4.6 Структурная схема универсального осциллографа

Y

Усилитель

синхронизации

Внутр.синхр.

Синхронизатор

Генератор развертки

.1

Cеть

2

Внешн.синхр.

X

Z

Рис.4.19

Рассмотрим назначение и функции элементов структурной схемы (рис.4.19).

Все сигналы на осциллограф подаются через входные устройства. Основная задача входного устройства – развязка осциллографа от цепи, в которую он включается. Кроме того, во входном устройстве должен находится частотно независимый аттенюатор, коэффициенты деления которого переключаются и точно известны. Во входном устройстве канала Y бо’льший набор фиксированных коэффициентов деления. Значения коэффициентов деления между фиксированными значениями перекрываются плавным регулятором, но если он используется, то величина коэффициента неизвестна (то есть не определен масштаб по оси Х). За входным устройством канала Y стоитповторитель– каскад, у которого большое входное, чтобы не шунтировать аттенюатор, и малое выходное сопротивление для согласования с малым сопротивлением линии задержки.

Усилитель Yдолжен обеспечивать неискаженную передачу исследуемого сигнала, иметь регулируемый коэффициент усиления. Вместе с аттенюатором, усилитель масштабирует исследуемый сигнал по интенсивности до значений, которые необходимы для эффективного отклонения луча по оси Y.

Усилитель синхронизацииответвляет часть исследуемого сигнала в режиме внутренней синхронизации. Кроме того, он должен обеспечивать развязку канала Y от канала Х. Выход усилителя соединен с переключателем режима синхронизации.

Синхронизатор– нелинейное устройство с управляемым порогом, которое из сигнала любой формы формирует нормированный импульс, запускающий генератор развертки (рис.4.20):

u(t)

Регулируемый порог

t

Нормированный импульс Рис.4.20

Генератор развертки состоит, как правило, из двух частей (рис.4.21):

Генератор прямоугольных импульсов с регулируемой длительностью и постоянной амплитудой

Интегратор

Рис.4.21

При такой схеме построения длительность развертки регулируется генератором, и интегратор формирует из прямоугольного импульса с постоянной амплитудой пилообразное напряжение, так как напряжение на выходе интегратора

, если i(t)=I=const

С выхода генератора напряжение развертки попадает на контакт 1 переключателя. Если усилитель Х подключен к этому контакту, то развертка осуществляется пилообразным напряжением генератора развертки; к контакту 2, то напряжением внешнего источника, подаваемым на вход канала Х.

Устройство гашения обратного хода запирает луч на это время. До сих пор мы считали, что после того, как пилообразное напряжение достигнет своего максимального значения, оно мгновенно принимает минимальное значение. Реально у пилообразного напряжения это изменение не происходит мгновенно и напряжение развертки имеет вид (рис.4.22):

u(t)

Рис.4.22

t

Причина появления обратного хода объясняется тем, что аналоговое интегрирование так или иначе происходит с помощью ёмкости, те есть формирование пилообразного напряжения связано с перезарядом ёмкости. Когда ёмкость заряжена до напряжения U, то на ней накапливается заряд Q=UC, гдеU– напряжение до которого заряжен конденсатор. Чтобы ёмкость разрядилась мгновенно, нужно чтобы мгновенно уменьшился до нуля накопленный заряд Q, за время но , гдеi(t)– ток разряда конденсатора. В силу физических ограничений ток не может быть бесконечным, а значит . При длинных развертках значениемможно пренебречь, но на коротких его величина сравнима си за время обратного хода при напряжении на пластинах Y луч будет «рисовать» это напряжение справо налево, искажая наблюдаемый сигнал. Именно поэтому на время обратного хода луч гасится.

Калибраторявляется источником точно известного по амплитуде и периоду напряжения. По этому напряжению проверяют масштаб по оси Y (напряжение) и Х (время). Так как измерения на экране осуществляется сравнением изображения с линиями, нанесенными на прозрачную маску, необходимо знать цену делений этих линий. Если на экране (рис 4.23) показан калибровочный сигнал с периодом 4 мкс и размахом 8 В, то цена

Рис.4.23

деления по горизонтали 1 мкс, а по вертикали 4 В. В случае несовпадения калибровочного сигнала с сеткой, при калибровке регулируют коэффициент усиления канала Y (ось Y) и длительность развертки (масштаб Х).

Таким образом, погрешность меры будет определяться погрешностью градуировки масштабов.

Для уменьшения погрешности измерения напряжения и времени в осциллографах используют курсоры. На рисунке 24 а, б курсоры показаны тонкими линиями; на рис а) курсоры по напряжению, по б) – по времени.

Рис.4.24

а) б)

Для получения курсоров по напряжению, на пластины У подаются постоянные напряжения. Меняя их величину, совмещают линии с участками сигнала, напряжения которых необходимо измерить (на картинке а) измеряется амплитуда сигнала). После того, как курсоры совмещены с интересующими участками, измеряют, как правило, цифровым вольтметром разность напряжений, образовавших линии курсоров.

Для создания курсоров по времени, на пластины У подают прямоугольный импульс с амплитудой, превышающий динамический диапазон канала Х (чтобы верхняя и нижняя части импульса были за обрезом трубки). Меняя длительность импульса и его положение на экране, совмещают курсоры с точками сигнала, временной интервал между которыми нужно измерить – в данном случае измеряется длительность импульса . После этого цифровым частотомером измеряют длительность импульса, которая и равна измеряемому интервалу.

Современные аналоговые осциллографы анализируют сигнала в полосе от 0 до нескольких сот Мгц.