3. Исследование формы и параметров сигналов

Универсальные электронно-лучевые осциллографы

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) - это измерительный прибор, предназначенный для наблюдения и исследования электрических процессов, воспроизводимых на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Помимо качественной оценки исследуемых процессов электронно-лучевые осциллографы позволяют измерять ряд параметров: максимальное и мгновенное значения напряжений и токов, длительность импульсов, частоту и фазу периодических колебаний и другие параметры.

ЭЛО разделяются на универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные.

Наибольшее распространение получили универсальные ЭЛО, позволяющие исследовать электрические сигналы в широком диапазоне амплитуд, длительностей и частот повторения. Полоса частот, исследуемых ЭЛО достигает 250 МГц.

Их можно использовать для наблюдения и измерения сигналов с амплитудами от долей милливольта до сотен вольт и длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд. Верхний предел полосы пропускания осциллографов приближается к 1 ГГц, а специальных до 10ГГц. Запоминающие ЭЛО, благодаря применению специальных электронно-лучевых трубок, обладают способность исследовать медленно текущие процессы.

К числу специальных ЭЛО, можно отнести осциллографы, предназначенные для исследования телевизионных сигналов и снабженные для этого специальными устройствами (блоком выделения строки, устройством восстановления постоянной составляющей и т. д.).

По числу одновременно наблюдаемых на экране электронно-лучевой трубки электрических сигналов осциллографы разделяются на однолучевые, многолучевые и многоканальные.

Упрощенная структурная схема осциллографа приведена на рисунке . Она содержит электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), канал вертикального отклонения, канал горизонтального отклонения, калибратор.

Принцип получения изображения исследуемого напряжения на экране осциллографа в общих чертах заключается в следующем. Исследуемое напряжение, которое является функцией времени, отображается в прямоугольных координатах Х, У графиком . Две пары пластин ЭЛТ, расположенные по отношению друг к другу под углом 90^о, отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для наблюдения на экране исследуемого напряжения необходимо отклонять луч по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси – пропорционально величине исследуемого напряжения. С этой целью к горизонтально отклоняющим пластинам подается линейно изменяющееся напряжение, под действием которого электронный луч перемещается по горизонтали с постоянной скоростью слева направо. В исходное положение луч возвращается с гораздо большей скоростью.

Напряжение горизонтальной развертки, имеющее пилообразную форму создается внутренним генератором развертывающего напряжения. Величина перемещения луча по горизонтальной оси является линейной функцией времени.

Исследуемое напряжение поступает на вход канала вертикального отклонения и далее на вертикально отклоняющие пластины.

Следовательно, в каждый момент времени положение электронного луча соответствует величине исследуемого напряжения. За время прямого хода, луч прочерчивает кривую исследуемого сигнала. Изображение кривой на экране называют осциллограммой. Если развертывающее напряжение и напряжение исследуемого сигнала синхронно и периодически повторяется, то на экране осциллографа наблюдается неподвижное изображение сигнала.

Рассмотрим функционирование основных узлов осциллографа.

Упрощенная структурная схема осциллографа

Канал вертикального отклонения луча (канал У) предназначен для передачи напряжения исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Входной блок канала имеет калиброванный переключатель усиления с помощью которого устанавливается масштаб ВОЛЬТ/ДЕЛЕНИЕ на экране осциллографа.

В усилителе вертикального отклонения имеется линия задержки, благодаря которой обеспечивается подача исследуемого импульсного сигнала с задержкой относительно пилообразного напряжения, поступающего на горизонтально отклоняющие пластины, что позволяет наблюдать передний фронт импульсного сигнала. Усилитель вертикального отклонения усиливает исследуемый сигнал до величины, необходимой для получения достаточного для наблюдения размера исследуемого сигнала на экране ЭЛТ.

Канал горизонтального отклонения луча или канал Х вырабатывает напряжение перемещающее луч в горизонтальном направлении пропорционально времени. Он содержит: генератор развертывающего напряжения, который перемещает луч по горизонтали с определенной скоростью; усилитель, обеспечивающий необходимую величину напряжения развертки; схему синхронизации, предназначенную для усиления, преобразования и изменения полярности синхронизирующего сигнала с целью получения устойчивой неискаженной осциллограммы.

Для получения на экране устойчивой осциллограммы служит схема синхронизации и запуска развертки, которая управляет генератором развертки и обеспечивает кратность периодов исследуемого сигнала и развертывающего напряжения. Для наблюдения изображения неподвижным начало развертки должно быть связано с одной и той же точкой сигнала. Эту привязку к определенным точкам сигнала осуществляет схема синхронизации, с помощью которой устанавливается определенный уровень и наклон («+» или « - » ), определяющий момент начала развертки.

Схема синхронизации вырабатывает короткий импульс, поступающий на генератор развертки и запускающий его с помощью переключателя, расположенного на передней панели, возможно выбрать один из трех режимов синхронизации – внутренний, внешний и от сети. При внутренней синхронизации импульсы, запускающие схему, вырабатываются из входного сигнала, который поступает из канала вертикального отклонения до линии задержки. В режиме внешней синхронизации запускающий сигнал подается на схему синхронизации от внешнего источника через специальный вход на передней панели. При этом осуществляется ждущий режим работы генератора развертки, который обеспечивает исследование импульсных сигналов, в том числе с большой скважностью и даже не непериодических. В ждущем режиме напряжение развертки поступает на горизонтально отклоняющие пластина трубки синхронно с моментом их появления запускающего сигнала. При поступлении запускающего импульса электронный луч совершает один прямой и один обратный ход. После этого генератор развертки будет находится в заторможенном состоянии и «ждать» прихода следующего запускающего импульса.

Генератором развертки так же вырабатываются специальный прямоугольный импульс подсвета, длительность которого равна длительности прямого входа развертывающего напряжения. Сформированный в усилителе Z импульс поступает на модулятор ЭЛТ и подсвечивает прямой ход развертки. Как правило, в осциллографах предусматривается возможность модуляции изображения исследуемого сигнала по яркости внешнего сигнала. Для этой цели служит вход Z, а так же схема, позволяющая изменять полярность модулирующего напряжения.

Для точной установки коэффициента усиления сигнала по входу У и коэффициента развертки в осциллографе предусматривается встроенный генератор сигналов с точно известными амплитудой и частотой.

Специальными осциллографами можно исследовать АЧХ (амплитудно-частотные характеристики) усилителей, получая форму АЧХ прямо на экране.

      Поясним сказанное на диаграммах.

      Изображение на экране будет неподвижным если период развертки Т_р и период исследуемого сигнала Т_с будут кратными некоторому числу n:

n·Т_р=Т_с ;

      Этого можно достигнуть путем изменения частоты развертки по оси Х. Такая процедура называется синхронизацией исследуемого сигнала и развертки.

 Если осциллограф двухлучевой, тогда он имеет два канала с входами Х и У и для каждого канала приводятся технические характеристики.       Осциллографы имеют ручки ступенчатого переключения длительности развертки с указанием цены деления сетки (Калиброванный коэффициент развертки, или частота развертки) и ручки коэффициента отклонения по оси У (Калиброванный коэффициент отклонения, или коэффициент усиления по вертикали) с ценой деления клетки сетки по вертикали.