Электронно-лучевые осциллографы

Электронно-лучевым осциллографом называется электронный при­бор, предназначенный для визуального наблюдения формы кривой электрических сигналов и измерения их параметров с помощью элект­ронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевые осциллографы — наиболее распространенные измерительные приборы. Их широкое распространение объясняется рядом достоинств: широкой полосой рабочих частот, высокой чувстви­тельностью, большим входным сопротивлением и универсальностью (по видам измерений).

Классифицируются осциллографы по различным признакам:

• по количеству одновременно исследуемых сигналов (однолучевые, двухлучевые, многолучевые);

• по характеру исследуемого процесса (непрерывного, импульсного многократного и однократного процесса);

• по ширине полосы пропускания канала сигнала;

• по точности измерения параметров сигнала;

• по условиям эксплуатации и т. д.

На рис. 1 изображена структурная схема электронно-лучевого осциллографа.

Осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), канала вертикального отклонения, канала горизонтального отклонения, источников питания и вспомогательных узлов (калибраторов напряжения и длительности). Многие осциллографы имеют также и канал управления яркостью электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевая трубка определяет принцип действия прибора, и от ее характеристики в значительной мере зависят параметры осцил­лографа и области его применения. В осциллографах в основном приме­няют ЭЛТ с электростатическим управлением луча, так как такие трубки позволяют исследовать более высокочастотные процессы и потреблять меньше энергии от источников питания по сравнению с трубками с электромагнитным управлением лучом.

Канал верти- Калибратор

yкального от- напряжения

клонения

Канал гори-

xзонтального ЭЛТ

отклонения

Канал Калибратор

zуправления длительности

яркостью

Рисунок 1.

Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением имеет, кроме электронной пушки и устройства фокусировки луча, две пары взаимно перпендикулярных пластин. В трубке сфокусированный электронный луч пролетает между пластинами, и если между ними есть разность потенциалов, луч отклоняется в ту или другую сторону. Отклонение луча происходит в сторону пластины, имеющей более высо­кий потенциал. Принцип отображе­ния формы напряжения на экране ЭЛТ заключается в следующем. Исследуемый сигнал как функ­ция времени u = f (t) изображается в прямоугольной системе коорди­нат, абсциссой которой является время, а осью ординат — мгновен­ное значение сигнала.

Две пары пластин ЭЛТ откло­няют луч электронов в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать, как координатные оси. Горизонтальному направлению отклонения луча отводится роль оси времени, а вертикальному — оси мгновенных зна­чений.

Для получения равномерной шкалы оси времени необходимо, чтобы луч электронов отклонялся в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. С этой целью к горизонтально отклоняющим пластинам подводят пилообразное напряжение, которое с постоянной скоростью отклоняет луч слева направо на всю ширину экрана и потом быстро возвращает его влево, снова отклоняет вправо и т. д. (рис. 2.).

Рисунок 2

Исследуемое напряжение подводится к вертикально отклоняющим пластинам ЭЛТ.

Таким образом, на экране ЭЛТ вырисовывается график зависимости u = f (t) в другом масштабе Y = f (x).

Канал вертикального отклонения (канал Y или канал сигнала) служит для преобразования напряжения исследуемого сигнала в соот­ветствующее ему вертикальное отклонение луча. Он состоит из входного устройства, широкополосного усилителя вертикального отклонения и отклоняющих пластин электронно-лучевой трубки.

Входное устройство содержит входные зажимы (разъемы), переклю­чатель режима входной цепи, который позволяет при необходимости отделить постоянную составляющую из исследуемого сигнала с помощью последовательно включаемого конденсатора, и аттенюатора (делителя) для калиброванного ослабления сигнала.

Усилитель вертикального отклонения усиливает исследуемый сигнал до уровня, достаточного для получения нужного отклонения по вертикали. В усилителях канала Y применяются схемы и элементы, обеспечивающие неизменность коэффициента усиления в широком диа­пазоне частот.

Канал горизонтального отклонения (канал Х или канал развертки и синхронизации) служит для формирования напряжения, вызывающего горизонтальное отклонение луча, для усиления сигналов, синхронизи­рующих частоту горизонтально отклоняющего напряжения, а также для усиления внешнего сигнала отклонения по горизонтали.

Канал управления яркостью (канал Z) предназначается для усиле­ния сигналов, управляющих яркостью свечения экрана ЭЛТ.

Калибратор длительности предназначается для измерения времен­ных характеристик исследуемых процессов (длительности импульсов, периода колебаний и т.п.). Чаще всего—это генератор ударного возбуждения или кварцевый генератор.

Калибратор напряжения является источником стабильного напря­жения переменного тока.

Источник питания,по сравнению с источником других электронных приборов, дополнительно имеет высоковольтный выпрямитель, питаю­щий ЭЛТ, и цепи регулировок напряжений, управляющих яркостью, фокусировкой и положением светящегося изображения на экране ЭЛТ.

Развертывающим называют напряжение, обеспечивающее переме­щение электронного луча ЭЛТ по заданной траектории.

В практике осциллографических измерений и в различных осциллографических приборах наиболее часто применяют следующие виды разверток:

1) линейную непрерывную;

2) линейную ждущую;

3) круговую (эллиптическую).

Вид развертки определяется формой напряжения, приложенного к соответствующим пластинам.

Линейной непрерывной разверткой называют периодическое пере­мещение луча ЭЛТ по экрану вдоль одной из осей трубки с постоянной скоростью. Такой вид развертки применяют чаще всего при исследова­нии непрерывных периодических процессов.

Для получения линейной непрерывной развертки на горизонтально отклоняющие пластины подается так называемое пилообразное напря­жение, форма которого изображена на рис. 3.

Рисунок 3

В момент, когда развертывающее напряжение имеет минималь­ное значение, луч находится в левой части экрана ЭЛТ. По мере роста напряжения луч перемещается слева направо. Так как развертывающее напряжение нарастает с постоянной скоростью, то и луч по экрану движется с постоянной скоростью.

Если амплитуда U_m развертывающего напряжения достаточна, то в момент t₂ луч достигает правого края экрана и в следующее мгнове­ние начнет быстро двигаться в обратном направлении, так как развер­тывающее напряжение начинает быстро уменьшаться.

Участок развертывающего напряжения А Б называют напряжением прямого хода, а участок Б В — напряжением обратного хода. Соответствующие им интервалы времени называют временем прямого хода (t_пр) и временем обратного хода (t_обр). Обычно на время обратного хода луч ЭЛТ гасится. В момент снова начинает двигаться вправо и т. д. Для получения неподвижного изображения кривой исследуемого напряжения необходимо, чтобы периоды исследуемого (Ту) и разверты­вающего напряжений (Тр) отлича­лись в целое число раз:

T = n  T _x,

где п= 1. 2. 3, ...

Для наблюдения полного периода исследуемого напряжения необходимо, чтобы t_пр  t _обр.

Если развертывающее напря­жение во время прямого хода изме­няется не с постоянной скоростью, то изображение на экране будет отличаться от действительной фор­мы исследуемого напряжения, так как в этом случае между осью времени t и осью x экрана ЭЛТ не будет линейной связи (рис. 4., а и б). Искажение, исследуемой формы напряжения будет тем больше, чем сильнее отличается от линии участок прямого хода разверты­вающего напряжения, т. е. чем больше его нелинейность.

Рисунок 4.

При исследовании импульс­ных периодических сигналов с большой скважностью примене­ние непрерывной развертки не­целесообразно, так как в этом случае изображение импульса занимает очень малую часть экрана и рассмотреть детали изображения невозможно или очень трудно.

Применение линейной жду­щей развертки позволяет полу­чить изображение импульса по­чти во всю ширину экрана.

Свое название ждущая развертка получила потому, что под влиянием ее напряжения луч ЭЛТ, совершив один прямой и один обратный ход, ожидает разрешения на новый цикл развертки.

Генератор, вырабатывающий напряжение линейной ждущей раз­вертки, до прихода «разрешения» (импульса запуска) находится в ре­жиме «ожидания» (в ждущем режиме). Разрешение на выдачу разверты­вающего напряжения (импульс запуска) поступает на генератор нес­колько раньше, чем импульсы исследуемого напряжения поступают на пластины вертикального отклонения. Это позволяет наблюдать фронт импульса даже при большой его крутизне.

К форме напряжения линейной ждущей развертки предъявляется тоже требование хорошей линейности напряжения прямого хода, а для получения устойчивого изображения импульса необходимо, чтобы период развертывающего напряжения был равен периоду следования импульсов исследуемого напряжения. Последнее требование достаточно легко удовлетворяется, если в качестве импульсов запуска используются исследуемые импульсы.

Круговая развертка применяется при измерении временных интервалов, частоты сигналов, фазовых сдвигов и некоторых специальных измерениях. Свое название развертка получила по форме траектории движения луча ЭЛТ под действием отклоняющих напряжений.

Круговая развертка получается в том случае, когда на обе пары отклоняющих пластин подают напряжения синусоидальной формы одной частоты со сдвигом фаз  == 90°, вызывающим одинаковые отклонения луча в плоскостях X и Y. Этот вид развертки является частным случаем эллиптической развертки.