При исследовании одиночных сигналов и сигналов с большой скважностью используются запоминающие трубки. Эти трубки содержат те же элементы, что и ЭЛТ широкого применения, и дополнительно, оснащаются узлом памяти и системой воспроизведения изображения. Узел памяти состоит из двух плоских сеточных электродов, расположенных параллельно экрану (рис. 6.11). Непосредственно у экрана находится мишень, покрытая слоем диэлектрика. Поверх мишени размещен другой электрод в виде сетки с более крупной структурой — коллектор.

Изображение записывается электронным лучом высокой энергии (записывающий луч). Электроны луча оседают на мишени, причем количество заряда пропорционально току луча. При перемещении луча на мишени создается потенциальный рельеф, повторяющий форму осциллограммы. После прекращения действия сигнала потенциальный рельеф мишени сохраняется длительное время. Наблюдать записанное изображение позволяет воспроизводящая система, состоящая из катода К' с подогревателем, анода А₂' и модулятора М' (см. рис. 6.11). Катод трубки создает поток электронов малой энергии, плотность которого регулируется модулятором М'. В результате формируется широкий расфокусированный пучок электронов, равномерно облучающий мишень. Потенциал мишени подобран таким образом, чтобы при отсутствии записанного изображения медленные электроны воспроизводящего пучка не могли через нее пройти. При наличии потенциального рельефа в этих точках мишени часть электронов проходит к экрану, вызывая его свечение. На экране появляется осциллограмма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Стирается запись путем подачи на коллектор отрицательного импульса, выравнивающего потенциал мишени.

Можно выделить три режима работы такой ЭЛТ:

• наблюдение сигнала без записи — на коллекторе небольшое положительное напряжение U_кол = +50 В, на мишени нулевой потенциал U_миш=0, мишень прозрачна для быстролетящих электронов;

• режим записи — U_кол = + 50 В, на мишень подается положительный потенциал U_миш = 30 В, и мишень становится менее прозрачна, в результате быстро летящие электроны выбивают вторичные электроны и создают на мишени зарядный положительный рельеф, который может

оставаться длительное время;

• режим воспроизведения — потенциал мишени снова становится нулевым U_миш = 0, кроме тех мест, где записан рельеф; мишень облучается широким потоком медленно летящих электронов с воспроизводящей системы, для этого потока мишень прозрачна только в местах рельефа, где записан сигнал.

Запоминающие ЭЛТ характеризуют следующие параметры:

• яркость свечения экрана в режиме воспроизведения — она регулируется напряжением модулятора системы воспроизведения и может быть высока, так как воспроизведение производится непрерывно;

• время воспроизведения изображения — это время в основном ограничивается устойчивостью потенциального рельефа к ионной бомбардировке; в современных ЭЛТ время воспроизведения может достигать десятков минут;

• время сохранения записи — оно определяется при снятом напряжении с ЭЛТ;

• скорость записи — характеризует быстродействие ЭЛТ в режиме запоминания; определяется временем, необходимым для создания потенциального рельефа достаточной величины.

Современные запоминающие ЭЛТ имеют скорость записи сигналов от 2,5 до 4000 км/с.

Матричная индикаторная панель. Новейшим типом отображающего устройства, применяемого в современных осциллографах с аналого-цифровым и цифровым преобразованием исследуемого сигнала, является матричная индикаторная панель. Она представляет собой совокупность расположенных определенным образом отдельных дискретных излучателей (газоразрядных, жидкокристаллических, твердотельных и т.д.). На рис. 6.12 изображена конструкция матричной газоразрядной панели.

Данное матричное устройство содержит две стеклянные пластины1, на внешних поверхностях которых напылены тонкие проводящие полоски — аноды 2 и катоды 3. Аноды располагаются на лицевой пластине, через которую проходит световое излучение, поэтому их делают прозрачными. Между пластинами помещается диэлектрическая матрица 4 с отверстиями, образующими газоразрядные (или другие) ячейки в точках перекрестия электродов. Панель заполняют гелий-неоновой смесью и герметизируют. Изображение исследуемого сигнала воспроизводится поочередным свечением газоразрядных ячеек. Для этого со схемы управления панелью в каждый момент времени на аноды и катоды пластин подают соответственно положительный и отрицательный импульсы напряжений поджига. Номер анода, на который подается импульс напряжения поджига, определяет строку развертки, а номер катода — столбец; на их перекрестии располагается светящаяся ячейка панели. Такой принцип управления лучом развертки называют матричным, на практике его реализуют цифровыми методами и устройствами.

Преимуществами матричных индикаторных панелей являются малые габариты и вес, низкие напряжения питания. В них отсутствуют геометрические искажения, светящаяся точка стабильна. Разработаны панели с внутренней памятью, способные не только воспроизводить, но и запоминать изображение сигнала. Цифровой принцип управления позволяет достаточно просто совместить изображение сигнала с цифробуквенной индикацией его параметров на одном экране. К недостаткам матричных индикаторных панелей следует отнести сложность схемы управления, сравнительно невысокую разрешающую способность и низкое быстродействие.

Структурная схема универсального осциллографа.

Универсальным осциллографом называется измерительный прибор, в котором исследуемый сигнал через канал вертикального отклонения подается на вертикальную отклоняющую систему ЭЛТ, а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляется напряжением горизонтальной развертки. Упрощенная схема универсального осциллографа изображена на рисунке.

Цифровые осциллографы

Цифровой осциллограф позволяет одновременно наблюдать на экране сигнал и получать численные значения его ряда параметров с большей точностью, чем это возможно путем считывания количественных величин непосредственно с экрана обычного осциллографа. Это возможно потому, что параметры сигнала измеряются непосредственно на входе цифрового осциллографа, тогда как сигнал, прошедший через канал вертикального отклонения, может быть измерен с существенными ошибками. Эти ошибки могут достигать 10 %.

Параметры, измеряемые современными цифровыми осциллографами, являются: амплитуда сигнала, его частота или длительность. Однако этим не ограничиваются возможности цифровых осциллографов. Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессорами позволяет определять действующее значение напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране преобразования Фурье для любого вида сигнала.

В устройствах цифровых осциллографов осуществляется полная цифровая обработка сигнала, поэтому в них, как правило, используется отображение на новейших индикаторных панелях.

В цифровых осциллографах отображение результата измерения производится тремя способами:

1. Параллельно с наблюдением динамического изображения сигнала на экране, его численные параметры высвечиваются на световом табло.

2. Оператор подводит к изображению сигнала на экране световые метки так, чтобы отметить измеряемый параметр, и по цифре на соответствующей регулировке определяет величину интересующего параметра.

3. Используются специальные кинескопы (например, матричные индикаторы) и растровый метод формирования изображения исследуемых сигналов и цифровой информации.

В большинстве современных цифровых осциллографов производится автоматическая установка оптимальных размеров изображения на экране трубки. Ниже приводятся упрощенная структурная схема (рис. 6.15) и параметры современного цифрового автоматизированного осциллографа, который является характерным представителем этого класса приборов.

Структурная схема цифрового осциллографа содержит: аттенюатор входного сигнала; усилители вертикального, и горизонтального отклонения; измерители амплитуды и временных интервалов; интерфейсы сигнала и измерителей; (микропроцессорный) контроллер; генератор развертки; схему синхронизации и электронно-лучевую трубку.

Технические характеристики типового цифрового осциллографа:

• полоса пропускания 0...50 МГц;

• коэффициенты отклонения 0,002... 10 В/дел;

• коэффициенты развертки 20 нc/дел...20 мс/дел;

• погрешность коэффициентов отклонения и развертки 2...4 %;

• погрешность цифровых измерений 2...3 %;

размер экрана 80x100 мм.

Функциональные возможности:

• автоматическая установка размеров изображения;

• автоматическая синхронизация;

• разностные измерения между двумя метками;

• автоматическое измерение размаха, максимума и минимума сигналов, периода, длительности, паузы, фронта и спада импульсов;

• вход в канал общего пользования.

Размеры корпуса цифрового осциллографа порядка 335x280x566 мм; масса около 14 кг; диапазон рабочих температур -10...+50° С.

Как видно из структурной схемы рис. 6.15, амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала определяются с помощью встроенных в прибор измерителей. На основании данных измерений микропроцессорный контроллер производит вычисление требуемых коэффициентов отклонения и развертки и через интерфейс устанавливает эти коэффициенты в аппаратной части каналов вертикального и горизонтального отклонения. Это обеспечивает неизменные размеры изображения по вертикали и горизонтали, а также автоматическую синхронизацию сигнала.

Микропроцессорный контроллер также опрашивает положение органов управления на передней панели, и данные опроса после кодирования снова поступают в контроллер, который через интерфейс включает соответствующий режим автоматического измерения. Результаты измерений индицируются на отдельном световом табло (оно может быть встроено в экран трубки), причем амплитудные и временные параметры сигнала отображаются одновременно.

Запоминающие цифровые осциллографы.В последние годы широкое применение в измерительной технике находят запоминающие цифровые осциллографы (ЗЦО). Упрощенная структурная схема запоминающего цифрового осциллографа приведена на рис. 6.13.

Такой осциллограф может работать в двух режимах. Когда сдвоенный переключатель П находится в положении 1, то схема представляет собой обычный универсальный осциллограф, а когда в положении 2 -то схема работает как ЗЦО. Упрощенно принцип его действия можно описать следующим образом.

Исследуемый сигнал u_с(t) со входа Y подается через аттенюатор на информационный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Из контроллера (управляющего устройства) на АЦП поступают также тактовые импульсы U_T с периодом следования Т. При поступлении в некоторый момент времени t_i одного из них АЦП преобразует амплитуду сигнала и_с(t_i) в двоичный код U(t_i), т.е. набор уровней 0 и 1. В конце такого преобразования АЦП выдает на контроллер соответствующий сигнал. При этом цифровой код передается в определенную ячейку запоминающего устройства (ЗУ).

За время исследования сигнала U(t) в ЗУ накапливаются коды его амплитуд U(t_i), U(t_i+Т), U(t_i+2Т) и т.д.; там они могут храниться любое время, поскольку ЗУ, как известно, — энергонезависимое устройство. Для воспроизведения хранимой информации по команде контроллера из памяти ЗУ выбираются (считываются) коды в требуемой последовательности и заданном темпе и подаются на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП каждый код преобразует в соответствующее ему напряжение. Эти напряжения передаются через усилитель на пластины У. Осциллограмма представляет собой набор светящихся точек. Для получения непрерывной осциллограммы после ЗУ устанавливают блок сглаживания (на рис. 6.13 не показан).

Достоинства ЗЦО — неограниченное время хранения информации; широкие пределы скорости ее считывания; возможность замедленного воспроизведения отдельных участков запомненного сигнала; яркие и четкие осциллограммы; возможность обработки информации в цифровом виде на ЭВМ или внутри самого осциллографа.

Основной недостаток ЗЦО — из-за сравнительно невысокого быстродействия АЦП большинство ЗЦО могут запоминать сигналы, имеющие частоту до 1 или 10 МГц.

ЭЛТ как устройство отображения запоминающего осциллографа имеет ряд недостатков: большие габариты (длина), высокие питающие напряжения, сравнительно малая долговечность, невысокая механическая прочность. Поэтому в последние годы в ряде ЗЦО стали использоваться плоские матричные газоразрядные и жидкокристаллические панели.

Двухканальные и двухлучевые осциллографы. Двухканальные осциллографы имеют два идентичных канала вертикального отклонения (вход первого — Y1, второго — Y2) и электронный переключатель (ЭК), который может поочередно подавать выходные сигналы каналов на одни и те же пластины У. В, зависимости от управления работой ЭК можно реализовать следующие основные режимы работы осциллографа: одноканальный (на экране виден один сигнал, подаваемый на Y1 или Y2); поочередный (на экране видно оба сигнала за счет переключения ЭК во время каждого обратного хода развертки). На основе двухканального принципа строят многоканальные осциллографы с числом каналов до восьми.

Двухлучевые осциллографы имеют два канала У и специальную двухлучевую ЭЛТ, в которой есть две электронные независимые пушки и две системы отклоняющих пластин. Горизонтальная развертка лучей общая (от генератора развертки), а вертикальная — каждая от «своего» канала У, что позволяет наблюдать на экране осциллограммы двух сигналов (без их периодического прерывания, как в двухканальных). Такие осциллографы намного сложнее схемотехнически и дороже двухканальных.