Электронные осциллографы

Электронный осциллограф – это прибор для визуального наблюдения и регистрации разнообразных электрических сигналов, а также для измерения разнообразных параметров сигналов, определяющих их форму, временные, частотно-фазовые соотношения.

Классификация эо и их структур

Существует несколько классификационных признаков.

1. По количеству одновременно исследуемых сигнал – для исследования одного сигнала и нескольких.

2. По ширине полосы пропускания.

3. По характеру исследуемого сигнала – для наблюдения непрерывных сигналов, импульсных многократных и импульсных однократных.

4. По точности воспроизведения формы сигнала, точности измерения временных интервалов и амплитуд: на ЭО 1, 2, 3, 4 классов.

Несмотря на многообразие существующих типа ЭО, их обобщённые структурные схемы можно свести к двум типам, взяв за основу классификацию по характеру исследуемого сигнала – для наблюдения непрерывных сигналов и импульсов.

В первом случае схема имеет следующий вид. Её основным элементом служит электронно – лучевая трубка, во второю вмонтированы электронная пушка и отклоняющие пластины.

м

K 1 2

+ - вх z

+

яркость фокус

A – Входной каскад;

B – Усилитель напряжения;

С – Парафазный усилитель;

D – Узел синхронизации;

Е – Генератор;

F - Парафазный усилитель;

G - Усилитель напряжения;

Н - узел питания.

Электронная пушка состоит из катода «К», модулятора яркости М, фокусирующее – ускоряющие аноды Все электроды выполняются в виде цилиндров, оси которые совпадают с осью трубки. Внутри цилиндров расположены перегородки – диафрагмы с отверстиями в центре.

Катод создаёт электронный луч, М – концентрирует луч в узкий пучок и позволяет регулировать яркость путём подачи отрицательного относительно катода напряжения.

На первый анод и второйподаётся высокое положительное напряжение (несколько киловольт).фокусирует электронный луч, а- сообщает лучу необходимую энергию.

Экран покрыт слоем люминесцирующего вещества. Внутреннюю поверхность трубки покрывают проводящим слоем металла или графита (акводач), который соединяют со вторым анодом.

Это уменьшает влияние электрических полей на работу прибора. Для защиты от магнитных полей трубку помещают в кожух из пермаллоя.

Измерительный механизм – отклоняющее устройство ЭЛТ состоит из двух пар 1 и 2 отклоняющих пластин.

Если на пластины подать переменное напряжение, то отклонение светового пятна будет практически без инерционно следовать за мгновенными значениями вплоть до сотен МГц, и на экране будет наблюдаться светящаяся полоска, длина которой соответствует двойной амплитуде. В таком режиме ЭО может использоваться для измерения амплитуд ~ напряжений и в нулевых указателях.

Чувствительность:

где - напряжение 2-го анода.

Т.е. для увеличения необходимо уменьшить ,но это приводит к уменьшению яркости, которая зависит от кинетической энергии электронов, т.е. от .Поэтому уменьшают, а после отклоняющих пластин применяют дополнительные ускорения с помощью дополнительной секции аквадага, на которую относительно второго анода подается напряжение . Это мероприятие позволяет значительно увеличить яркость.

Чувствительность ЭЛТ мала, она составляет 0,10,5 мм/в. Поэтому во всех осциллографах входной сигнал предварительно усиливается. Для согласования ЭЛТ с усилителем служит выходной парафазный усилитель, применение которого необходимо для уменьшения специфических искажений сигнала, появляющихся в связи с наличием ёмкости отклоняющих пластин.

Для наблюдения исследуемого напряжения на экране необходимо движение луча в горизонтальном направлении. Для этого напряжение от генератора развёртки Е подаётся на пластины «Х».

должно линейно нарастать во времени. Наилучшей формой такого напряжения является пилообразное напряжение. Если период развертки равен периоду напряжение.

Если период развертки равен периоду напряжения , то на экране будет наблюдаться одна волна. Та ее часть, которая приходится на обратный ход луча, видна, не будет.

t

Поэтому обычно Tpaзв=(3÷4)Ту. Благодаря этому, потеря даже значительной части последнего периода уже не играет роли.Tpaзв должно быть равно целому числу Ту, чтобы каждый новый период развертки начинался с одной и той же точки. Только в этом случае изображение на экране будет неподвижным, в противном случае будет наблюдаться мелькание полос.

Это соотношение должно поддерживаться с большой степенью точности в течении длительного времени. Однако, регулировка частоты Гр с необходимой точностью затруднительна. Поэтому Гр снабжен устройством синхронизации. Синхронизация может идти как от исследуемого напряжения (переключатель в положении 1), так и от любого внешнего источника (положения 2). Продифференцированное напряжение с Гр обычно подается на «М», что позволяет исключить засветку экрана при обратном ходе луча (входZ).

В ряде случае, например, при измерении сдвига фаз, частоты и т. п. На пластины «Х» следует подавать не пилообразное напряжение, а например, синусоидальное.

В этом случае Гр отключается с помощью П2, и пластины 2 присоединяют к выходу усилителя , на которое подано напряжение от любого внешнего источника .

Обобщенная структура осциллографа, предназначенного для наблюдения импульсных однократных или многократных сигналов, показано на рисунке.

Вход Y1

2 1

2

Внешн.

синхр.

Вход х

Вход Z

А-узел питания и регулирования, В-калибратор напряжения, С-генератор импульсной подсветки, D-калибратор меток в рем., Е-формирование импульсного запуска.

Здесь появились дополнительные узлы.

Линия задержки в канале «Y», генератор ждущей развёртки, генератор импульсов подсветки и вспомогательные элементы – калибратор меток времени и калибратор напряжения. С помощью генератора непрерывной развёртки можно получить устойчивое изображение лишь в случае периодических сигналов в основном с малой скважностью. А при большой скважности возникают затруднения, так как устойчивая синхронизация бывает лишь в том случае, когда частота генератора развёртки меньше частоты, так как генератор работает в режиме деления частоты.

Труднее с непериодической последовательностью импульсов. Здесь синхронность означает, что генератор должен быть подготовлен к началу процесса развёртки, пока импульса нет, и должен выдать единичный сигнал развёртки, когда импульс поступает на вход осциллографа. Поэтому должно быть два режима работы Гр – «непрерывный» и «ждущий», когда Гр ждет импульс.

Для того, чтобы начало ждущей развёртки не запаздывало относительно момента поступления импульса, т. к. в этом случае на экране будет не полное изображение импульса, при исследовании в микросекундах и наносекундных импульсов необходима задержка сигнала в канале вертикального отклонения луча на время задержки Гр. Это достигается включение линии задержки, которая выполняется в виде цепной схемы из LиCэлементов.

При большой скорости движения луча изображение сигнала будет неярким. Для устранения этого явления формируют режим работы ЭЛТ введением генератора подсветки, который резко увеличивает энергию луча при прямом ходе.

Для улучшения метрологических характеристик ЭО вводится калибратор меток времени и калибратор напряжения. Калибратор меток времени – это стабильный генератор, дающий сигнал на «М», который периодически запирает трубку, вызывает чередование тёмных и светлых участков на изображении сигнала, по количеству которых можно судить о его временных характеристиках.

Калибратор напряжения выдает периодический сигнал определённой частоты, амплитуда которого постоянна и известна, что позволяет отградуировать ось «Y» в единицах напряжения.

Основные узлы ЭО

Основными узлами ЭО кроме ЭЛТ, являются генераторы развёртки.

Генераторы развёртки. Гр должны давать напряжение, линейно изменяющееся во времени.

U

Um

t

t в

tпр

tобр

Это напряжение должно иметь .- время восстановления амплитуды. Гр должен генерировать напряжение с высокой линейностью прямого хода, должен иметь малое время восстановления, допускать возможность синхронизации. Гр ЭО делятся на ГЛИН медленной развертки ;средней скорости развертки и быстрой развертки .Гр может быть построены по двум блок схемам.

Е Е

Выход Выход

с с

В первой схеме «С» заряжается во время прямого хода от источника «Е», а в течение обратного хода разряжается через коммутирующую цепь.

В второй схеме «С» во время прямого хода разряжается через разрядную цепь, а во время обратного хода быстро заряжается через коммутирующий элемент.

Характерным для этих схем является наличие ёмкостной интегрирующей цепи.

i- ток заряда емкости

Если i=const, то .

Для обеспечения постоянства тока пользуются разными способами.

1) Применением высокого по сравнению снапряжения заряда емкости, т.е.

используется только начальный участок экспоненциального напряжения заряда ёмкости.

2) Применением токостабилизирующих устройств (диоды в режиме насыщения, пентоды).

3) Применением компенсационных схем с положительной и отрицательной обратной связью.

Синхронизация Гр. Как указывалось, для получения неподвижной кривой на экране, нужно, чтобы частоты исследуемого напряжения и напряжения развёртки относились как простые целые числа m:n. Практически и непостоянны во времени. Поэтому необходимо синхронизировать Гр исследуемым напряжением.

В ждущем режиме Гр запускается исследуемым напряжением. Гр делает одно колебание и ожидает нового импульса. В этом случае автоматически решается вопрос синхронизации.

Если же Гр выдаёт непрерывно, то и синхронизация должна осуществляться.