3.4. Основные каналы электронно-лучевого осциллографа

Канал вертикального отклонения. Он предназначен для пере­дачи напряжения источника исследуемого сигнала на вход вер­тикально отклоняющих пластин ЭЛТ. Канал можно представить четырехполюсником, входные зажимы которого — вход У осцил­лографа, а выходные зажимы подключены к вертикально откло­няющим пластинам.

При передаче через канал исследуемый сигнал претерпевает искажения. Чтобы они были малозаметными и осциллограмма точно отображала форму сигнала, необходимо выбрать осциллог­раф с такими характеристиками канала, которые хорошо согла­сованы с параметрами исследуемого сигнала.

Основными характеристиками канала являются:

1. Чувствительность — отношение размера видимого отклоне­ния луча Н к значению поданного на вход канала напряжения II-.

(3.4)

(3.5)

где е —чувствительность канала в миллиметрах на милливольт; К — коэффициент передачи канала; hb — чувствительность ЭЛТ к вертикальному отклонению в миллиметрах на вольт.

В соответствии с (3.4) максимальная чувствительность данно­го осциллографа (при данной ЭЛТ)

В паспортах к осциллографам и справочниках обычно приво­дят величину, обратную чувствительности, называемую коэффи­циентом отклонения и выражаемую в вольтах на сантиметр или иа деление.

2. Полоса пропускания. Известно [99], что при прохождении сигнала через линейную цепь спектр выходного сигнала S_Выx(ω) равен произведению спектра выходного сигнала S_Вx(ω) на комплексную частотную характеристику цепи K(jω):

Для передачи сигнала без искажений необходимо, чтобы мо­дуль комплексной частотной характеристики сохранял неизменное значение для всех составляющих спектра передаваемого сигнала, а аргумент являлся линейной функцией частоты. Иначе говоря, необходимо постоянство амплитудно-частотной л линейность фазо­частотной характеристик цепи. Между этими двумя характеристи­ками существует известная связь, вследствие которой в полосе частот, где амплитудно-частотная характеристика цепи постоян­на, ее фазочастотная характеристика весьма близка к линейной.

При оценке свойств канала вертикального отклонения, рас­сматриваемого как линейная цепь, интересуются главным образом полосой пропускания канала, полагая, что фазочастотная харак­теристика в этой полосе линейна. Если полоса пропускания кана­ла недостаточно широка, то различные составляющие спектра пе­редаются с неодинаковыми коэффициентами передачи, и это при­водит к искажениям сигнала. Особенно важно, чтобы выполня­лись условия равномерного прохождения высокочастотных состав­ляющих спектра сигнала, так как от этого зависит точность отоб­ражения фронта импульса.

Реально полосу пропускания ΔF канала вертикального откло­нения принимают равной полосе частот, в которой значения коэф­фициента передачи уменьшаются не более чем на 3 дБ относи­тельно его номинального значения на средних частотах.

При исследовании импульсных сигналов существенна информа­ция о переходной характеристике g(t) канала вертикального от­клонения, которая представляет собой выходной сигнал и_вых (t) канала (напряжение на вертикально отклоняющих пластинах ЭЛТ) при входном сигнале U_BыX(t)_,имеющем вид единичной функ­ции, т. е.

Время нарастания входного сигнала, описываемого единичной функцией, бесконечно мало. Но поскольку полоса пропускания ка­нала ограничена, то время нарастания выходного сигнала конеч­но: оно тем больше, чем уже полоса пропускания. Интервал вре­мени, требуемый для нарастания выходного сигнала от 0,1 до 0,9 максимального уровня, называют временем нарастания переход­ной характеристики и обозначают tn. Оно зависит от полосы пропускания ΔF канала:

Чтобы передать исследуемый импульс с длительностью фрон­та та ٦ф через канал без заметных искажений фронта, необходимо соблюсти условие (конкретно см. § 3.12).

3.Входное активное сопротивление Rвх и входная емкость С_вx. Эти характеристики определяют степень влияния осциллографа

на режим работы объекта исследования, к которому подключается вход канала У.

Перейдем к рассмотрению структуры канала вертикального отклонения и осо­бенностей его основных блоков.

Входной блок. При осциллографиро- вании сигналы, подводимые к входу У осциллографа, подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ через входной блок и усилитель вер­тикального отклонения.

По схеме входной цепи различают осциллографы с открытым и закрытым входом. Открытым называют вход, при котором воз­можна передача постоянного тока через входную цепь прибора (рис. 3.6,а).

Закрытым называют вход, не пропускающий посто­янной составляющей тока. Для его схемы характерно наличие разделительного конденсатора (рис. 3.6,6).

Входной блок канала вертикального отклонения, как уже от­мечалось в § 3.2, состоит из аттенюатора, эмиттерного повтори­теля и линии задержки. Аттенюатор (делитель напряжения) пред­назначается для регулировки чувствительности канала путем ос­лабления сигнала. Он имеет постоянный коэффициент передачи в широком диапазоне частот и обеспечивает высокое входное сопро­тивление канала У. С помощью переключателя (на передней па­нели он обозначен надписью «В/см» или «В/дел») можно получить несколько коэффициентов передачи напряжения. Обычно аттенюа­торы строят так, чтобы входное сопротивление заметно не изме­нялось при переходе от одного значения коэффициента передачи к другому. Иногда в одном из положении переключателя к вход­ным зажимам канала У подключается резистор сопротивлением 51 или 75 Ом, служащий для согласования входного сопротивле­ния осциллографа с волновым сопротивлением кабеля, по которо­му поступает исследуемый сигнал. В этом положении переключа­теля сигнал передается без изменений; в остальных положениях параллельно входу включаются делители напряжения (рис. 3.7,а) с различными коэффициентами передачи, значения которых зави­сят от соотношения параметров компонентов схемы делителя.

Схема на рис. 3.7,а отличается постоянством коэффициента передачи аттенюатора в широкой полосе частот, что важно при исследовании коротких импульсных сигналов.

В общем случае коэффициент передачи делителя напряжения

На низкочастотном участке Спектра емкостные сопротивления велики (ем­кость конденсатора С1 порядка нескольких пикофарад) и резисторы R1 и R₂ практически не шунтируются. Поэтому делитель напряжения в области низких частот состоит как бы только из резисторов. В области высоких частот, когда 1/ωС»R, напряжение делится соответственно емкостям конденсаторов.

В отсутствие конденсаторов С1 и С2 коэффициент деления на высокочастот­ном участке спектр-а определяется паразитными емкостями, что вносит неопре­деленность. Чтобы избежать этого, в схему аттенюатора включены конденсато­ры С1 и С%, емкости которых хотя и малы, но заведомо больше паразитных ем­костей схемы.

Активное входное сопротивление осциллографа зависит главным образом от сопротивления резистора R_1, так как R_Вх=R1 + R2 и для большинства приборов характеризуется значе­нием 0,5... 1 МОм (за исключением низкоомного входа). Значение входной емкости определяется значениями эквивалентной емкости делителя С₉=С1С₂/(С1 + С₂) л параллельно включенной паразит­ной емкости. Оно составляет несколько десятков пикофарад.

Эмиттерный повторитель выполняется по обычным схемам, но часто схему собирают таким образом, что нагрузкой служит ли­ния задержки (рис. 3.7,6). На конце этой линии включаются на­грузочный резистор, сопротивление которого согласовано с волно­вым сопротивлением линии, и потенциометр для плавной регули­ровки напряжения, подаваемого на вход усилителя вертикального отклонения.

Усилители вертикального отклонения. Слабые сигналы, не поз­воляющие получать достаточного отклонения луча ЭЛТ, подают на вертикально отклоняющие пластины лишь после необходимого усиления. Для этого предусматривают усилители вертикального отклонения, повышающие чувствительность канала. Необходимый коэффициент усиления определяется требуемой максимальной чув­ствительностью канала. Многие осциллографы применяются для исследования напряжений в широком диапазоне частот и импуль­сов малой длительности. Их усилители вертикального отклонения выполняют широкополосными. Схемные решения усилителей обус­ловлены требованиями к полосе пропускания.

У некоторых осциллографов предусмотрена возможность изме­нять полосу пропускания усилителя, устанавливая два фиксиро­ванных значения. Одно из них соответствует максимальной полосе пропускания канала вертикального отклонения данного осцилло­графа (например, 1 МГц) и называется широкой полосой, второе, во много раз меньшее максимального (например, 0,1 МГц), назы­вается узкой полосой. В режиме, соответствующем узкой полосе пропускания, чувствительность усилителя выше.

Очень широкие эффективные полосы пропускания усилителей (единицы гигагерц) при относительно узких реальных полосах ха­рактерны для стробоскопических осциллографов (см. § 3.8).

Особенностью оконечных каскадов усилителей вертикального отклонения является симметричный ВЫХОД; с помощью которого на отклоняющие пластины подаются симметричные переменные напряжения. Подобные схемы применяют для того, чтобы при лю­бом изменении амплитуды исследуемого напряжения потенциал средней линии между пластинами оставался неизменным. Тогда электронный луч ускоряется только напряжением соответствую­щего анода ЭЛТ. В -противном случае отклоняющее напряжение; оказывает дополнительное ускоряющее действие на луч, завися­щее от амплитуды напряжения, что приводит к ухудшению фоку­сировки и искажению изображения наблюдаемой кривой.

В некоторых осциллографах предусмотрена возможность пода­чи исследуемого напряжения непосредственно на вертикально от­клоняющие пластины ЭЛТ. У таких приборов между выходными зажимами усилителя и входными зажимами вертикально откло­няющих пластин, как правило, имеется переключатель «усили­тель пластины». При разомкнутом положении переключателя, с одной стороны, имеется возможность подачи исследуемого сигнала непосредственно на вертикально отклоняющие пластины (минуя канал вертикального отклонения); с другой стороны, канал верти­кального отклонения можно использовать как самостоятельный усилитель (ослабитель) с регулируемым усилением или ослабле­нием (при этом следует иметь в виду, что во многих осцилло­графах у подобного усилителя высокоомный выход).

Канал горизонтального отклонения. Канал X (рис. 3.8) предназ­начен для формирования и передачи напряжения, осуществляюще­го горизонтальную развертку луча.

Как следует из назначения, этот канал может работать в двух режимах: формирования и передачи развертывающего напряже­ния. В первом режиме (переключатель П₂ на рис. 3.8 в положении 1) канал характеризуют параметрами развертывающего напряжения, вырабатываемого генератором: коэффициентом развертки, амплитудой, коэффициентом нелинейности. Кроме того, указываются виды синхронизации, и характеристики синхронизирующих сигналов.

Во втором режиме, когда внешнее напряжение, подводимое к входу Х, передается на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ (переключатель П2 на рис 3.8 в положении 2), основные характеристики этого канала аналогичны характеристикам канала вертикального отклонения: чувствительность, полоса пропускания, входное сопротивление и входная емкость. Режим передачи ис­пользуют при создании круговой или эллиптической развертки, измерении частоты синусоидальных сигналов или частоты следо­вания импульсов методом сравнения с частотой другого источника и т. д.

Основным узлом канала горизонтального отклонения служит генератор развертывающего напряжения, сокращенно называемый генератором развертки. Внутри осциллографа содержится генера­тор пилообразного напряжения, создающего горизонтальное пере­мещение луча с постоянной скоростью. Для получения какой-либо другой развертки, например синусоидальной, соответствующее напряжение нужно подавать на вход канала X от внешнего источ­ника.

Пилообразное напряжение, вырабатываемо« генератором раз­вертки, должно иметь высокую линейность участка, создающего прямой ход луча; большую крутизну участка, вызывающего об­ратный ход луча; амплитуду, достаточную для отклонения луча на весь экран; кроме того, длительность развертки должна регу­лироваться в широких пределах.

Рассмотрим принцип формирования линейно изменяющегося развертывающего напряжения. В современных осциллографах для решения этой задачи применяют генераторы развертки, выполнен­ные по схеме интегрирующего звена (интегратора). Такое звено, как известно, представляет собой усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления К»1, охваченный глубокой отрицатель­ной обратной связью с помощью RС-цепи (рис. 3.9,а).

Составим уравнение интегратора. В соответствии с обозначе­ниями, принятыми на рис. 3.9,а, токи в цепях конденсатора и ре­зистора соответственно

Так как коэффициент усиления собственно усилителя очень большой и отрицательная обратная связь глубокая, то, не рискуя внести заметную погрешность, можно считать и'≈0. Тогда с точ­ностью до '(деланного допущения справедливо равенство iс = i_r и следовательно,

(3.10)

Это уравнение описывает работу интегратора в дифференциаль­ной форме.

Положив, что во время t_Пр прямого хода луча напряжение на входе интегратора постоянно, т. е. и_вх=и₀, и проинтегрировав (3.10), найдем, что

т. е. выходное напряжение интегратора представляет линейную функцию времени їв іинтерівале (0, t_пр).

Коэффициент нелинейности выходного напряжения интеграто­ра теоретически в К+1 раз ниже, чем в случае применения прос­той интегрирующей RС-цепи.

Если «о входу интегратора приложить прямоугольный импульс напряжения длительностью ٦и — tпр, то иа выходе получится пило­образный импульс практически той же длительности. Следова­тельно, присоединив к ^входным зажимам несимметричный мульти­вибратор (рис. 3.9,б), можно получить генератор периодического пилообразного напряжения. При переводе мультивибратора в ре­жим одновибратора, т. е. в ждущий режим, генератор вырабаты­вает напряжение ждущей развертки. В реальных схемах генера­торов развертки функцию переключающей схемы, которая выра­батывает прямоугольные импульсы, подаваемые на вход интегра­тора, выполняет триггер Шмитта. В зависимости от напряжения смещения он ведет себя либо как мультивибратор (режим авто­колебаний), либо как одновибратор (ждущий режим). Органы ре­гулировки, с помощью которых переходят от одного режима к другому, обозначаются надписями УРОВЕНЬ и СТАБИЛЬНОСТЬ.

Изменяя их положение, устанавливают требуемый режим раз­вертки: периодической или ждущей.

Имеются осциллографы, у которых переход от периодической развертки к ждущей осуществляется автоматически. После вклю­чения осциллографа генератор развертывающего напряжения ра­ботает в автоколебательном режиме (периодическая развертка), а с появлением синхронизирующего импульса, генератор автома­тически переводится в ждущий режим.

Во время прямого хода развертки вычерчиваемое лучом изоб­ражение подсвечивается с помощью прямоугольного импульса, подаваемого с генератора развертки на электрод управления яр­костью ЭЛТ. В отсутствие импульса подсвета луч заперт постоян­ным отрицательным напряжением на управляющем электроде. Длительность импульса подсвета равна продолжительности пря­мого хода луча. Поэтому с его окончанием трубка запирается и изображения во время обратного хода луча не наблюдается.

В осциллографах применяется калиброванная по скорости раз­вертка, при которой определенному горизонтальному отклонению луча соответствует строго определенная длительность. Такая раз­вертка обусловлена высокой линейностью развертывающего нап­ряжения, а также тем, что пределы его изменения достаточно точ­но фиксированы (рис. 3.10).

Постоянство верхнего уровня (U2) достигается с помощью схе­мы-фиксатора выходного напряжения (она на рис. 3.9,б не пока­зана), а для поддержания неизменным нижнего уровня (U 1) слу­жит схема возврата. Через нее на вход триггера Шмитта пере­дается линейно-изменяющееся выходное напряжение интегратора. Когда это напряжение уменьшится до значения U1, изменится состояние триггера Шмитта — завершится прямой ход луча. По­мимо фиксации уровня U1, схема возврата предохраняет генера­тор развертки от повторного запуска в течение обратного хода луча и времени восстановления схемы генератора.

Выясним, каким образом, можно регулировать длительность (период) развертывающего напряжения. Как видно из треуголь­ника LMN (рис. 3.10), Так как численно равен скорости « изменения пилообразного напряжения, то

где s = du_вы/dt. Подстановка (3.11) в (3.12) с учетом того, что для данного осциллографа отношение U_р/Uо — постоянная вели­чина (обозначим ее к), приводит к формуле

Из (3.13) видно, что длительность (период) развертывающего напряже­ния зависит от параметров СиR ин­тегратора.

У реального генератора развертки Рис. 3.10 в схеме интегратора имеется набор

конденсаторов, переключением которых изменяют диапазоны длительностей (переключатель ВРЕМЯ/см), и переменный резистор для плавной регулировки внутри диапазона (ПЛАВНО). В некоторых осциллографах, помимо набора конденсаторов, име­ется набор резисторов, с помощью которых диапазоны длитель­ностей (периодов) разбивают иа поддиапазоны (переключатель МНОЖИТЕЛЬ), и один переменный резистор для плавной под­стройки).

Во многих осциллографах предусмотрены две развертки. Пер­вая, создаваемая обычным генератором пилообразного напряже­ния, называется основной. Вторая, формируемая с помощью вто­рого генератора, аналогичного первому и работающему в ждущем режиме, называется задержанной, так как второй генератор за­пускается импульсом, задержанным па некоторое время относи­тельно начала основной развертки. Для получения задержанного Импульса в обычных (не управляемых микропроцессором) осцил­лографах используют компаратор, на один вход которого подано образцовое напряжение постоянного тока, а на другой — пило­образное напряжение основной развертки. Изменяя образцовое напряжение потенциометром, ручка которого расположена на пе­редней панели осциллографа, можно «перемещать» момент начала задержанной развертки в пределах длительности основной раз­вертки. Обычно можно устанавливать 'скорость задержанной развертки в два, пять или десять раз выше скорости основной раз­вертки. Таким образом, получаются две оси времени с различными масштабами. Это позволяет наблюдать с помощью развертки рас­тянутые участки осциллограммы, получаемой при основной раз­вертке («электронная лупа»). Для увеличения яркости этой ос­циллограммы с генератора задержанной развертки может быть снят импульс подсвета. Наличие двух разверток также дает воз­можность повысить точность измерения интервалов времени при непосредственном отсчете.