книги из ГПНТБ / Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин учеб. пособие

няют по схеме парафазного усилителя, на выходе которого получают два симметричных противофазных напряжения, что обеспечивает не­ изменный потенциал средней линии между пластинами при любой величине исследуемого сигнала. В результате улучшается фокуси­ ровка и не искажается изображение исследуемого сигнала. Для обес­ печения нормальной работы УВО в режиме минимальных нелинейных искажений исследуемый сигнал не должен быть больше определенной величины. Эта задача осуществляется с помощью аттенюатора, входя­ щего во входную цепь ВхЦ канала вертикального отклонения.

А т т е н ю а т о р . Аттенюатор делит напряжение ступенями, кратными 10; имеет постоянный коэффициент деления во всем диапа­ зоне полосы пропускания усилителя, почти неизменное большое вход­ ное сопротивление и малую входную емкость

Параметры аттенюатора выбирают такими, чтобы постоянные вре­

как емкостный — в области высоких частот. Таким образом, делитель является частотно-скомпенсированным во всей рабочей полосе частот осциллографа. Сопротивление резистора Rx обычно высокоомное и равное входному сопротивлению катодного повторителя. Сопротивле­ ние резистора R2 много меньше сопротивления резистора Rx и предста­ вляет собой переменную величину, зависящую от величины /гд. Ем­ кость конденсатора Сг выбирается равной емкости входа катодного повторителя и составляет величину несколько пикофарад. Входное со­

60

Г е н е р а т о р р а з в е р т к и . Генератор развертки ГР выра­ батывает развертывающее напряжение, которое через ВыхК усилителя горизонтального отклонения поступает на горизонтально отклоняю­ щие пластины ЭЛТ (см. рис. 3-6).

Для получения линейной развертки обычно используют пилообраз­ ное напряжение, форма которого показана на рис. 3-8. Большую часть периода, в течение которого напряжение развертки возрастает пропор­ ционально времени, а луч перемещается с постоянной скоростью по горизонтали слева направо, называют временем прямого хода луча tnр. В момент достижения лучом края экрана ЭЛТ возрастание напря­ жения развертки прекращается, а затем падает до нуля (в идеальном случае мгновенно), и луч возвращается в исходное положение, т. е. к противоположному краю экрана ЭЛТ. Часть периода, используемая для возвращения луча в исходное положение, называется временем обратного хода ^обр; период развертки tp = t„p + to6p. Обычно время

Процесс принудительного генерирования ГР напряжений с часто­ той, равной или кратной частоте исследуемого сигнала, называется синхронизацией. Для осуществления синхронизации в схему ГР по­ дают специальный синхронизирующий (запускающий) сигнал.

Синхронизация развертки может осуществляться частью иссле­ дуемого сигнала, поступающего от усилителя вертикального отклоне­ ния (внутренняя синхронизация); напряжением от сети с частотой 50 Гц (от сети); напряжением от постороннего источника, синхрони­ зированного с исследуемым сигналом (внешняя синхронизация).

Для устойчивого запуска ГР блок синхронизации БС (см. рис. 3-6) содержит усилитель синхронизации, который кроме усиления изме­ няет амплитуду и фазу синхронизирующего сигнала.

Для исследования сигналов различных частот частота ГР должна регулироваться в широких пределах. Четкость изображения дости­ гается регулировкой яркости и фокусировки луча. Для этого на элек­ троды трубки подается от выпрямителя, питаемого от сети перемен­ ного тока, высокое регулируемое напряжение. Яркость изображе­ ния регулируется изменением потенциала на управляющем электро­ де трубки (модуляторе), фокусировка же — изменением потенциала анодов.

61

В осциллографах генератор развертки может работать в режимах развертки периодической (непрерывной), автоколебательной (запускают без синхронизирующего импульса), ждущей.

Периодический и автоколебательный режимы ГР используют при исследовании периодически изменяющихся сигналов, импульсов, имеющих малую скважность, затянутые фронты и т. п. Ждущий ре­ жим ГР применяют при исследовании непериодических сигналов, импульсов большой скважности с крутыми фронтами и т. п. При ис­ следовании импульсов большой скважности'импульс занимает малую долю развертки, поэтому плохо просматривается на экране осцилло­ графа. Если период развертки выбрать равным периоду повторения

©экране будет широким, но очень бледным по сравнению с гори­ зонтальной линией, которая

прочерчивается несколько раз за одно появление импульса (рис. 3-9, б). Импульс будет до­ статочно широким и хорошо видимым на экране, если гене­ ратор пилообразного напряже­ ния запускается в'момент при­ хода исследуемого импульса, а при отсутствии импульса нахо­ дится в режиме ждущей раз­ вертки (рис. 3-9, в). Длитель-

ность нарастания пилообразного напряжения должна быть больше длительности исследуемого импульса.

Для того чтобы иметь возможность наблюдать на экране полностью импульс и его фронт (т. е. время нарастания импульса 0,1 -т- 0,9 ам­ плитудного значения), необходимо нарастание напряжения развертки начинать несколько раньше, чем исследуемый импульс поступит на вертикально отклоняющие пластины. Для этого после Вх. К УВО предусматривают линию задержки ЛЗ, которая задерживает иссле­ дуемый импульс по отношению к началу нарастания напряжения раз­ вертки (см. рис. 3-6). Амплитуда пилообразного напряжения должна быть достаточной для обеспечения перемещения луча по всему экрану.

Поскольку для запуска ГР в режиме ждущей развертки требуется импулвс определенной полярности, а исследуемый импульс может быть любой полярности, то в осциллографе предусматривают специаль­ ный переключатель полярности. Усиленный импульс после задержки подают на вертикально отклоняющие пластины. Для увеличения яр­ кости линии развертки используют импульсы подсвета, подводимые на управляющий электрод (модулятор) трубки. Импульсы подсвета вырабатываются генератором развертки или специальными каскадами.

62

,Временные диаграммы напряжения, поясняющие работу генератора ждущей развертки, приведены на рис. 3-10, где «с — напряжение ис­

следуемого сигнала; и'а — напряжение исследуемого сигнала после его усиления и задержки; ыр — напряжение генератора развертки.

У с и л и т е л ь г о р и з о н т а л ь н о г о о т к л о н е н и я . Вы­ ходной каскад усилителя горизонтального отклонения Вых. К УГО выполнен по схеме, аналогичной схеме Вых. К УВО, но с более узкой полосой пропускания.

Назначение Вых. К УГО — усиливать напряжение ГР до вели­ чины, необходимой для получения требуемого масштаба изображения.

Рис. 3-10. Временные диаграммы напряжения, пояс­ няющие работу генератора ждущей развертки

При работе осциллографа в режиме усиления Вых. К УГО непо­ средственно связан с входной цепью Вх. Ц канала горизонтального от­ клонения.

У с и л и т е л ь Z обеспечивает усиление и подачу внешних сигналов для модуляции электронного луча по яркости.

К а л и б р а т о р а м п л и т у д ы . Калибратор амплитуды КА служит для калибровки масштаба канала вертикального отклонения при измерении напряжения входного сигнала. Определяют коэффи­

Коэффициент отклонения выражают в В/дел; В/см; мВ/мм; мкВ/мм

и т. д. Под чувствительностью S Y подразумевают величину, обратную

Су.

Калибровка амплитуды может производиться непосредственным от­ счетом по калиброванной шкале, методом сравнения с образцовым на­ пряжением, компенсационным методом и др.

Измерение амплитуды по калиброванной шкале заключается в том, что сначала коэффициент отклонения всего канала вертикального от-

63

клонения приводится к определенным величинам, указанным на лице­ вой панели осциллографа, а затем величина отклонения луча, вызван­ ная исследуемым сигналом и измеренная на экране, умножается на

Калибровка методом сравнения с образцовым напряжением со­ стоит в сравнении исследуемого сигнала на экране осциллографа с изображением калибрационного напряжения. В качестве калибра­ ционного напряжения используют прямоугольное симметричное на­ пряжение (с соотношением полуперподов 1 : 1) типа «Меандр» с ча­ стотой 1 -т- 2 кГц. Добившись равенства изображений исследуемого и образцового напряжений, снимают показания по градуированной шкале потенциометра или по шкале стрелочного индикатора. При этом методе устраняются погрешности из-за нелинейности амплитуд­ ной характеристики УВО и погрешности отсчета по шкале ЭЛТ. Ука­ занный метод применяют в осциллографах Cl-18, С1-19А, С1-19Б, С1-31 и др. Погрешность измерения амплитуды составляет ± (10 -4-3)%.

К а л и б р а т о р времени. Калибратор времени служит для калиб­ ровки масштаба канала горизонтального отклонения при измерении временных интервалов исследуемого сигнала. Калибровка длитель­ ности может производиться посредством калибрационных меток вре­ мени и калибрационных разверток.

При первом способе встроенный внутрь осциллографа генератор ка­ либрационных меток времени генерирует колебания-стабильной ча­ стоты, синхронные с напряжением развертки. Это напряжение, подан­ ное на управляющий электрод трубки, модулирует яркость луча, т. е. в положительные полупериоды действия напряжения потенциал модулятора относительно катода повышается, что вызывает повышение яркости луча, а в отрицательные полупериоды напряжения потенциал понижается и луч гасится. В результате на экране появляются светлые метки с темными промежутками между ними. Отрезок между середи­ нами двух ярких меток или серединами двух темных меток по длитель­ ности соответствует периоду калибрационного напряжения, измеряе­ мого обычно в миллиили микросекундах. Таким образом, период определяет цену метки. Калибрационные метки времени можно полу­ чить также и с помощью внешнего генератора.

При внешней модуляции сигнал задается на управляющий элек­ трод через усилитель либо непосредственно. Погрешность измерений

спомощью калибрационных меток значительная и составляет величину

±10% .

Калибровка оси времени с помощью яркостных (калибрационных) меток имеет ряд недостатков: вероятность потери части информации при наблюдении сложного процесса, необходимость усложнения ка­ либратора при увеличении диапазона развертки и др. Указанные не­ достатки, а также резкое повышение требований к длительности и стабильности разверток привели к созданию в современных осцил­ лографах калиброванных разверток.

64

При втором способе генератор калиброванных разверток работает всегда в одних и тех же условиях независимо от амплитуды и длитель­ ности входного сигнала; выходные пилообразные напряжения раз­ вертки всегда линейны, стабильны по величине, протяженность об­ ратного хода луча незначительна, поэтому можно определять длитель­ ность исследуемого сигнала независимо от его периодичности непо­ средственно по шкале осциллографа. Используя линейную развертку, один период которой укладывается в пределах диаметра ЭЛТ (90 -г- -т- 100 мм), можно получить ось отсчета времени по длине, соответст­ вующей периоду.

Фиксированную (калиброванную) длительность развертки Др (время/деление) определяют временем прямого хода луча tp по длине ра­ бочей части экрана (развертки) /р, т. е.

Длительность развертки можно проверить с помощью встроенного внутрь осциллографа эталонного кварцевого генератора синусоидаль­ ного напряжения с частотой 100 кГц (погрешность не хуже ±0,25% ), один период которого соответствует длительности 10 мкс. Погрешность измерения длительности исследуемого сигнала не более ± 5 % . Ука­ занный метод используют в осциллографах Cl-49, С1-54—0 -6 4 —0 -70 .

Современный осциллограф кроме выше перечисленных основных блоков включает в себя также блоки, расширяющие режимы его ра-. боты, однократной развертки (предохраняет БС от срабатывания при следовании за основным импульсом последующих синхронизирующих); двойной развертки с растяжкой, позволяющей исследовать сигнал и любую его часть в разных временных масштабах.

Применение электронного осциллографа. Электронный осциллограф применяют для измерения:

1)амплитуды и мгновенных значений сигнала напряжения;

2)временных параметров сигнала (длительности фронта, среза, частоты следования, скважности, задержки);

3)коэффициента амплитудной модуляции, равного отношению разности максимального и минимального значений модулированного сигнала к их сумме;

4) частоты гармонических сигналов (методами фигур Лиссажу

икруговой развертки);

5)тока и мощности (импульсного, среднего значений);

6)сдвига фаз;

7)полного сопротивления;

8)амплитудно-частотных и фазовых характеристик электронных

схем;

9)характеристик электронных ламп, транзисторов, интегральных

схем;

10)характеристик магнитных материалов и др.

В ряде случаев электронный осциллограф используют как составную часть более сложной измерительной аппаратуры в измерителях час­ тотных характеристик; анализаторах спектра; приборах для настройки телевизоров; характериографах; нуль-индикаторов в мостовых схе­ мах и т. д. Применение электронного осциллографа рассматривается в гл. 4, 5, 6,-7, 10.

Выбор электронного осциллографа и предъявляемые к нему требо­ вания. Выбор того или иного осциллографа производится в зависи­ мости от назначения, точности воспроизведения и измерения пара­ метров исследуемых сигналов, погрешности измерения и числа одно­ временно регистрируемых сигналов. Осциллографы однолучевые и многолучевые выполняют на новых электроннолучевых трубках (с бегущей волной, с волоконной оптикой), электронных лампах, полупроводниковых приборах, интегральных схемах, малогабарит­ ных деталях со стабильными характеристиками. Условно осцилло­

лее распространенные приборы, применяемые для исследования низ­ кочастотных процессов, импульсных сигналов, поверки радиоэлектрон­ ной аппаратуры. У этих приборов полоса пропускания от постоянного тока до 100 МГц, диапазон амплитуд исследуемых сигналов от еди­ ниц милливольт до сотен вольт.

У н и в е р с а л ь н ы е о с ц и л л о г р а ф ы . Универсальные осциллографы отличаются многофункциональностью, достигаемой за счет применения сменных блоков (дифференциальных усилителей, коммутаторов, стробоскопических преобразователей и др.), что поз­ воляет широко использовать их в самых различных областях техники. Полоса пропускания у них от постоянного тока до сотен мегагерц,

лографы предназначены для регистрации однократных и повторяю­ щихся импульсных сигналов и периодических колебаний в полосе частот порядка единиц гигагерц. Их основу составляют ЭЛТ, постро­ енные по принципу бегущей волны. В канале вертикального отклоне­ ния отсутствует усилитель и исследуемый сигнал задается на сигналь­ ную отклоняющую систему.

С т р о б о с к о п и ч е с к и е о с ц и л л о г р а ф ы . Эти осцил­ лографы предназначены для регистрации повторяющихся сигналов в широкой полосе частот — от постоянного тока до нескольких гига­ герц. Амплитудный диапазон исследуемых сигналов—от единиц милли­ вольт до единиц вольт при одновременной регистрации до двух сигналов.

З а п о м и н а ю щ и е о с ц и л л о г р а ф ы . Запоминающие ос­ циллографы предназначены для регистрации однократных и редко повторяющихся сигналов. Эти осциллографы имеют ЭЛТ с запомина­ нием, которые сохраняют изображение длительное время. Полоса пропускания их.достигает 20 МГц, диапазон амплитуд исследуемых сигналов — от десятков милливольт до сотен вольт при одновремен­ ной регистрации не более двух сигналов.

66

С п е ц и а л ь н ы е о с ц и л л о г р а ф ы . Это приборы целе­ вого назначения.

Основные характеристики осциллографа. Основные характеристики осциллографа следующие:

1.Диаметр экрана ЭЛТ, от которого зависит размер осциллограммы.

2.Коэффициент отклонения по напряжению канала вертикального отклонения Су.

Втехнических данных осциллографа обычно указывают два зна­ чения коэффициента отклонения при подаче сигнала: а) через усили­ тель, б) непосредственно на вертикально отклоняющие пластины.

Коэффициент отклонения, например, осциллографа С1-54 равен 1 мВ/мм и 10 мВ/мм.

3. Полоса пропускания осциллографа, определяющая диапазон частот, в пределах которого коэффициент отклонения уменьшается не более чем на 3 дБ относительно его значения на средней частоте. Современные ЭЛТ могут воспроизводить без искажений сигналы с час­ тотой до сотен и тысяч мегагерц, поэтому полоса пропускания осцил­ лографа определяется в основном частотной характеристикой усилителя вертикального отклонения. Неправильный выбор амплитудно-частот­ ной характеристики усилителя вертикального отклонения, а следова­ тельно, и осциллографа приводит к искажениям при исследовании импульсных и несинусоидальных сигналов. Наибольшая полоса про­ пускания необходима при исследовании импульсных сигналов, поскольку она должна обеспечить прохождение большинства гармони­ ческих составляющих спектра импульса. Ширину полосы пропуска­ ния канала А/ при исследовании прямоугольного импульса длитель­ ностью т„выбирают из соотношения

При этом^возможны искажения формы импульса, поэтому ширину полосы пропускания принимают равной верхней граничной частоте полосы пропускания Д,:

где Ди я — заданная величина снижения напряжения в долях ампли­ туды (см. рис. 1-9), принятая равной не более 0,01.

4. Данные входного устройства, т. е. схема входа (открытый или закрытый), входное сопротивление и входная емкость каналцвертикального отклонения при различных положениях аттенюатора. Закрытый вход (на входе канала включен конденсатор) исключает исследование сигналов с постоянной составляющей напряжения. Большое входное со­

противление и малая входная емкость снижают влияние осциллографа на источник сигнала. При исследовании прямоугольных импульсов с крутыми фронтами выбирают осциллограф с малой входной емкостью, так как большая емкость увеличивает длительность фронта из-за дли­ тельного времени заряда и разряда конденсатора.

5.Виды разверток. При исследовании периодических синусоидаль­ ных напряжений, импульсов малой скважности применяют периоди­ ческую и автоколебательную развертку, а одиночных и повторяющихся импульсов большой скважности — ждущую развертку. Для иссле­ дования периодических коротких импульсов используют скоростные

истробоскопические осциллографы в сочетании с запоминанием.

6.Диапазоны частот периодической развертки, длительностей или скоростей ждущей развертки. При работе в ждущем режиме длитель­ ность развертки должна быть согласована с частотой повторения иссле­ дуемых сигналов. Современные осциллографы имеют большой диапа­ зон длительностей. Например, в осциллографе С1-20 диапазон от 0,025 мкс/см до 50 мс/см разбит на 35 фиксированных поддиапазонов;

ав С1-54 диапазон от 0,025 мкс/см до 5 с/см разбит на 40 поддиапазонов.

7.Нелинейность развертки, которая у лучших осциллографов составляет 5—3%.

8. Основные данные сигналов, синхронизирующих развертку.

9.Данные калибратора времени.

10.Данные калибратора амплитуды.

11.Погрешность измерения амплитуды (не более ± 10—3%).

12.Погрешность измерения длительности ± (10 ч- 3%).

13.Коэффициент отклонения и полоса пропускания канала гори­ зонтального отклонения.

14.Чувствительность и полоса пропускания усилителя.

15.Возможность регистрации и выдачи амплитудных и временных параметров исследуемых сигналов в виде цифр.

Подключение осциллографа к источнику сигнала осуществляют проводами или коаксиальным кабелем, входящим в комплект. При наблюдении непрерывных сигналов не очень высокой частоты при­ меняют простые, возможно короткие, соединительные провода; при на­ блюдении импульсов и напряжений высокой частоты используют коак­ сиальные кабели с волновым сопротивлением 50, 75 и 150 Ом. В этом случае для согласования низкоомной нагрузки с входом усилителя вертикального отклонения предусматривают подключение параллельно входу резистора сопротивлением 50, 75 и 150 Ом. Иногда для уменьше­ ния влияния осциллографа на источник сигнала последний подклю­ чают к прибору через вспомогательный катодный повторитель, име­ ющий хорошие входные данные и равномерную амплитудно-частотную характеристику в широком диапазоне частот. При исследовании высо­ ковольтных импульсных напряжений между выходом источника и входом осциллографа включают дополнительный делитель напря­ жения .

Стробоскопический осциллограф. Стробоскопические осциллографы (СО) применяют при исследованиях быстродействующих полупровод­ никовых приборов, измерениях динамических параметров интеграль-

68

пых схем, процессов намагничивания и перемагничивания тонких магнитных пленок импульсами тока (в ЦВМ), контроле работы высоко­ частотных генераторов в различных радиотехнических системах связи, радиолокации, при экспериментальных исследованиях на ускорите­ лях заряженных частиц и др. Для наблюдения слабых наносекундных импульсов потребовались бы осциллографические трубки с очень высо­ кой чувствительностью и широкой полосой пропускания частот или сочетание широкополосных трубок малой чувствительности и широко­ полосных высокочувствительных усилителей сигнала. Эти требования противоречивы.

Встробоскопических осциллографах применяют обычные трубки

инет широкополосных усилителей, но в то же время полоса пропус­ кания усилителей стробоскопического осциллографа достигает вели-

Рис. 3-11. Структурная схема стробоскопического осциллографа

чины нескольких гигагерц при довольно высоком коэффициенте откло­ нения (5—20 мВ/см). В стробоскопических осциллографах используют метод увеличения масштаба времени исследуемого импульса с сохра­ нением формы, в результате чего как бы уменьшается скорость нарастания импульса, а следовательно, уменьшается ширина его частотного спектра. Эквивалентная полоса пропускания усилителя вертикального отклонения осциллографа при этом увеличивается во столько раз, во сколько расширяется исследуемый импульс. Масштаб увеличения длительности ти исследуемого импульса

где тп — длительность преобразованного импульса.

Так как масштаб увеличения может достигнуть величины, равной 104, то эквивалентная полоса пропускания обычных усилителей вер­ тикального отклонения возрастает от сотен килогерц до нескольких гигагерц, Промодулированные по амплитуде исследуемым сигналом строб-импульсы (короткие прямоугольные импульсы) создают на эк­ ране осциллограмму. Огибающая строб-импульсов в виде светящихся точек воспроизводит точную форму исследуемого сигнала в расши­ ренном виде. На рис. 3-11 представлена структурная схема СО. От

69