Лабораторная работа №24

Изучение электронного осциллографа.

Практическая работа с осциллографом.

Цель работы: Изучение устройства и принципа действия электронного осциллогра-фа. Получение практических навыков работы с осциллографом.

Оборудование: Электронный осциллограф типа С1-55, С1-81, С1-69. Генератор сигналов типа Г3-112, (генератор импульсов типа Г5-53), регулятор напряжения, вольтметр В3-38.

Краткие теоретические сведения.

Осциллограф - это измерительное устройство для наблюдения и исследования формы электрических процессов путем визуального наблюдения и измерения их временных и амплитудных значений.

Основная часть осциллографа - это электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух, с находящимися внутри в узкой части трубки электродами (рис.24.1).

Торец расширенной части ЭЛТ является экраном, на который нанесён слой люминофора: вещества, светящегося под ударами электронов.

Катод (К) ЭЛТ имеет форму цилиндра и подогреваемый нитью накала (Н-Н) испускает электроны. Около катода расположен управляющий электрод (УЭ), называ-емый модулятором. Изменяя подаваемое на модулятор отрицательное напряжение, можно управлять яркостью изображения, регулируя количество электронов, выходя-щих из модулятора. Далее расположены два анода А1 и А2, они имеют высокий положительный потенциал относительно катода: А1 - несколько сотен вольт, А2 - несколько тысяч вольт. А1 и А2 ускоряют направленное движение электронов и фокусируют их в узкий пучок. Изменяя разность потенциалов между анодами можно производить фокусировку созданного электронного луча. Далее на пути луча стоят две пары взаимно перпендикулярных пластин Пх и Пу, называемых отклоняющими. На пластины подаётся напряжение, создающее электрическое поле для отклонения электронного луча. Пластины Пу, отклоняют луч в вертикальной плоскости и называются вертикально отклоняющими пластинами.

Пластины Пх отклоняют луч в горизонтальной плоскости и называются горизонтально отклоняющими пластинами.

Одной из характеристик осциллографа является его чувствительность. Она чис-ленно равна отклонению светящегося пятна на экране при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1в. Так как есть две отклоняющие системы Пх и Пу, то имеются и две чувствительности Sх - по горизонтальной оси и Sу - по вертикальной оси они равны:

(1)

(2)

Если при отсутствии напряжения на пластинах Пх на пластины Пу подать переменное напряжение (синусоидальное), то на экране возникнет вертикальная прямая, т.к. луч будет отклоняться всё время в сторону положительно заряженной пластины, а заряд на пластинах будет изменяться с частотой поданных колебаний. Чтобы получить на экране изображение синусоиды или другого периодического сигнала луч кроме колебательного движения вдоль вертикальной оси должен совершать ещё равномерное движение вдоль горизонтальной оси, это происходит в случае, когда на Пх подается разность потенциалов, линейно зависящая от времени. Для получения устойчивой картины на экране осциллографа необходимо чтобы электронный луч, пройдя по горизонтали путь от одного края экрана до другого, быстро возвращаясь в первоначальное положение, повторял свою траекторию на экране, начинаясь всё время в одной и той же фазе. Удовлетворяющими такому условию являются пилообразные колебания напряжения, которые вырабатываются генератором развёртки и подаются на горизонтально отклоняющие пластины. Устойчивость изображения на экране ЭЛТ обеспечивается только в том случае, если период исследуемых колебаний равен или кратен периоду пилообразных колебаний. Процесс достижения этих условий называется синхронизацией развёртки.

При помощи входного аттенюатора, который представляет собой компенсированный делитель напряжения, выбирают величину сигнала, удобную для наблюдения на экране ЭЛТ.

Усилитель вертикального отклонения усиливает сигнал до необходимой величины для поступления его на вертикально отклоняющие пластины.

Из канала вертикального отклонения исследуемый сигнал поступает на вход схемы синхронизации и запуска развёртки. Для запуска развёртки может использоваться внешний сигнал, поданный на гнездо «Вход Х» синхронизации. Схема синхронизации и запуска развёртки вырабатывает прямоугольные импульсы постоянной амплитуды независимо от величины и формы входного сигнала, поэтому достигается устойчивый запуск генератора развёртки, вырабатывающего пилообразное напряжение. Пилообразное напряжение усиливается усилителем развёртки и поступает на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Для поступления сигнала на горизонтально отклоняющие пластины он подается на вход Х, при этом отключается генератор развёртки.

Калибратор вырабатывает прямоугольные импульсы, которые используются для калибровки усиления усилителя вертикального отклонения и длительности развёртки.

Узел питания обеспечивает питающими напряжениями ЭЛТ и все блоки осциллографа.

Также в осциллографе предусмотрено получение яркостных меток времени при подаче внешнего сигнала на гнездо «Вход Z», которое через конденсатор связано с модулятором ЭЛТ.

Все электронные осциллографы характеризуется следующими основными параметрами:

Максимальная чувствительность или минимальный коэффициент отклонения луча;

Диапазон измерения амплитуд исследуемых сигналов;

Погрешность измерения амплитуд (напряжения) %;

Диапазон измерения временных интервалов % (во всём диапазоне развёртки);

Погрешность коэффициентов вертикального отклонения луча %;

Погрешность коэффициентов развертки %;

Полоса пропускания усилителя вертикального отклонения (диапазон частот);

Неравномерность вершины переходной характеристики %.

Время нарастания переходной характеристики.

Входное сопротивление; входная ёмкость.

Неравномерность частотной характеристики.

Размеры рабочей части экрана

В зависимости от точностных параметров осциллографы электронно-лучевые в соответствии с ГОСТ 22737-77 делятся на четыре класса.

Для ЭЛО нормируются погрешности измерения в каналах вертикального и горизонтального отклонения луча. Самыми точными являются ЭЛО первого класса.

ЭЛО классифицируются по следующим группам: общего применения, многоканальные и многолучевые, запоминающие, широкополосные (скоростные), стробоскопические, специальные.

Осциллографы общего применения (универсальные), предназначены для осциллографирования и измерения параметров различных классов электрических сигналов в широком диапазоне амплитуд, частот повторения и длительностей. Они могут быть как простыми, так и многофункциональными (особенно при использовании сменных блоков).

Многоканальные ЭЛО позволяют на экране однолучевой ЭЛТ одновременно осциллографировать и исследовать два и более сигналов, поступающих по нескольким каналам. В их основе лежит использование коммутаторов исследуемых сигналов. Многолучевые ЭЛО используют ЭЛТ, имеющие два и более электронных лучей, управляемых отдельно или совместно.

Запоминающие ЭЛО позволяют сохранить на определенное время исследуемый сигнал для однократного или многократного визуального наблюдения или дальнейшей обработки. В основе этих осциллографов лежит применение ЗЭЛТ или других запоминающих устройств, например цифровых. Способность запоминать исследуемый сигнал широко используется при осциллографировании однократных электрических сигналов, а возможность электрического считывания «запомненного» сигнала - при совместной работе ЭЛО с устройствами обработки информации, например ЭВМ.

Широкополосные ЭЛО для осциллографирования коротких импульсов (с длительностью фронтов менее 15 нс) используются с реальным временем и с преобразованием временного масштаба. Эти ЭЛО должны иметь переходную характеристику с временем нарастания ПХ более 1нс можно использовать широкополосные усилители (в том числе с распределенным усилением) и широкополосные ЭЛТ в канале вертикального отклонения. При построении ЭЛО с временим нарастания ПХ менее 1 нс пока приходится отказываться от усиления сигнала в канале вертикального откло-нения, так как инерционность усилительных элементов и паразитные реактивности ограничивают практические возможности обеспечения необходимой полосы пропускания усилителя. В этом случае используется широкополосная ЭЛТ бегущей волны.

Стробоскопические осциллографы позволяют растягивать во времени (сжимать в частотной области) исследуемые сигналы без искажения их формы. Это позволяет усиливать исследуемые сигналы (после преобразования временного масштаба) и осциллографировать их на обычной ЭЛТ. В настоящее время широкое практическое применение нашли стробоскопические осциллографы, пригодные для преобразования временного масштаба лишь повторяющихся сигналов. Они способны осциллографировать импульсы со значительно меньшей амплитудой и длительностью по сравнению с ЭЛО на ТБВ (уровень их внутренних шумов не превышает 3-5 мВ, а время нарастания ПХ достигает 20 пс).

Специальные ЭЛО предназначены для целевого применения например, для телевизионных измерений, для систем автоматического контроля и управления и т. д.). В ряде случаев такие приборы, за счет сужения класса исследуемых сигналов), могут обладать значительно лучшими параметрами (большей полосой пропускания, большей точностью измерения параметров исследуемых сигналов, большим динамическим диапазоном и т. п.) по сравнению с универсальными ЭЛО. При совместной работе с ЭВМ возможности специализированных ЭЛО значительно расширяются.

Цифровые запоминающие осциллографы.

В настоящее время начинают находить все большее применение запоминающие осциллограф, использующие в качестве памяти цифровые устройства, например интегральные схемы на МОП -транзисторах. Такие осциллографы позволяют получить высокую точность измерений, недоступную при измерениях по экрану ЭЛТ, обеспечивают запоминание однократных импульсов на неограниченное время и возмож-ность их многократного воспроизведения на ЭЛТ или самописце, простоту сочетания с устройствами обработки информации или ЭВМ и возможность автоматизации измерений.

Р ис. 24.2.

На рис. 24.2. приведена структурная схема четырехканального цифрового запоминающего осциллографа. Два канала воспроизводят данные, записанные в запоминающем устройстве (ЗУ)-8, 15, два других предназначены для прямого воспроизведения входных аналоговых сигналов. Приведенная схема содержит два идентичных цифровых канала.

Наличие двух каналов в ЗУ позволяет выделить существенные параметры сигнала, записанного в одном из каналов, и ввести их во второй канал, сократив тем самым объем информации. Исследуемый сигнал одновременно с поступлением в канал вертикального отклонения осциллографа преобразуется в последовательность модулированных по амплитуде импульсов, каждый из которых преобразуется затем с помощью аналого-цифрового преобразователя -6,13 в 9-разрядный двоично-деся-тичный параллельный код. Этот код через систему ключей -7,14 вводится в ЗУ, выполненное в виде девяти регистров на МОП -транзисторах и рассчитанное на хранение тысячи 9-разрядных слов.

Управление модулятором, преобразователем, а также разверткой осциллографа осуществляется от тактового генератора 10. Для вывода данных ЗУ на экран ЭЛТ они преобразуются с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 23, 25 в последовательность модулированных по амплитуде импульсов, которые посылаются в канал. В осциллографе для формирования ступенчато изменяющегося напряжения развертки используется другой ЦАП 18, на вход которого подается цифровой код со счетчика импульсов 17, подсчитывающего число импульсов тактового генератора в течение периода развертки. Полоса пропускания такого осциллографа зависит от быстродействия АЦП (согласно теореме Котельникова полоса пропускания П=F/2, где F- частота дискретизации входного сигнала). Погрешность измерения определяется в основном разрядностью АЦП и параметрами входного усилителя.

Цифровой запоминающий осциллограф позволяет наблюдать очень медленные процессы, длящиеся несколько часов, что затруднительно при использовании обычных осциллографов даже с большим послесвечением ЭЛТ.

Цифровые запоминающие осциллографы в принципе позволяют синтезировать ряд функций путем введения их дискретных значений в ЗУ и наблюдать их в аналоговом виде на ЭЛТ.

Если цифровой запоминающий осциллограф снабдить программирующим устройством, то его функциональные возможности существенно расширяются. Сочетание цифрового запоминания с матричным (дискретным) экраном дает осциллографу новые преимущества.