3.4. Универсальные электронные осциллографы

Самым распространённым и универсальным прибором служит электронный осциллограф. Электронные осциллографы подразделяются.

1. Универсальные однолучевые осциллографы.

2. Универсальные многолучевые и двухканальные осциллографы.

3. Высокочастотные и стробоскопические осциллографы.

4. Цифровые осциллографы.

Основной частью электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Не останавливаясь на устройстве ЭЛТ осциллографа, которое описано в учебниках по электронным приборам, рассмотрим принцип его работы (рис. 3.3.).Структурная схема осциллографа включает канал вертикального отклонения, канал горизонтального отклонения и синхронизации, электроннолучевую трубку и блок питания. Дополняют ее калибраторы амплитуды и длительности, которые могут иметь различное конструктивное и схемное исполнение.

Основные требования к каналу вертикального отклонения: широкополосность, высокая чувствительность, симметричность выходного усилителя; к каналу горизонтального отклонения: линейность генератора развёртки, широкий частотный диапазон регулировки генератора по частоте и симметричность выходного усилителя. Симметричность выходных усилителей каналов осциллографов обеспечивает стабильность скорости электронов луча ЭЛТ, что создаёт постоянную чувствительность ЭЛТ и высокое качество фокусировки.

Рис. 3.3. Структурная схема электронного осциллографа

Исследуемый сигнал включается на вход У вертикальных пластин ЭЛТ или непосредственно, или через усилитель, входное сопротивление осциллографа достаточно велико и измеряется напряжение сигнала, а не токи, как в светолучевом осциллографе .

Для того, чтобы развернуть кривую исследуемого напряжения во времени, на горизонтальные пластины подается развертывающее напряжение, имеющее пилообразную форму. Под действием этого напряжения во время линейного участка «пилы» электронный луч перемещается на экране слева направо с равномерной скоростью, определяемой крутизной линейного участка. Во время обратного хода пилы электронный луч быстро возвращается в исходное положение и вновь начинает развертку. Если период исследуемого напряжения кратен периоду развертывающего напряжения, то на экране будет наблюдаться неподвижное изображение кривой исследуемого напряжения (условие синхронизации) (рис. 3.4). При этом каждое последующее изображение сигнала будет точно накладываться на предыдущее. Во время обратного хода электронный луч гасится. Искажение осциллограммы показано на рис. 3.4б. Генератор развертки может работать как в автоколебательном, так и в ждущем режиме. В ждущем режиме генератор запускается исследуемым сигналом, поступающим по цепи синхронизации через блок синхронизации. Производится однократная развёртка при каждом периоде генератора развёртки и начало развёртки привязано к определённой точке сигнала, выбираемой уровнем запуска в блоке синхронизации. Перевод генератора в ждущий режим производятся регулировкой ручки «стабильность». Ждущим режимом необходимо пользоваться при отсутствии плавной регулировки частоты развёртки в генераторе развёртки. Таким образом устанавливается кратность частоты развёртки и сигнала.

Рис. 3.4. Получение осциллограмм при линейной развертке

а- при идеализированной; б- при реальной;

Исследование формы сигнала производится по временным диаграммам, получаемым при линейной развертке сигнала.

Измерение параметров колебания по осциллограмме при линейной развертке во времени производится аналогично измерению по осциллограмме светолучевого осциллографа. Перед измерением амплитуды электронным осциллографом производят калибровку его чувствительности с помощью эталонного генератора, имеющего известную амплитуду напряжения, перед измерением временных параметров -- калибровку с помощью эталонного генератора, имеющего известный период колебания. В современных конструкциях осциллографа эталонные генераторы входят в состав прибора. Точность таких измерений обычно не высока и характеризуется погрешностью 3 - 5%. При калибровке канала следует иметь в виду, что чувствительность зависит от скорости электронов в ЭЛТ, яркости изображения и усиления в канале У или Х соответственно. Поэтому чувствительность канала необходимо определять после получения изображения исследуемого сигнала, не меняя этих регулировок при калибровке.

• Пользоваться шкалой чувствительности канала У или Х, указанной на ручке регулировки можно только при фиксированом положении этой ручки плавной регулировки этого параметра.

Но электронный осциллограф позволяет измерять параметры колебаний и другими методами. Для измерения частоты наиболее широко на практике используются метод фигур Лиссажу и метод пунктирной окружности. Измерение частоты гармонического колебания методом фигуры Лиссажу осуществляется путем подачи двух сравниваемых гармонических напряжений на горизонтальные и вертикальные пластины ЭЛТ. Плавно изменяя частоту колебания, подаваемую от эталонного генератора, получают неподвижную фигуру Лиссажу, что указывает наличие синхронизации, т.е. кратности между частотами измеряемой и эталонной (рисунок 3.5, а) /нулевой метод/ .

Простейшая фигура -- эллипс получается при равенстве частот за один период сигнала. При большей кратности фигуры усложняются.

Рис. 3.5. Фигуры Лиссажу при равенстве частот

а - построение фигуры; б -фигуры при разных фазовых сдвигах

Определение кратности частот производят по следующему правилу. Через фигуру Лиссажу мысленно проводится горизонтальная и вертикальная линии и подсчитывается число пересечений электронным лучом с вертикальной n и горизонтальной m линией (рис. 3.6).

Отношение частоты на вертикальной пластине f_у к частоте на горизонтальной пластине f_x определяется соотношением

(18)

Из этого уравнения, зная значение эталонной частоты и соотношение частот, можно определить частоту неизвестного сигнала. Если кратность частот выполняется не точно (N  f ), то фигура Лиссажу вращается, при этом период оборота равен периоду разностной частоты f.

Рис. 3.6. Фигуры Лиссажу

Для частного случая U_x=U_y получается простое соотношение между фазовым сдвигом  и осями эллипса;

где а – малая ось; b – большая ось.

Другой метод измерения разности фаз по эллипсу заключается в следующем. Уравнение эллипса в параметрических координатах (рис. 3.5)

x = U_x sin( t+)

y = U_y sin  t

Полагая x = 0, получим -- sin  =y₀/U_yпо вертикальной оси и

полагая y = 0, получим -- соответственно по горизонтальной оси sin =x₀/U_x .

Измерив величины отрезков, отсекаемых эллипсом по координатным осям y₀, x₀ и величину амплитуды можно вычислить величину разности фаз.

Этими методами измеряют разность фаз в диапазоне от 0 до 180, но знак сдвига разности определить нельзя. Измерение разности фаз по эллипсу производится с погрешностью до 10%, что в основном определяется точностью линейных измерений по осциллограмме.

При измерении частоты методом пунктирной окружности используется модуляция плотности электронного луча в ЭЛТ, что приводит к модуляции яркости изображения на экране. Окружность на экране осциллографа получается при условии, что эллипс имеет U_x =U_y, а  =90.

Окружность получают, используя одно из сравниваемых напряжений более низкой частоты f_н. Второе сравниваемое напряжение f_в подают на электрод модуляции яркости в ЭЛТ /Вход Z/.

Изменяя эталонную частоту, получают изображение пунктирной окружности в момент, когда частоты будут кратны (момент синхронизации). При этом

f_в = N f_н,

где N -- число светлых дуг пунктирной окружности.

Метод пунктирной окружности применяют в том случае, когда фигура Лиссажу получается сложной и затрудняется отсчет числа пересечений с осями. Оба метода сравнения частоты дают высокую точность. Погрешность измерения определяется только нестабильностью эталонного генератора и неточностью установки момента синхронизации. Осциллограф служит индикатором кратности и погрешности не вносит.

Двухканальные осциллографы имеют два канала вертикального отклонения, которые поочередно автоматически подключаются на вход У ЭЛТ. Благодаря послесвечению экрана получают изображение двух сигналов, как в двухлучевом осциллографе. Многолучевые осциллографы имеют специальную электроннолучевую трубку, в которой одновременно изображение получается от нескольких лучей. В осциллографе С1-103, имеющем 4 канала, совмещается принцип двухканальности с двухлучевой трубкой, что позволяет получать четыре графика