6.5. Универсальные осциллографы со сменными блоками
Универсальные осциллографы со сменными блоками – многофункциональные приборы, содержащие ряд сменных блоков различного назначения в каналах вертикального и горизонтального отклонения, предназначены для исследования периодических и однократных импульсных сигналов от 10 мкВ до 500 В при полосе частот от постоянного тока до единиц ГГц.
В состав осциллографа могут входить: базовый блок; специальный калибратор; высокочувствительный (на разные диапазоны частот) блок; дифференциальный усилитель; стробоскопический (смеситель-модулятор); блок сдвоенной развертки и др.
Характеристики осциллографа зависят от применяемых сменных блоков.
В базовый блок входят источники питания, оконечные усилители по координатам YиX, множитель развертки, органы управления электронным лучом, коммутатор для коммутации генераторов А и Б сдвоенной развертки, специальный калибратор. Специальный калибратор вырабатывает регулируемые постоянное положительное и отрицательное напряжения; напряжение типа «меандр» 50 Гц и синусоидальное напряжение с частотой 1 МГц. Наличие в осциллографе калибратора с дискретной и плавной регулировкой позволяет реализовать метод измерения амплитудных и временных параметров по калиброванным шкалам «В/дел.» и «Время/дел.», а также метод сравнения, обеспечивающий более высокую точность измерения.
Высокочувствительные блокивключаются в канал вертикального отклонения. В комплект к осциллографу могут поставляться несколько блоков с разной чувствительностью на разных частотных диапазонах.
Усилитель дифференциальныйтакже входит в канал вертикального отклонения. Он предназначен для предварительного усиления исследуемых сигналов. На два входа поступают сигналыu1иu2, а на выходе получают один сигнал, пропорциональный разности этих сигналов:uвых=u1–u2.
Усилитель дифференциальный значительно расширяет возможности осциллографа. Он позволяет исследовать малые изменения напряжения на большом уровне постоянного напряжения; более детально – отдельные участки импульсных сигналов; сигнал при значительном уровне помех; выполнять настройку двух- и многоканальных систем с одинаковыми выходными сигналами.
Используя дифференциальный усилитель, можно реализовать метод сравнения для измерения напряжения. На один вход подается исследуемый сигнал, а на второй – регулируемое калиброванное напряжение, изменяя которое можно на выходе получить нулевой сигнал. Отсчет измеряемого напряжения выполняется по показаниям шкалы калибрационного напряжения. Измерение более трудоемко, но обеспечивает большую точность, чем метод измерения по шкале «В/дел.».
Коммутаторможет быть предусмотрен в канале вертикального отклонения для реализации двухканального блока осциллографа.
Сдвоенная разверткапозволяет получать большое увеличение участков сигнала по оси времени, а также повысить точность измерения временных интервалов. С ее помощью можно рассматривать любой участок сигнала протяженностью менее 1 % его периода.
Рассмотренные выше сменные блоки входят в комплект ряда отечественных осциллографов.
6.7. Аналоговые запоминающие осциллографы
Аналоговый запоминающий осциллограф (АЗО) при помощи специальной ЭЛТ с памятью позволяет сохранять на определенное время исследуемый сигнал и при необходимости воспроизводить его для однократного или многократного визуального наблюдения или для дальнейшей обработки. Запоминающие осциллографы используют для исследования однократных быстропротекающих сигналов (от пико- до микросекунд) в атомной физике, квантовой электронике, физике плазмы, лазерной технике, бионике и др.
Универсальные осциллографы (с незапоминающей трубкой, широкой полосой пропускания) позволяют исследовать однократные сигналы, однако детальное изучение осциллограмм возможно лишь при фотографировании с дальнейшей обработкой фотопленки и ее просмотром с низкой точностью определения, амплитудных и временных параметров сигналов. Для непосредственного наблюдения и детального исследования применяют запоминающие осциллографы.
Структурные схемы аналоговых ЗО по сути не отличаются от незапоминающих, они имеют несколько узлов для управления трубкой с памятью. Основу АЗО составляет специальная запоминающая электронно-лучевая трубка (ЗЭЛТ) с видимым изображением, обладающая способностью преобразовывать электрические сигналы в электрические заряды, сохранять их в течение определенного времени и затем воспроизводить. Запоминающая ЭЛТ содержит два электронных прожектора – записывающий и воспроизводящий с элементами запоминания – и экран, покрытый люминофором.
На рис. 6.16 показана схематическая конструкция ЗЭЛТ. Записывающий прожектор (электронная пушка) 1, отклоняющие пластины 4 работают так же, как и в обычных ЭЛТ. Напряжения, поданные на пластины Y,X, управляют потоком электронов только записывающего прожектора, т. е. воздействуют на записывающий луч. Запоминание осуществляется специальной мишенью 6, состоящей из мелкоструктурной металлической сетки (около 10000 ячеек на 1 см2) и слоя диэлектрика, способного излучать большое количество вторичных электронов при попадании на него электронного записывающего луча. Между сеткой и диэлектриком проложена тончайшая изолирующая прокладка, препятствующая попаданию выбитых электронов на сетку. Благодаря этой прокладке сетка и слой диэлектрика образуют подобие конденсатора. В непосредственной близости от мишени располагаются коллекторная сетка (коллектор) 5 с более крупной структурой и ионный отражатель 8.
Рис. 6.16. Конструкция ЗЭЛТ: 1 – электронная пушка; 2 – кольцевые электроды; 3 – прожектор; 4 – отклоняющие пластины; 5 – коллекторная сетка; 6 – мишень; 7 – экран; 8 – отражатель
Записывающий луч состоит из быстрых электронов (с энергией порядка тысяч электрон-вольт) и воспроизводит на мишени невидимое изображение линии потенциального рельефа, соответствующее форме исследуемого сигнала. Пробегая по диэлектрику мишени, луч выбивает вторичные электроны, оставляя при этом положительно заряженные участки.
Если теперь включить воспроизводящий прожектор 3 (вместе с кольцевыми электродами 2), то его медленные электроны могут проникнуть через положительно заряженные участки мишени, получить ускорение большим положительным зарядом алюминированного экрана 7 и, ударяясь о люминофор, вызвать его свечение. На экране появляется изображение, нанесенное на мишени. Вторичные электроны притягиваются положительно заряженным коллектором и обратно на мишень не попадают.
Время воспроизведения в реальных условиях, т.е. время, пока можно наблюдать изображение на экране, очень ограничено (не более 1 мин). Это происходит потому, что электроны воспроизводящего луча сталкиваются с оставшимися в колбе молекулами газов, образуя положительные ионы, которые нейтрализуют отрицательный заряд мишени. Мишень перестает быть пригодной для воспроизводящих электронов, они свободно проходят к экрану, весь экран начинает светиться, и на общем светлом фоне изображение теряется. Если же сразу по получении на экране изображения сигнала осциллограф выключить, то записанное электрически на мишени изображение (потенциальный рельеф) может существовать довольно длительное время (от 18 часов до 7 суток) и быть воспроизведено при повторном включении осциллографа. Стирается изображение подачей положительного прямоугольного импульса на металлическую сетку мишени памяти. Мишень становится прозрачной для медленных электронов, они пролетают сквозь нее по всей площади и вызывают сильное свечение экрана, стирая изображение. После прекращения действия стирающего импульса потенциал сетки мишени и диэлектрика падает, свечение экрана прекращается и трубка вновь готова к записи.