4.1. Элек гронно- тучевой осциллограф

Электронно- чу чевой oi цилло 'va<p — унив^рса гьный измерительный прибор, применяемый для визуального наблюдения на экране элек­трических сигналов и измерения их параметров Основная фу нкция ос­циллографа заключается в в .^произведении в графическом вид элек­трических колебаний (осциллограмм) в ■ [рямоугольной системе коорди нат. Чаще всего с помощью осциллографа наблюдают зависимость на­пряжения от времени причем как правило, осью времени s вляется ось тсцисс. а по оси ординат откла (ывается напряжение < игнала. С помо­щью осцилюграфа можно наблю гать периодические непрерывные и импу пьсные сигналы непериодические и случайные си* налы, одиночные импу 1тьсы и оценивать их параметры

По осцил .ограммам, получаемым на экране осциллограф? могут пыть измерены частота и фазовый сдвиг, параметры модулированных сигналов, временные интервалы На базе осцил. юграфа созданы прибо­ры для исследования ->ереходных часто гных и амплитудных характери- 11 ик различных электро- и радиотехничелсих устройств Широкое рас­пространение электронно-лучевых оещмлографов обусловлено возмож­ностью их использования в полосе часто' от нуля до десятков гига! ерц, при напряжениях сигнала от десятков микроволь г до сотен вольт

Kautp У

Рис 4 1 Структурная схема электронно-лучевого оимиллографа

В зависимости от назначения электронно-лучевые осциллографы по дразделяю ся на ниверсальные скоро». тые. загоминаюшие. стробо­скопические и специальные Отличаж ь техническими харак герист иками, схемными и констрз ктивньгми решениями эти осциллографы использу­ют общий принцип получения осциллограмм. Наибольшее распростра нение получили у ниверсальные осциллографы Они позволяют исследо­вать клектри¹ еские сигналы в полосе частот до 350 МГц и измерять па­раметры та::их сигна тов с приемлемой для практики погрешностью (5 .10%). Упрощенная структурная схема универсального электронно­лучевого осциллогр 1фа приведена ьа рис 4 1

Основным узлом осц№1Лографг является электроьно лучевая трубка ЭЛТ пре лставляюшая собой стеклянную вакуумированную колбу, внутри кот< рои р?змешена электронная пушка отклоняющие пластины и люминесцен чный экран Полагая тго читатель знаком с устройством электронной гушки из курса физики от метим лишь, что назначением ее яв ^тяется формирование узко о электронного пучка, при попадании ко­торого на люминесцентный экран на меране возникас > светящееся пятно Э ■ектронный пучок (дуч) проходит между двумя парами взаимно пер­пендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально от ■ ююняющих Y и горизонтально отклоняющих X Если к отклоняющим пластинам приложит ь электрическое напряжение, то между ними будет существовать электрическое поле, которое будет вызывать отклонение луча в ту или иную сторону Если электрическое напряжение приложено к горизонтально отслоняющим пластинам, то световое пя гио на экран* тру бки будет отклоняться вдоль оси X если же напряжение приложено к верт ика тьно отклоняющим п. истинам. го пятно будет перемещат ься по оси Y Гели теперь сфокусировать электронный луч щк, ч^тобы световое пя гно расположилось в точке 0 (риг 4 2), а затем к пластинам I прило­жить исследуемое напряжение, например, синусоидальное, а к пластинам

X пилообразное напряжение, то под u(t) совместным воздействием двух иапря пении луч трубки вычертит на экра_пе осциллограмму отражающую зависи­мость u(t) = f/„,sin(oi'- После спадания пилообразного напряжения до нуля световое пя гно возводится в точку О Пилообразное "апряжение формлр"ет- ся так чтобы время обратного хода развертки t_a6„ было во мното раз мень­ше времени прямого хода t_np, поэтому обра ный ход луча на экране трубки не ^{на зкране} *

про( матривается Для того чтобы изображение иселедуемо1 о напряже­ния отражало исти.'ныи характер сигнала, необходимо выполнение двух ус­ловии. Первое — чтобы отклонения iC оси Y и оси Убыли пряно пропор­циональна напряжению npi латаемому к соответствук и ей паре пластин и °торое — чтобы длительность прямого хода ра>всртки /_П{ была в точности равна периоду исследуемою Hai ряжения Т, либо зыполнялось условие = гпТ, где m — целое чист). В первом случае на экране осцилл >- - рафа будет наблюдаться один период, а во втором m периодов исследуемо­го напряжен ■■«

Вернемся к ра< смотрению структурной схемы осциллографа (см. рис. 4,1) Кроме 3J ектронно лучевой трубки оьа содержи г канал вертикаль­ного отклонения луча (канал У). кан?л горизонтального отклонения луча (канал X). канал у. равления яркостью луча (канал Z) калибраторы амплитуды КА и длительности КЛ

По каналу У поступает исследуемый сигнал u(t), вызывающий вертикальное отклонение луча в электронно-лу чевой трубке В этот канал входят: аттенюатор А для ослабления больших сигналов; пред­варительный усилитель Уу для усиления слабых сигналов; линия за­держки JI3 для небольшой временной задержки сигнала; оконечный усилитель ОУ, на выходе которого вырабатывается симметричный противофазный сигнал, поступающий на вертикально отклоняющие пластины трубки

Рис. 4.2. Получение ■ бра» ния

По каналу X на горизонтально отклоняющие пластины электронно­лучевой тоубки поступят напряжение развертки Основным узлом эта о к *нала яв юется генератор развертки ^ГР чнраба ывающии напряжение, изменяюп еся по икону U_x(t) = Bt (пилоооразное напряжение). Напря­жение развертки может "эыть синхрон» зировано с исследуемым Hai ря­жением. либо с напряжением сети либо с сигналом от внешнего ис­точника Ь канале X имеется усилителе горизонтального отклонения У„ иход которого подключен к выходу генератора развер ки. Выходное (двухфа (ное) напряжение с выхода усилителя поступает на пластины го­ризонтального отклонения

Длч гого. чтобы обеспечить возможность измерения папаметров исследуемых сигналов в структуре осциллографа имеются калиора торы длительности и амплитуды Катибрат оры представляют собой генераторы напряжений с точными значениями амплитуды и частоты. Эти напряжения подаю ■ ся с выхода калибратора амплиту­ды на вход Y для установки и контрогл масштабов отклонений по оси У (В/см, В/деление), с выхода калибратора длительности — на вход X для контроля масштаба по оси X (мс/см, с/см)

В схеме осциллографа . редусмот] ены т акже устройства и органы pervлировки и на( тройки, обеспечивающие удобс гво работы с прибором (смещение луча то осям X и Y регулировка яркости, фокусировка свето вс^го пятна и др ).

Электронные осциллографы характеризуются рядом технических и метрологических характеристик. К наиболее важным относятся:

• чувствительное! ь по «аналам Y и X (мм/3);

• полоса пропускания, т е мапазон частот, в преде тах которого ко­эффициент усиления каната Yуменьшается не более чем на 3 дБ no от­ношению к некоторой опорной тастоте.

• диапазон изменения длю ельности развертки

• входное i о противление ш входная емкость канала У;

• параметры характеризующие по] решности измерение напряжения и интервалов времени

Синусоидальная развертка в осциллографе Для решения ряда измери­тельных задач вместо пилообразною напряжения развертк (линейной раз вертки) испол>-зуетсл синуеиидальная развертка Для получения синусои­дальной разве ;тки на пластины X подаю г напряже :ие изменяющееся по гирмс.^ическому закону u_x(t)= U_m sin oii При этом генератор линеиной раз­вертки ГР *см. рис. 4 1) иидаллографа отключае гея Положительный полу­период напряжения синусоидальной развертки вызывав г -еремещени* луча от центра жрала до его правой границь и обратно отрицательный полупе- риоц — от центра крана до его тевой границы м обратно к центру. Ско­рость перемещения туча изм .няется по сину< оидальн^му закс чу, хотя лини», р свертки пргтетавляет собой горизонтальную пинию. Мгновенное значение отклопения луча по горизонтали

х(г) = a sinti>i,

где а — амплиту i,a отклонения луча на экране трубки по горизонтали в

единицах длины

Если на г ластины У подать напряжение вида i/_v(f) = U_m sin(iu{ + ф),

т е. той же частоты и формы, что и на п тетины X но имеющее начальный фазовый сдвиг ф, то мгновенное значение отклонения луча по вертикали

f,siк

ф=0 45° 90^j 135° ф=180°

Рис 4.3 фигуры Лиссажу при ] ар нстве частот напряжений

Рис. 4.4. Фш уры Лиссаж" при коатности частот

f,=3f_x

#v4=3

(31s⁰¹) (270°) (225°)

y(t) = Ъ |ш£ш; + ф).

где Ь — амп штуда отклонения лу ча на экране трубки по вертикали в едини (ах длины.

При одновременном воздействии напряжении u_x(t) и u_f(t) на луч, на экране осци оюграфа возникает, так называемая фи ура Лиссажу. фор­ма которой описывается выражением

Ь

а

(4.1)

Формула (4 1) явля лся уравнением эллипса, т е фигура лиссажу на лсране трубки пре ставляет собой в общем случае э.1лиш,, ф рма кото­рого зависит о-" амплитуд отклонений электронного луча по вертикали и горизонтали и фазового сдвш а между на фяжениями u_Y(t) и u_y(t). Лишь в частных случаях эллипс вырождается в более простую фигуру. Так, на­пример при равенстве амплитуд с и Ь, если ф = 0, то у = х; если ф = 180°, го у = -х , т.е. в Э1 их с гучаях эллипс вырождае гея в прямые, наклонен­ные под углом 45^ь или 135° к i оризонтальяой оси. соответственно (рис. 4.3). Если Ф = 90° или 270° то

Это уравнение эллипса с полуосями совпадающими с осями коорди­нат Если а = Ь - г, осциллограмма принимает вид окр;, ясности с радиу­сом г При неравных часто л ах и пазных нача пьных фаза х фи ура Лигса- жу принимает более сложный вид (рис. 4 4). причем фигура б\дет непод­вижной только лри определенном соотношении частот разв ртки и ис­следуемого сигнала — если они относятся как целые числа Это отноше­ние, называемое крайностью частот, может быть опред-лено .ледующим образом проведи через фигуру горизонтальную и вертикальную прямые пинии (линии пе должны проходить через узлы фи! уры), подсчихывакм число лересеченчй лшии с осцил тограммой и вычисляю' коагноеть. как и, / n_t, где л, — число пересечений Oi циллограмме' горизонтальной ли­нией, ь- — число ьересечении вертикальной линией

Как видим фи-уры Лисеажу несут определенную информацию о па- раметра^ исследуем< то напряжения — час готе, фазе и лр и, следова ^тельно, могут быть испо [ьзованы для решения оответствуюших изме­рительных задач.

4.2 ЦИФРОВЫЕ ОСЦИЛ. IOIРАФЫ

дальнейшим развитием тех чики осшиш трафир шания явилось создание цифровых осциллографов. в ко горых аналоговый исследуемый сшлал (разу же во входном блоке преобразуется в цифюочую форму и запоминается в дискретной ламяги Зафиксированный в памя^ги сигнал межет быть использован для otoi ражения его на -?кранг электронно­лучевой трубки на плоском матричном экране или тюбым друг им спо­собом.

Наряду с повышением точности осциллографирпеания , цифроьые ос­циллографы позволяют полпостью автоматизировать процесс измерения о< уществлять дистанционное управ гение режимом работы произво шть ма темати ескую и ки-ческую обработку информации. Hcnoj гьзованг1е мат­ричных кранов 'нижает габариты и массу цифровых оецн шографов и уст­раняет необходимость применения исто> тиков "итания высокого напряже­ния

В самом простом виде цифровой осциллограф имеет структуру, преде гавленную на рис 4.5 Здесь входной исследуемый сигнал л (г) уси­ливается до необходимою значения х_н(0 и поступает на аналоге цифровой преобразователь АЦП. Мгновенные значения нормированно­го сигнала x_H(t) в моменты времени t_k, задаваемые генера/ором Г преоб разуются в цифровые эквиваленты N(t_k) и запоминаются в регистре па­мяти Рг. Синхронно с моментом взя ^гия цифровых отче/о в N(t/) им­пульсы 1_к поступаю-¹ на счетчик СчМ где появляется код. равномерно н' растающий во времени. Колы М/_л) в отображаю нем ус гройс гве ОУ прюбиаз/ются в управляющие сигналы N, вызывающие вертикальное перемещение светящейся точки экрана ОУ, а коды преобразуются в управляющие сигналы М, вызывающие горизонта иьное перемещение светящейся точки жрана ОУ При переполнении счетчика СчМ послед­ний занимает исходное поло­жение, при котором светящая я точка также возвращайся в исходное положение на экране подго ^гавливая новый цикл по лучения изо5ражения осцилло­граммы

I

установка О

Рис. 4.5 Структур <ая схема цифрового

осциллографа

Процесс равномерною на­бора кода счетчиком СчМ и сброса его в исходное положе­ние при переполнении имитиру­

ет врементю развертку осциллографа аналогично линеино-изменяю- щемуся довертывающему напряж ению в '<лектронно-лучевом осцилло- орафе.

При отображс [ии сю нала на шектронно-лучевой тру бке коды, со­ответствующие цифр< 1вым отсче/ам, преобразую! я в цифр о- анало­говом преобразователе в напряжение, которое поступает на вертик шьно отклоняющую систему тру бки, а коде, соответствующие временной раз вертке, через цифро аналоговый преобразователь по аются в j оризоь- тал'-но отклоняющую систему трубки

Если отображающее устройство построено на матричной индика­торной панели то коды йертикал.чого и горизонтального отклонения преобразуются в позиционную форму и выбираю i одну из строк и один из столбцов матричной пгнели, в перекрести которых возн гкает светя щиесч точка

В блок управления осциллографом включаюгеп арифметическо логические устройства что намного расширяет функциональные воз­можности цифровою осциллографа С гановится возможным оцифровы­вал. . побые значения исследуемого сигнала, получать и отображагь его производную интеграл спектральную xaj актеристику корреляционную функцию, рас.,реде гение плотности вероятности и т.д.

Современная микропроцессорная техника позволяет путем вклю чения ее в цифровой осциллограф решать практически все функцио­нальные зада-^, во .пикающие при исследовании сигналов А достиже ния в облас ги технологии и элементной базы позволяют существенно снижать массогабаритные характеристики цифровых осциллографов, вплоть до разработки карманных приборов

Так, одна из моделей цифровых осцилтографов, выпускаемых фир мой <'Креатек» имеет размеры 25x10x3,75 см и массу 900 г. Высококсн- грастный жидкостный дисплей оазмерами 58x58 мм лает четкое изобра жение исследуемых сигналов. Осциллограф имеет два аналого-цифровых преобразователя, обеспечивающих одновременное наблюдение двух сигналов в полосе от постоянного гока до 10МГц При этом возможна их обработка (сложение, вычитание умножение и деление) встр эенным калькулятором Цифр» вая обработка сигналов кроме того, позво мет запомнить до 46 о» циллограмм а 1акже до 9 режимов работа осцилло графа

На экране осциллографа, помимо собственно осциллограмм ото ражается состояние органов управления (чувствительность, длитель пость пазвертки и т п.) Предусмотрен вывод информации с осцилло- | рафа на печать и другие функциональные возможности