Электронно-лучевые осциллографы

Электронный (электронно-лучевой) осциллограф – прибор для наблюдения и измерения параметров электрических сигналов, использующий отклонение одного или нескольких электронных лучей для получения изображения мгновенных значений функциональных зависимостей переменных величин, одной из которых обычно является время.

Электронные осциллографы разделяются по различным классификационным признакам [2].

По ширине полосы пропускания: низкочастотные (с полосой до единиц мегагерц); широкополосные (скоростные) (с полосой до 1–1,5 ГГц); сверхскоростные (с полосой до десятков гигагерц).

По количеству одновременно исследуемых сигналов: однолучевые, одноканальные; двухлучевые, двухканальные; многолучевые, многоканальные.

По характеру исследуемого сигнала: для импульсных сигналов; для непрерывных сигналов; для универсальных сигналов; для специальных сигналов.

По масштабу времени, в котором исследуется сигнал: осциллографы, работающие в реальном масштабе времени; осциллографы, работающие в измененном масштабе времени (запоминающие, стробоскопические).

Работа осциллографа основана на принципе облучения покрытого люминофором стеклянного экрана пучком электронов. Перемещаясь по экрану под действием напряжения, приложенного к пластинам вертикального (Y) и горизонтального (X) отклонения, луч вызывает флуоресценцию экрана.

Изображение исследуемого напряжения на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) создается следующим образом. Исследуемый сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, вызывая смещение луча по вертикали. Для получения изображения необходимо, чтобы луч одновременно перемещался с постоянной скоростью по горизонтали. Такое перемещение достигается подачей линейно изменяющегося напряжения на горизонтально отклоняющие электроды ЭЛТ. На рис. показан процесс перемещения пятна на экране ЭЛТ под действием исследуемого сигнала U_Y(t) и напряжения развертки U_Х(t). В начальный момент времени t₁ пятно смещено по горизонтали на расстояние Х₁. Это смещение определяется значением развертывающего напряжения U_Р в момент времени t₁; Х₁ = S_XU_P(t₁), где S_X – чувствительность ЭЛТ по горизонтальной оси Х. В момент времени t₁ луч по вертикали не смещен, так как U_Y(t₁) = 0 и Y₁ = 0. Таким образом, луч в момент времени t₁ будет находиться в точке 1. В момент времени луч будет смещен по горизонтали на расстояние Х₂ = S_XU_P(t₂), а по вертикали на расстояние Y₂ = S_YU_Y(t₂), где S_Y – чувствительность трубки по оси Y. При этом пятно на экране ЭЛТ окажется в точке 2 и т. д. В течение второго и последующего периодов развертывающего напряжения луч и пятно на экране будут повторять свое движение. Световая инерция экрана способствует получению на нем немелькающей кривой, повторяющей в определенном масштабе исследуемый сигнал. Для получения на экране неподвижного изображения необходимо выполнить условие Т_Р = NТ_Х, где Т_Р – период развертывающего напряжения; Т_Х – период исследуемого напряжения; N – целое число.

Рис. 5.2

Одними из наиболее распространенных осциллографов являются универсальные осциллографы, которые позволяют исследовать непрерывные и импульсные процессы, пачки импульсов, измерять амплитуду сигнала и различные временные параметры и др. Они имеют полосу пропускания от нуля до сотен мегагерц и диапазон исследуемых сигналов от десятков микровольт до сотен вольт.

Универсальные осциллографы имеют буквенное обозначение С1, например, С1-157 (рис. Рис. 5 .5), С1-178 (рис. ) и др.

Рис. 5.3	Рис. 5.4

На рис. Рис. 5 .5 изображена структурная схема универсального осциллографа.

Рис. 5.5

Исследуемый сигнал подается на канала Y, усиливается и поступает на вертикально отклоняющие пластины. Для изменения калиброванного коэффициента отклонения на входе канала Y установлен входной делитель – аттенюатор. В предварительном усилителе напряжения канала Y предусмотрена плавная регулировка коэффициента усиления. При запуске развертки от входного сигнала небольшая часть сигнала теряется, так как она проходит до начала горизонтальной развертки. Линия задержки в канале Y предназначена для задержки входного сигнала на время задержки работы генератора развертки в ждущем режиме (положение Ж переключателя SA4). Это позволяет получить на экране полное изображение процесса и получить устойчивое изображение импульсного процесса [2].

На горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ поступает напряжение, вырабатываемое генератором развертки и усиленное усилителем горизонтального отклонения (канал Х). Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение. Регулирование усиления усилителя позволяет изменять масштаб изображения по горизонтали и калибровать коэффициент развертки.

Для получения неподвижного и стабильного изображения необходима синхронизация генератора развертки и исследуемого процесса. Для осуществления синхронизации в генератор развертки вводится синхронизирующий (запускающий) сигнал, представляющий собой короткий импульс, сформированный в устройстве синхронизации. Синхронизирующие импульсы могут формироваться из исследуемого сигнала (переключатель SA2 в положении 1) – внутренняя синхронизация. Синхронизация развертки (ждущей и непрерывной) может осуществляться и от внешних источников (положение 2 переключателя SA2) – внешняя синхронизация. В качестве внешней синхронизации может использоваться сетевое напряжение.

Внутренний генератор развертки (внутренняя развертка) имеет два основных режима работы: непрерывной (Н) и ждущей (Ж) развертки. Режим непрерывной (периодической) развертки используется при исследовании непрерывных периодических процессов, периодической последовательности импульсов, имеющих малую скважность, затянутые фронты и т. п. В ждущем режиме при поступлении исследуемого (или внешнего синхронизирующего) сигнала генерируется только один период напряжения развертки. Ждущий режим используется при исследовании непериодических сигналов, импульсов с большой скважностью (или даже одиночных импульсов), при измерении фронтов малой длительности и т. п.

В качестве источника развертывающего напряжения может использоваться внешний источник. При этом генератор отключается от усилителя канала Х (переключатель SA5 в положении 2), и на вход Х подается напряжение от внешнего источника – внешняя развертка.

Для получения необходимой яркости изображения используется устройство управления лучом по яркости, позволяющее резко увеличить яркость при прямом ходе развертки и уменьшить ее при обратном ходе. Яркостью изображения можно управлять подачей соответствующего напряжения на вход Z.

Калибратор амплитуды (КА) представляет собой источник сигнала с известной амплитудой. Сигнал с КА подается на вход усилителя вертикального отклонения (переключатель SA3 в положении 2) и позволяет отградуировать в единицах напряжения канал Y осциллографа.

Калибратор времени предназначен для создания калиброванных интервалов времени и представляет собой стабильный генератор электрических колебаний. Период повторения сигнала генератора используется в качестве калибровочных интервалов времени.

Благодаря калибраторам амплитуды и времени осциллографом можно измерять амплитудные и временные параметры сигналов.

Основная погрешность измерения напряжения определяет класс точности осциллографа. В таблице Таблица 5 .2 приведены нормы на метрологические характеристики осциллографов.

Если требуется наблюдать одновременно несколько сигналов, применяются осциллографы имеющие несколько входов и устройств отображения. Чаще всего используются два входа (например, С1-69 и др.), но существуют осциллографы с четырьмя (например, С1-126) входами.

Используются преимущественно два типа осциллографов: однолучевой, в котором можно использовать несколько каналов (многоканальный осциллограф), и двухлучевой, в котором каждый пучок также может обеспечивать работу нескольких каналов.

Таблица 5.2

Параметр	Норма для осциллографа класса точности
	1	2	3	4
Основная погрешность измерения напряжения, %, не более	3	5	10	12
Основная погрешность коэффициента отклонения, %, не более	2,5	4	8	10
Основная погрешность измерения временных интервалов, %, не более	3	5	10	12
Основная погрешность коэффициента развертки, %, не более	2,5	4	8	10
Неравномерность переходной характеристики, %, не более	1,5	2	3	5

Рассмотрим работу многоканального и многолучевого осциллографов на примере двухканального и двухлучевого осциллографов.

Двухканальный осциллограф имеет два отдельных вертикальных канала. На рис. показано упрощенное устройство двухканального осциллографа.

Рис. 5.6

Сигналы каналов А и В подаются на коммутатор, который меняет каналы А и В, подключая их к линии задержки и усилителю вертикального усиления поочередно через один цикл горизонтальной развертки. Изображение гасится во время обратного хода развертки. Если длительность развертки значительно меньше времени послесвечения люминофора ЭЛТ, на экране можно наблюдать стабильные изображения сигналов в каналах А и В. Режим поочередного подключения каналов называется режимом попеременного доступа. Данный режим непригоден для наблюдения сигналов очень низкой частоты [11].

При построении многоканальных осциллографов возможно использование работы коммутатора в режиме прерывания, при котором электронный коммутатор работает без синхронизации с высокой частотой (до нескольких сот килогерц). В результате небольшие фрагменты сигналов в каналах А и В подключаются попеременно к усилителю вертикального отклонения и изображаются на экране. Если скорость прерывания будет много больше скорости горизонтальной развертки, то на экране будет наблюдаться непрерывная линия.

В рассмотренном двухканальном осциллографе с помощью переключателя SA4 можно обеспечить синхронизацию развертки сигналами любого из каналов А или В, внешним сигналом или сетевой частотой. Через переключатели SA5 и SA3 на усилитель горизонтального отклонения могут подаваться сигналы от генератора развертки или канала В.

В двухканальных осциллографах можно получить несколько рабочих режимов: получать изображения сигналов только канала А или канала В; получать два изображения каналов А и В; получать изображения сигналов А + В, А – В, В – А и др.

Недостатком многоканальных осциллографов является то, что они не могут фиксировать два или более быстропеременных процесса, так как невозможно достаточно быстро переключать каналы. В этом случае целесообразно использовать многолучевые осциллографы.

Двухлучевой осциллограф имеет два отдельных электронных пучка и два отдельных вертикальных канала. Оба канала могут иметь как общую систему развертки, так и две независимые схемы разверток. Независимые развертки позволяют использовать скорости разверток для разных каналов. Два электронных пучка могут создаваться в ЭЛТ с двумя пушками. Это позволяет регулировать яркость и фокус каждого луча раздельно, но при этом увеличиваются размеры ЭЛТ.

Другой способ создания двух лучей заключается в расщеплении одного электронного пучка на два. Недостатком данного способа является то, что два изображения могут иметь большое различие в яркости. Управление яркостью и фокусом действует одновременно на оба пучка.

Стробоскопический осциллограф

Для исследования быстропротекающих процессов (длительностью в доли и единицы наносекунд) используются скоростные и стробоскопические осциллографы.

Стробоскопические осциллографы обладают большими чувствительностью и полосой пропускания, чем скоростные, и позволяют исследовать сигналы милливольтового уровня в полосе частот до десятков гигагерц.

Буквенное обозначение стробоскопических осциллографов С7, например, С7-5, С7-11 и др.

Стробоскопическим называется осциллограф, использующий для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляющий его временное преобразование.

Принцип действия стробоскопического осциллографа основан на эффекте кажущегося замедления быстропеременного процесса (стробоскопическом эффекте) и заключается в измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов, поступающих на вход осциллографа с помощью коротких стробирующих импульсов.

Стробирование отдельных участков сигнала (точек отбора) производится от цикла к циклу, затем восстанавливается общая картина сигнала, который усиливается относительно узкополосным усилителем и воспроизводится в непрерывном виде на экране.

На рис. показан вариант структурной схемы стробоскопического осциллографа.

Рис. 5.7

На рис. показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы стробоскопического осциллографа. Входной сигнал (рис. а) задерживается линией задержки и поступает на устройство, содержащее диодную ключевую схему (диодную схему выборки) и устройство кратковременной памяти (емкостной накопитель). Устройство запуска формирует импульсы запуска, частота повторения которых либо равна частоте исследуемого сигнала (рис. б), либо в m раз меньше. Импульс от устройства синхронизации и запуска увеличивает на одну ступень сигнал генератора ступенчатого напряжения (ГСН), а также запускает генератор пилообразного напряжения (ГПН) (рис. в). Сигналы с выходов ГСН и ГПН подаются на входы компаратора (К). В момент равенства сигналов ГПН и ГСН срабатывает компаратор (К) и своим выходным сигналом запускает генератор строб-импульсов (ГС), формирующий короткие импульсы с крутым фронтом (рис. г). Строб-импульс запускает диодную схему выборки примерно на несколько сотен пикосекунд (например, 400 пс), и устройство памяти (емкостный накопитель) запоминает мгновенное значение исследуемого сигнала, соответствующее моменту поступления строб-импульса. Вследствие ступенчатой формы напряжения строб-импульсы автоматически сдвигаются во времени относительно сигнала при каждом повторении и таким образом последовательно считывают его по точкам (рис. г, а). В результате выходные импульсы оказываются промодулированными по амплитуде мгновенными значениями сигнала, соответствующими моментам поступления строб-импульсов. Кроме того, эти импульсы расширяются во времени, так как после отключения диодной схемы выборки конденсатор разряжается через большое сопротивление (рис. д). Это напряжение усиливается в усилителе вертикального отклонения и подается на пластины Y ЭЛТ. Обратная связь с коэффициентом, равным единице, подается от усилителя к диодной схеме выборки и напряжение на емкостном накопителе изменяется только на величину изменения входного напряжения от точки к точке. В это же время экран засвечивается модулирующим сигналом.

Рис. 5.8

Выходное напряжение ГСН является одновременно напряжением стробоскопической развертки, после усиления в усилителе горизонтального отклонения подается на горизонтально отклоняющие пластины Х ЭЛТ и обеспечивает перемещение пятна по экрану в виде ряда быстрых скачков.

Выделяя огибающую расширенных импульсов, можно получить аналоговый сигнал, идентичный по форме исследуемому, но значительно «растянутый» (трансформированный) во времени (рис. е).

Временное преобразование исследуемого сигнала при стробировании принято характеризовать коэффициентом трансформации масштаба времени

(5.7)

где Т_С = Т_Х + ∆Т; n – число точек считывания.

Ступенчатое напряжение сбрасывается после определенного числа ступеней, обычно от 100 до 1000, затем процесс повторяется.

Этот процесс повторяется до уровня, определяемого величиной k_ТР, после чего ГСН автоматически сбрасывается и начинается новый цикл нарастания напряжения ГСН.

Так как стробирование исследуемого сигнала приводит к дискретизации измерительной информации, необходимо знать минимально необходимое число точек считывания сигнала n_min. Значение n_min может быть оценено по формуле

(5.8)

где f_max – верхняя граничная частот спектра U_X.

Временной масштаб можно еще больше растянуть, если считывание будет осуществляться после пропуска некоторого числа периодов сигнала. В этом случае T_C = mT_X + ∆T.

Частота стробирования, используемая в стробоскопическом осциллографе, может составлять одну сотую часть от частоты сигнала, так что при частоте сигнала 1 ГГц требуется усилитель с полосой пропускания 10 МГц [11].

Стробоскопические осциллографы в основном применяются для исследования периодических сигналов, но они могут работать с просто повторяющимися сигналами, имеющими одинаковую форму и параметры.

Промышленностью выпускаются двухканальные стробоскопические осциллографы (например, С9-9 с полосой пропускания 0–18 ГГц), осциллографы с цифровым отсчетом (например, С7-9) и другие стробоскопические осциллографы.

Запоминающий осциллограф – это осциллограф, который при помощи специального устройства, например ЭЛТ с памятью или электронного запоминающего устройства, позволяет сохранять на определенное время исследуемый сигнал и при необходимости представлять его для однократной обработки или многократного визуального наблюдения или для дальнейшей обработки (ГОСТ 22737-77).

Запоминающие осциллографы широко применяются для регистрации однократных и редко повторяющихся сигналов. Они способны воспринимать и запоминать переходные процессы и непрерывно воспроизводить сигналы очень низкой частоты. Полоса пропускания запоминающего осциллографа достигает сотен мегагерц, уровень исследуемых сигналов от десятков милливольт до сотен вольт при одновременной регистрации нескольких сигналов.

Запоминание исследуемого сигнала осуществляется путем записи его с помощью записывающего прожектора запоминающей электронно-лучевой трубки (ЗЭЛТ), генератора развертки и схемы управления лучом. Запись может быть как однократной, так и многократной. Режим многократной записи называется накоплением. Записанное изображение сохраняется в течение длительного времени и воспроизведение осуществляется с помощью воспроизводящего прожектора ЗЭЛТ и схемы управления воспроизведением. Стирание записи осуществляется подачей на подложку мишени ЗЭЛТ стирающего импульса [9].

Запоминающие осциллографы имеют обозначение С8, например, С8-18 (рис. Рис. 5 .9), С8-28 (рис. Рис. 5 .10).

Рис. 5.9	Рис. 5.10

Специальные осциллографы применяются для исследования телевизионных сигналов. Примерами специальных осциллографов являются осциллограф С1-81 (рис. Рис. 5 .151), предназначенный для визуального исследования формы и измерения параметров периодических сигналов, детального исследования телевизионного сигнала в системах чёрно-белого и цветного телевидения для периодического и оперативного контроля телевизионного сигнала, СК1-144 (рис. Рис. 5 .12) – комбинированный сервисный двухканальный осциллограф с блоком выделения строки TV-сигнала и синхронизации TV-сигналом.

Рис. 5.11	Рис. 5.12