Осциллографы

Электронно-лучевой осциллограф- универсальный измерительный прибор, применяемый для визуального наблюдения на экране электрических сигналов и измерения их параметров. Основная функция осциллографа заключается в воспроизведении в графическом виде электрических колебаний (осциллограмм) в прямоугольной системе координат. С помощью осциллографа наблюдается зависимость напряжения от времени, причём, осью времени является ось абсцисс, и по оси ординат откладывается напряжение сигнала. Кроме того можно наблюдать периодические непрерывные и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, одиночны импульсы и оценивать их параметры.

По осциллограммам, получаемым на экране осциллографа, могут быть измерены частота и фазовый сдвиг, параметры модулированных сигналов, временные интервалы. На базе осциллографа созданы приборы для исследования переходных, частотных и амплитудных характеристик различных электро и радиотехнических устройств. Широкое распространение электронно-лучевых осциллографов обусловлено возможностью их использования в полосе частот от нуля до десятков гигагерц, при напряжениях сигнала от десятков микровольт до сотен вольт.

В зависимости от назначения электронно-лучевые осциллографы подразделяются на универсальные, скоростные, запоминающие, специальные. Отличаясь техническими характеристиками, схемными и конструктивными решениями эти осциллографы используют общий принцип получения осциллограмм. Наибольшее распространение получили универсальные осциллографы. Они позволяют исследовать электрические сигналы в полосе частот до 350 МГц и изменять параметры таких сигналов с изменяемой для практики погрешностью (5…10%). Упрощенная структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа приведена на рисунок 7.1.

Рисунок 7.1. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа.

Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка ЭЛТ, представляющая собой стеклянную вакумированную колбу, внутри которой размещена электронная пушка, отклоняющие пластины х и у, люминесцентный экран. Назначение ЭЛТ является формирование узкого электронного пучка, при попадании которого на люминесцентный экран, на экране возникает светящееся пятно. Электронный пучок (луч) проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих У и горизонтально отклоняющих Х. Если к отклоняющим пластинам приложить электронное напряжение, то между ними будет существовать электронное поле, которое будет вызывать отклонение луча в ту или иную сторону. Если электрическое напряжение приложено к горизонтально отклоняющим пластинам, то световое пятно на экране трубки будет отклоняться вдоль оси Х; если же напряжение приложено к вертикально отклоняющим пластинам , то пятно будет изменяться по оси У. Если теперь сфокусировать электронный луч так, чтобы световое пятно располагалось в точке 0 (рисунок 7.2), а затем к пластинам У приложить исследуемое напряжение, например синусоидальное, а к пластинам Х пилообразное напряжение, то под совместным воздействием двух напряжений луч трубки вычертит на экране осциллограмму , отражающую зависимость U(t)=Um∙sinώt. После спадания пилообразного напряжения до нуля световое пятно возвратиться в точку 0. Пилообразное напряжение формируется так, чтобы время обратного хода развёртки t_обр было во много раз меньше времени

Рисунок 7.2 Получение изображения на ЭЛТ

прямого хода t_пр , поэтому обратный ход луча на экране трубки не просматривается. Для того чтобы изображение исследуемого напряжения отражало истинный характер сигнала, необходимо выполнение двух условий: первое – чтобы отклонение по оси Х и оси У были прямо пропорциональны напряжению, излагаемому к соответствующей паре пластин; и второе – чтобы длительность прямого хода развёртки t_пр была в точности равна периоду исследуемого напряжения T, либо выполняют условие t_пр=m∙T, где m – целое чисто. В первом случаи на экране осциллографа будет наблюдаться один период, а во втором – m периодов исследуемого напряжения.

Вернёмся к рассмотрению структурной схемы осциллографа (см.рис 7.1.). Кроме электронно-лучевой трубки она содержит канал вертикального отклонения луча (канал У), канал горизонтального отклонения луча (канал Х), канал управления яркостью луча (канал Z), калибратор амплитуды и длительности.

По каналу У поступает исследуемый сигнал U(t), вызывающий вертикальное отклонение луча в ЭЛТ. В этот канал входят: аттенюатор (Атт) для ослабления больших сигналов; предварительный усилитель (ПУ) для усиления слабых сигналов; линия задержки (ЛЗ) для небольшой временной задержки сигнала; оконечный усилитель (ОУ), на выходе которого вырабатывается симметричный противофазный сигнал, поступающий на вертикально отклоняющие пластины трубки.

По каналу Х на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ поступает напряжение развёртки. Основным узлом этого канала является генератор развёртки (ГР), вырабатывающий пилообразное напряжение, изменяющееся по закону Ux(t)=Bt. Напряжение развёртки может быть синхронизировано с исследуемым напряжением либо с напряжением сети, либо с сигналом от внешнего источника (эту функцию выполняет синхроселектор СС). В канале Х имеется усилитель (оконечный) горизонтального отклонения ОУх, вход которого подключен к выходу генератора развёртки. Выходное (двухфазное) напряжение с выхода усилителя поступает на пластины горизонтального отклонения. Переключатель входов ПВ (спаренный переключатель) позволяет выбирать режимы синхронизации развёртки осциллографа.

Калибраторы амплитуды и длительности предназначены для калибровки (настройки) каналов, вертикального и горизонтального, перед началом измерения параметров исследуемых сигналов. Калибраторы представляют собой генераторы напряжения с точно известными параметрами: значениями амплитуд и частот. Эти напряжения подаются с выхода калибратора амплитуды на выход У для установки и контроля масштабов по оси У (В/см, В/деление), с выхода калибратора длительности - на вход Х для контроля масштаба по оси Х (мс/см, с/см).

В схеме осциллографа предусмотрены такие устройства управления лучом: органы регулировки и настройки, обеспечивающие удобство работы с прибором (смещение луча по осям У и Х, регулировка яркости, фокусировка светового пятна).

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

- чувствительность по каналам У и Х (мм/В);

- полоса пропускания, т.е. диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления канала У уменьшается не более чем на 3Дб по отношению к некоторой опорной частоте;

-диапазон изменения длительности развертки;

- параметры, характеризующие погрешности измерения напряжения и интервал времени.