4 Электронные осциллографы

4.1 Электронные осциллографы общего назначения

Электронный осциллограф предназначен для наблюдения и исследования формы электрических сигналов в диапазоне частот от постоянного тока до десятков мегагерц, путем визуального наблюдения измерения их временных и амплитудных значений.

Основной элемент электронного осциллографа - электронно­лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим управлением луча и люминесцирующим экраном. Для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение на экране вертикально и горизон­тально отклоняющие пластины ЭЛТ перемещают электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране электронного осциллографа картины изменения сигнала во времени напряжение этого сигнала подается на вертикально отклоняющие пластины и одновременно электронный луч отклоня­ется с постоянной скоростью в горизонтальном направлении с по­мощью линейно-изменяющегося напряжения, приложенного к го­ризонтально отклоняющим пластинам. Напряжение, отклоняющее луч в горизонтальном направлении, называют развертывающим. По окончании цикла развертки развертывающее напряжение принимает первоначальное значение, при этом луч возвращается в исходное положение и цикл начинается сначала. Чувствительность ЭЛТ мала и для отклонения, луча на весь экран требуется довольно большое напряжение (3-200 В). Напряжения исследуе­мого сигнала и развёртки могут быть малыми, поэтому в каналах вертикального (ВО) и горизонтального (ГО) отклонений электрон­ного осциллографа предусматриваются усилители.

Усилитель вертикального отклонения, на вход которого подается исследуемый сигнал, должен обладать большим входным сопротивлением и малой емкостью, что обусловливает минимальное влияние подключения осциллографа на электрический режим исследуемой цепи; высоким регулируемым коэффициентом усиления; широкой полосой пропускания.

Полоса пропускания усилителя - диапазон частот, в пределах которого выходное напряжение усилителя падает на 30% от мак­симального значения при неизменном входном напряжении. Чем шире полоса пропускаемых частот, тем меньше искажения.

Схема осциллографа изображена на рис. 4.1. Исследуемый сигнал подается непосредственно (вход Y открытый) или через раз­делительный конденсатор (вход Y закрытый) на аттенюатор канала вертикального отклонения осциллографа. При помощи аттенюатора устанавливается необходимое ослабление сигнала, что позволяет обеспечить работу усилителя ВО в режиме минимальны нелинейных искажений. С выхода аттенюатор а исследуемый сигнал через входной каскад эмиттерный или истоковые повторитель) подаётся на предварительный усилитель. Усиленный сигнал задерживается линией задержки на время, необходимое для срабатывания канала горизонтального отклонения осциллографа, т. е. гене­ратора развертки и усилителя ГО, чтобы движение луча по гори­зонтали началось раньше, чем усиленный сигнал поступит на вер­тикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

Выходной усилитель ВО, собранный по балансной схеме, уси­ливает задержанный сигнал до значения, удобного для наблюдения на экране. С его выхода сигнал поступает на вертикально отклоняю­щие пластины ЭЛТ.

Устойчивость изображения на экране достигается синхронизацией частоты развертки с частотой исследуемого сигнала f. Частота развертки должна быть равна или в кратное число раз меньше частоты f исследуемого сигнала, т. е. или , где и Т - соответственно периоды напряжения развертки и исследуемого сигнала, п = 1, 2, 3…

Запуск, схемы синхронизации может быть как от внутреннего, так и внешнего сигнала. Кроме того, схема синхронизации дает возможность изменять уровень и полярность сигнала синхрониза­ции. При работе осциллографа в режиме внутренней синхрониза­ции из канала вертикального отклонения (до линии задержки) снимается часть исследуемого сигнала и подается на вход схемы, синхронизации. Последняя совместно со схемой запуска развертки вырабатывает короткие запускающие импульсы постоянной ампли­туды независимо от значения и формы приходящего на вход сиг­нала. Благодаря этому достигается устойчивый запуск генератора развертки.

Для запуска генератора развертки может быть использован внешний сигнал, поданный на вход схемы синхронизации (внешняя синхронизация). Генератор развертки формирует пилообразное линейное напряжение (рис. 4.2) для временной развертки луча ЭЛТ. Время прямого хода луча много больше времени обратного хода , поэтому период развертки .

Входной сигнал генератора развертки поступает на выходной усилитель ГО, предназначенный для преобразования пилообразного напряжения, поступающего с генератора развертки в два противофазных сигнала и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по горизонтали на весь экран ЭЛТ. Затем сигнал подается на горизонтально отклоняющие пластины. В осциллографе предусмотрена возможность поступления внешнего сигнала на горизонтально отклоняющие пластины при подаче его на вход X. При этом усилитель ГО отключается от схемы генератора развертки и подключается к входу X. Генератор развертки содержит органы регулировки режимов работ и длительности. Он может работать в режиме: а) автоколебательной периодической развертки (схема синхронизации переводится в режим непрерывных колебаний, т. е. на ее вход не подается сигнал); б) ждущей развертки (запускается только при наличии синхронизирующего сигнала). Схема блокировки обеспечивает работу генератора развертки в автоколебательном режиме, а также предупреждает повторный запуск при обратном ходе развертывающего напряжения.

Рисунок 4.1 – Схема электронного осциллографа

Рисунок 4.2 – Развертывающее напряжение осциллографа

Для увеличения яркости линии развертки используют прямо­угольный импульс подсвета луча, который с усилителя подсвета подается на модулятор ЭЛТ. Длительность его должна совпадать с длительностью нарастающей части развертывающего пилообраз­ного напряжения и служит для отпирания ЭЛТ при прямом ходе развертки и запирания ее при обратном. В некоторых электронных осциллографах импульс подсвета вырабатывается генератором раз­вертки.

Для получения яркостных меток времени в ряде осциллографов имеется вход Z. Внешний модулирующий сигнал через конденсатор подается на модулятор. Четкость изображения достигается регулировкой яркости и фокусировки луча, для этого на модулятор и аноды ЭЛТ от выпрямителя, питаемого от сети переменного тока, подается высокое регулируемое напряжение. Для повышения точности измерений в состав осциллографа входят калибраторы напряжения и времени, предназначенные соответственно для проверки правильности масштаба вертикальной (в единицах напряжения) и горизонтальной (в единицах времени) осей экрана осциллографа. В современных осциллографах в одном калибраторе совмещены калибраторы напряжения и времени. Калибратор выдает прямоугольные сигналы типа «меандр» (рис. 4.3) определенного размаха (500 мВ или 1 В) и частоты (1 или 2 кГц). При строго калиброванном напряжении, подаваемом на вход Y осциллографа (коэффициент деления аттенюатора 1:1), определяется минимальный коэффициент отклонения тракта вертикального отклонения.

Коэффициент отклонения (В/дел) представляет собой отношение напряже­ния калиброванного сигнала U к от­клонению h по вертикали, т.е. . Минимальный коэффициент в осциллографах обычно равен 0,01 В/дел. Калибровка выпол­няется либо при размахе калиброванного сигнала мВ и отклонении h = 4 дел, либо при и h = 5 дел. При строго калиброванной частоте проверяют длительность калибро­ванной развертки.

Рисунок 4.3 – Прямоугольное напряжение типа «Меандр»

Длительность развертки (коэффициент развертки) (Время/дел) - номинальное время, за которое электронный луч пробе­гает одно деление шкалы на экране ЭЛТ в горизонтальном направ­лении, т. е. , где - определенная длительность раз­вертки; - горизонтальное отклонение луча на определенное расстояние, соответствующее .

При калиброванной частоте сигнала, равной 1 кГц, длитель­ности развертки мс/дел да экране появляется изображение, где один период сигнала укладывается в одном делении.