широкой полосой пропускания (большая емкость увеличивает длительность фронта из-за длительного времени заряда конденсатора), внешнюю синхронизацию и ждущую развертку.

При исследовании одиночных импульсных сигналов большой скважности применяют ЭО с широкой полосой пропускания, работающие в режиме исследования однократных, редко повторяющихся сигналов с внешней синхронизацией, ждущей разверткой. При тщательном исследовании отдельных участков несинусоидальных сигналов применяют внешнюю синхронизацию, ждущую развертку.

При исследовании синусоидальных сигналов, импульсных сигналов малой скважности применяют внутреннюю синхронизацию, непрерывную развертку. Частота сигнала должна быть значительно ниже полосы пропускания ЭО.

Неправильные выбор и эксплуатация ЭО приводят к различным искажениям.

Классы точности Э0. Значения параметров, определяющих метрологические характеристики ЭО в зависимости от классов точности, не должны быть хуже значений, указанных в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Наименование параметра	Норма для ЭО класса точн
	1	2	3	4
Основная погрешность измерения напряжения, %, не более	3	5	10	12
Основная погрешность коэффициента отклонения, %, не более	2,5	4	8	10
Основная погрешность измерения временных интервалов, %, не более	3	5	10	12
Основная погрешность коэффициента развертки, %, не более	2,5	4	8	10
Неравномерность вершины переходной характеристики, %, не более	1,5	2	3	5

Погрешности измерения осциллографом. Суммарную погрешность измерения ЭО можно рассчитать по рекомендации ГОСТ 22737—77.

1. Погрешность измерения амплитуды импульсов прямоугольной формы длительностью не менее времени установления переходной характеристики осциллографа определяют по составляющим:

погрешности номинального коэффициента отклонения по вертикали _Ко;

погрешности преобразования, вызванной неравномерностью переходной характеристики _н.пх (рис. 9.18);

визуальной погрешности отсчета геометрических размеров отдельных участков осциллограммы и совмещения линии электронного луча с рисками измерительной шкалы _визU;. Погрешность _визU состоит из погрешности при совмещении _совм линии электронного луча с рисками измерительной шкалы, равной 1/5 ширины линии луча, и погрешности отсчета _отсч положения линии луча относительно делений шкалы, равной 1/3 ширины линий.

Визуальная погрешность (%)

где b—ширина линии луча, мм; h —размер изображения по вертикали, мм.

Так как все составляющие погрешности независимы, то суммарная погрешность

2. Погрешность измерения длительности импульсов прямоугольной формы определяют по составляющим:

погрешности номинального коэффициента развертки К_р; погрешности, вызванной неточностью определения уровня 0,5 амплитуды:

где α₁ — угол, образованный фронтом импульса и вертикальной линией шкалы, град; α₂ — угол, образованный спадом импульса и вертикальной линией шкалы, град;

визуальной погрешности _визt аналогичной _визU:

где l — размер изображения по уровню 0,5 амплитуды, мм.

Погрешность измерения длительности импульса прямоугольной формы _t рассчитывают по формуле