Часть 4.

ИЗМЕРЕНИЕ ФОРМЫ, СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ МОДУЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИИ

Глава 9.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

1. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Электронный осциллограф — универсальный измерительный прибор, применяемый для визуального наблюдения и фотографи­рования электрических сигналов и измерения их параметров. В большинстве случаев в электронном осциллографе для отображе­ния информации используется электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Из основного назначения следуют основные требования, преъявля- емые к осциллографу: высокая-чувствительность, широкий диапа­зон частот и большое входное сопротивление.

Принцип действия электронного осциллографа, построенного на основе электростатической ЭЛТ, состоит в следующем. Сфоку­сированный электронный луч, проходя между вертикально и го­ризонтально отклоняющими пластинами X, У, может отклоняться под воздействием напряжения, приложенного к пластинам, в на­правлении, перпендикулярном плоскости пластин (рис. 9.1). Это

Рис. 9.1

отклонение, наблюдаемое на экране ЭЛТ по положению светяще­гося пятна, прямо пропорционально приложенному напряжению, т. е. X=S'^l_xU_x и Y^S^yUy, где S^T*, S^_v — чувствительность трубки по горизонтальной и вертикальной осям, мм/В, U_x, U_v — напряже­ние на пластинах. Пусть напряжение, приложенное к пластинам У, равно нулю, а на Х-пластины подано напряжение идеальной пи­лообразной формы (см. рис. 9.1). Тогда пятно от электронного лу­ча на экране трубки будет перемещаться в горизонтальном нап­равлении в течение времени Т_р (прямой ход луча), а затем мгно­венно возвратится в первоначальное положение (обратный ход луча). В последующие периоды пилообразного напряжения дви­жение луча повторится и на экране будет высвечена горизонталь­ная линия, соответствующая прямому ходу луча. Обратный ход и нашем случае происходит так быстро, что свечения экрана не будет. Отклонение луча в горизонтальном направлении, линейно связанное со временем, называется разверткой. Если кроме на­пряжения развертки на пластинах X подать на У-пластины пери­одическое напряжение u_v—u_c{t), то при равенстве периодов из­менения напряжений на пластинах, Т_Р~Т_С, на экране будет одно­кратное неподвижное изображение траектории пятна — исследу­емого сигнала во времени (рис. 9.1). Траекторию пятна на экране можно построить графически по точкам, задавая моменты вре­мени и соответствующие им напряжения развертки и сигнала. На основании сказанного зависимость координат пятна от време­ни можно выразить, как

х — S^T_xu_p(/) = S^T_X(—Uo-\-2U₀t/T_p); y = S^fI_vu_c(t).

Исключая время, получаем уравнение траектории пятна в прямо­угольной системе координат: y = S^T_vu_c[ax-{-b], где a = T_p/2U₀S^T_x; Ь = Т_Р/2 — постоянные величины, не зависящие от напряжения сиг­нала. Эту траекторию пятна, отражающую форму зависимости ис­следуемого колебания от времени, называют осциллограммой. По осциллограмме могут быть измерены параметры сигнала: ампли­туда, период,частота и т. п.

Мы рассмотрели использование в качестве напряжения раз­вертки идеального пилообразного напряжения. В случае реально­го пилообразного напряжения длительность прямого хода Т„ не равна периоду развертки Т_р и отличается от него на длительность обратного хода Т₀б- На рис. 9.1 штриховой линией показано изме­нение напряжения обратного хода на развертке (линия Ьс), а так­же изображение обратного хода на осциллограмме (линия аО). Линия обратного хода вследствие нелинейности развертки на уча­стке обратного хода полезной информации не содержит, а лишь искажает осциллограмму. Поэтому на ЭЛТ на время обратного хода подают запирающее напряжение, и луч на это время гасится. Напряжение развертки формируют таким образом, чтобы Г_р« »Тп(Тоб<Тп).

При реальной форме пилообразного напряжения нелинейно­стью обладает и напряжение в течение прямого хода. Это приво- 222 дит к искажению осциллограмм: на участках прямого хода, где скорость развертки уменьшается, масштаб времени на осцилло­грамме увеличивается, одинаковым отрезкам длины соответству­ют большие промежутки времени. Это приводит к погрешности при измерении промежутков времени по осциллограмме. Поэтому нелинейность развертки в осциллографах строго нормируется.

Для получения одноконтурного неподвижного изображения не­обходимо, чтобы Т_Р=Т_С. В противном случае электронный луч не будет каждый новый период изменения напряжения развертки перемещаться по одной траектории, и на экране получится семей­ство сдвинутых друг относительно друга кривых, наблюдаемых как светлый прямоугольник. Очевидно, приемлемым условием для получения одноконтурного изображения является также условие Т_р=пТ_с, где п — целое число (0, 1, 2,...). При этом на экране мо­жет получаться несколько периодов изменения напряжения сиг­нала. Условие Тр = пТ_с достигается введением синхронизации пе­риода развертки с периодом повторения исследуемого сигнала. Синхронизация осуществляется либо внешним стабильным сигна­лом (внешняя синхронизация), либо самим напряжением сигнала, подаваемым на генератор напряжения развертки (внутренняя син­хронизация) .

При получении осциллограмм импульсных напряжений с боль­шой скважностью сталкиваются с трудностью, связанной с тем, ■что при выполнении условия Т_Р = Т_С осциллограмма импульса прев­ращается в вертикальную линию, которая не характеризует фор­му импульса. Эта трудность преодолевается использованием жду­щей развертки. Ждущая развертка запускается каждым пришед­шим импульсом. Длительность прямого хода развертки устанав­ливается примерно равной длительности импульса. Начало каж­дого импульса соответствует одной и той же точке экрана. Поэто­му на экране получается неподвижное изображение импульса, ко­торое занимает большую часть экрана. Ждущая развертка при­меняется при получении осциллограмм и непериодических импуль­сов.

В целях повышения точности измерения временных интерва­лов по осциллограмме стремятся увеличить длину линии разверт­ки на экране. Для этого применяют круговую или спиральную развертки: линия развертки на экране представляет собой круг ши спиральную линию. Круговая развертка может быть получена, если на отклоняющие пластины трубки X и Y подать гармониче­ские напряжения одной частоты, но сдвинутые по фазе на 90°. Спи­ральная развертка получается, если в отличие от круговой раз­вертки на пластины будут поданы гармонические колебания, сдви­нутые по фазе на 90°, с амплитудами, изменяющимися по линей­ному закону. Исследуемый сигнал подается в этом случае на элект­род трубки, управляющий яркостью свечения пятна.

Электронные осциллографы являются самым распространенным универсальным радиоизмерительным прибором. В основу их клас­сификации положен ряд признаков: а) число одновременно иссле­

дуемых сигналов; б) ширина полосы пропускания канала сигна­ла, определяемой нижней и верхней граничными частотами; в) ха­рактер исследуемого процесса — непрерывные сигналы, импульс­ные многократные или однократные. В зависимости от назначе­ния и электрических характеристик осциллографы в соответствии с ГОСТ 15094—69 разделяются на универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные.

Универсальные осциллографы (С1) имеют наибольшее распро­странение: они позволяют исследовать разнообразие электрических сигналов в широком диапазоне частот, амплитуд, длительностей и частот повторения сигналов. Полоса пропускания таких осцил­лографов достигает 350 МГц, Диапазон амплитуд исследуемых сигналов составляет от единиц милливольт до сотен вольт, дли­тельность исследуемых импульсов лежит в пределах от единиц наносекунд до нескольких секунд. Изображение сигнала на экра­не индицируется почти одновременно с действием сигнала на вхо­де. Поэтому такие осциллографы называют осциллографами ре­ального времени.

Скоростные осциллографы (07) предназначены для исследова­ния в реальном масштабе времени СВЧ-колебаний, однократных, редко повторяющихся и периодических импульсных сигналов дли­тельностью в доли и единицы наносекунд путем визуального на­блюдения с регистрацией на фотопленку. В этих осциллографах применяется ЭЛТ с бегущей волной, полоса пропускания 0 ... 5 ГГц.

Стробоскопические осциллографы (С7) обладают способностью исследовать сигналы пикосекундной длительности, благодаря при­менению стробоскопического метода трансформации масштаба времени сигнала. Эти осциллографы обладают большой чувстви­тельностью (мВ) и полосой пропускания (до 10 ГГц), однако при­менимы только для исследования повторяющихся сигналов.

Запоминающие осциллографы (СВ) обладают способностью сохранять и воспроизводить изображение сигнала на экране пос­ле его исчезновения на входе осциллографа благодаря применению специальных ЭЛТ. Эти приборы в основном предназначены для исследования медленно изменяющихся и однократных сигналов. Диапазон измеряемых интервалов времени в них расширен до де­сятков секунд.

Специальные осциллографы — это, главным образом, телеви­зионные осциллографы, предназначенные для исследования телеви­зионных сигналов.

Большинство осциллографов — приборы с аналоговой обработ­кой сигнала и использованием аналогового метода измерения его параметров.

В последние годы получили развитие осциллографы с цифро­вой обработкой сигнала и использованием цифровых методов из­мерения параметров сигнала. В осциллографах с цифровой обра­боткой сигнала исследуемый сигнал и напряжение развертки кван­туются по уровню и дискретизируются по времени, благодаря че­

му для обработки сигнала может быть применена цифровая встро­енная ЭВМ, которая усредняет сигналы, складывает, вычитает, умножает, делит, выполняет преобразование Фурье и т. д. Затем осуществляется цифроаналоговое преобразование сигналов и ото­бражение информации в аналоговой форме. Часто такие осцил­лографы называют вычислительными.

2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА С АНАЛОГОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ СИГНАЛА

Упрощенная структурная схема, по которой строится большин­ство осциллографов, работающих в реальном масштабе времени, изображена на рис. 9.2. Она содержит следующие основные ча*

Канав У ef вход У >—От 1> Входное устройство\ вход синхронизации >—Вт 1 - НаналХ Б1 Jll1 > цепь синхро­низации и записна Вход Z >-е- Выход v-e- А > Калибратор Внеш. SZ -t>	”1
к	и и
	1 к -п -С-

AZ

At

АЗ

КаналZ АН

Внутр.

ЕТ1

Рис. 9.2

сти: канал вертикального отклонения луча (канал F), канал го­ризонтального отклонения (канал X), канал управления лучом по яркости (канал Z), калибратор, ЭЛТ VL1 со схемами фокусиров­ки, управления и питания. Рассмотрим сначала канал вертикаль­ного отклонения. На входное устройство поступает исследуемый сигнал. Поэтому входная цепь должна обеспечивать согласование параметров входа усилителя вертикального отклонения А1 с па­раметрами цепи исследуемого сигнала. Чтобы можно было иссле­довать сигналы с малой амплитудой при наличии большого посто­янного напряжения, во входное устройство вводится коммутиру­емая разделительная емкость. Входное устройство имеет дели­тель напряжения для расширения пределов измерения со ступен­чато изменяющимися коэффициентами деления. В некоторых осцил­лографах предусматривается возможность подключения как не­симметричного относительно корпуса сигнала, так и симметрич­ного (обычный и дифференциальный входы). Предварительный усилитель А1 позволяет решать следующие задачи: усиление ис­следуемого сигнала, сохраняя возможно большее значение отно­

шения сигнал-шум в рабочем диапазоне частот, согласование па­раметров сигнала с параметрами линии задержки, преобразова­ние сигнала из несимметричного в симметричный.

Линия задержки ETI обеспечивает поступление сигнала на Г-пластины ЭЛТ после поступления напряжения развертки на Х-пластины, благодаря чему можно наблюдать фронт исследуемо­го импульса при синхронизации развертки исследуемым импуль­сом. Задержка составляет примерно 0,1 мке.

Оконечный усилитель А2 канала У обеспечивает усиление иссле^- дуемого сигнала до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана по вертикали, при этом используется двухтакт­ный усилитель.

Канал горизонтального отклонения луча включает в себя ге­нератор развертки G1, оконечный усилитель АЗ, устройство син­хронизации и запуска развертки.

Генератор развертки предназначен для формирования напря­жения, вызывающего отклонение луча по горизонтали, пропорци­онально времени. Параметры напряжения развертки должны соответствовать времени нарастания переходной характеристики канала и возможностям экрана данной ЭЛТ к наблюдению мед­ленных процессов. Генератор развертки имеет три режима работы: автоколебательный, ждущий и однократной развертки. Автоколе­бательный режим применяется для наблюдения синусоидальных и импульсных сигналов с небольшой скважностью. Сигналы синх­ронизации (внешней и внутренней), поступающие на генератор, обеспечивают кратность частоты разверток частоте исследуемого колебания.

Ждущий режим генератора развертки используется при иссле­довании импульсных сигналов с большой скважностью. Генератор в этом режиме находится в состоянии готовности к рабочему хо­ду развертки. При поступлении запускающего импульса начина­ется рабочий ход развертки. По окончании рабочего хода разверт­ки генератор возвращается в состояние готовности к новому ра­бочему ходу. Следующий рабочий ход начинается только с прихо­дом следующего запускающего импульса. Яркость изображения импульса на экране обратно пропорциональна частоте следования исследуемых импульсов. Минимальная частота следования опре­деляется световыми параметрами ЭЛТ.

Режим однократной развертки предусмотрен у большинства осциллографов. Он предназначен для фотографирования одиноч­ных сигналов или для их запоминания. Генератор развертки на­ходится в состоянии готовности к рабочему ходу. Нажатием кноп­ки ПУСК генератор запускается очередным импульсом. После ра­бочего хода развертка автоматически блокируется и не запуска­ется следующим импульсом до очередного нажатия кнопки ПУСК.

Для получения изображения более крупного масштаба по оси времени, чем позволяет генератор развертки, у большинства ос­циллографов предусматривается режим «растягивания» во вре­мени, что достигается увеличением коэффициента усиления око- 226

нечного усилитель канала X в заданное число раз (2, 5, 10). Ко­нечно, при работе в таком режиме уменьшается яркость изображе­ния.

В ряде случаев необходимо бывает исследовать часть импуль­са, которая появляется значительно позже запускающего импуль­са. Для этого можно было бы использовать медленную разверт­ку, чтобы поместился весь импульс. Однако изображение будет сильно сжато, измерение параметров будет затруднено. Для ис­следования таких сигналов, а также для повышения точности из­меренных временных интервалов в осциллографах используют ме­тод задержанной и задерживающей разверток. В этом случае при­меняют две линейные калиброванные развертки: медленная (за­держивающая), позволяющая видеть весь сигнал и выбирать на нем интересующий нас участок с помощью специальной метки, и быстрая (задержанная), которая запускается в момент, предше­ствующий началу измеряемого участка, и тем самым обеспечи­вает более крупное изображение измеряемой части сигнала.

У большинства осциллографов наряду с режимом развертки во времени используется режим отклонения (режим X-Y) иссле­дуемым сигналом по горизонтали, аналогично тому, как это дела­ется в канал У. Этот режим необходим при исследовании различ­ных функциональных зависимостей, таких как ВАХ приборов, ин­терференционные фигуры и др. Для этого исследуемое напряжение подается на вход У и вход X (вход синхронизации).

Оконечный усилитель канала X по назначению и устройству аналогичен оконечному усилению канала У. Он предназначен для усиления напряжения развертки или внешнего сигнала до значе­ния, достаточного для отклонения луча в пределах экрана по го­ризонтали.

Устройство синхронизации и запуска развертки предназначе­но для получения устойчивого изображения сигнала на экране осциллографа. Для этого начало рабочего хода развертки долж­но совпадать строго с одной и той же характерной точкой иссле­дуемого сигнала. При автоколебательном режиме работы генера­тора развертки этот процесс привязки начала развертки к нача­лу наблюдаемого сигнала называют синхронизацией, а при жду­щем режиме и одиночном запуске — запуском развертки. Разли­чие состоит в том, что в автоколебательном режиме развертка ге­нерируется независимо от того, есть или нет сигнал синхрониза­ции. Для обеспечения синхронизации и запуска развертки устрой­ство синхронизации вырабатывает импульс с крутым фронтом и постоянной амплитудой в момент времени, когда входной сигнал достигает заданного уровня. Этим импульсом корректируется дли­тельность обратного хода развертки или ее запуск.

Канал управления током луча (канал Z) служит для установ­ки яркости изображения сигнала на экране ЭЛТ, удобной для его наблюдения как вручную (изменяя смещение на модуляторе или катоде ЭЛТ), так и с помощью усилителя, на вход которого пода­ются сигналы внешнего или внутреннего источника, для быстрого подсвечивания важных участков изображения сйгйала. Осноййбб назначение канала Z состоит в подсвечивании рабочего хода раз­вертки. Во время рабочего хода на вход усилителя Z подается прямоугольный импульс подсвета, который вырабатывается гене­ратором развертки и после усиления подается на модулятор или катод ЭЛТ.

Калибровочные цепи представляют собой генераторы сигна­ла с точно известными амплитудой и периодом. Как калибровоч­ный сигнал чаще всего используется меандр. Калибровочное на­пряжение подается на вход осциллографа. Органы управления ус­танавливаются в указанные в инструкции положения и проверяет­ся совмещение калибровочного сигнала с заданными рисками шкалы.

Современные ЭЛТ, которые используются в электронных осцил­лографах, обладают рядом особенностей. Для лучшего соотноше­ния яркости изображения, чувствительности к отклонению при приемлемой длине ЭЛТ содержат дополнительные электроды. Это, прежде всего, квадрупольные линзы, расположенные вблизи откло­няющих пластин в широкополосных осциллографах. В более низ­кочастотных используется ЭЛТ с куполообразной сеткой, установ­ленной после пластины отклонения. Этим самым формируется рас­сеивающая линза.

Алюминирование экрана позволяет увеличить яркость свечения люминофора у ЭЛТ с большими ускоряющими напряжениями. На экран ЭЛТ поверх люминофора наносится тонкая пленка алюми­ния, прозрачная для электронного луча, но непрозрачная для све­тового излучения люминофора. Выигрыш в яркости свечения при этом получается за счет того, что световой поток от люминофора, направленный внутрь ЭЛТ, отражается алюминиевой пленкой в сторону наблюдателя.

Отметим, что лучше всего человеческий глаз воспринимает све­чение зеленого и желтого цветов. Фотографические материалы име­ют максимум чувствительности в области голубого и фиолетово­го цветов. Поэтому для наблюдения следует выбирать ЭЛТ с лю­минесцентным покрытием типа И, а для фотографирования — лю­минесцентное покрытие типа А. Следует также учитывать необхо­димость послесвечения.

3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ОСЦИЛЛОГРАФОВ

Канал вертикального отклонения. Основными нормируемыми характеристиками осциллографа, определяемыми каналом верти­кального отклонения, являются чувствительность (коэффициент отклонения), время нарастания переходной характеристики кана­ла вертикального отклонения и полоса пропускания, входное со­противление. Кроме того, нормируется степень допустимых иска- жеиий сигналов иа экране и основная погрешность измерения на­пряжения.

1. Чувствительность канала вертикального отклонения S_y, мм/мВ; Sy=S^TyKy^w 10 ³, где S^T_V — чувствительность ЭЛТ к верти­кальному отклонению, мм/В, К_у — коэффициент усиления кана­ла у.

Коэффициент отклонения ko_y, мВ/мм, есть величина, обрат­ная Sy:

ko_v= \/S_y= lQ³IK_yS^Ty=k^Toyl0³/Ky,

где k\_v — коэффициент отклонения трубки, В/мм.

2. Время нарастания переходной характеристики, полоса про­пускания.

Полоса пропускания у большинства осциллографов простира­ется от постоянного тока (открытый вход) или нескольких единиц герц f_H (закрытый вход) до верхней частоты /_Б, при которой коэф­фициент усиления в канале У уменьшается на 3 дБ (рис. 9.3,а).

Временем нарастания переходной характеристики т_н называ­ется время, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 уста­новившегося значения (см. рис. 9.3,6).

Полоса пропускания и время нарастания переходной характе­ристики— величины связанные. Для получения неискаженной формы импульса и отсутствия выбросов падение усиления в обла­сти высших частот не должно быть очень резким. Оно должно со­ставлять не более 6 дБ при двукратном увеличении частоты. При этих условиях т_н = 350//в. Здесь т_н выражено в не, /_в — в МГц. На рис. 9.3,6 показан случай, когда это условие нарушено. Как след­ствие, появление выброса на переходной характеристике.

Во многих осциллографах для обеспечения равномерности АЧХ в пределах полосы пропускания в оконечном каскаде осуществля­ется коррекция АЧХ на участке непосредственно перед спадом до уровня 3 дБ. Эта коррекция является причиной выброса на изоб­ражении импульса, если не выполнено условие равномерности спа­да АЧХ. В технических характеристиках на осциллограф приво­дится максимально возможное значение выброса (например, ^5%). Очевидно, при длительности фронта исследуемого импуль­са, во много раз превышающей время нарастания переходной ха­рактеристики, на изображении импульса никаких выбросов не на­блюдается.

Быстродействие осциллографа характеризуют также временем установления переходной характеристики т_у. Это интервал време­ни от уровня 0,1 амплитуды изображения до момента уменьше­ния паразитных осцилляций после выброса до значения, не пре­вышающего погрешность измерения уровня (0,5...0,25 дел.). На рис. 9.3,6 показаны время нарастания для двух форм АЧХ — т_нь Тн2, время установления переходной характеристики т_у, амплиту­да выброса переходной характеристики.

При измерении амплитуды синусоидального колебания в высо­кочастотной части АЧХ возможна существенная погрешность при принятом нормировании неравномерности АЧХ (до 30%). Поэ­тому полоса частот, в которой гарантируется та или иная погреш­ность измерения амплитуды, указывается в техническом описании особо.

3. Входное сопротивление канала Y характеризует степень влияния осциллографа на режим работы исследуемой цепи и ха­рактеризуется входным активным сопротивлением i/?_вх и входной емкостью Свх, включенной параллельно входному сопротивлению. Обычно МОм, а С_Вх^30...40 пФ.

Рассмотрим теперь особенности технической реализации основных звеньев канала вертикального отклонения структурной схемы осциллографа.

Входное устройство осциллографа состоит из аттенюатора (делителя) и эмиттерного (катодного) повторителя. Рассмотрим схему входного аттенюатора (рис. 9.4). Эта схема характеризуется постоянством коэффициента передачи в широком диапазоне частоты при условии R1C1 = R2C2. На низких частотах ем­костные сопротивления практически не шунтируют резисторы, и коэффициент де­ления определяется резисторами. На высоких частотах коэффициент деления определяется емкостями С1 и С2. Если бы их не было, сильно сказывались бы паразитные емкости монтажа. Емкости С1 и С2 заведомо больше паразит­ных емкостей.

Коэффициент передачи аттенюатора

Ka=Z₁/(Z,+Z₂).

Выражая Z\ и Z₂ через Rl, Cl, R2, С2 и учитывая условие R1C1=R2C2, мож­но получить

K«=Rl/(Rl+R2)=Ctl(Cl+C2).

Можно видеть, что коэффициент передачи не зависит от частоты.

Входное активное сопротивление зависит, главным образом, от R_t, посколь­ку R_Bi=Rl-^R2, a R2<^R1. Входная емкость определяется величиной С_э=» = С1 -С2/(С1+С2) и параллельно включенной паразитной емкостью.

Отметим ряд особенностей усилителей канала Y. Одна из особенностей состоит в том, что выходной каскад должен иметь симметричный выход. На отклоняющие пластины подаются симметричные переменные напряжения. Это

*58

+ 10 В

+ 5В

О

с г ={= \\яг

Рис. 9.4

Рис. 9.5

делается для того, чтобы потенциал средней линии между пластинами оста­вался равным нулю (см. рис. 9.5,6). При таких условиях электронный луч в ЭЛТ ускоряется только напряжением анода. В противном случае (рис. 9.5,а), отклоняющее напряжение оказывает дополнительное ускоряющее действие «а луч, вызывая искажение изображения и расфокусировку. Поэтому уже в предварительном усилителе применяется фазоинверсный каскад, с выхода ко­торого снимается и в дальнейшем усиливается симметричное напряжение. В не­которых осциллографах входной усилительный каскад, выполняемый обычно на полевых транзисторах, для обеспечения большого входного сопротивления осу­ществляет преобразование в симметричное напряжение. Симметричные усили­тельные схемы имеют преимущество, состоящее в малом температурном дрейфе. Полевые транзисторы в упомянутой схеме подбирают по минимальному раз­бросу тока стоков. В усилителе канала вертикального отклонения широко ис­пользуются микросхемы, обеспечивающие построение усилителя по балансной схеме (например, микросхемы 228УВ4). В осциллографах с полосой пропускания до Ю МГц применяются усилители на резисторах с коррекцией на высокой и низкой частотах. Для достижения полосы 20 ...30 МГц применяются сложные схемы коррекции, полосу 20... 400 МГц получают с помощью усилителей с распределенным усилением.

Каиал горизонтального отклонения. Как следует из структурной схемы, ка­нал горизонтального отклонения состоит из генератора развертки, оконечного усилителя и устройств синхронизации.

Генератор развертки предназначен для формирования напряжения, вызы­вающего отклонение луча по горизонтали, пропорциональное времени. Пара­метры развертки (диапазон длительностей измеряемых процессов) должны со­ответствовать времени нарастания переходной характеристики канала У и воз­можностям экрана ЭЛТ.

Развертка характеризуется коэффициентом развертки, равным отношению временя прямого хода Т_ш к числу делений шкалы экрана осциллографа п_э, которые занимает линия развертки: к_р = Т_ш/п_я.

Параметры каналов У и X должны быть взаимно увязаны соотношением между временем нарастания переходной характеристики в канале У и мини­мальным коэффициентом развертки и устанавливаются из следующих соображе­ний. Пусть исследуется минимальная длительность измеряемого фронта импуль­са г*. С одной стороны, можно считать для данного осциллографа, что Тфпнп>3т_н. С другой стороны, считается что изображение франта займет на экране не более трети шкалы, т. е. Тф/А_{р m}in<n»/3, где ftpmin — минимальный

коэффициент развертки осциллографа, п_а — число делений шкалы на экране ЭЛТ. Из приведенных соотношений можно заключить, что k_v т1п<9т_н/пэ. По­скольку и_э~8... 10, то k_p min~T_B. Таким образом, минимальный коэффициент развертки равен времени нарастания переходной характеристики в канале Y, приходящемуся на одно деление шкалы иа экране ЭЛТ.

Минимальный коэффициент развертки (соответствует максимальной ско­рости развертки), очевидно, зависит также от типа люминесцентного покрытия экрана трубки.

Канал горизонтального отклонения характеризуется диапазоном калибро­ванных коэффициентов развертки, который обычно разбивается на ряд поддиа­пазонов, нелинейностью напряжения развертки, а также основной погрешностью измерения временных интервалов. Генератор развертки вырабатывает развер­тывающее пилообразное напряжение. Какие же требования предъявляются к этому напряжению? Мы частично уже рассмотрели их. Это диапазон частот разверток, допустимая нелинейность прямого хода луча. К этому следует до­бавить обеспечение большой крутизны участка, вызывающего обратный ход лу­ча, а также амплитуды, необходимой для отклонения луча на весь экран.

Несмотря на многообразие применяемых схем, общий принцип работы генератора линейной развертки состоит в использовании напряжения на обкладках конденсатора при его заряде и разря­де и автоматического переключения с заряда на разряд.

Эквивалентная схема генератора пилообразного напряжения показана на рис. 9.6,а. Конденсатор С1 заряжается через резистор

Sf

Рис. 9.6

R1, когда переключатель S1, изображающий электронную комму­тирующую схему, находится в положении 1, и разряжается через резистор г, когда переключатель находится в положении 2. Если RlCl^rCl, то напряжение и_с при заряде используется для созда­ния прямого хода развертки, а при разряде — для обратного хо­да (рис. 9.6,6). Введем попутно определение коэффициента нели­нейности развертки:

Если коммутирующая схема работает в автоколебательном режи­ме, то получается модель периодической развертки. Если комму­тирующая схема работает в режиме одновибратора, получается модель ждущей развертки. Длительность или частота развертки определяется длительностью замкнутого и разомкнутого состоя­ния коммутирующей цепи. А она в реальной схеме коммутатора зависит от параметров Cl, \R1, г: коммутатор срабатывает автома­тически, когда напряжение на конденсаторе достигает определен­ного уровня — максимального или минимального. Напряжение на конденсаторе «с при заряде, как известно, изменяется по экспонен­циальному закону, а необходимо, чтобы изменялось линейно. Для этого напряжение и_с надо линеаризовать. Как этого добиться? Ответ состоит в том, чтобы заряд конденсатора проводился по­стоянным по времени током подобно тому, как это требовалось в амплитудно-временных преобразователях, рассмотренных выше.

j *

Действительно и_с= — U(t)dt при i=/=const будет равно и_с =

^с о

Наиболее эффективный путь, используемый в большинстве' сов­ременных осциллографов, состоит в применении в схеме генера­тора развертки интегрирующего звена. Это звено состоит из УПТ с большим коэффициентом усиления, охваченного глубокой отри­цательной обратной связью с помощью зарядной RC-цеш. Коэф­фициент нелинейных искажений 7=1% может быть достигнут при использовании большого участка экспоненты (Г_р/т=1) и сравни­тельно небольшого коэффициента усиления УПТ (К =100). По­добного типа генераторы развертки применены, например, в уни­версальных осциллографах Cl-65, Cl-68, С1-72.

Уже отмечалось, что современные универсальные осциллогра­фы обладают полосой пропускания до 350 МГц, диапазон ампли­туд исследуемых сигналов — от единиц милливольт до сотен вольт. В зависимости от назначения и области применения универсаль­ные осциллографы делятся на многофункциональные со сменны­ми блоками (Cl-70, Cl-74, С1-91), широкополосные (Cl-75, С1-92, С1-97), низкочастотные (С 1-72, С1-76, С1-94), двухлучевые (С 1-55, Cl-69, С1-74), прецизионные (С1-108), полевые (Cl-55, С1-65А, С1-82). Появился ряд осциллографов, которые позволяют решать задачи, выходящие за рамки традиционно осциллографических измерений: измерения частоты, тока, напряжения, сопротивления, температуры (Cl-91, Cl-91/3, Cl-91/5, С1-91/6, СК1-1Ю, СК1-1П).

«.4. СКОРОСТНЫЕ И СТРОБОСКОПИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Осциллографирование коротких импульсов и колебаний СВЧ.

Особенность осциллографирования одиночных и периодически по­вторяющихся импульсов наносекундной и еще меньшей длитель­ности, а также колебаний GB4, состоит в появлении искажений вследствие следующих причин.

1. При осциллографировании СВЧ-колебаний вследствие ко­нечного времени пролета электроном пространства между пласти­нами чувствительность ЭЛТ будет изменяться. Например, когда время пролета равно периоду колебаний, чувствительность ока­жется равной нулю. Максимальное отклонение луча произойдет тогда, когда время пролета электронов будет равно нечетному чи­слу полупериодов колебаний. Изменение чувствительности ЭЛТ может быть выражено формулой:

с>т о^{т s}*^{n 11} /^т с¹ „

•Эу СВЧ — : — *Ь|/ Л»

Я / т

где ‘<S^Tj/_CB4 —чувствительность ЭЛТ на СВЧ; т — время пролета электроном пространства между пластинами.

Время пролета т у обычных ЭЛТ составляет т=1 ... 10 не. По­правочный множитель если

При осциллографировании СВЧ-колебаний и на горизонталь* ные отклоняющие пластины должно быть подано напряжение раз­вертки с частотой, соответствующей СВЧ-диапазону. При после­довательном расположении пластин X и Y в ЭЛТ возникает иска­жение, обусловленное конечным временем пролета электроном расстояния между отклоняющими пластинами. Расчеты показыва­ют, что пределом применимости ЭЛТ с электростатическим управ­лением без радикального изменения конструкции следует считать частоты около 1 ГГц.

2. Емкость отклоняющих пластин С и индуктивность проводов образуют колебательные контуры, в которых возникают паразит­ные резонансы. Это приводит к резкому изменению чувствитель­ности осциллографа в области очень высоких частот. Стремятся, чтобы резонансная частота была выше частоты самой высокой гар­моники исследуемого сигнала.

3. Канал вертикального отклонения имеет недостаточно широ­кую полосу пропускания. Известно, что полоса пропускания уси­лителя, необходимая, чтобы без искажений усилить импульс дли­тельностью Ти, должна быть Д/_;«2/т_н. При т_н = 0,1 не Af«20 ГГц.

4. Емкость отклоняющих пластин составляет единицы пико­фарад. Такая емкость искажает (увеличивает) фронт исследуемо­го наносекундного импульса.

5. Малая скорость развертки, в результате чего не удается ис­следовать особенности формы импульса. Для получения изобра­жения импульса длительностью 1 не на участке экрана 100 мм не­обходима скорость развертки п = //т=10⁸ м/с, т. е. сравнимая со скоростью света в вакууме.

6. Вследствие очень большой скорости, с которой электронный луч прочерчивает осциллограмму, энергия, сообщаемая люмино­фору, оказывается малой и изображение на экране получается очень бледным.

Рассмотренные факторы потребовали создания новых техниче­ских решений для осциллографирования очень коротких импуль­сов и колебаний СВЧ.

Скоростные осциллографы. В скоростных осциллографах, по­зволяющих наблюдать и регистрировать повторяющиеся и одно­кратные импульсные сигналы и СВЧ колебания в реальном мас- 234 штабе времени, применяются ЭЛТ специального типа — ЭЛТ с бе­гущей волной. В ЭЛТ с бегущей волной сигнальная отклоняющая система представляет собой линию с бегущей волной. Электронный луч движется вдоль линии с бегущей волной в области наиболь­шего отклонения. Скорость луча по величине и направлению уста­навливается равной скорости распространения электромагнитных волн в линии. Благодаря этому в ЭЛТ с бегущей волной повыша­ется чувствительность и отсутствует погрешность, связанная с ко­нечным временем пролета пространства взаимодействия.

Линия с бегущей волной выполняется часто в виде плоской спирали, расположенной над плоскостью заземления. Спиральная линия имеет стандартное волновое сопротивление и согласована на конце. Электронный луч проходит в пространстве между про­водниками линии. Малое расстояние между электродами ограни­чивает размер изображения по вертикали. Усилитель вертикаль­ного отклонения в скоростных, осциллографах не применяют. По­этому амплитуды исследуемых сигналов не должны быть менее 0,1 В.

Для повышения чувствительности ЭЛТ по вертикали устанав­ливаются электростатические и магнитные линзы.

Отклонение по горизонтали осуществляется с помощью обыч­ных отклоняющих пластин. Генераторы развертки в скоростных осциллографах обеспечивают высокую скорость при прямом ходе луча. Для достижения высокой скорости ток заряда должен быть весьма большим (единицы ампер). Амплитуда напряжения раз­вертки должна быть также большой (сотни вольт), поскольку в трубках используются высокие ускоряющие напряжения. Время обратного хода должно быть небольшим, чтобы не уменьшать ча­стоты развертки, а следовательно, и частоту следования исследу­емых импульсов.

Серийный скоростной осциллограф С7-15 имеет полосу пропу­скания 0 ... 5 ГГц, время нарастания переходной характеристики 70 пс, коэффициент отклонения составляет 1 В/мм. Применяется для исследования однократных, редкоповторяющихся и периоди­ческих импульсов нано- и пикосекундного диапазона путем визу­ального наблюдения и фоторегистрации. В осциллографе приме­нена ЭЛТ бегущей волны с экраном из стекловолокна.

Стробоскопические осциллографы предназначены для анализа очень коротких периодических импульсов нано- и пикосекундной длительности. Это самые широкополосные осциллографы, облада­ющие полосой в сотни и тысячи мегагерц. Однако анализ произ­водится не в реальном масштабе времени; для осуществления из­мерительного преобразования необходим промежуток времени, со­ответствующий многим периодам исследуемого сигнала.

Принцип действия стробоскопического осциллографа основан на стробоскопическом методе преобразования сигнала. Он состо­ит из следующих операций: 1) представление сигнала рядом его дискретных значений, по которым может быть восстановлен не­прерывный сигнал; 2) дискретизация исследуемого сигнала с пре-

образованием времени между дискретными значениями; 3) вос­становление непрерывного сигнала.

На рис. 9.7,а показана периодическая последовательность ко­ротких импульсов, подлежащих анализу. В соответствии с теоре-

	\ЛАГ,	/	1 \ /1 1 \' X 1 1 \ X 1 ! \ \а- «
			1 1 .
	Тс -T+At		л г
			З3
/'		-г: - .. т

Un

'■ип и At

*)

Рис. 9.7

мой Котельникова импульс может быть представлен рядом дискрет­ных значений, отстоящих друг от друга не более чем на шаг дис­кретизации At: Af=l/2f_B, где — верхняя частота, ограничиваю­щая спектр импульса.

Если условия дискретизации выполнены, то импульс может быть восстановлен по этим дискретным значениям теоретически без искажений.

Минимальное число дискретных значений N= (x„/At)-\-l.

Из каждого импульса для его воспроизведения необходимо по­лучить N дискретных значений (см. рис. 9.7,а). Однако если пред­положить, что периодическая последовательность импульсов ста­бильна, неизменна по амплитуде, периоду и форме, то можно ис­пользовать не один, а последовательность импульсов, и из каждо­го выделить лишь по одному интересующему нас дискретному зна­чению. Например, из первого — I¹, из второго — 2² и т. д. (рис.

6. . Для этого в момент времени T_c=T-\-At необходимо уметь определять соответствующее значение напряжения импульсов. Тог­да получим ряд дискретных значений (рис. 9.7,в), характеризу­ющих форму импульсов, но промежуток времени между ними бу­дет увеличен до T_c = T-{-At, а длительность всего импульса будет Тип = (N—1)Т_С. Коэффициент преобразования (трансформации) времени

к - ^тип _ (А/ — 1) (Г-Ч- А О Т _а

^вр т_и (Л'— 1)Д/ Д t ⁺ '

Таким образом, необходимо только восстановить сигнал по сово­купности дискретных значений. Заметим, что для выделения диск- 236

ретных значений можно брать импульсы, не обязательно следую­щие один за другим через период, а через пТ. Тогда коэффициент трансформации

т_Ид _(N—l)(nT + M) пТ , , пТ

1

(N — 1) ЛТ At At

У современных стробоскопических осциллографов Кър достигает десятков тысяч.

Ясно, что осциллографирование восстановленного импульса большой длительности снимает проблемы широкой полосы (спектр импульса сужается), быстрой развертки, малого коэффициента отклонения и т. д.

Как же получить дискретные значения исследуемого импульса? Для этого создается последовательность так называемых стробо­скопических импульсов, частота следования которых равна Т_с — = nT-\-At. Это короткие импульсы, их длительность меньше т_и, а спектр, естественно, шире. Генерация их проблемы не составляет, усиление же связано с большими искажениями формы. Но это не имеет значения. С помощью специального преобразователя-модуля­тора, на входы которого поступают исследуемые и стробирующие импульсы, производят амплитудную модуляцию последователь­ности стробирующих импульсов исследуемыми импульсами. На вы­ходе преобразователя будем иметь последовательность стробиру­ющих импульсов, амплитуда которых пропорциональна соответст­вующему дискретному значению исследуемого импульса. При этом надо иметь в виду, что при усилении промодулированных строб- импульсов не должно быть заботы о сохранении их формы, по­скольку информацию несет только амплитуда стробирующего им­пульса. Далее промодулированные строб-импульсы могут быть расширены во времени, поскольку промежутки времени между со­седними строб-импульсами значительны, и тем самым сужен их спектр. На экране стробоскопического осциллографа получают светящиеся точки, высота которых пропорциональна соответству­ющему дискретному значению сигнала.

Структурная схема стробоскопического осциллографа показана на рис. 9.8. Исследуемый сигнал через входное устройство посту-

Канал У

синхронизац и а

ИаналХ

пает на преобразователь-модулятор, на другой вход которого по­даются строб-импульсы. В модуляторе происходит модуляция сгроб-импульсов по амплитуде в соответствии с законом измене­ния исследуемого напряжения, а также одновременное расширение их во времени. Вследствие фильтрации расширенные строб-им­пульсы несут информацию о значениях сигнала в тех его точках, в которых проводилось считывание. Расширенные импульсы пов­торяются во времени с периодом следования строб-импульсов Т_с=пТ+At. С выхода они поступают на предварительный усили­тель, и далее растягиваются до Г_с в расширителе импульсов, кото­рый представляет собой схему памяти (интегратор). Напряжение на выходе расширителя ступенчато изменяется, его огибающая подобна по форме исследуемому напряжению, но растянута во времени в /С_ар раз. Это аналоговое напряжение через усилитель подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Преобра­зователи-модуляторы стробоскопических осциллографов строятся на основе использования нелинейных свойств быстродействующих полупроводниковых диодов.

Система горизонтальной развертки рассчитана на осциллогра- фирование трансформированного импульса, поэтому ее реализация не встречает трудностей.

Для большей контрастности изображения плоские участки рас­ширенного во времени исследуемого сигнала подсвечивают им­пульсами. Кроме того, необходимо погасить переходные процес­сы при образовании ступенчатого напряжения. В результате на экране получается изображение исследуемого процесса в виде то­чек, отстоящих во времени на период строб-импульсов.

</т

Рассмотрим теперь, как формируются строб-импульсы с пери­одом T_c = nT-{-At. Импульсы синхронизации жестко связаны с ис­следуемым процессом. С синхронизатора импульсы запуска по­ступают на генератор быстрого пилообразного напряжения. Быст­рое пилообразное напряжение, а также медленное пилообразное напряжение (развертка осцилло­графа) поступают на схему сра­внения. Схема сравнения выдает импульсы в моменты равенства быстрого и медленного пилооб­разных напряжений (эпюры /, 2 на рис. 9.9). Можно видеть, что моменты равенства двух напря­жений отстоят на интервале пТ+ -НА£ Эти импульсы запускают генератор строб-импульсов и по­ступают на устройство подсвета трубки.

Стробоскопические осциллографы имеют два канала верти­кального отклонения. Коммутатор каналов обеспечивает работу осциллографа в различных режимах. Можно получить на экране 238

изображение одного из двух сигналов или одновременно двух сиг- налов, а также их суммы или разности.

Полоса пропускания современных стробоскопических осциллог­рафов составляет несколько гигагерц, амплитуда напряжения ис­следуемых сигналов — начиная с единиц милливольт. Стробоско­пическое осциллографирование можно производить обычным им­пульсным осциллографом, если дополнить его специальной стро­боскопической приставкой. Такие приставки серийно выпускаются промышленностью.

Современные стробоскопические осциллографы конструктивно могут быть моноблочными (С7-17) и со сменными блоками (С7-12, С7-13). Все стробоскопические блоки и осциллографы — двухка­нальные и обеспечивают частотные (фазовые) измерения в ши­рокой полосе частот. При использовании стробоскопических бло­ков с двухлучевыми приборами возможно исследование четырех сигналов.

Осциллографы С7-16 и С7-17 работают с собственным вычис­лительным устройством и обеспечивают получение дополнитель­ной информации о сигналах.

5. ЗАПОМИНАЮЩИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Запоминающие осциллографы обладают способностью дли­тельное время воспроизводить изображение сигнала после его ис­чезновения на входе. В них используются запоминающие ЭЛТ с ви­димым изображением (ЗЭЛТ). Запоминающие осциллографы при­меняются для исследования сигналов с частотой менее 1 Гц, оди­ночных сигналов, а также периодически повторяющихся сигналов, когда необходимо сравнить их форму через некоторое время.

Рассмотрим параметры, характеризующие способность ЗЭЛТ хранить и воспроизводить информацию.

Время воспроизведения изображения есть время непрерывно­го воспроизведения записанного изображения с момента начала воспроизведения до момента начала потери четкости и контраст­ности, обусловленной внутренними процессами в ЗЭЛТ. Время со­хранения записанного изображения равно промежутку времени между записью с последующим снятием напряжения питания с электродов ЗЭЛТ и временем, когда изображение на экране вновь включенной ЗЭЛТ имеет заданную потерю четкости и контрастно­сти. Остальные параметры, которыми характеризуют запоминаю­щие осциллографы, те же, что и у универсальных.

Рассмотрим устройство ЗЭЛТ (рис. 9.10). Кроме составных частей обычных ЭЛТ ЗЭЛТ дополнительно имеет узел памяти, узел воспроизведения записанного изображения и вспомогатель­ные электроды, уменьшающие вредное воздействие тяжелых ионов на процесс хранения и воспроизведения осциллограмм.

Узел памяти состоит из двух плоских сеточных электродов, расположенных параллельно экрану. Непосредственно у экрана размещен электрод, называемый мишенью. Это мелкоструктурная

металлическая сетка, покрытая слоем диэлектрика. Поверх ми­шени расположен другой элек­трод в виде сетки с более круп­ной структурой — коллектор. Электронный луч, ускоренный анодами трубки, проходя через отклоняющую систему, образу­ет на мишени зарядный (по­тенциальный) рельеф за счет вторичных электронов, который сохраняется некоторое время. Этот процесс называют за­писью. Записанная информа­ция может быть воспроизведе­на другим электронным пото­ком, который формируется уз­лом воспроизведения. Узел воспроизведения состоит из од­ного или нескольких термокатодов и электродов коллиматора. Он формирует равномерный несфокусированный электронный поток, нормальный к плоскости экрана. Участки мишени, облученные элек­тронным потоком сфокусированных электронов, становятся прозрач­ными для электронов воспроизводящего потока. Прошедшие элект­роны ускоряются и засвечивают экран. Таким образом, в ЗЭЛТ ис­пользуются два электронных потока. Один — эквивалентен элект­ронному лучу обычных трубок, ускоряется очень высоким напряже­нием (в единицы киловольт), имеет высокую кинетическую энергию. Другой ускоряется небольшим напряжением (около 100 В), име­ет малую кинетическую энергию, равномерно распределен в про­странстве. Если первый поток называется записывающим, то вто­рой— воспроизводящим. В ЗЭЛТ с видимым изображением слой люминофора с внутренней стороны покрыт тонкой металлической пленкой, прозрачной для быстрых электронов. К этой пленке под­ведено положительное напряжение в несколько киловольт.

окра/г

Иоллектор Ро/тли ма- гп о р — роннь/й_

отража

/пель

X - пластины

Родогреда-

a/foP

РатаР

Мише/zi

МодрлЯ - /пар

Катод

таль Y~ пластины

Z-й анод

Модуля/пар

I /7оРогреРателб Рис. 9.10

Различают два вида электронной памяти, которые применя­ются в ЗЭЛТ: полутоновая и бистабильная. При полутоновой па­мяти изображение имеет различную яркость и зависит от напря­жения сигнала. При бистабильной памяти изображение может иметь только одну степень яркости, которая не зависит от напря­жения сигнала.

Осциллографы на полутоновых трубках (С8-9А, С8-12, С8-14) отличаются большой скоростью записи (до 4000 км/с) и широкой полосой пропускания (до 50 МГц), время воспроизведения состав­ляет 60 с, время сохранения записи — 7 ч, погрешность измерения напряжения и времени равна 10%. Осциллографы на бистабиль­ных трубках (С8-13, С8-17) обладают высоким разрешением, боль­шим временем воспроизведения (до 30 мин) при скорости записи 5 ... 40 км/с, время сохранения записанного изображения — недели.

5. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА

Общие замечания. В течение последних двадцати лет осцил­лографы стали наиболее широко применяемыми в инженерной практике измерительными приборами. Возможность их примене­ния расширялась по мере того, как повышалась их чувствитель­ность и расширялась полоса пропускания, совершенствовались схемы запуска развертки и возможности запоминания изображе­ния. В те же годы высокого совершенства достигли цифровые ЭВМ, в наши дни мини- и микро-ЭВМ стали обычным компонентом мно­гих систем.

Примерно 15 лет тому назад эти направления техники встре­тились в одних приборах и положили начало новой отрасли — ос- циллографированию с помощью ЭВМ. Измерительные приборы, которые были созданы на основе такого симбиоза, получили на­звание осциллографов с цифровой обработкой сигнала; в отече­ственной литературе их чаще называют вычислительными осцил­лографами, в которых осуществляется помимо аналоговой также и цифровая, более сложная алгоритмическая обработка сигналов, информация же отображается как в аналоговой, так и в цифровой форме. Какие же функции может выполнять такой осциллограф, кроме обычных функций любого аналогового осциллографа? Вот неполный перечень решаемых задач: определение площади сиг­нала, длительностей фронтов, пиковых, среднеквадратических, средневыпрямленных значений сигнала, временных задержек и т. д. в цифровой форме; усреднение сигнала для выделения его из шума; наблюдение сигнала, прошедшего через произвольный циф­ровой фильтр, в том числе через такой, какой невозможно осуще­ствить с помощью обычных схем; отображения сигнала в частот­ную область путем вычисления преобразования Фурье; внесение корректирующих поправок в сигналы, искаженные несовершенст­вом измерительной аппаратуры; выполнение дифференцирования, интегрирования, вычисление логарифмов и экспонент, извлечение корней и т. п.

Развитию вычислительных осциллографов серьезно способство­вала разработка универсальных программируемых БИС — микро­процессоров.

Структурная схема и принцип действия осциллографа с циф­ровой обработкой сигнала. На рис. 9.11 приведена упрощенная структурная схема осциллографа с цифровой обработкой сигнала.

Функционально структурную схему можно разделить на три основных блока: аналоговый блок, блок дискретизации аналого­вых сигналов, цифровой блок.

Аналоговый блок представляет собой аналоговый осциллограф, который может независимо работать как обычный осциллограф. Аналоговые сигналы каналов вертикального и горизонтального от­клонения непосредственно перед входом соответствующих усилите­лей ответвляются на вход блока дискретизации, где преобразуют-

Рис. 9.11

ся с помощью АЦП в цифровой код, запоминаются в запоминаю­щем устройстве и через ЦАП поступают на экран осциллографа. Управление АЦП производится микропроцессором. С аналого- цифровым преобразователем связано «трехкоординатное» строби­рующее устройство. Чтобы запомнить поступивший на вход сиг­нал, управляемое микропроцессором стробирующее устройства 10 мке стробирует сигнал вертикального отклонения осциллогра­фа. На 100 не позже стробируются сигналы двух других осей (х — горизонтального отклонения и z— гашения луча). Эта за­держка нужна вследствие запаздывания запуска схемы развертки, так как без нее не удалось бы запомнить передние фронты сиг­налов с быстрым нарастанием. Существенно, что частота строби- рования не накладывает ограничений на частотную характеристику цепей, поскольку необязательно, чтобы все выборки данного сигна­ла были получены за одно прохождение развертки. Естественно, чем больше скорость развертки, необходимая для наблюдения си­гнала, тем меньше число выборок, получаемых за время разверт­ки и тем больше потребуется периодов развертки для преобразова­ния входного сигнала.

Стробирующее устройство работает несинхронно с разверткой, чтобы предотвратить попадание выборок в одни и те же точки. Выборки напряжения исследуемого сигнала преобразуются обыч­но 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем в один из возможных кодов, соответствующих тому или иному уровню сиг­нала. Аналогично АЦП преобразует выборку сигнала горизонталь­ного отклонения в цифровой код одной из позиций памяти. Одна­ко, если выборка сигнала гашения луча указывает, что в момент взятия вертикальной или горизонтальной выборки луч ЭЛТ был заперт, например, на время обратного хода или переключения ка­налов, то результат преобразования отбрасывается. Если же ЭЛТ не была заперта, то вырабатывается адрес памяти, и двоичный код вертикального напряжения запоминается в ячейке памяти с этим адресом. Таким образом, выходной код АЦП канала гори­зонтального отклонения используется как адрес запоминающей «ячейки», в которой хранится соответствующий данному моменту времени результат преобразования сигнала в канале вертикаль­ного отклонения, что соответствует мгновенному значению уровня выходного сигнала. Имеется еще один режим приема данных. В микропроцессор может поступить в любой момент величина по­следней вертикальной выборки непосредственно с выхода аналого- цифрового преобразователя, что позволяет одной операцией вво­дить неизменяющиеся данные или создавать массивы данных для медленно изменяющихся данных.

Основными узлами цифровового блока прибора являются ми­кропроцессор и устройство синхронизации. Микропроцессор име­ет следующую структуру: арифметически-логическое устройство — А Л У, устройство управления — УУ, устройство ввода-вывода — УВВ, генератор тактовых импульсов (таймер), рабочие регистры. Для запоминания сигналов и программ используется постоянное запоминающее устройство ПЗУ. Постоянное запоминающее уст­ройство используется также для хранения всех подпрограмм вы­полнения функций, заложенных на встроенной и выносной клави­атурах. Стандартный интерфейс обеспечивает связь осциллографа с внешними приборами и устройствами, что позволяет значительно расширить его функциональные возможности (например, путем использования внешнего запоминающего устройства большой ем­кости) и применять его в составе больших информационно-изме­рительных систем различного назначения, управляемых универ­сальными ЭВМ.

Встроенная клавиатура позволяет производить непосредствен­ное считывание сигнала на экране осциллографа, причем преду­смотрена возможность формирования средних значений исследуе­мого сигнала, вследствие чего значительно увеличивается отно­шение сигнал-шум, а следовательно, и качество изображения. Мо­гут измеряться десятки параметров входного сигнала при нажа­тии соответствующих клавиш. Длительность вычислений не пре­вышает нескольких миллисекунд. Для измерения параметров сиг­нала в заданные моменты времени на экране имеются две спе­циальные метки, перемещение которых вдоль изображения сигна­ла обеспечивает эту возможность.

Для ввода числовых данных, команд, запоминания данных, вы­полнения математических операций, обработки случайных сигна­лов служит выносная клавиатура. Запоминающее устройство пред­назначено исключительно для хранения информации о входном сигнале. Наличие меток на экране позволяет производить вычис­ления параметров мгновенных значений сигнала.

Как правило, алгоритм работы цифрового блока представля­ет собой последовательность стандартных подпрограмм, вызов ко­торых производится путем опроса определенной последовательно­сти клавиш. Программирование производится путем нажатия со­ответствующих клавиш на встроенной или выносной клавиатуре.

Таким образом, осциллограф с цифровой обработкой сигнала позволяет помимо исследования сигналов традиционными мето­дами с помощью широкополосного осциллографа произвести сле­дующие операции:

запоминание сигнала и дополнительной информации в цифро­вой форме,

одновременное представление на экране 7—8 исследуемых сиг­налов, которые находятся в памяти ЗУ,

измерение и индикация на экране в цифровой форме напряже­ния и временных интервалов сигналов,

вычисление различных параметров сигналов, представление сигналов в различных масштабах,

наглядное представление на экране больших массивов данных (например, в виде гистограмм).

Одной из наиболее привлекательных особенностей осциллогра­фа с цифровой обработкой является его способность вычислять и отображать на экране преобразование Фурье любого входного сигнала. На рис. 9.12,а показана в растянутом виде осциллограмма низкочастотных синусоидальных колебаний длительностью 9 мс. На самом деле сигнал был принят и запомнен при скорости раз­вертки 20 мс/дел.

На рис. 9.12,6 показаны результаты преобразования Фурье на экране осциллографа амплитудного спектра сигнала.

Осциллографы с цифровой обработкой позволяют просто, как указывалось, осуществить извлечение повторяющегося сигнала из шумов. На рис. 9.13, а показан результат однократной развертки импульса, едва различимого в шумах. После, например, 1000-крат­ного усреднения получается значительно лучший импульс (рис.

6. . С помощью осциллографа вычисляются и отображаются на экране время нарастания и средняя мощность.

В качестве примера осциллографа с цифровой обработкой сиг­нала можно указать С1-108, имеющий встроенный микропроцес­сор, с помощью которого усредняются сигналы, складывают и вычитают, умножают и делят, выполняют коррекцию погреш-

			r\
		V/	IX		W'N-

Рис. 9.12 Рис. 9.13

ностей и преобразование Фурье. Полоса пропускания — 350 МГц,, время нарастания переходной характеристики— 1 не, коэффициент отклонения— 10 мВ/см.

7. ОСЦИЛЛОГРАФЫ С МАТРИЧНЫМИ ИНДИКАТОРАМИ

Общие сведения о матричных индикаторах. Стремление за­менить ЭЛТ другим устройством отображения информации, кото­рое отличалось бы от нее, прежде всего, компактностью, низки­ми напряжениями, задающими режим работы, а также низкими напряжениями управления, модуляции и развертки, долговечно­стью и меньшим энергопотреблением, привело к использованию в осциллографах матричных индикаторных панелей. Существует ряд типов таких устройств, состоящих из большого количества светоизлучающих ячеек (светодиодные, газоразрядные, катодолю­минесцентные и т. п.), сгруппированные в виде плоской матрич­ной панели с достаточно большой плотностью размещения. Мат­ричная панель обеспечивает воспроизведение изображения с боль­шой дискретностью разложения. Число элементов разложения рав­но М = тХп, где п — число строк, т — число столбцов в матрице. Одноименные электроды ячеек соединены по строкам и столбцам, образуя сетку шин, общее число которых равно т-\-п. Включение^- (возбуждение) конкретной выбранной ячейки (точки) производят"

путем одновременной подачи управляющего (возбуждающего) сиг­нала в виде напряжения и_в на пару шин Хи уи в результате чего через некоторый интервал времени т_в ячейка возбуждается, и в ней наблюдается соответствующий электрооптический эффект. Для включения другой ячейки выбирают другую соответствующую ей пару шин, на которую подают аналогичный сигнал возбужде­ния.

Различают матричный и адресный способы управления матрич­ным экраном. При матричном способе осуществляется развертыва­ние поочередно всех элементов разложения изображения, при этом подача управляющих сигналов производится только в моменты времени включения выбранных точек, требуемых программой вы­свечивания изображений. При адресном управлении коммутацию шин экрана производят только для выбираемых программой то­чек. Разновидностью адресного управления является развертка, которая осуществляется по вертикальным электродам панели с помощью коммутатора. Информационные сигналы подаются на горизонтальные электроды матрицы. Период развертки Гр^г ^mtn+At, где — время, отводимое на работу одной ячейки, At — время обратного хода. Период развертки должен удовлетво­рять требованию допустимого мелькания изображения.

Принцип действия газоразрядного матричного индикатора. Сре­ди матричных экранов на светоизлучающих активных ячейках на­ибольшее распространение получили газоразрядные матричные ин­дикаторы, имеющие перспективы дальнейшего совершенствования.

Рис. 9.14

Иногда их называют плазменны­ми панелями. Тлеющий разряд в разряженном газе возникает под действием приложенного постоян­ного или переменного напряже­ния. Устройство газоразрядной индикаторной панели показано на рис. 9.14. Панель содержит ди­электрическую решетку с матри­цей тХп отверстий, две ортого­нальные системы электродов (ка­тодных 2 и анодных 3), располо­женных по обе стороны от решет­ки, и защитные стекла 4. Места перекрещивания катодных и анод­ных электродов геометрически со­ответствуют центрам т\п отверстий в решетке. Панель заполня­ется смесью инертных газов (например, неона и аргона). Таким образом, индикаторная панель представляет’собой совокупность /пХ« ячеек индикации — элементарных индикаторов тлеющего раз­ряда. Тлеющий разряд возникает при приложении к соответст­вующему катодному и анодному электродам постоянного напряже­ния, достаточного для возбуждения разряда. Для предотвращения разрушения электродов последовательно в каждой шине должен 246

быть подключен балластный резистор, ограничивающий ток раз­ряда. Описанная конструкция индикаторной панели (в отличие от матричной панели переменного тока) не обладает свойствами внутренней памяти, что определяет возможность получения изоб­ражения из ее ячеек только в режиме развертки. Развертка осу­ществляется по катодным электродам панели, принятым за ко­ординатух экрана с помощью катодного коммутатора. Информа­ционные сигналы подаются на анодные электроды (координаты экрана) при помощи анодных ключевых элементов. Длительность сигналов на двух электродах не менее 100 мкс. Следовательно,, частота развертки должна составлять при т= 100 не более 100 Гц. Поэтому газоразрядные индикаторные панели пока можно исполь­зовать в осциллографах с цифровой обработкой информации и на­личием цифровой памяти. В качестве примера газоразрядной ин­дикаторной панели рассмотренного типа, которая используется в осциллографах, можно указать на индикатор матричный газораз­рядный ИМГ-1. Он содержит 10 000 элементов индикации, разме­ры экрана ЮОХЮО мм², частота смены кодовых комбинаций на индикаторе 1 ... 10 кГц.

Структурная схема осциллографа с матричным индикатором. Обобщенная структурная схема изображена на рис. 9.15. Исследу-

Рис. 9.15

емый сигнал квантуется по величине, дискретизируется по времени и запоминается. Информация о сигнале в виде кода поступает на анодный коммутатор матричного индикатора. На катодный комму­татор поступают закодированные сигналы от генератора кодовых сигналов развертки, входящего в состав блока управления и ото­бражения. Генератор катодных сигналов состоит из одного или двух последовательно соединенных двоично-десятичных счетчиков, на вход которых поступают импульсы управления.

Назначение катодного коммутатора состоит в последователь­ном подключении постоянного напряжения к катодам матричного- индикатора. Процесс переключения повторяется через период раз­вертки. Назначение анодного коммутатора состоит в подключении анодов матричного экрана к возбуждающему напряжению по про­грамме, задаваемой исследуемым сигналом. Катодный коммутатор представляет собой дешифратор на т выходов, подключаемых к катодам экрана. Анодный коммутатор содержит схему из п тран­зисторных ключей (по числу анодов). С приходом информацион­ного сигнала на соответствующий ключ последний закрывается, и на анод матрицы подается возбуждающее напряжение.

Изображение на экране индикатора создается в динамическом режиме при синхронном изменении сигналов на входах А и на ин­формационном У. Последние надо регенерировать с частотой раз­вертки. В настоящее время катодные и анодные коммутаторы вы­полняются на микросхемах.

Примером использования матричного индикатора является ос­циллограф С9-5, в котором применен плоский газоразрядный мат­ричный индикатор ИМГ-1. Этот осциллограф предназначен для визуального наблюдения и измерения параметров однократных и периодических сигналов с автоматическим выводом в цифровой форме результатов измерений в виде кодов мгновенных значе­ний исследуемого сигнала на ЭВМ и линию коллективного поль­зования. Диапазон частоты дискретизации 0,1 Гц... 5МГц, инфор­мационная емкость запоминающего устройства — 8ХЮ24 бит, максимальная чувствительность — 1 мВ/дел.

7. ИСКАЖЕНИЯ ОСЦИЛЛОГРАММ

Искажение осциллограмм, т. е. несоответствие наблюдаемой кривой истин­ной форме исследуемого сигнала, возникают по причинам, связанным с ЭЛТ (электронно-оптические искажения), и причинам, обусловленным неправильным функционированием схемы и нарушением правил эксплуатации. Инженеру не­обходимо иметь представление о возможных искажениях осциллограмм и при­чинах их возникновения.

Рассмотрим сначала электронно-оптические искажения. Это астигматизм, трапецеидальные искажения, нелинейные искажения вблизи границ экрана трубки.

Астигматизм — искажение формы пятна вследствие неравномерности фо­кусировки по вертикальной и горизонтальной осям. Причиной является -непра­вильная юстировка элементов электронной пушкн относительно отклоняющих пластин. Астигматизм можно несколько уменьшить путем раздельного регули­рования среднего потенциала каждой пары отклоняющих пластин относительно второго анода.

Трапецеидальные искажения обусловлены зависимостью коэффициента от­клонения пластин вертикального отклонения от напряжения на горизонтально отклоняющих пластинах. Симметричное питание пластин, при котором средний потенциал их всегда равен потенциалу второго аиода, уменьшает эту зависи­мость.

Нелинейные искажения вблизи границ экрана проявляются в неравенстве масштабных коэффициентов в различных частях экрана. Одна из причин свя­зана с неоднородностью электростатического поля отклоняющих пластин — краевым эффектом. При приближении луча к краям пластин возможны искрив» леяия его траектории. Другой причиной нелинейных искажений является вы­пуклость дна колбы ЭЛТ, на которое нанесен экран.

Рассмотрим теперь некоторые искажения, обусловленные схемой осциллог* рафа и неправильностью ее функционирования.

Изменение коэффициента развертки в различных частях экрана обусловле­но значительной нелинейностью развертки.

Дефокусировка луча, т. е. размытость пятна на экране, связана с неста­бильностью питающих напряжений. Может быть также обусловлена несиммет­ричностью подачи напряжения на вертикально отклоняющие пластины, посколь­ку фокусировка при этом будет зависеть от величины отклоняющего напря­жения.

Слишком округленный и пологий фронт и срез прямоугольного импульса обусловлен спадом АЧХ в области высоких частот. Другая причина, которая проявляется при осциллографировании пикосекундных импульсов, может быть связана с влиянием конечного времени пролета электронов отклоняющих плас­тин и значительной емкостью пластин.

Волнистость вершины импульса бывает обусловлена возникновением пара­зитных резонансов в канале вертикального отклонения.

Заметный спад вершины импульса (высота изображения в начале импуль­са больше, чем в конце) проявляется при сравнительно длинных импульсах из-за спада АЧХ канала У на низких частотах.