Тема лекции «Структурная схема универсального осциллографа»

Универсальным осциллографом называется измерительный прибор, в котором исследуемый электрический сигнал подается через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систему электронно-лучевой трубки ЭЛТ, а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляется напряжением горизонтальной развертки.

В настоящее время для анализа формы сигнала чаще всего используют осциллографы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) — электронно-лучевые осциллографы. Эти измерительные приборы относятся к наиболее универсальным и предназначены для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. В настоящее время разработаны и используются различные типы ЭЛО: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, специальные.

Самыми распространенными являются универсальные осциллографы. Они позволяют исследовать широкий класс электрических сигналов с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд, в диапазоне от долей милливольт до сотен вольт. Полоса пропускания частот современных универсальных осциллографов составляет 300…400МГц. Изображение сигнала на экране отображается практически одновременно с появлением сигнала на входе, поэтому такие приборы называются осциллографами реального времени.

Для исследования быстро протекающих процессов (например, нано- и пикосекундной длительности) применяются скоростные осциллографы, основным узлом которых служит специальная ЭЛТ бегущей волны. В скоростных осциллографах, как правило, предварительное усиление входного сигнала не производится, поэтому их чувствительность невелика. Эти приборы также являются осциллографами реального времени, которые дают возможность наблюдать и фотографировать как одиночные, так и периодические сигналы.

Повторяющиеся кратковременные процессы исследуются с помощью стробоскопических осциллографов. По принципу действия эти осциллографы относятся к приборам с преобразованием временного масштаба и отличаются высокой чувствительностью и широкой (до 25ГГц) рабочей полосой частот.

Запоминающие осциллографы, в которых используются специальные ЭЛТ, обладают способностью сохранять и воспроизводить изображение сигнала в течение длительного времени после снятия сигнала со входа осциллографа. Основным назначением запоминающих осциллографов является исследование однократных и редко повторяющихся временных процессов.

Специальные осциллографы оснащаются дополнительными блоками целевого назначения. К этой группе осциллографов относятся и телевизионные осциллографы, позволяющие выделять видеосигнал заданной строки изображения, и цифровые осциллографы, дающие возможность не только наблюдать сигнал, но и передавать его в цифровом виде на компьютер для дальнейшей обработки. Специальные осциллографы снабжаются блоками измерения напряжений, токов и сопротивлений (мультиметрами), а также устройствами для исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов.

По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов осциллографы подразделяются на одно- и многоканальные. Совмещение на экране изображений нескольких входных сигналов достигается или использованием специальной многолучевой трубки, или путем периодического переключения осциллографа на разные входы с помощью электронного коммутатора.

Структурная схема универсального осциллографа

Универсальным осциллографом называется измерительный прибор, в котором исследуемый электрический сигнал подается через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систему ЭЛТ, а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляется с помощью напряжения горизонтальной развертки.

Упрощенная структурная схема универсального осциллографа представлена на (рис. 10.1). В осциллограф кроме ЭЛТ и каналов вертикального и горизонтального отклонений входят следующие функциональные блоки: устройствосинхронизации и запуска развертки, канал модуляции — KM луча, вспомогательные устройства и источник питания. В стеклянном баллоне ЭЛТ расположены подогревный катод — K, модулятор (сетка) — M, фокусирующий анод — A1, ускоряющий анод — A2, две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин, где X — горизонтальные, а Y — вертикальные пластины.

Канал вертикального отклонения лучаY включает в себя аттенюатор, линию задержки и усилитель (см. рис. 10.1). Канал Y служит для подачи на пластины Y исследуемого сигнала uc(t), который подается на вход Y. Аттенюатор канала предназначен для ослабления сигнала uc(t) в определенное число раз. Линия задержки является регулируемой и обеспечивает подачу сигнала на пластины Y с задержкой относительно начала горизонтально развертывающего напряженияUx. Усилитель обеспечивает получение амплитуды сигнала на пластинах Y, достаточной для требуемого отклонения луча на экране даже малым исследуемым сигналом uc(t).

В свою очередь усилитель Y канала вертикального отклонения включает в себя следующие звенья (на рис. 10.1 они не показаны): входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления — Kус, линию задержки и парафазный (с противофазными выходными сигналами) усилитель, обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. В канал вертикального отклонения луча также может входить калибратор амплитуды (на рис. 10.1 он не показан). Сигнал от калибратора поступает на вход первого усилителя для установки заданного коэффициента усиления — Kус1. При этом цену деления, B/дел., масштабной сетки на экране осциллографа можно определить по формуле

m = ,

где UK — напряжение калибратора; Kус1 — коэффициент усиления при одном положении регулировки усилителя; nK — число делений сетки, занятое изображением калибровочного сигнала.

Цена деления масштабной сетки с учетом коэффициента деления kд аттенюатора cд = ckд. Если в процессе работы параметр c остается постоянным, то величина cд может быть указана на дискретном переключателе аттенюатора, что и делается на практике. Основными характеристиками канала вертикального отклонения являются верхняя граничная частота порядка 100МГц и чувствительность

Sy = kдkycSyc,

где Syc — чувствительность усилителя.

При kд = 1 чувствительность составляет около 1мм/мВ.

Канал горизонтального отклонения луча X служит для создания горизонтально отклоняющего — развертывающего напряжения Ux с помощью напряжения генератора развертки и для передачи (через аттенюатор и усилитель) на пластины X исследуемого сигнала. Схема синхронизации обеспечивает формирование сигнала синхронизации, поступающего на генератор развертки (для получения четкой неподвижной осциллограммы). Усилитель канала усиливает и преобразует сигнал развертки Up в Ux.

Канал горизонтального отклонения характеризуется чувствительностью и полосой пропускания частот, которые в два раза меньше, чем в канале вертикального отклонения. Основным блоком в канале является генератор развертки, который может работать как в непрерывном, так и в ждущем режиме. К форме пилообразного напряжения генератора предъявляются следующие требования:

Время обратного хода луча должно быть много меньше, чем время прямого хода.

Для того чтобы изображение на экране было неподвижным, осциллограмма должна начинаться всегда с одной и той же точки экрана и фазы сигнала. Это достигается путем синхронизации напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала:

Tp = nTc,

где n = 1, 2, 3, 4 и т.д.; Tc — период сигнала;

Напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе луч будет двигаться по экрану с различной скоростью и нарушится равномерность временного масштаба по оси X.

Канал Z (канал управления яркостью) осциллографа служит для передачи с входа Z на управляющий вход ЭЛТ сигнала, который модулирует ток ее луча и, следовательно, яркость свечения люминофора. В состав этого канала входят: аттенюатор, схема изменения напряженности и усилитель Z.

Калибратор предназначен для формирования периодических импульсных сигналов с известной амплитудой, длительностью и частотой для калибровки осциллографа. Таким образом, обеспечиваются правильные измерения параметров исследуемого сигнала.

Виды разверток в осциллографе. Одним из основных узлов осциллографа является электронно-лучевая трубка, выходными элементами которой служат две пары пластин. Пластины с помощью специальной развертки отклоняют луч в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Развертка имеет вид линии, которую чертит луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала в результате действия только одного развертывающего напряжения. Если развертывающее напряжение приложено к одной паре отклоняющих пластин (обычно к пластинам X), то развертку называют по форме развертывающего напряжения, например линейной или синусоидальной. Если развертывающие напряжения приложены к отклоняющим пластинам X и Y трубки осциллографа одновременно, то название развертки дается по ее форме, например круговая или эллиптическая.

Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая пилообразным напряжением Up генератора развертки. Для обеспечения различных режимов работы осциллографа существуют несколько видов разверток. Рассмотрим некоторые из них.

Автоколебательная развертка представляет собой развертку, при которой генератор развертки периодически запускается при отсутствии сигнала запуска на его входе.

Ждущей называется развертка, при которой генератор развертки запускается только с помощью сигнала запуска.

Однократная развертка — это развертка, с помощью которой генератор развертки запускается только один раз с последующей блокировкой.