4.5 Универсальные электронные осциллографы

Универсальные осциллографы - многофункциональные при­боры, содержащие сменные блоки в каналах вертикального и гори­зонтального отклонений и предназначенные для исследования пе­риодических и однократных импульсных сигналов от 10 мкВ до 500 В в полосе частот от постоянного тока до 3,5 ГГц визуальным наблюдением и фотографированием. К сменным блокам универсаль­ного осциллографа относят: усилители, дифференциальный, двухканальный, высокочувствительный, стробоскопический; блоки раз­вертки сдвоенной, стробоскопической, логарифмирующий.

Характеристики осциллографа находятся в зависимости от ис­пользуемых сменных блоков. Исследуемый сигнал подается на вход­ную цепь канала вертикального отклонения (см. рис. 4.1). Затем он поступает на предварительный усилитель для усиления и преоб­разования фазы. В зависимости от типа сменного блока в составе предварительного усилителя может находиться двухканальный усилитель (коммутатор), стробоскопический усилитель (смеситель-модулятор), логарифмирующий блок (логарифмирующее устрой­ство) или другое функциональное устройство, выполняющее основ­ную функцию предварительного усиления и обработки сигнала. Далее сигнал, преобразованный в парафазный, поступает на ли­нию задержки для компенсации времени срабатывания (запазды­вания) канала горизонтального отклонения. Линия задержки вы­полняет свои функции при работе с блоками, функционирующими в реальном масштабе времени. С нее сигнал поступает на выходной усилитель, возбуждающий сигнальные пластины ЭЛТ.

В режиме внутренней синхронизации из канала вертикального отклонения снимается часть исследуемого сигнала и поступает в схему запуска. Запускающий сигнал подается на генератор развертки, который формирует пило­образное линейное напряжение или ступенчатое (стробоскопиче­ский блок) напряжение для отклонения луча ЭЛТ пропорционально времени. Генератор развёртки содержит регулировки режимов и длительности.

Выходные сигналы генератора развертки (пилообразное напря­жение и импульс подсвета) поступают на выходной усилитель раз­вертки и модулятор ЭЛТ для Отпирания электронного луча во время прямого хода развертки. Усилитель развертки преобразует фазу, усиливает пилообразное напряжение до значения, необходимого для получения требуемого временного масштаба изображения на экране.

Для повышения точности измерений в состав осциллографа входят калибраторы амплитуд и времени, предназначенные для калибровки коэффициентов отклонения канала вертикального отклонения и длительности (коэффициентов) развертки канала горизонтального отклонения. Измерение амплитудных и временных параметров может осуществляться разными методами. Наличие в осциллографе калибратора с плавной регулировкой выходного напряжения позволяет реализовать следующие методы измерений амплитудных параметров исследуемого сигнала: калиброванной шкалы; сравнения; компенсации. Два последних метода не реализуются со стробоскопическими блоками.

Наличие сменного блока с 2-мя развертками и входа Z дает возможность реализовать следующие методы измерения временных параметров исследуемого сигнала: калиброванной шкалы; измере­ния с помощью калиброванных меток; измерения с помощью задер­жанной развертки.

Метод измерения амплитуд и временных интервалов по калиброванной шкале основан на измерении линейных размеров изображения. Непосредственно по шкале экрана ЭЛТ.

Измеряемая амплитуда напряжения

(4.3)

где h - число делений по вертикали; - значение коэффициента отклонения по вертикали при максимальном усилении (ручка уси­ления находится в крайнем правом положении).

Измеряемый временной интервал

(4.4)

где l - число делений по горизонтали; - длительность раз­вертки; - множитель развертки.

Метод измерения по калиброванной шкале - основной.

Измерение амплитуд методом сравнения основано на замещении значения измеряемой части сигнала калибрационным напряжением. Отсчет измеряемого значения производится по показателям шкал регулировок калибрационного напряжения. Измерение амплитуд методом сравнения более трудоемко по сравнению с методом измерения по калиброванной шкале, но обеспечивает большую точность. Данный метод рекомендуется для измерения малых значении изображений сигнала (1-2 деления).

Измерение амплитуд методом компенсации основано на компен­сации исследуемого сигнала опорным (калибрационным) напряже­нием в дифференциальном усилителе. ЭЛТ является нуль-индикато­ром, по которому устанавливается порог совмещения (компенсации сигнала). Метод обеспечивает высокую точность.

Измерения временных интервалов с помощью задержанной раз­вертки основаны на смещении изображения вдоль линии развертки относительно выбранной неподвижной точки (линии) шкалы. От­счет производится по показаниям переключателя коэффициента задерживающей развертки и регулировки ручкой Задержка.

Усилитель дифференциальный. Он предназначен для предварительного усиления исследуемых сигналов. На два входа дифференциального усилителя поступают сигналы с различной амплитудой, а на выходе получают один сигнал, пропорциональный разности этих амплитуд.

Рисунок 4.14 – Изображение сигналов с помощью двухканального коммутатора

Усилитель дифференциальный помощью двухканального коммутатора значительно расширяет возмож­ности осциллографа. С его помощью можно исследовать: малые из­менения напряжения на большом уровне постоянного напряжения, отдельные участки импульсных сигналов, сигнал при значительном уровне помех; выполнить настройку двух- и многоканальных си­стем с одинаковыми выходными сигналами. Например, исследова­ние сигнала при значительном уровне помех выполняется в такой последовательности: исследуемый сигнал с помехой подается на один вход дифференциального усилителя, а на второй его вход подается сигнал, подобный сигналу помехи. Сигнал, исследуемый на экране ЭЛТ, представляет собой только полезный сигнал без помехи. Сигнал помехи подавляется.

Усилитель двухканальный. Двухканальный усилитель - коммутатор – позволяет исследовать два одновременных или следую­щих один за другим сигнала.

Коммутатор осциллографа попеременно подключает оконечный усилитель к предварительному усилителю то одного, то другого канала. При синхронном режиме коммутации коммутатор переключается во время обратного хода развертки, а при несинхронном - с постоянной частотой, задаваемой специальным генератором. Частота генераторов переключения составляет от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц.

На рисунке 4.14 показано изображение сигнала с помощью двух­канального усилителя при несинхронном режиме.

Блок сдвоенной развертки. Этот блок служит для получения калиброванной по времени развертки на экране ЭЛТ. Он состоит из двух генераторов развертки, которые могут работать вместе или раздельно. Упрощенная схема системы сдвоенной развертки показана на рис. 4.15. Генератор развертки Б идентичен генератору развертки А. Развертки содержат: цепи входные, синхронизации, запуска развертки, генераторы пилообразного напряжения и вспо­могательные узлы. Задержка начала развертки относительно мо­мента подачи управляющего импульса на время от 1 мкс примерно до 0,5-1 с осуществляется при работе обоих генераторов. Генерато­ром Б производится кали­брованная во времени за­держка, после которой ге­нератор А вырабатывает обычное развертывающее напряжение. Применение сдвоенной развертки рас­ширяет область примене­ния осциллографа, так как появляется возможность большой растяжки нужных участков сигнала, а также увеличивается точность из­мерения временных интер­валов. Но наибольшее растяжение во времени сигналов происхо­дит в режиме одновременной работы двух разверток А + Б. Для этого на полном изображении сложного сигнала, развернутого раз­верткой А, получают яркостную метку от развертки Б.

Рисунок 4.15 – Упрощенная схема системы сдвоенной развертки

Рисунок 4.16 – Применение сдвоенной развертки для измерения временных интервалов сигнала сложной формы

Ручкой Задержка смещают яркостную метку так, чтобы высве­чивалась представляющая интерес часть сигнала, и уточняют дли­тельность развертки Б. Затем устанавливают переключатель режи­мов работы в положение и на экране окажется изображение только рассматриваемой части сложного сигнала.

На рис. 4.16 показано применение задержанной развертки при исследовании сигнала сложной формы. Наличие такой развертки дает возможность задержать начало развертки Б на определенное время после момента запуска развертки А и получить изображение 1 только представляющей интерес части сложного сигнала. При этом необходимо установить правильное значение длительности раз­вертки А.

Сказанное выше подтверждает многофункциональность осцилло­графа. По рассмотренной схеме выполнен осциллограф С1-70.