9.2 Исследование сигналов во временной области при помощи осциллографов

9.2.1 Виды осциллографов

Электронный осциллограф − прибор для наблюдения электрических сигналов и измерений их параметров при помощи электронно−лучевой трубки (ЭЛТ), использующий отклонение одного или нескольких электронных лучей для получения изображения функциональных зависимостей переменных величин, одной из которых обычно является время.

Основное преимущество осциллографов − их универсальность, т.е. способность измерять различные параметры сигналов, наблюдая полный сигнал.

Существуют различные виды осциллографов. В зависимости от назначения они подразделяются на осциллографы реального времени (группа С1 −), скоростные и стробоскопические (С7−), запоминающие (С8 −), специальные и вычислительные (С9−).

Осциллограф реального времени (С1−) − осциллограф, в котором исследуемый сигнал, поступающий на вход Y, подается через масштабные преобразователи сигналов (усилители, аттенюаторы) на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Горизонтальное отклонение луча осуществляется генератором развертки по линейному закону. Используется для исследования сигналов в частотном диапазоне от 0 до приблизительно 500 МГц.

Стробоскопический осциллограф (С7−) − осциллограф, использующий для изображения сигнала упорядоченный (или случайный) отбор мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляющий временное преобразование сигнала. Он позволяет исследовать очень быстрые процессы нано− и пикосекундной длительности. Недостаток стробоскопического осциллографа состоит в том, что он может исследовать только периодически повторяющиеся сигналы небольшой скважности.

Запоминающий осциллограф (С8 −) − осциллограф, который при помощи специального устройства позволяет сохранять на определенное время исследуемый сигнал. Запоминающие осциллографы используют для анализа однократных и редко повторяющихся сигналов.

Специальный осциллограф (С9 −) − осциллограф, содержащий специфические узлы и предназначенный для целевого применения (для телевизионных измерений, вычислительный и т.п. ).

9.2.2 Структура и принцип действия осциллографа

Структурная схема осциллографа реального времени представлена на рис. 9.5 и включает в себя три основных канала: канал вертикального отклонения луча (КВО), канал горизонтального отклонения луча (КГО) и канал яркости (КЯ).

Основой любого осциллографа является электронно−лучевая трубка (ЭЛТ), на экране которой воспроизводится исследуемый сигнал. У всех ЭЛТ имеется катод, который испускает пучок электронов (луч). Луч фокусируется и ускоряется двумя парами пластин, которые могут отклонять его в горизонтальном (Х) и вертикальном (Y) направлениях. При отсутствии напряжения на отклоняющих пластинах пучок электронов фокусируется в центре ЭЛТ. В месте удара луча об экран ЭЛТ, который покрыт люминофором, образуется светящееся пятно.

Рисунок 9.5 − Структурная схема универсального осциллографа реального времени

Если к пластинам горизонтального отклонения приложить пилообразное напряжение достаточной амплитуды, то (при отсутствии напряжения на вертикально отклоняющих пластинах) на экране электронный луч будет чертить горизонтальную линию. Отклонение луча в горизонтальном направлении, линейно связанное со временем, называют разверткой. Во время обратного хода развертки пучок электронов отключается и включается вновь при начале следующего периода пилообразного сигнала.

Если к пластинам горизонтального отклонения подведено пилообразное напряжение, а к пластинам вертикального отклонения − исследуемый периодический сигнал, то на экране ЭЛТ можно видеть изображение сигнала, которое называют осциллограммой. Для получения на экране неподвижного одноконтурного изображения сигнала необходимо выполнить условие Тp = n*Tc, где Тр – период развертки, Тс – период сигнала, n − целое число. При этом на экране будет наблюдаться n периодов сигнала. Для принудительного выполнения этого условия предназначена система синхронизации.

Если Тр  n*Tc, то в каждый новый период развертки электронный луч не будет перемещаться по одной и той же траектории и на экране получится изображение семейства сдвинутых друг относительно друга кривых, наблюдаемых в совокупности как прямоугольник. В современных осциллографах применяются следующие виды разверток:

− автоколебательная − когда развертка периодически запускается и при отсутствии сигнала запуска генератора развертки; автоколебательная развертка используется при исследовании синусоидальных сигналов и импульсных сигналов малой скважности.

− ждущая − когда развертка запускается только при поступлении на генератор развертки сигнала запуска; ждущая развертка используется при исследовании импульсов, следующих с большой скважностью и непериодических импульсных сигналов.

− однократная − когда запуск генератора развертки осуществляется один раз от входного сигнала после нажатия внешней кнопки, расположенной на лицевой панели; однократная развертка позволяет обнаружить однократные импульсные сигналы.

− задержанная − когда развертка начинается с задержкой (часто регулируемой) после сигнала запуска; задержанная развертка более быстрая, чем основная развертка, что позволяет растягивать отдельно выбранный участок сигнала и исследовать его более детально.

Для того, чтобы иметь возможность наблюдать фронт импульса с самого его начала, необходимо, чтобы поступление импульса на вертикально отклоняющие пластины было несколько задержано по отношению к началу развертки, для чего в канал Y встраивают линию задержки.

Вместо пилообразного напряжения с генератора развертки при помощи переключателя на горизонтально отклоняющие пластины может быть подан любой внешний сигнал через вход Х. Такое подключение используется, например, при измерении частоты способом фигур Лиссажу, фазового сдвига, для наблюдения вольтамперных характеристик нелинейных элементов.

На вход "Внешн. синхр." подают сигналы от внешнего источника для запуска генератора развертки. Такая необходимость возникает, например, при измерениях временного сдвига между импульсами или времени задержки распространения сигнала в цепях.

Амплитуда изображения определяется напряжением на пластинах вертикального отклонения. Если оно слишком велико, его можно уменьшить входным регулируемым аттенюатором. Усилители тракта вертикального отклонения луча служат для усиления малых входных сигналов до 2000 раз.