4.2 Основные узлы электронных осциллографов

Канал вертикального отклонения. Канал вертикального отклонения электронного осциллографа предназначен для передачи исследуемого электрического сигнала на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. В канал вертикального отклонения входят входное устройство (входная цепь и аттенюатор), усилитель с линией задержки.

Входное устройство позволяет расширить пределы измеряемых входных напряжений и обеспечить необходимое входное сопро­тивление.

По схеме входной цепи различают осциллографы с открытым и закрытым входом. Открытый вход осциллографа (рис. 4.4, а) - вход, при котором сигнал подается непосредственно на аттенюатор и используется для передачи сигнала с постоянной составляющей; закрытый вход осциллографа (рис. 4.4, б) - вход, при котором сигнал подается через разделительный конденсатор и не пропускает постоянной составляющей. Входное сопротивление канала состав­ляет 0,5-2 МОм, а входная емкость 10-50 пФ. Некоторые осциллографы имеют низкоомный вход сопротивлением 50 или 75 Ом. Высокочастотные или широкополосные сигналы через коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом подаются на низкоомный вход. Исключая низкоомный вход параллельно входной цепи осциллографа включается аттенюатор с дискретным коэффициентом деления.

Рисунок 4.4 – Открытый (а) и закрытый (б) вход осциллографа

Аттенюатор (делитель напряжения) предназначен для регулировки коэффициента отклонения GV по вертикали путем ослабления сигнала и обеспечивает постоянное значение коэффициента откло­нения во всем диапазоне полосы пропускания усилителя ВО, почти неизменное большое входное сопротивление и малую входную ем­кость при переходе от одного коэффициента деления к другому. Аттенюатор (рис. 4.5, где и - соответственно входное и выходное напряжения аттенюатора) состоит из резисторов сопро­тивлениями и конденсаторов емкостями

Коэффициент деления равен

(4.1)

где ; - комплексные сопротивления звеньев и .

Если в подставить значения и принять , то

(4.2)

А

Рисунок 4.5 – Схема делителя напряжения

ттенюатор работает как омический в области низких частот и как емкостный в области высоких частот. Теоретически ,а следовательно, и не зависят от частоты, поэтому аттенюатор называют частотно-скомпенсированным , во всей рабо­чей полосе частот осциллографа. Погрешность коэффициента де­ления не превышает ±3 %. Входное сопротивление (за исклю­чением низкоомного входа) , где ; входная емкость , где . В современных осциллографах обеспечивается коэффициент деления , равный 1:1; 1:2; 1:5; 1:10; 1:20; 1:50; 1:100; 1:200; 1:500; 1:1000 – l:2000.

Шкалы аттенюаторов градуируются в значениях коэффициента отклонения по вертикали (0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20 В/дел), что позволяет существенно упростить процесс определения значения искомого напряжения. На рис. 4.6 показана лицевая панель осциллографа С1 -73

.

Усилитель ВО предназначен для преобразования измеряемого сигнала в два противофазных сигнала и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по вертикали на весь экран. Для согласования выхода аттенюатора с входом предварительного усилителя служит входной каскад, выполненный по схеме истокового (катодного, эмиттерного) повторителя. Истоковый повтори­тель обеспечивает большое входное сопротивление и малую вход­ную емкость. С выхода истокового повторителя исследуемый сиг­нал поступает на балансный усилитель с обратной связью, обла­дающий хорошей стабильностью и широкополосностью, большим входным и малым выходным сопротивлениями. Одно плечо трехкаскадного балансного усилителя нагружено на линию задержки, а со второго плеча снимается сигнал для внутренней синхронизации.

Рисунок 4.6 – Лицевая панель осциллографа С1-73

Линия задержки представляет собой однопроводный коаксиальный кабель или искусственные длинные линии. Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением порядка 800-1000 Ом обеспечивает задержку исследуемого сигнала примерно на 200 нс.

Выходным каскадом является парафазный усилитель, создаю­щий на отклоняющих пластинах два симметричных противофазных напряжения и обеспечивающий малое выходное сопротивление. Парафазный усилитель при любом значении выходного сигнала создает неизменный потенциал средней линии между пластинами, что предотвращает появление нелинейных искажений в осцилло­грамме сигнала, улучшает фокусировку.

В осциллографах имеется возможность подачи исследуемого сиг­нала непосредственно на пластины.

Канал горизонтального отклонения предназначен для формирования синхронного с иссле­дуемым сигналом линейно-изменяющегося напряжения с амплиту­дой, достаточной для отклонения луча ЭЛТ на весь экран по гори­зонтали. Канал горизонтального отклонения состоит из схемы синхронизации, генератора развертки, выходного усилителя ГО, усилителя подсвета.

Генератор развертки предназначен для формирования линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения, синхронного с иссле­дуемым сигналом. Развертывающее напряжение, вырабатываемое генератором развертки, обеспечивает горизонтальное перемещение луча с постоянной скоростью.

Развертка – линейное перемещение электронного луча, или создаваемый им след на экране. Развертывающее напряжение должно иметь высокую линейность при прямом ходе луча, быстрый спад при обратном ходе луча, т. е. , достаточную амплитуду для отклонения луча на весь экран и регулируемую в широких пределах частоту развертки (от сотых долей герца до нескольких мегагерц) или длительность.

Рисунок 4.7 – Схема генератора развертки

При изменениях длительности раз­вертки изменяются скорость движения луча по горизонтали, а, следовательно, и масштаб времени. Принцип работы ге­нератора развертки (рис. 4.7) заключает­ся в заряде и разряде конденсатора че­рез сопротивление резистора или элек­тронной лампы. Переключение конден­сатора с заряда на разряд выполняется автоматически. Разверт­ка получается периодической (непрерывной) при работе электрон­ной коммутирующей схемы в автоколебательном режиме и ждущей - при работе в ждущем режиме. Если постоянная вре­мени цепи заряда много больше постоянной времени цепи разряда , то напряжение , создаваемое в процес­се заряда конденсатора, используют для прямого хода луча (рис. 4.8, а). Если же , то прямой ход луча создается напря­жением разряда, а об­ратный ход - напряже­нием заряда (рис. 4.8, б).

Рисунок 4.8 – Временные диаграммы развертывающего напряжения u_P(t)

Параметры элементов коммутирующей схемы, емкости конденсаторов и сопротивление рези­сторов цепи (см. рис. 4.7) определяют продолжительность замкнутого или разомкнутого состояния коммутатора , а следовательно, длительность или частоту развертывающего напряжения. Для изменения диапазона длительности или частоты развертки обычно предусматриваются набор конденсато­ров и переменный резистор - для плавной регулировки внутри диапазона.

Генераторы развертки могут быть релаксационного и интегрирующего типов, выполняться на ионных приборах, электронных лампах, транзисторах и интегральных схемах. Генераторы развертки выполненные на транзисторных и интегральных схемах, используются в полупроводниковых осциллографах. Их достоинства - малые потребление энергии, габариты и масса. Генераторы развертки, выполненные на электронных лампах, используют в широкополосных, универсальных и скоростных осциллографах.

Генераторы развертки должны иметь высокую линейность пило­образного напряжения. Коэффициент нелинейности, выражающий относительное изменение скорости нарастания напряжения в на­чале и конце прямого хода, должен быть не более 1-3 %. Требо­вание высокой линейности пилообразного напряжения вызвано тем, что в осциллографах применяется калиброванная развертка, при которой определенному горизонтальному отклонению луча соответствует строго определенная длительность развертки . Пределы изменения пилообразного напряжения могут точно фиксироваться (рис. 4.9). Фиксированному соответствует опре­деленное время развертки , что позволяет калибровать времен­ной масштаб.

С длительностью развертки связано понятие ско­рости развертки (дел/время) - пути прямого хода луча в единицу времени, т. е. . На рис. 4.9 можно наблюдать шка­лу калиброванной развертки от до .

Рисунок 4.9 – Напряжение линейной калиброванной развертки

Линейная непрерывная развертка используется при исследовании сигналов синусоидальных, импульсных малой скважности. Линейная ждущая развертка используется при исследовании сигналов импульсных большой скважности с крутыми фронтами, несинусоидальных, а также при тщательном исследовании отдельных участков сигнала.

При исследовании импульсов большой скважности импульс за­нимает малую долю развертки, поэтому плохо просматривается на экране осциллографа. Если период развертки выбрать равным периоду повторения импульсов , то изображение импульса на экране получится очень сжатым. Если же период развертки выбрать в несколько раз короче, чем период повторения исследуемого импульса , то импульс наблюдается на экране, но он будет бледным по сравнению с линией развертки, которая прочерчивается несколько раз за одно его появление. Импульс хорошо наблюдается на экране, если развертка ждущая.

Чтобы иметь возможность полностью наблюдать на экране импульс и его фронт, необходимо поступление импульса на пла­стины несколько задержать по отношению к началу нарастания развертывающего напряжения, что выполняет линия задержки (см. рис. 4.1).

Схема синхронизации предназначена для принудительного генерирования напряжения генератором развертки с частотой, равной или кратной частоте исследуемого сигнала, т. е. . В схеме синхронизации сигнал любой формы и полярности преобразуется в прямоугольные или остроконечные импульсы положительной полярности с амплитудой, достаточной для запуска генератора раз­вертки. Запускающие импульсы, формируются от исследуемого сигнала (внутренняя синхронизация) или от внешнего источника (внешняя синхронизация).

Синхронизация тем лучше, чем частота генератора развертки ближе к частоте напряжения синхронизации. Устойчивость син­хронизации зависит от значения синхронизирующего напряжения.

Исследуемый сигнал и напряжение генератора развертки соз­даются разными источниками, их параметры поэтому независимы, но изменение частоты одно­го из этих сигналов при­водит к нарушению усло­вий неподвижности изображения исследуемого сигнала на экране. Часто­та напряжения генератора развертки обычно синхро­низирована с частотой на­пряжения исследуемого сигнала с помощью схемы синхронизации и запуска генератора развертки. Уро­вень синхронизирующего сигнала, при котором сра­батывает синхронизация, плавно регулируется и на­ходится в пределах от де­сятых долей вольта до де­сятков вольт.

Схемы синхронизации и запуска преобразовывают сигнал любой формы и по­лярности, поступающий ли­бо от усилителя ВО, либо от внешнего источника, в остроконечные импульсы положительной полярности, имеющие амплитуду, достаточную для запуска гене­ратора развертки, и синхронизированные по частоте повторения с исследуемым сигналом. При запуске генератора развертки синхронизирующим импульсом обеспечивается ждущий режим без синхронизирующего импульса – автоколебательный.

Рисунок 4.10 – Временные диаграммы напряжений при исследовании синусоидального сигнала

Рисунок 4.11 – Временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольного сигнала

На рисунке 4.10 показаны временные диаграммы напряжений при исследовании синусоидального сигнала и работе генератора раз­вертки в автоколебательном режиме: а - изображение устойчи­вое (выполнено условие синхронизации); б – изображение неустойчивое (синхронизация нарушена).

На рисунке 4.11, а представлены временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных импульсов с внутренней син­хронизацией, режим работы генератора развертки ждущим.

Внешний сигнал для синхронизации чаще всего используется в случае, когда нужно запустить генератор развертки опережающим сигналом по отно­шению к исследуемому.

На рисунке 4.11, б показаны временные диаграммы напряже­ний, поясняющие режим внеш­ней синхронизации, при иссле­довании сигнала. Внешние сиг­налы положительной полярно­сти, преобразованные в остро­конечные импульсы, запускают генератор развертки с частотой, синхронизированной с частотой исследуемого сигнала. Время задержки исследуемого сиг­нала относительно запуска генератора развертки может регу­лироваться в необходимых пре­делах.

Рисунок 4.12 – Изображение исследуемого сигнала при M_Р=1; M_Р=0,2

Выходной усилитель ГО предназначен для преобразования пилообразного напряжения ге­нератора развертки в два про­тивофазных сигнала и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по гори­зонтали на весь экран. Полоса частот усилителя ГО значи­тельно уже полосы частот усилителя ВО, а коэффициент отклонения примерно в 100 раз больше минимального коэффициента отклонения .

В ряде осциллографов предусматривают схему с изменяющимся скачкообразно (например, в пять раз) коэффициентом усиления усилителя ГО, что позволяет соответ­ственно увеличить напряжения развертки в раз и растянуть изображение, тем самым изменить временной масштаб ( - мно­житель развертки). Новое значение калиброванной длительности развертки . На рис. 4.12 показано построение изобра­жения исследуемого сигнала на экране осциллографа при двух значениях . Усилитель ГО имеет возможность усиливать сиг­нал непосредственно от внешнего источника (при выключенном гене­раторе развертки).