33. Стробоскопические, многоканальные и запоминающие осциллографы.

Электронный осциллограф - это прибор, служащий для наблюдения и измерения параметров электрических сигналов. В нем используется отклонение электронного луча для получения изображения мгновенных значений функциональных зависимостей переменных величин, одной из которых обычно является время.

Для исследования зависимости электрического напряжения от времени исследуемое напряжение подается на вход "Y" осциллографа и включается генератор развертки, вырабатывающий линейно изменяющееся напряжение.

Для исследования зависимости одного напряжения (тока) от другого первое из указанных напряжений подается на вход "Y", а второе - на вход "Х", генератор развертки в этом случае отключается.

Существуют многолучевые и многоканальные осциллографы. В многолучевых осциллографах применяются специальные многолучевые электронные трубки, а в многоканальных - специальные коммутаторы электрических сигналов, позволяющие наблюдать несколько сигналов на экране однолучевой ЭЛТ.

Понять принцип работы электронного осциллографа поможет рисунок 2.16, на котором приведена структурная схема осциллографа.

Структурная схема осциллографа включает:

* электронно-лучевую трубку (ЭЛТ);

* канал "Y" (канал вертикального отклонения луча), содержащий входное устройство, предварительный усилитель Y, линию задержки сигнала, оконечный усилитель Y;

* канал "Х" (канал горизонтального отклонения луча), содержащий генератор развертки по оси Х, устройство синхронизации, предварительный и оконечный усилители Х;

* канал Z (канал управления яркостью луча);

* калибровочное устройство.

Одним из основных узлов осциллографа является электронно-лучевая трубка. Она представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом, в котором имеется система электродов и экран, покрытый люминофором. При попадании на экран электронов наблюдается свечение. В цилиндрической части трубки расположены катод, модулятор, первый и второй аноды, две пары отклоняющих пластин. Источником электронов является оксидный катод.

Входное устройство канала "Y" включает в себя соединительный кабель, переключатель входа и входные делители напряжения.

Предварительный усилитель канала вертикального отклонения предназначен для усиления исследуемого сигнала, преобразования сигнала из несимметричного в симметричный, установки изображения сигнала (совместно с аттенюатором во входном устройстве) в пределах рабочей части экрана по вертикали, обеспечения совместной работы с коммутатором в многоканальных осциллографах.

Линия задержки, включаемая в канал вертикального отклонения осциллографов, позволяет задержать сигнал на время, необходимое для запуска генератора развертки. При отсутствии линии задержки на экране осциллографа не будет виден передний фронт исследуемого сигнала. Линия задержки не должна искажать форму исследуемого сигнала.

Оконечный усилитель канала вертикального отклонения луча обеспечивает усиление исследуемого сигнала до значения, достаточного для отклонения луча ЭЛТ по вертикали в пределах рабочей части экрана.

Коммутатор сигналов (на структурной схеме осциллографа не показан) позволяет использовать усилитель канала Y в следующих режимах: только канал Y1, только канал Y2, одновременная работа обоих каналов (сложение сигналов с возможностью изменения полярности сигнала в одном из каналов), поочередная работа обоих каналов (переключение каналов обратным ходом развертки), прерывистый режим (переключение каналов с частотой несколько десятков или сотен килогерц от специального генератора прямоугольных импульсов напряжения).

Если исследуемое напряжение (при необходимости оно усиливается усилителем) подано только на пластины “У”, то на экране осциллографа будет

видна вертикальная линия, длина которой равна удвоенной амплитуде колебаний. Для изучения изменения сигнала с течением времени необходимо подать напряжение на горизонтально отклоняющие пластины. Напряжение для отклонения луча в горизонтальном направлении подается с выхода канала "Х", содержащего генератор развертки, устройство синхронизации, предварительный (на структурной схеме не показан) и оконечный усилители Х.

Генератор развертки вырабатывает пилообразное (линейно изменяющееся напряжение), которое предназначено для равномерного перемещения луча вдоль оси Х от левого до правого края экрана, а затем быстрого возвращения его в крайнее левое положение. Обратный ход луча на экране соответствует участкам быстрого изменения пилообразного напряжения.

Генератор развертки в канале Х может иметь три режима работы: автоколебательный, т.е. периодический (для наблюдения синусоидальных и импульсных сигналов с небольшой скважностью), ждущий (для наблюдения исследуемых сигналов с большой и переменной скважностью), одиночной - разовой развертки (для фотографирования, а в запоминающих осциллографах и для непосредственного изучения одиночных сигналов). В ждущем режиме генератор развертки начинает вырабатывать пилообразное напряжение, если на вход “У” осциллографа поступает исследуемый сигнал достаточной амплитуды (в этом режиме, например, не удается обеспечить внутреннюю синхронизацию при исследовании выпрямленного напряжения с малым коэффициентом пульсаций). В некоторых осциллографах имеется ре жим растяжки развертки, позволяющий получить более крупный масштаб изображения по горизонтальной оси за счет увеличения усиления в конечном усилителе X.

Чтобы получить неподвижное изображение, частота генератора развертки должна быть равна или в целое число раз меньше частоты исследуемого сигнала. С этой целью осуществляют синхронизацию частоты генератора развертки (согласовывают во времени) с частотой исследуемого сигнала. Когда частота генератора развертки близка частоте исследуемого напряжения, то это напряжение изменяет частоту генератора развертки до точного совпадения с частотой исследуемого сигнала.

Согласование частоты генератора развертки с частотой исследуемого сигнала обеспечивает блок синхронизации. Существует три варианта синхронизации: внешняя, внутренняя и от сети. Синхронизацию от сети применяют для исследования сигналов, частота которых равна или кратна частоте питающей сети (50 Гц). Наиболее часто используют внутреннюю синхронизацию. В этом случае часть исследуемого напряжения подается в блок синхронизации, в котором вырабатываются импульсы, управляющие работой генератора развертки. Исследуемое напряжение как бы “навязывает” свой период генератору развертки. Если при этом период собственных колебаний генератора развертки почти равен (или почти кратен) периоду колебаний исследуемого напряжения, то колебания генератора синхронизируются и происходят в такт с исследуемым напряжением. Осциллографы снабжаются переключателем вида синхронизации и переключателем полярности синхронизирующего напряжения.

Оконечный усилитель канала Х предназначен для усиления напряжения развертки или внешнего сигнала до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана по горизонтали.

Канал Z в основном предназначен для подсветки прямого хода развертки и гашения луча во время обратного хода. Канал Z позволяет модулировать яркость изображения внешним модулирующим сигналом. Если на входы X и Y подать сигналы одной и той частоты, а на канал Z напряжение более высокой известной частоты, то по прерывистой эллиптической развертке можно определить частоту сигнала, подаваемого на входы X и Y.

Встроенные в осциллограф калибраторы повышают точность измерения частоты и амплитуды сигнала. Калибратор представляет собой генератор напряжения с известной амплитудой и частотой. Чаще всего используются постоянные напряжения и напряжения в виде меандра (прямоугольные импульсы напряжения со скважностью равной двум, т.е. длительность импульса равна длительности паузы).

Стробоскопический осциллограф.

Стробоскопическим называется осциллограф, использующий для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор проб мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляется его временное преобразование. Принцип работы стробоскопического осциллографа основан на измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью коротких стробирующих импульсов и базируется на стробоскопическом эффекте. Он позволяет обеспечить широкую полосу пропускания и высокую чувствительность осциллографа.

На рис. 8.16. представлена структурная схема одноканального стробоскопического осциллографа.

Рис. 8.16.

Временные диаграммы работы узлов стробоскопического осциллографа (рис. 8.16) показаны на рис 8.17.

Исследуемый сигнал (рис.8.17, а) поступает стробоскопический смеситель (СМ), содержащий диодную ключевую схему и устройство памяти. Осциллограф запускается синхронизирующими сигналами, опережающими исследуемый сигнал на время задержки стробоскопической развертки. Это могут быть внешние импульсы, внешнее синусоидальное напряжение или сам исследуемый сигнал.

Рис. 8.17.

Устройство синхронизации (УСиЗ) формирует импульсы запуска, частота повторения которых либо равна частоте исследуемого сигнала (рис. 8.17, б), либо в m раз меньше. Импульсы запуска управляют работой схемы, в которую входят генератор пилообразного напряжения (ГПН), генератор ступенчатого напряжения (ГСН) и компаратор (К). ГПН И ГСН формируют линейно и ступенчато нарастающие сигналы (рис. 8.17, в), которые подаются на входы компаратора. Длительность ГПН равна длительности tX исследуемого сигнала, а длительность ГСН в kТР ( - коэффициент трансформации масштаба времени; ; n - число точек считывания) больше. В момент равенства сигналов ГПН и ГСН срабатывает компаратор (К) и своим выходным сигналом запускает генератор импульсов запуска (ГИЗ), формирующий импульсы с крутым фронтом (рис. 8.17, б). Они запускают генератор строб-импульсов (ГС), ГСН и срывают колебания ГПН. После каждого импульса ГИЗ, напряжение на ГСН ступенчато повышается на постоянную величину, а в промежутках между импульсами остается постоянным (рис. 8.17, в). Этот процесс повторяется до уровня, определяемого величиной kТР, после чего ГСН автоматически сбрасывается и начинается новый цикл нарастания напряжения ГСН.

Строб-импульс (рис. 8.17, г) запускает диодно-ключевую схему СМ и устройство памяти запоминает мгновенное значение исследуемого сигнала, соответствующее моменту поступления строб-импульса. Расширенные и промодулированные огибающей исследуемого сигнала импульсы с выхода СМ передаются по цепочке, состоящей из предварительного усилителя (ПУ), аттенюатора (АТ) и импульсного усилителя (ИУ), который расширяет импульсы выборок. Импульсный сигнал с выхода ИУ поступает на расширитель импульсов (РИ), где превращается в аналоговый сигнал за счет расширения импульса до периода повторения (рис. 8.17, д). Это напряжение усиливается в усилителе вертикального отклонения (УВО) и подается на пластины Y ЭЛТ. Для повышения четкости изображения плоские участки напряжения подсвечиваются импульсами схемы подсвета луча (СПЛ), управляемой ГИЗ (рис. 8.17, е). Изображение исследуемого сигнала на экране ЭЛТ будет иметь вид светящихся точек (черточек), равномерно отстоящих друг от друга (рис. 8.17, ж). Напряжение отрицательной обратной связи с РИ на СМ автоматически регулирует положение рабочей точки на ВАХ диода смесителя, обеспечивая высокую линейность преобразования.

Так как стробирование исследуемого сигнала приводит к дискретизации измерительной информации, необходимо знать минимально необходимое число точек считывания сигналаnMIN. Значение nMIN n может быть оценено по формуле nMIN = 2fMAX tX, где fMAX - верхняя граничная частот спектра UX. Для увеличения можно считывать после пропуска некоторого числа периодов сигнала. В этом случае .

Запоминающий осциллограф

Запоминающий осциллограф - это осциллограф, который при помощи специального устройства, например ЭЛТ с памятью или электронного ЗУ, позволяет сохранять на определенное время исследуемый сигнал и при необходимости представлять его для однократного или многократного визуального наблюдения или для дальнейшей обработки.

Запоминающий осциллограф на базе запоминающей ЭЛТ могут работать и в режиме обычного воспроизведения осциллограмм. Структурная схема его базируется на схеме универсального осциллографа и содержит дополнительные функциональные узлы, обеспечивающие управление памятью, воспроизведением и стиранием записанного изображения.

Используются два метода запоминания сигнала в осциллографе: аналоговый и цифровой. Аналоговая память способна работать при более высоких скоростях, но она менее гибкая, чем цифровая память.

Аналоговое запоминание исследуемого сигнала осуществляется путем записи исследуемого сигнала с помощью записывающего проектора запоминающей ЭЛТ, генератора развертки и схемы управления лучом. Запись может быть как однократной, так и многократной (последовательное наложение изображений). Режим многократной записи называется накоплением и позволяет существенно улучшить качество изображения для периодических сигналов. Воспроизведение изображения осуществляется с помощью воспроизводящего прожектора запоминающей ЭЛТ и схемы управления воспроизведением.

Стирание производится подачей на подложку мишени запоминающей ЭЛТ стирающего импульса и может быть ручным и автоматическим. При автоматическом стирании обеспечивается регулируемая выдержка воспроизведения, а после стирания осциллограф автоматически подготавливается к новой записи. Для периодических сигналов процессы записи и стирания могут автоматически чередоваться.

В осциллографе с цифровым запоминанием входной сигнал преобразуется в числовую форму, так что все последующие сигналы представляются в цифровом виде. В этом осциллографе используется обычная ЭЛТ, а хранение информации происходит в электронной цифровой памяти.