57. Классификация и основные характеристики электронных осциллографов. Обобщенная схема электронно-лучевого осциллографа.

В измерительной технике широко применяются измерительные устройства, использующие в качестве индикатора электронно-лучевую трубку (ЭЛТ). К таким устройствам относятся электронно-лучевые осциллографы, измерители параметров спектра, измерители временных интервалов, импульсные рефлектометры, измерители характеристик электронных приборов и другие. Эти приборы выделены в подгруппу приборов для наблюдения, измерений и исследования формы сигнала и спектра и имеют буквенное обозначение С. В этой подгруппе приборы классифицируются по следующим признакам:

- С1 – осциллографы универсальные;

- С2 – измерители коэффициента амплитудной модуляции (модулометры);

- СЗ – измерители девиации частоты (девиометры) и измерители модуляции (АМОДМ);

- С4 – анализаторы спектра;

- С6 – измерители нелинейных искажений;

- С7 – осциллографы скоростные и стробоскопические;

- С8 – осциллографы запоминающие;

- С9 – осциллографы специальные.

Наиболее типичным и широко применяемым представителем осциллографических измерительных устройств является электронно-лучевой осциллограф.

Электронно-лучевым осциллографом (ЭЛО) называют прибор для наблюдения и измерения электрических сигналов, в котором используется отклонение одного или нескольких электронных лучей электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для получения изображений мгновенных значений функциональных зависимостей сигналов от времени или других параметров.

ЭЛО различаются по назначению, принципу действия, характеру исследуемых сигналов, точностным характеристикам и конструктивному исполнению.

ЭЛО делят на следующие группы:

- общего применения;

- многоканальные и многолучевые;

- запоминающие;

- широкополосные (скоростные);

- стробоскопические;

- специальные.

ЭЛО общего применения предназначены для наблюдения и измерения электрических сигналов с большими диапазонами амплитуд, частот повторения и длительностей. Они могут быть как простыми, так и многофункциональными. Их называют универсальными ЭЛО.

Многоканальные ЭЛО (рис. 1) позволяют на экране однолучевой ЭЛТ одновременно исследовать два и более сигналов. В их основе лежит использование коммутаторов исследуемых сигналов.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема двухканального ЭЛО.

Многолучевые ЭЛО (рис. 2) используют ЭЛТ, имеющие два и более электронных лучей управляемых отдельно или совместно.

Запоминающие ЭЛО (ЗЭЛО) позволяют сохранить на некоторое время исследуемый сигнал для однократного или многократного визуального наблюдения или дальнейшей обработки. В основе применения ЗЭЛО лежит использование запоминающих ЭЛТ или других, в частности, цифровых, запоминающих устройств.

Широкополосные ЭЛО предназначены для исследования сигналов с широким спектром частот в реальном времени и с преобразованием временного масштаба.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема двухлучевого ЭЛО

Стробоскопические ЭЛО позволяют растягивать во времени (сжимать в частотной области) исследуемые сигналы без искажения их формы. Это позволяет усиливать сигналы и наблюдать их на обычной ЭЛТ. В настоящее время широкое практическое применение нашли стробоскопические ЭЛО, пригодные для преобразования временного масштаба лишь повторяющихся сигналов.

Специальные ЭЛО предназначены для целевого применения – для телевизионных измерений, для измерений в системах автоматического контроля и управления и т.п. В ряде случаев такие приборы за счет уменьшения их универсальности могут обладать значительно лучшими параметрами, чем универсальные. Возможности ЭЛО со встроенными микропроцессорами значительно расширяются.

Все ЭЛО характеризуются следующими основными параметрами:

- погрешностью измерения напряжения;

- диапазоном значений и погрешностью коэффициентов отклонения;

- временем нарастания, выбросом, неравномерностью плоской вершины и временем установления переходной характеристики (ПХ);

- входными сопротивлением и емкостью;

- коэффициентом отражения или коэффициентом стоячей волны (для ЭЛО с согласованным входом);

- допускаемой суммарной величиной постоянного и переменного напряжения на закрытых входах;

- пределами перемещения луча по вертикали;

- погрешностью измерения временных интервалов;

- диапазоном значений и погрешностью коэффициентов развертки (коэффициентов отклонения луча по горизонтали);

- пределами перемещения луча по горизонтали;

- диапазоном частот, предельными уровнями и нестабильностью синхронизации;

- размером рабочей части экрана ЭЛТ;

- шириной линии луча.

Параметры специальных ЭЛО определяются их назначением.

К числу метрологических характеристик ЭЛО относят:

- совокупность параметров сигналов, которые можно подавать на вход прибора (диапазон амплитуд, граничные частоты, форма сигнала и т.п.);

- характеристики входа ЭЛО (активная и реактивная составляющие входного сопротивления);

- погрешности воспроизведения формы сигнала осциллографом и погрешности измерения параметров сигнала.

При осциллографических измерениях выделяют два вида погрешности:

- погрешности измерения напряжения;

- погрешности измерения временных интервалов.

Погрешность измерения напряжения можно представить тремя обобщенными группами составляющих:

1) результирующая погрешность калибровки коэффициента калибровки;

2) искажение сигнала в канале вертикального отклонения из-за нелинейности и нестабильности амплитудной характеристики;

3) погрешность измерения размера из-за ширины луча и линий шкалы, а также субъективных особенностей оператора.

Погрешность измерения временных интервалов можно также представить тремя обобщенными группами составляющих:

1) погрешность калибровки коэффициента развертки;

2) искажение сигнала в процессе его отображения на экране из-за нелинейности канала горизонтального отклонения и нестабильности развертки;

3) особенности визуального измерения геометрических размеров изображения.

Вывод: электронно-лучевым осциллографом (ЭЛО) называют прибор для наблюдения и измерения электрических сигналов, в котором используется отклонение одного или нескольких электронных лучей электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для получения изображений мгновенных значений функциональных зависимостей сигналов от времени или других параметров.

ЭЛО делят на следующие группы: общего применения; многоканальные и многолучевые; запоминающие; широкополосные (скоростные); стробоскопические; специальные.

Осциллографы общего применения – это наиболее распространенный вид ЭЛО. Обобщенная структурная схема такого ЭЛО представлена на рис. 3.

2.1. Основные функциональные узлы электронного осциллографа

Основными функциональными узлами электронного осциллографа являются: электронно-лучевая трубка, канал вертикального отклонения (КВО) или канал Y, канал горизонтального отклонения (КГО) или канал X, канал модуляции по яркости (канал Z) и встроенные калибровочные устройства.

Рис. 3. Обобщенная схема электронно-лучевого осциллографа

Основным элементом любого осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис. 4) с электростатическим управлением лучом.

Рис. 4. Осциллографическая трубка

58. Работа каналов вертикального отклонения, горизонтального отклонения, канала модуляции по яркости и встроенных калибраторов.

Под действием управляющих напряжений, которые подаются на две пары отклоняющих пластин, электронный луч может отклоняться в двух взаимно перпендикулярных направлениях (горизонтальном и вертикальном). Для отклонения луча на пластины необходимо подавать исследуемое и развертывающее напряжения.

Канал вертикального отклонения предназначен для отклонения луча ЭЛТ под действием исследуемого напряжения. Он состоит из масштабных преобразователей – делителей, аттенюаторов и усилителей, предназначенных для расширения предельных значений исследуемых сигналов, а также линии задержки, обеспечивающей наблюдение фронта сигнала на экране осциллографа.

Усилитель Y канала вертикального отклонения луча содержит входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления Кус и парафазный (с противофазными выходными сигналами одинаковой амплитуды) усилитель, обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. В канал вертикального отклонения луча может также входить калибратор амплитуды. Сигнал от калибратора поступает на вход первого усилителя для установки заданного коэффициента усиления Кус1. При этом цена деления В/дел масштабной сетки на экране осциллографа без учета аттенюатора определится формулой:

(1)

где Uк – напряжение на выходе калибратора;

Кус1 – коэффициент усиления усилителя канала Y при одном фиксированном положении регулировки;

nк – число делений сетки, занятое изображением калибровочного сигнала на экране ЭЛТ.

Цена деления масштабной сетки с учетом коэффициента деления kд аттенюатора сд = сkд. Если в процессе работы параметр с остается постоянным, то величина сд может быть указана на дискретном переключателе аттенюатора, что и делается на практике.

Основные характеристики канала вертикального отклонения:

- верхняя граничная частота (порядка 100 МГц и более);

- чувствительность Sy = kдKycSт (Sт – чувствительность трубки), чувствительность составляет около 1 мм/мВ при kд = 1;

- входное сопротивление (1...3 МОм) и входная емкость канала (1...5 пФ);

- погрешности измерения напряжения и интервалов времени 5...7 %.

Вход канала вертикального отклонения может быть открытым или закрытым. Во входной цепи канала вертикального отклонения включают также коммутируемый разделительный конденсатор, позволяющий при необходимости исключить подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала («закрытый» вход).

Канал горизонтального отклонения предназначен для развертки изображения сигнала и включает в себя генератор развертки, обеспечивающий перемещение луча ЭЛТ в горизонтальном направлении по определенному закону, схемы блокировки и синхронизации и усилитель.

Исследуемое напряжение, являющееся функцией времени, подается через усилитель канала вертикального отклонения на пластины, управляющие положением луча по вертикали, а развертывающее – на горизонтально отклоняющие пластины, На экране электронно-лучевой трубки получается изображение исследуемого сигнала. Если напряжения развертки и исследуемого сигнала синхронны и периодически повторяются, то на экране электронно-лучевой трубки образуется неподвижное изображение сигнала.

Схема синхронизации (и запуска развертки) управляет генератором развертки и обеспечивает кратность периодов сигнала и развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом амплитуды и т.д.). Это достигается синхронизацией напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала: Тразв = nТс, где n = 1, 2, 3, 4,... .

Развертка – это линия, которую прочерчивает луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала в результате действия только одного развертывающего напряжения. Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме и запуском – в ждущем. Синхронизация и запуск развертки производятся специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации.

В осциллографе установлены два режима синхронизации: внутренняя и внешняя. При внутренней синхронизации синхроимпульсы вырабатываются из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней – сигнал синхронизации подается от внешнего источника на специальный вход X осциллографа. Например, в стандартных генераторах импульсов вырабатываются синхроимпульсы, относительно которых выходной сигнал может быть сдвинут с помощью регулируемой задержки.

Схема синхронизации вырабатывает сигнал синхронизации, поступающий на генератор развертки для получения четкой, неподвижной осциллограммы. Усилитель Х канала горизонтального отклонения усиливает пилообразный сигнал Up генератора развертки и преобразует его в напряжение развертки Ux.

Канал горизонтального отклонения характеризуется чувствительностью и полосой пропускания, показатели которых практически раза в два меньше, чем в канале вертикального отклонения. Основной блок в канале горизонтального отклонения – генератор развертки, работающий в непрерывном или ждущем режиме. К форме пилообразного напряжения генератора предъявляется ряд требований:

- время обратного хода луча должно быть много меньше времени прямого хода, т.е. Тобр « Тпр. В противном случае часть изображения сигнала будет отсутствовать;

- напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе луч будет двигаться по экрану с различной скоростью и нарушится равномерность временного масштаба по оси X. Это может привести к искажению сигнала.

Канал модуляции по яркости предназначен для подсвета прямого хода развертки. С целью синхронизации моментов начала развертки и подсвета, импульс подсвета чаще всего формируется из выходного импульса триггера управления в генераторе развертки. Импульс подсвета должен иметь значительную амплитуду, крутые фронт и срез, и максимально плоскую вершину для обеспечения равномерного свечения изображения и длительность, равную длительности прямого хода напряжения развертки. В качестве усилителей канала Z используются усилители-ограничители. Во многих ЭЛО предусмотрена возможность модуляции яркости изображения при помощи внешнего модулирующего сигнала. В этом случае усилитель канала модуляции по яркости также имеет ручную регулировку яркости.

Подсветка осуществляется путем передачи с входа Z на управляющий электрод (модулятор М) ЭЛТ сигнала, модулирующего поток ее луча и, следовательно, яркость свечения люминофора. Постоянное напряжение на модуляторе ЭЛТ выбирают на уровне запирания трубки. В схему этого канала входят: аттенюатор, схема изменения полярности и усилитель Z. Для формирования требуемого уровня напряжения, поступающего на модулятор, служит усилитель Z. Усилитель может иметь дополнительный вход. Это дает возможность модуляции изображения по яркости внешним сигналом. Канал Z используется и для создания яркостной отметки в осциллографах с двойной разверткой, а также яркостных меток для измерения частоты и фазы.

Встроенные в ЭЛО калибраторы позволяют значительно повысить точность измерений. С их помощью можно с высокой точностью калибровать коэффициенты отклонений по оси Y и развертки по оси X. Калибраторы представляют собой отдельные генераторы сигналов или один генератор сигнала с точно известными амплитудой и периодом.