Электронные осциллографы и их использование. Осциллографы

Осциллограф входит в комплект необходимых измерительных приборов при работе с электронными устройствами. Осциллограф – это единственный вид измерительных устройств, который позволяет наблюдать форму сигнала непосредственно, а также оценивать его амплитудные и временные характеристики. Современные осциллографы по точности измерения параметров не уступают специализированным измерительным приборам – вольтметрам, частотомерам.

Назначение осциллографа – это наблюдение формы сигнала, измерение его мгновенных параметров в любой момент времени наблюдения, сравнение формы и фазовых сдвигов с другими колебаниями.

Устройство и принцип действия

Устройство электронного осциллографа можно без преувеличения назвать одним из самых сложных среди большинства измерительных приборов. По принципу работы он практически идентичен телевизионному приемнику, с той разницей, что вместо сигнала изображения на его вход подается исследуемый сигнал.

В основе устройства лежит электронно-лучевая трубка, на которой визуально отображается состояние входного электрического сигнала. Для того чтобы согласовывать изображение на экране с реальной формой колебаний, электронный луч осциллографа управляется генератором строчной развертки.

Электронно-лучевая трубка осциллографа имеет в составе две пары отклоняющих пластин, которые управляют положением электронного луча на экране. Первая пара расположена горизонтально и отвечает за отклонение луча по горизонтали. Для этого на нее подается напряжение пилообразной формы от генератора горизонтальной развертки. Постепенно увеличивающееся напряжение вызывает линейное отклонение луча по горизонтали. Во время резкого спада импульса развертки луч возвращается назад для того, чтобы начать движение заново. Момент возврата луча не должен быть виден на экране, поэтому в это время на экран подается напряжение гашения луча.

Наиболее полно уяснить работу осциллографа можно, рассмотрев блок-схему внутреннего устройства.

Схема осциллографа позволяет более детально понять принцип его работы. По ней видно, что в состав прибора входит два канала: вертикального и горизонтального отклонения.

Горизонтальная развертка

Канал горизонтального отклонения (называется канал X) подключен к генератору развертки, который вырабатывает сигнал горизонтального отклонения лучей ЭЛТ. Генератор развертки может работать в нескольких режимах:

Внутренняя синхронизация. Работает в режиме автоколебаний с вручную выставленной частотой;
Внешняя синхронизация. Запуск генератора происходит от входных импульсов. Включает три подрежима: запуск по фронту или по спаду импульсов и от внешнего источника колебаний;
Синхронизация от питающей сети (50Гц);
Ручной (однократный) запуск.

Режим внутренней синхронизации удобен при исследованиях сигналов стабильной частоты, поскольку только при таком условии наблюдается стабильное неподвижное изображение. Для увеличения стабильности в данном режиме может быть организован захват частоты на входе собственным генератором развертки.

В режиме внешней синхронизации, его еще называют ждущий режим, запуск генератора производится в момент достижения входным сигналом определенного уровня или от внешнего источника. Данный режим удобен для исследования недостаточно стабильных колебаний, особенно, когда используется синхронизация генератора развертки и исследуемой схемы от одного источника колебаний. Для точной установки уровня, с которого начинается запуск генератора, в приборе предусмотрена регулировка.

Зачем предусмотрена синхронизация от сети? При синхронизации от питающей сети запуск развертки происходит синхронно с колебаниями сетевого напряжения, что очень удобно при наблюдении помех и искажений, вносимых устройствами питания.

К сведению. Ручная синхронизация используется при исследовании непериодических сигналов, например, в логических схемах.

Вертикальная развертка

По аналогии с координатной сеткой канал вертикального отклонения именуется канал Y. В нем происходит обработка входного исследуемого сигнала, который подается в канал через аттенюатор – ступенчатый регулятор уровня. Так сделано для того, чтобы амплитуда измеряемого параметра не превышала допустимого уровня, и наблюдаемая картинка не выходила за границы экрана. Канал вертикального отклонения имеет возможность передачи сигнала на задающий генератор горизонтального отклонения для синхронизации последнего.

Обычный режим работы канала Y – открытый. Это означает, что вертикальное отклонение луча будет в точности соответствовать уровню сигнала. Когда имеется постоянная составляющая, она может мешать наблюдению колебаний, поскольку картинка на экране будет сильно смещена к верхней или нижней границе экрана или даже выходить за нее. Либо же придется подгонять аттенюаторов в размер экрана. Постоянную составляющую можно убрать, переключив канал в режим закрытого входа.

Что такое закрытый вход? В таком случае сигнал поступает через конденсатор, который не создает препятствий для переменного напряжения.

Оба канала имеют оконечные усилители, которые формируют необходимые уровни сигналов, подаваемых на отклоняющие пластины.

Основные параметры

Как и любой другой измерительный прибор, электронный осциллограф имеет характеристики, которые определяют возможную область применения:

Для того чтобы вход устройства не вносил искажения в исследуемую схему, его сопротивление должно быть достаточно велико. Подавляющее большинство осциллографов имеет сопротивление входа 1 Мом;
Второй важный параметр – верхняя граничная частота исследуемого сигнала. Современные осциллографы способны работать с колебаниями гигагерцовой частоты. Здесь имеется в виду не только частота сигнала, но и длительность фронта или спада отдельных импульсов, то есть время изменения амплитуды. Это важно при исследовании сигналов несинусоидальной формы. Чем ближе форма сигнала к прямоугольной, тем больше в нем присутствие высокочастотных гармонических составляющих. Если входные цепи не рассчитаны на такую частоту, то на изображении передняя и задняя стенки импульсов будут передаваться с искажениями. Частота будет отображаться верно, но форма импульса уже не будет соответствовать реальной;

Важно! При исследованиях прямоугольных колебаний верхняя допустимая частота электронно лучевого осциллографа должна в несколько раз превосходить частоту сигнала.

Диапазон допустимых значений уровня. Разумеется, что колебания малого уровня не будут способны вызвать отклонения электронного пучка ЭЛТ или выйдут из допустимых пределов разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя частоты. Высокие значения мало того что вызовут искажения изображения, но могут и вывести из строя входные цепи устройства.

Области применения

Как уже понятно из предыдущих описаний, осциллографы служат для исследований формы периодических и дискретных сигналов. В некоторых случаях измерений без них обойтись практически невозможно. Вольтметр и амперметр дают только понятие об уровнях сигнала, частотомер – об их частоте, но полной картины без использования осциллографа достигнуть невозможно.

Одна из значительных областей применения – исследование формы телевизионного сигнала, где, кроме сигнала, несущего информацию о передаваемом изображении, присутствуют данные о сигналах синхронизации кадровой и строчной разверток, импульсах цветовой синхронизации и прочей дополнительной информации. Наблюдения осциллографических изображений телевизионного сигнала позволяют значительно облегчить ремонт и регулировку трактов изображения телевизионных приемников.

Типы осциллографов

По принципу построения внутренней схемотехники электронно лучевые осциллографы делятся на:

Аналоговые;
Цифровые;
Аналоговые с цифровой обработкой сигнала.

Исторически первыми появились аналоговые устройства, так как требовали наличия обычных аналоговых компонентов для работы внутренних составляющих. При этом они обеспечивали достаточно точное отображение формы сигнала, но не имели возможности производить замеры амплитудных и частотных характеристик. Движение электронного луча вкупе с искажениями, вносимыми входным трактом, давали большую нелинейность при определении амплитуды и частоты сигнала. Таким образом, по этим параметрам можно было производить только оценочные измерения.

Наблюдения были возможны только для периодических сигналов.

Появление специальных электронно-лучевых трубок позволило организовать память на одно движение луча горизонтальной развертки. Это было необходимо для оценки однократных сигналов или импульсных помех.

Более широкие возможности имеют устройства с цифровым трактом обработки сигнала, который после входных цепей осциллографа подавался на аналого-цифровой преобразователь. Данный алгоритм позволил производить точные измерения параметров, в том числе напряжение и частоту следования, длительность импульсов. Используя запоминающее устройство, легко можно было организовать запоминание любых участков формы сигнала без применения специальных трубок.

Цифроаналоговые осциллографы бывают двух подвидов. В первых из них цифровой тракт использовался только как дополнение к аналоговому для измерения параметров, во вторых – использовался для формирования изображения на ЭЛТ. Первый тип устройств по своим параметрам ничем не отличался от классических аналоговых, имея дополнительную опцию по измерению параметров. Второй подвид вплотную приблизился к полностью цифровым приборам, отличаясь только устройством отображения информации.

Цифровые осциллографы используют для отображения информации жидкокристаллический дисплей, на котором, кроме формы сигнала, отображаются все измеряемые параметры:

Напряжение: амплитудное, среднее;
Частота сигнала;
Длительность импульсов;
Длительность фронта и спада импульсов;
Фазовые сдвиги.

Таким образом, один прибор способен заменить собой большую часть измерительных приборов.

Первые цифровые осциллографы характеризовались малой разрешающей способностью экрана и в этом качестве сильно уступали аналоговым устройствам, рисуя на дисплее сильно искаженную картинку сигнала. В настоящее время это ограничение снято, и качество изображения не уступает электронно-лучевой трубке.

Важно! Среди полезных качеств цифровых осциллографов следует отметить широкие возможности по запоминанию изображения и параметров измеряемых сигналов на различных участках времени, хранение информации и вывод ее на печать или передачу на внешние носители.

Методика измерений

Перед началом работы производится калибровка прибора. Для этой цели предусмотрены выходы встроенного калибратора со строго фиксированными значениями частоты и напряжения. Регулировкой чувствительности и частоты устанавливают изображение на экране в соответствии с нормой.

Для измерений следует иметь в виду, что щупы осциллографа имеют два вывода, один из которых подключается к общей точке электросхемы – массе.

Предварительно на входном аттенюаторе выставляется уровень, соответствующий напряжению измеряемого сигнала. Если это значение неизвестно, то следует начинать с максимального положения. Обычно это 100 В на одно деление экрана. Переключая положение аттенюатора, добиваются того, чтобы картинка занимала большую часть экрана.

Далее выставляют требуемый режим синхронизации и частоту развертки задающего генератора. На регуляторе частоты установлены значения длительности периода колебаний. То есть, если переключатель установлен в положение 20 мс/дел, это означает, что период колебаний длительностью 20 мс будет укладываться в одно деление координатной сетки. Это соответствует частоте 50 Гц.

Регулятором уровня и синхронизации добиваются неподвижности изображения.

Для измерений используется следующая методика:

Уровень сигнала определяют, подсчитывая, сколько делений по вертикали занимает изображение. Полученное число умножают на значение аттенюатора;
Также определяют и длительность сигнала, с тем отличием, что отсчитывают деления по горизонтали и умножают число на значение регулятора длительности. Частоту определяют по формуле:

Дополнительные возможности

Существуют многоканальные осциллографы, у которых имеется несколько входов Y и, соответственно, можно наблюдать сразу несколько сигналов. Для чего нужен многоканальный осциллограф? Он незаменим для определения фазовых сдвигов колебаний относительно друг друга и их сравнения.

Для увеличения входного диапазона применяются входные делители 1:10 или 1:100, которые поднимают допустимое верхнее значение сигнала в 10 и 100 раз, соответственно. Этот факт нужно учитывать при измерениях в дальнейшем. Наличие входного делителя при этом пропорционально увеличивает и входное сопротивление прибора.

Цифровые осциллографы избавляют от необходимости ручного подсчета амплитуды и частоты, выводя эти значения на экран. Кроме того, они позволяют заносить изображение в память и передавать его на внешнее печатающее устройство.

При отсутствии дополнительных входов Y для определения фазовых сдвигов нужен осциллограф, у которого предусмотрен вход Х с отключенным внутренним генератором развертки. Подавая колебания на входы X и Y, можно сравнивать фазы и частоты по так называемым фигурам Лиссажу.

Видео

Осциллограф представляет прибор, используемый для исследования временных и амплитудных параметров электрического сигнала, который подается на его вход, или непосредственно на экране, или записываемого на фотоленте. На сегодняшний день это один из самых распространенных типов контрольно-измерительных приборов, который наряду с мультиметрами позволяет производить производственные и научные исследования.

На сегодняшний день промышленность не стоит на месте. Создаются современные приборы, которые позволяют значительно сокращать время исследований и разработок. Они обладают значительным набором измерительных приложений, емкостным сенсорным дисплеем, глубокой памятью и высочайшей скоростью обновления сигналов на экране.

Виды

Всего имеется несколько типов приборов, которые различаются по характеристикам:

Аналоговые.

Аналогово-цифровые.

Цифровые запоминающие.

Устройства смешанных сигналов.

Виртуальные устройства.

По количеству лучей осциллограф может быть:

Однолучевой.
Двулучевой и так далее.

Число лучей может быть 16 и более (n-лучевой прибор имеет n сигнальных входов, в том числе может отображать на экране одновременно n графиков входных сигналов).

Приборы также классифицируются по принципу действия:

Электронный: аналоговый и цифровой.
Электромеханический: электродинамический, выпрямительный, электростатический, термоэлектрический, электромагнитный, магнитоэлектрический.

По развертке их можно поделить:

Специальный.
Запоминающий.
Стробоскопический.
Скоростной.
Универсальный.

Имеются также приборы, которые совместимы с иными измерительными устройствами. Это может быть не только автономное устройство, но и приставка, к примеру, компьютер, карта расширения или вовсе подключение к внешнему порту.

Устройство

Конструкция аналоговых устройств базируется на применении систем аналоговой горизонтальной развертки и электронно-лучевых трубок. Одним из главных блоков данных приборов являются генераторы линейно меняющегося напряжения пилообразной формы.

Аналоговый осциллографимеет:

Отклонение луча на экране определяется напряжение пластин. Трубки выделяются большим диапазоном частоты. Горизонтальная развертка функционирует от напряжения горизонтальных пластин по линейной зависимости. Верхняя граница частоты определяется усилителем и емкостью пластин. Нижний предел соответствует 10 герцам.
Для визуализации характеристик и формы в аналогово-цифровых приборах исследуемого сигнала используются системы аналоговой горизонтальной развертки, электронно-лучевые трубки, в том числе генераторы линейно изменяющегося напряжения. К тому же в конструкции приборов имеются встроенные запоминающие модули, которые используются для хранения изображения.
Запоминающие цифровые приборы применяют высокоскоростную оцифровку аналоговых сигналов, обеспечивают их хранение и выводят на жидкокристаллический индикатор, который применяется вместо электронно-лучевой трубки. Цифровой осциллограф имеет преобразователь аналогового сигнала, усилитель, делитель, блок управления, память и блок выведения на ЖК панель.
Устройства смешанных сигналов быстро оцифровывают аналоговые сигналы, в том числе имеют функцию ввода цифровых последовательностей. Вся необходимая информация сохраняется в запоминающий модуль и выводится на жидкокристаллический монитор при необходимости.

Принцип действия

Аналоговые устройства для создания изображения на экране применяют электронно-лучевую трубку. В ней напряжение, которое подается на оси X и Y, заставляет точку передвигаться по экрану. На горизонтали можно наблюдать зависимость от времени, тогда как по вертикали идет отображение пропорциональное входному сигналу. В целом же сигнал усиливается и направляется на электроды, которые отклоняют по оси Y электронно-лучевой трубки с применением аналоговой технологии.

Цифровойосциллограф работает несколько по-другому:

Выполняется модификация входящего аналогового сигнала в цифровую форму.
Затем происходит его сохранение. Скорость сохранения зависит от управляющего устройства. Верхняя граница определяется скоростью преобразователя, при этом у нижней границы нет ограничений.
Преобразование сигнала в цифровой код позволяет повысить устойчивость отображения, сделать масштаб и растяжку проще, сохранить данные в память.
Использование дисплея вместо электронной трубки дает возможность отображать любые данные, в том числе выполнять управление прибором. У дорогостоящих приборов установлены цветные экраны, благодаря чему они дают возможность выделять цветом различные места, различать курсоры и сигналы иных каналов.
Синхронизацию можно наблюдать прямо перед включением развертки. Используемые процессоры обработки сигнала позволяют обрабатывать сигнал при помощи анализа преобразованием Фурье.
Информация в цифровом виде дает возможность записать экран с итогами измерения в память, в том числе распечатать на принтере. Большинство приборов имеют накопители, чтобы можно было записать изображения в архив и в дальнейшем произвести их обработку.

Применение

Осциллографпредставляет измерительный прибор, при помощи него можно:

Определить значения напряжения сигнала (амплитуду) и временные параметры.
Измерив временные характеристики сигнала, удастся определить его частоту.
Наблюдать сдвиг фаз, происходящий при прохождении разных участков цепи.
Выяснить переменную (AC) и постоянную (DC), которые составляют сигнал.
Наблюдать искажение сигнала, который вносит определенный участок цепи.
Выяснить соотношение сигнал/шум, определить стационарность шума или его изменение по времени.
Понять процессы, которые происходят в электрической цепи.
Выяснить частоту колебаний и так далее.

Эти устройства преимущественно применяются в электронике и радиотехнике. Особенно важным элементом прибор используется в электромеханических сферах производства. Данное устройство выступает в качестве фиксирующего прибора, который наглядно отображает все колебания электрического тока, происходящие в определенном электрическом механизме. С помощью прибора можно найти помехи, а также искажения прохождения электрического импульса в самых разных узлах схемы.

Применение в диагностике и ремонте автомобилей

Применяются эти приборы и в других областях. Так они часто используются для определения неисправностей в системе исполнительных механизмов и иной диагностике. При помощи них даже можно диагностировать механические неисправности двигателя.

К примеру, осциллограф способен:

Выявить неисправный катализатор.
Определить соответствие установки задающего шкива коленвала по отношению к датчику положения коленчатого вала.
Выявить сильный подсос воздуха.
Наблюдать сигналы с датчиков системы, отслеживать их изменение.
Считывать коды неисправностей, сохраненные системой.
Указать идентификационные данные системы, ЭБУ.
Выполнить проверку работу исполнительных механизмов и так далее.

Естественно, что такой прибор должен иметь логический анализатор, специальное программное обеспечение и уметь выполнять дешифровку протоколов.

Как выбрать осциллограф

На рынке представлено множество самых разных моделей. Поэтому перед покупкой следует определиться:

Следует узнать, где будет применяться прибор?
Какова амплитуда измеряемых сигналов?
Сигналы в скольких точках схемы будет нужно измерять одновременно?
Необходимость измерения одиночных и периодических сигналов?
Необходимость сигналов в частотной области, функции быстрого преобразования Фурье и так далее?

При выборе следует обратить внимание на следующие параметры:

Количество каналов. Они будут влиять на число отображаемых независимых сигналов на дисплее. Их одновременное наличие позволит наблюдать за несколькими графиками, проводить их сравнение и анализировать. Для работы с простой техникой хватит 2-4 каналов. Наиболее продвинутыми являются приборы с функцией логического анализатора и 16 каналами.
Частота дискретизации будет влиять на число выборок сигнала в секунду, то есть на качество разрешения изображения на экране. Большее количество точек сигнала позволит построить более точное изображение. Данный параметр важен при измерении переходных и однократных процессов.
Тип питания. При работе с прибором на выезде или вдали от сети лучше покупать модель с аккумулятором. В остальных случаях лучше покупать измерительные приборы, работающие от сети.
Полоса пропускания. Следует учесть, что полоса пропускания должна в 3-5 раз быть выше значения частот исследуемых сигналов. Для простых усилителей звуковой частоты и цифровых схем достаточно параметра в 25 МГц. Для профессиональных исследований и радиочастотных схем будет нужно устройство с полосой пропускания порядка 100-200 МГц.

Сегодня вполне можно купить устройства, выпущенные 30-40 лет назад. Однако такой осциллограф лучше не использовать, ведь:

Для калибровки необходимо использовать подстроечники, которых полно и сверху и сбоку. Обеспечить точную настройку будет затруднительно.
Высохшие электролиты.
Габариты и так далее.

1. Общее назначение и устройство электронного осциллографа.

2. Устройство и разновидности электронно-лучевых трубок.

3. Измерение параметров электрических сигналов с помощью электронного осциллографа.

8.1. ОБЩЕЕ НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.

Электронный осциллограф (ЭО) – это прибор для наблюдения функциональной связи между двумя или более физическими величинами, преобразованными в электрические параметры и характеризующими какой-либо физический процесс. Структурная схема ЭО показана на рис. 8.1.

Сигналы параметров подают на взаимно перпендикулярные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и наблюдают, измеряют и фотографируют графическое изображение (осциллограмму) исследуемой зависимости на экране трубки.

Рис. 8.1. Структурная схема электронного осциллографа.

При исследовании временной зависимости процесса исследуемый сигнал А поступает на вход усилителя вертикального отклонения Y (рис. 8.1).

Горизонтальное перемещение луча создается генератором развертки, перемещающим луч по оси Х.

Для одновременного исследования двух или более процессов (сигналов) используются многолучевые осциллографы.

Осциллографы делятся на универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные.

Универсальные осциллографы устроены по схеме рис. 8.1.

Запоминающие имеют ЭЛТ с накоплением заряда. Они сохраняют изображение сигнала длительное время (даже при выключении осциллографа) и удобны для исследования однократных и редко повторяющихся процессов.

В стробоскопических осциллографах используется принцип последовательного стробирования (т.е. регистрации в течение очень короткого времени) мгновенных значений сигнала для его преобразования (сжатия или растяжения во времени). При каждом повторении сигнала отбирается мгновенное значение сигнала в одной точке, но точка отбора к приходу следующего сигнала перемещается по сигналу. Стробоскопические осциллографы наиболее широкополосны и позволяют исследовать периодические сигналы длительностью 10 –11 с.

Скоростные осциллографы позволяют исследовать не только периодические, но и однократные быстропротекающие процессы

Специальные осциллографы служат для исследования телевизионных или высоковольтных сигналов и т.п.

8.2. УСТРОЙСТВО И РАЗНОВИДНОСТИИ ЭЛТ.

ЭЛТ называют электровакуумные электронные приборы, у которых баллон имеет форму трубки и в которых используются сфокусированные в виде лучей потоки электронов.

Различают одно-, двух- и многолучевые ЭЛТ. В качестве основного признака классификации для ЭЛТ выбирают их назначение: приемные или передающие ЭЛТ (на телевидении), запоминающие или радиолокационные ЭЛТ, электронно-оптические преобразователи.

В приемных ЭЛТ последовательности электрических сигналов преобразуются в видимое изображение. К таким трубкам относятся индикаторные трубки РЛС, осциллографические трубки, кинескопы, мониторы дисплеев. В передающих трубках, наоборот, оптическое изображение преобразуется в последовательность электрических сигналов. В запоминающих трубках возможны и те, и другие преобразования.

В конструкциях большинства видов ЭЛТ присутствуют следующие основные элементы: электронный прожектор, отклоняющая система, экран для визуального отображения информации.

Для формирования и управления электронными потоками используются как электрические, так и магнитные поля. Электронный прожектор во всех ЭЛТ используется в принципе однотипный. Он состоит из катода (обычно оксидного) и нескольких электродов, формирующих электронный луч: модулятора, ускоряющего электрода, первого и второго анодов (рис. 8.2).

Модулятор находится под небольшим относительно катода регулируемым отрицательным напряжением 5-10 В, и, подобно управляющей сетке электронных ламп, управляет током электронного луча, т.е. в конечном счете – яркостью свечения экрана.

Аксиально-симметричные электрические поля в промежутках между электродами прожектора образуют электрические линзы, отклоняющие электроны к оси трубки, т.е. фокусирующие электронный луч. Ускоряющий электрод, отделяющий модулятор от анодов, предотвращает влияние изменения напряжения на модуляторе на качество фокусировки луча.

Рис. 8.2. Схема электронного прожектора ЭЛТ.

Цвет свечения экрана определяется химическим составом люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность колбы. Применяют силикат цинка Zn 2 SiO 4 (;желто-зеленый цвет свечения), сульфид цинка ZnS с примесью меди (зеленое свечение) или серебра (си

синее свечение). Экраны с длительным послесвечением, необходимые для РЛС, выполняют двухслойными (первый слой возбуждает свечение во втором). Экраны имеют круглую или прямоугольную форму; на них наносят масштабную сетку для отсчета измеряемых величин.

Яркость свечения люминофора зависит от его свойств и от мощности, подводимой к экрану. Увеличение яркости за счет плотности тока ограничено нарушением фокусировки луча и опасностью выгорания люминофора. Основной способ повышения яркости – увеличение ускоряющего напряжения. Однако при увеличении кинетической энергии электронов падает чувствительность трубки к отклоняющему напряжению:

s = h / U откл, т.е. величина отклонения пятна на экране трубки h , приходящейся на 1 В отклоняющего напряжения.

В современных ЭЛТ электронам придается большая энергия лишь после того, как они прошли отклоняющую систему (ЭЛТ с «послеускорением»). Для этого внутреннюю поверхность колбы от экрана до горловины покрывают коллоидным раствором графита – аквадагом, создающим проводящий слой, на который подается положительное напряжение, большее напряжения второго анода. Иногда высокоомный слой наносят на внутреннюю поверхность колбы в виде спирали с малым шагом, чтобы ускоряющее напряжение повышалось постепенно от второго анода до экрана.

Для исследования двух или более одновременно протекающих процессов применяют (2-5) ти -лучевые ЭЛТ, имеющие соответствующее число прожекторов, лучи которых фокусируются и отклоняются независимо.

Запоминающие ЭЛТ отличаются тем, что осциллограмма исследуемого процесса записывается электронным лучом не только в виде светящегося изображения на экране, но и одновременно в виде потенциального рельефа на поверхности помещенного перед экраном диэлектрика, способного длительное время сохранять этот рельеф. Это позволяет в дальнейшем многократно воспроизводить осциллограмму или увеличивать время ее свечения.

В трубках для РЛС сигнал на экране получают в полярных координатах, поэтому ЭЛТ для радиолокаторов имеют радиально-азимутальную развертку луча и работают в режиме яркостной отметки сигнала, подаваемого на модулятор прожектора. Электромагнитная отклоняющая система состоит из пары катушек, вращающихся вокруг горловины трубки синхронно с вращением антенны РЛС. Через катушки протекает ток линейно- пилообразной формы, отклоняющий луч по радиусу к периферии экрана. ЭЛТ должна обладать высокой разрешающей способностью, большой яркостью свечения, высоким контрастом изображения, линейностью отклонения луча и длительным послесвечением, чтобы за время полного оборота антенны на экране сохранялась полная картина отмеченных целей и местных предметов.

В ЭЛТ с электростатическим управлением отклоняющая система состоит из двух пар взаимно перпендикулярных пластин Х и У. Для получения осциллограммы – графика зависимости исследуемой величины от времени, исследуемое напряжение прикладывается к паре вертикально отклоняющих пластин «У», а между горизонтально отклоняющими пластинами «Х» подается пилообразное напряжение развертки. Если период развертки выбран кратным периоду исследуемого напряжения, то на экране наблюдается устойчивое и четкое изображение (график) исследуемого процесса.

Электромагнитные фокусирующие и отклоняющие системы позволяют получить более мощный луч, обеспечивающий высокую яркость экрана, и более высокое качество фокусировки по всей поверхности экрана по сравнению с чисто электростатическими системами.

Фокусирующая катушка, надетая на горловину трубки, создает резко неоднородное магнитное поле. Оно имеет осевую и радиальную составляющие вектора индукции. Если электроны влетают в магнитное поле под углом к вектору индукции, то за счет взаимодействия их с радиальной составляющей B r возникает сила Лоренца, закручивающая электроны вокруг оси трубки и сообщающая им угловую составляющую скорости. Эта составляющая, взаимодействуя с осевой составляющей B z вектора индукции, вызывает появление силы, направленной в сторону оси трубки. Величина этой силы тем больше, чем дальше удален электрон от оси трубки, поэтому при выходе из катушки электроны идут сходящимся пучком с фокусом на экране.

8.3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.

С помощью осциллографа можно наблюдать и регистрировать форму импульсов и измерять все основные параметры периодических процессов: амплитуду напряжений, частоту и фазу. Принцип регистрации и измерения напряжений U (t) ясен из рис. 8.1, а методы измерения частоты и фазы электрических колебаний будут рассмотрены ниже.

Каналы вертикального отклонения луча (лучей) имеют широкополосные усилители. В многолучевых осциллографах число усилителей равно числу лучей.

Для измерения амплитуд и длительностей сигналов на прозрачную пластину, прилегающую к экрану, наносят координатные оси с делениями, проградуированными в единицах напряжения (по оси «Y») или времени (по оси «Х») с помощью специальных калибровочных импульсов, вырабатываемых внутренним генератором.

При наблюдении периодических процессов (особенно – быстропротекающих) важно получить на экране осциллографа неподвижное изображение сигнала в функции времени. Для этого нужно, чтобы период развертки был равен или кратен периоду изучаемого сигнала. Однако. на практике, как правило, это условие соблюсти трудно. Поэтому используют принудительное согласование периодов сигналов по осям Х и Y, т.е. их синхронизацию. Целью синхронизации является обеспечение равенства частот исследуемого сигнала и развертки или их отличия в целое число раз.

Синхронизация заключается в том, что генератор пилообразного напряжения подает на отклоняющие пластины «Х» напряжение в строго определенные моменты времени. Эти моменты задаются либо специальными синхроимпульсами, вырабатываемыми внешним источником (внешняя синхронизация), либо определяются по моменту достижения исследуемым сигналом определенного уровня (внутренняя синхронизация).

Для измерения частоты и фазы гармонических колебаний с помощью электронного осциллографа часто используют так называемые фигуры Лисажу (ФЛ). Это – замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях (впервые изучены французским ученым Ж.Лисажу). Они легко наблюдаются на экране осциллографа, если соответствующие гармонические сигналы подать одновременно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины.

Вид фигур зависит от соотношения между периодами (частотами), фазами и амплитудами обоих колебаний. В простейшем случае равенства обоих периодов ФЛ представляют собой эллипсы, которые при разности фаз j = 0

или j = p вырождаются в отрезки прямых, а при j = p / 2 и равенстве амплитуд превращаются в окружности (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Вид фигур Лисажу при различных соотношениях периодов колебаний (1: 1, 1: 2 и т.д.) и разностях фаз.

Если периоды обоих колебаний не совпадают точно, то их разность фаз все время меняется, вследствие чего эллипс непрерывно деформируется. При существенно разных периодах замкнутые кривые не наблюдаются, однако если периоды относятся как целые числа, получаются ФЛ более сложной формы, некоторые из которых показаны на рис. 8.3.

Радиолюбительство, как хобби, занятие очень увлекательное, и, можно сказать, затягивающее. Многие вступают в него еще в чудесные школьные годы, а со временем это увлечение может стать профессией на всю жизнь. Даже, если не удается получить высшего радиотехнического образования, самостоятельное изучение электроники позволяет добиться весьма высоких результатов и успехов. В свое время журнал «Радио» называл таких специалистов инженерами без дипломов.

Первые опыты с электроникой начинаются, как правило, со сборки простейших схем, которые начинают работать сразу без наладки и настройки. Чаще всего это различные генераторы, звонки, простенькие блоки питания. Все это удается собрать, прочитав минимальное количество литературы, просто описания к повторяемым схемам. На этом этапе, как правило, удается обойтись минимальным набором инструмента: паяльник, бокорезы, нож и несколько отверток.

Постепенно конструкции усложняются, и рано или поздно выясняется, что без наладки и настройки работать они просто не будут. Поэтому приходится обзаводиться тонкими измерительными приборами, причем, чем раньше, тем лучше. У старшего поколения электронщиков таким прибором был стрелочный тестер.

В настоящее время на смену стрелочному тестеру, часто называемому авометром, пришел . Об этом можно почитать в статье «Как пользоваться цифровым мультиметром». Хотя старый добрый стрелочный тестер своих позиций не сдает, а в некоторых случаях его использование предпочтительно в сравнении с цифровым прибором.

Оба этих прибора позволяют измерить постоянные и переменные напряжения, токи и сопротивления. Если постоянные напряжения измерить просто, достаточно узнать только величину, то с переменными напряжениями имеют место быть некоторые нюансы.

Дело в том, что как стрелочные, так и современные цифровые приборы рассчитаны на измерение синусоидального переменного напряжения, причем, в довольно ограниченном диапазоне частот: результатом измерения будет действующее значение переменного напряжения.

Если такими приборами измерять напряжения прямоугольной, треугольной или пилообразной формы, то показания на шкале прибора, конечно, будут, но за точность измерений ручаться не приходится. Ну, просто есть напряжение, а какое, точно неизвестно. И как в таких случаях быть, как продолжать ремонт и разработку новых, все более сложных электронных схем? Вот тут радиолюбитель и подходит к тому этапу, когда приходится приобретать осциллограф.

Немного истории

С помощью этого прибора можно воочию увидеть, что происходит в электронных схемах: какова форма сигнала, где он появился или пропал, временные и фазовые соотношения сигналов. Для наблюдения нескольких сигналов потребуется, как минимум, двухлучевой осциллограф.

Вот тут можно вспомнить уже далекую историю, когда 1969 году был создан аж пятилучевой осциллограф С1-33, серийно выпускавшийся Вильнюсским заводом. В приборе использовалась ЭЛТ 22ЛО1А, применявшаяся только в этой разработке. Заказчиком такого прибора являлся, конечно же, военно-промышленный комплекс.

Конструктивно этот аппарат был выполнен из двух блоков, помещенных на стойку с колесиками: собственно осциллограф и блок питания. Общий вес конструкции составлял 160 кг! В комплект осциллографа входила регистрирующая фотокамера РФК-5, прикрепленная к экрану, что обеспечивало съемку осциллограмм на фотопленку. Внешний вид пятилучевого осциллографа С1-33 с установленной фотокамерой показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Пятилучевой осциллограф С1-33, 1969 год

Современная электроника позволяет создавать карманные цифровые осциллографы размером с мобильный телефон. Один из таких приборов показан на рисунке 2. Но об этом будет рассказано несколько позже.

Рисунок 2. Карманный цифровой осциллограф DS203

Осциллографы различных типов

До недавнего времени выпускалось несколько типов электронно-лучевых осциллографов. В первую очередь это осциллографы универсальные, которые чаще всего используются в практических целях. Кроме них выпускались также запоминающие осциллографы на базе запоминающих ЭЛТ, высокоскоростные, стробоскопические и специальные. Последние типы предназначались для различных специфических научных задач, с которыми в настоящее время успешно справляются современные цифровые осциллографы. Поэтому далее речь пойдет именно об универсальных электронных осциллографах общего назначения.

Основной частью электронного осциллографа, несомненно, является электронно-лучевая трубка - ЭЛТ. Ее устройство показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Устройство ЭЛТ

Конструктивно ЭЛТ представляет собой длинный стеклянный баллон 10 цилиндрической формы с конусообразным расширением. Дно этого расширения, являющееся экраном ЭЛТ, покрыто люминофором, который излучает видимое свечение при попадании на него электронного луча 11. Многие ЭЛТ имеют прямоугольный экран с нанесенными прямо на стекло делениями. Именно этот экран и является индикатором осциллографа.

Электронный луч формируется электронной пушкой

Подогреватель 1 нагревает катод 2, который начинает излучать электроны. В физике это явление называется термоэлектронной эмиссией. Но электроны, излучаемые катодом, далеко не улетят, просто будут садиться обратно на катод. Чтобы из этих электронов получить луч, требуется еще несколько электродов.

Это фокусирующий электрод 4 и анод 5, соединенный с аквадагом 8. Под действием электрического поля этих электродов электроны отрываются от катода, ускоряются, фокусируются в тонкий луч и устремляются к экрану, покрытому люминофором, вызывая свечение люминофора. Все вместе эти электроды называются электронной пушкой.

Достигая поверхности экрана, электронный луч не только вызывает свечение, но еще и выбивает из люминофора вторичные электроны, которые вызывают расфокусировку луча. Для удаления этих вторичных электронов и служит упомянутый выше аквадаг, который представляет собой графитовое покрытие внутренней поверхности трубки. Кроме того, аквадаг в некоторой степени экранирует луч от внешних электростатических полей. Но такой защиты оказывается недостаточно, поэтому цилиндрическую часть ЭЛТ, где расположены электроды, помещают в металлический экран из электротехнической стали или пермаллоя.

Между катодом и фокусирующим электродом располагается модулятор 3. Его назначение управлять током луча, что позволяет гасить луч во время обратного хода развертки и подсвечивать во время прямого хода. В усилительных лампах этот электрод называется управляющей сеткой. Модулятор, фокусирующий электрод и анод имеют центральные отверстия, через которые и пролетает электронный луч.

Отклоняющие пластины ЭЛТ имеет две пары отклоняющих пластин. Это пластины вертикального отклонения луча 6 - пластины Y, на которые подается исследуемый сигнал, и пластины горизонтального отклонения 7 - пластины X, на них подается напряжение горизонтальной развертки. Если отклоняющие пластины никуда не подключены, то в центре экрана ЭЛТ должна появиться светящаяся точка. На рисунке это точка О2. Естественно, что на трубку должны быть поданы напряжения питания.

Вот тут следует сделать важное замечание. Когда точка стоит на месте, никуда не двигаясь, она может попросту прожечь люминофор, и на экране ЭЛТ навсегда останется черная точка. Подобное может случиться в процессе ремонта осциллографа или при самостоятельном изготовлении простенького любительского прибора. Поэтому в таком режиме следует снизить яркость до минимума и расфокусировать луч, - все равно можно увидеть есть луч или он отсутствует.

При подаче на отклоняющие пластины некоторого напряжения луч будет отклоняться от центра экрана. На рисунке 3 луч отклоняется в точку О3. Если напряжение будет изменяться, то луч прочертит на экране прямую линию. Именно это явление и используется для создания на экране изображения исследуемого сигнала. Для получения на экране двухмерного изображения необходимо подать два сигнала: исследуемый, - подается на пластины Y, и напряжение развертки, - подается на пластины X. Можно сказать, что на экране получается график с координатными осями X и Y.

Горизонтальная развертка

Именно горизонтальная развертка формирует на экране ось X графика.

Как видно на рисунке горизонтальная развертка осуществляется пилообразным напряжением, которое можно разделить на две части: прямой и обратный ход (рис. 4а). Во время прямого хода луч равномерно перемещается по экрану слева направо, и по достижению правого края быстренько возвращается назад. Это называется обратным ходом. Во время прямого хода вырабатывается импульс подсветки, который подается на модулятор трубки, и на экране появляется светящаяся точка, рисующая горизонтальную линию (рис. 4б).

Напряжение прямого хода, как показано на рисунке 4, начинается с нуля (луч в центре экрана) и изменяется до напряжения Uмакс. Поэтому луч будет перемещаться от центра экрана до правого края, т.е. всего на половину экрана. Чтобы развертка начиналась с левого края экрана, луч смещается влево подачей на него напряжения смещения. Смещение луча регулируется ручкой, выведенной на лицевую панель.

Во время обратного хода импульс подсветки заканчивается, и луч гаснет. Взаимное расположение импульса подсветки и пилообразного напряжения развертки можно увидеть на функциональной схеме осциллографа, показанной на рисунке 5. Несмотря на разнообразие принципиальных схем осциллографов, их функциональные схемы примерно одинаковы, подобны показанной на рисунке.

Рисунок 5. Функциональная схема осциллографа

Чувствительность ЭЛТ

Определяется коэффициентом отклонения, показывающим, на сколько миллиметров отклонится луч при подаче на пластины напряжения постоянного напряжения в 1В. Для различных ЭЛТ эта величина находится в пределах 0,15…2 мм/В. Получается, что подавая на отклоняющие пластины напряжение 1В, луч можно переместить луч всего на 2 мм, и это в лучшем случае. Чтобы отклонить луч на один сантиметр (10 мм), потребуется напряжение 10/2=5В. При чувствительности 0,15 мм/В для такого же перемещения понадобится уже 10/0,15=66,666В.

Поэтому для того, чтобы получить заметное отклонение луча от центра экрана исследуемый сигнал усиливается усилителем вертикального канала до нескольких десятков вольт. Такие же выходные напряжения имеет и канал горизонтального усиления, с помощью которого осуществляется развертка.

Большинство универсальных осциллографов имеют максимальную чувствительность 5мВ/см. При использовании ЭЛТ типа 8ЛО6И при входном напряжении 5мВ на отклоняющие пластины для перемещения луча на 1 см потребуется подать напряжение 8,5В. Нетрудно подсчитать, что для этого понадобится усиление более, чем в 1500 раз.

Такое усиление необходимо получить во всей полосе пропускания, и чем выше частота, тем ниже усиление, что присуще любым усилителям. Полоса пропускания характеризуется верхней частотой fверх. При этой частоте усиление канала вертикального отклонения снижается в 1,4 раза или на 3дБ. Для большинства универсальных осциллографов эта полоса составляет 5МГц.

А что будет, если частота входного сигнала превысит верхнюю частоту, например, 8…10МГц? Удастся ли ее увидеть на экране? Да, видно ее будет, но амплитуду сигнала измерить не удастся. Можно лишь убедиться в том, есть сигнал или его нет. Иногда таких сведений бывает вполне достаточно.

Канал вертикального отклонения. Входной делитель

Исследуемый сигнал поступает на вход канала вертикального отклонения через входной делитель, показанный на рисунке 6. Часто входной делитель называют аттенюатором.

Рисунок 6. Входной делитель канала вертикального отклонения

С помощью входного делителя появляется возможность исследования входного сигнала от нескольких милливольт до нескольких десятков вольт. В случае, когда входной сигнал превышает возможности входного делителя, применяются входные щупы с коэффициентом деления 1:10 или 1:20. Тогда предел 5В/дел становится 50В/дел или 100В/дел, что дает возможности для исследования сигналов со значительными напряжениями.

Открытый и закрытый вход

Здесь же (рисунок 6) можно видеть переключатель В1, который дает возможность подавать сигнал через конденсатор (закрытый вход) или непосредственно на вход делителя (открытый вход). При пользовании в режиме «закрытый вход» возможно исследование переменной составляющей сигнала, игнорируя его постоянную составляющую. Пояснить сказанное поможет простая схема, показанная на рисунке 7. Схема создана в программе Multisim, так что все на этих рисунках хотя и виртуально, но достаточно справедливо.

Рисунок 7. Усилительный каскад на одном транзисторе

Входной сигнал амплитудой 10мВ через конденсатор C1 подается на базу транзистора Q1. Подбором резистора R2 напряжение на коллекторе транзистора устанавливается равным половине напряжения питания (в данном случае 6В), что позволяет транзистору работать в линейном (усилительном) режиме. Выходной сигнал контролируется осциллографом XSC1. На рисунке 8 показан результат измерения в режиме открытого входа, на осциллографе нажата кнопка DC (постоянный ток).

Рисунок 8. Измерения в режиме открытого входа (канал А)

Здесь можно увидеть (канал А) лишь напряжение на коллекторе транзистора, те самые 6В, о которых только что было упомянуто. Луч в канале A «взлетел» на 6В, а усиленной синусоиды на коллекторе как не бывало. Ее просто нельзя разглядеть при чувствительности канала 5V/Div. Луч канала A на рисунке показан красным цветом.

На вход B подан сигнал с генератора, на рисунке показан синим цветом. Это синусоида амплитудой 10 мВ.

Рисунок 9. Измерения в режиме закрытого входа

Теперь нажмем в канале A кнопку AC - переменный ток, это собственно и есть закрытый вход. Здесь можно увидеть усиленный сигнал - синусоиду амплитудой 87 милливольт. Получается, что каскад на одном транзисторе усилил сигнал амплитудой 10 мВ в 8,7 раз. Цифры в прямоугольном окошке под экраном показывают напряжения и времена в местах расположения маркеров T1, T2. Подобные маркеры имеются в современных цифровых осциллографах. Вот собственно и все, что можно сказать по поводу открытых и закрытых входов. А теперь продолжим рассказ об усилителе вертикального отклонения.

Предварительный усилитель

После входного делителя, исследуемый сигнал попадает на предварительный усилитель, и, пройдя через линию задержки, поступает на оконечный усилитель канала Y (рисунок 5). После необходимого усиления сигнал поступает на вертикальные отклоняющие пластины.

Предварительный усилитель расщепляет входной сигнал на парафазные составляющие для подачи его на оконечный усилитель Y. Кроме этого, входной сигнал из предварительного усилителя подается на формирователь импульсов запуска развертки, что обеспечивает получение синхронного изображения на экране во время прямого хода развертки.

Линия задержки задерживает входной сигнал относительно начала напряжения развертки, что дает возможность наблюдать передний фронт импульса, как показано на рисунке 5 б). Некоторые осциллографы линии задержки не имеют, что, в сущности, не мешает исследованию периодических сигналов.

Канал развертки

Входной сигнал из предварительного усилителя также поступает на вход формирователя импульсов запуска развертки. Сформированный импульс запускает генератор развертки, вырабатывающий плавно нарастающее пилообразное напряжение. Скорость нарастания и период напряжения развертки выбирается переключателем «Время/дел», что дает возможность исследования входных сигналов в широком диапазоне частот.

Такая развертка называется внутренней, т.е. запуск происходит от исследуемого сигнала. Обычно осциллографы имеют переключатель запуска развертки «Внутр./Внешн.», почему-то не показанный на функциональной схеме на рисунке 5. В режиме внешнего запуска развертку можно запустить не исследуемым сигналом, а каким-то другим, от которого зависит исследуемый сигнал.

Это может быть, например, импульс запуска линии задержки. Тогда, даже с помощью однолучевого осциллографа, можно измерить временное соотношение двух сигналов. Но лучше это делать с помощью двухлучевого осциллографа, если он, конечно, есть под рукой.

Длительность развертки следует выбирать исходя из частоты (периода) исследуемого сигнала. Предположим, что частота сигнала 1КГц, т.е. период сигнала 1мс. Изображение синусоиды при длительности развертки 1мс/дел показано на рисунке 10.

Рисунок 10

При длительности развертки 1мс/дел один период синусоиды частотой 1КГц занимает ровно одно деление шкалы по оси Y. Синхронизация развертки производится от луча A по восходящему фронту по уровню входного сигнала 0В. Поэтому синусоида на экране начинается с положительного полупериода.

Если длительность развертки изменить на 500мкс/дел (0,5мс/дел), то один период синусоиды займет на экране два деления, как показано на рисунке 11, что, безусловно, удобней для наблюдения сигнала.

Рисунок 11

Кроме собственно пилообразного напряжения генератор развертки вырабатывает также импульс подсвета, который подается на модулятор и «зажигает» электронный луч (рис. 5 г). Длительность импульса подсвета равна длительности прямого хода луча. Во время обратного хода импульс подсвета отсутствует и луч гаснет. Если гашение луча отсутствует, на экране получится нечто непонятное: обратный ход, да еще и модулированный входным сигналом, попросту перечеркивает все полезное содержимое осциллограммы.

Пилообразное напряжение развертки поступает на оконечный усилитель канала X, расщепляется в парафазный сигнал и подается на горизонтальные отклоняющие пластины, как показано на рисунке 5 д).

Внешний вход усилителя X

На оконечный усилитель X может подаваться не только напряжение с генератора развертки, но и внешнее напряжение, что дает возможность измерения частоты и фазы сигнала с использованием фигур Лиссажу.

Рисунок 12. Фигуры Лиссажу

Но на функциональной схеме по рисунку 5 не показан переключатель входа X, также как и переключатель рода работ развертки, о котором было сказано чуть выше.

Кроме каналов X и Y осциллограф, как и любое электронное устройство, имеет блок питания. Малогабаритные осциллографы, например, С1-73, С1-101 могут работать от автомобильного аккумулятора. Кстати, для своего времени эти осциллографы были очень хороши, да и до сих пор успешно используются.

Рисунок 13. Осциллограф С1-73

Рисунок 14. Осциллограф С1-101

Внешний вид осциллографов показан на рисунках 13 и 14. Самое удивительное в том, что их до сих пор предлагают купить в интернет магазинах. Но цена такая, что дешевле купить малогабаритные цифровые осциллографы на Алиэкспресс.

Дополнительными устройствами осциллографов являются встроенные калибраторы амплитуды и развертки. Это, как правило, достаточно стабильные генераторы прямоугольных импульсов, подключая которые на вход осциллографа, с помощью подстроечных элементов можно настроить усилители X и Y. Кстати, такие калибраторы есть и у современных цифровых осциллографов.

О том, как пользоваться осциллографом, о методах и способах измерения будет рассказано в следующей статье.

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА И ОЗНАКОМЛЕНИЕ С НЕКОТОРЫМИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯМИ

Уфа 2009

Ответственный за выпуск: проф. Альмухаметов Р.Ф.

Цель работы : ознакомление с устройством электронного осциллографа и принципом его работы, определение основных характеристик осциллографа, применение осциллографа в качестве измерительного прибора и для изучения некоторых процессов.

Оборудование : электронный осциллограф, звуковой генератор, генератор прямоугольных импульсов, магазин ёмкостей, магазин сопротивлений.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА

Осциллографом называется прибор, предназначенный для изучения электрических сигналов и измерения их параметров. С помощью осциллографа можно наблюдать на экране и изучить форму электрических сигналов, измерить напряжение и ток, определить частоту, измерить промежуток времени и т.д. Существует большое количество различных типов осциллографов. Все осциллографы содержат следующие основные блоки и узлы (рис.1):

1. электронно-лучевую трубку;

2. усилитель вертикального отклонения;

3. усилитель горизонтального отклонения;

4. блок развертки;

5. блок синхронизации;

6. блок питания.

Электронно-лучевая трубка предназначена для визуализации исследуемых сигналов с помощью электронного луча на люминесцирующем экране. Она представляет собой большую стеклянную колбу цилиндрической формы с расширением на одном конце (рис.2). Внутри электронно-лучевой трубки создается высокий вакуум для того, чтобы электроны, движущиеся внутри неё, не рассеивались на молекулах воздуха.

Электронно-лучевая трубка имеет экран Э, покрытый изнутри слоем люминофором. На хвостовой части имеется катод К, который нагревается с помощью нити накала НН путем пропускания через неё электрического тока. В результате нагрева электроны материала катода приобретают большую тепловую энергию и могут легко его покинуть. Это явление называется термо-электронной эмиссией. Для того, что направить электронный пучок в сторону экрана в трубке имеются два анода А 1 и А 2 . К анодам прикладывается положительное напряжение от источника питания относительно катода. Для получения узкого пучка электронов служить модулятор М . Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поэтому электроны, вылетевшие из катода под разными углами к его активной поверхности, сжимаются полем и направляется в отверстие модулятора. Так формируется электронный пучок. Интенсивность пучка, а следовательно, и яркость светящегося пятна на экране электронно-лучевой трубки можно регулировать изменением потенциала модулятора с помощью потенциометра R 1 , так как поле модулятора помимо сжимающего действий на поток оказывает еще и тормозящее действие на электроны.

После модулятора электронный поток попадает в электрическое поле первого анода А 1 . Первый анод выполнен в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью трубки. Внутри цилиндра имеются несколько перегородок-диафрагм с отверстиями в центре, которые служат для ограничения поперечного сечения электронного пучка. На первый анод подается положительное относительно катода напряжение порядка нескольких сот вольт. Это поле ускоряет электроны и благодаря своей конфигурации сжимает электронный пучок. Второй анод А 2 располагаются непосредственно за первым анодом и представляет собой короткий цилиндр, закрытый на конце, обращенном к экрану, диафрагмой с отверстием в центре. На второй анод подаются более высокое положительное напряжение, чем на первый анод (1-5 кВ). Основная фокусировка пучка производится изменением потенциала первого анода с помощью потенциометра R 2 .

Внутреннюю поверхность стеклянного баллона трубки почти вплоть до экрана покрывают проводящим слоем и называют ее третьим анодом (Аз). Третий анод соединяют со вторым. При помощи электрических полей анодов электроны фокусируются на экране трубки и им сообщается необходимая скорость. Система электродов катод-модулятop-первый анод-второй анод образует так называемую электронную пушку .

Для отклонения электронного луча в горизонтальном и вертикальном направлениях служат пластины X и Y. При отсутствии отклоняющих напряжений на пластинах X и Y электронный луч попадает в центр экрана трубки. Если к пластинам Y или Х приложить разность потенциалов, то электронный луч будет отклоняться в вертикальном или горизонтальном направлении. Величина этого отклонения пропорциональна напряжению между пластинами. Если на пару горизонтально расположенных пластин Y 1 Y 2 подать периодически меняющееся напряжение, то электронный луч будет периодически перемещаться на экране в вертикальном направлении и описывать вертикальную линию. Напряжение, поданное между вертикально расположенными пластинами Х 1 Х 2 , заставляет двигаться электронный луч в горизонтальном направлении. При одновременной подаче напряжения между горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами электронный луч претерпевает отклонение под действием обоих полей и описывает на экране сложную фигуру.

Усилители горизонтального и вертикального отклонения служат для предварительного усиления напряжений, подаваемых на пластины X и Y. Это связано с тем, что для заметного отклонения электронного луча на экране на пластины X и Y нужно подавать напряжение порядка нескольких сот вольт. Поэтому слабые сигналы необходимо усиливать до нужного уровня. В случае исследований сигналов с высоким напряжением для предотвращения выхода осциллографа из строя предусматривают схемы ослабления в кратное число раз- аттенюаторы. Часто эти схемы входят в единый блок с усилителем вертикального и горизонтального отклонения.

Блок развертки . Часто осциллограф используется для изучения временной зависимости различных сигналов. В этом случае необходимо, чтобы электронный луч равномерно перемещался вдоль оси Х от левого края экрана до правого, а затем быстро возвращался в исходное положение. Для этого напряжение, подаваемое на пластины Х , должно линейно нарастать в течение некоторого времени t 1 , а затем достаточно быстро (за время t 2) должно падать до первоначального значения. Такое напряжение называется пилообразным и оно вырабатывается генератором пилообразного напряжения (рис.3). Движение электронного луча во времени по оси Х называется разверткой . Схема, которая вырабатывает напряжение развертки, называется блоком развертки . Если напряжение развертки линейно растет со временем, то развертка называется линейной . Развертка бывает также циклической и более сложной.

Подадим на вертикально отклоняющие пластины переменное напряжение U y с периодом T c :

а на горизонтально отклоняющие пластины - напряжение развертки с периодом Т р . В этом случае луч будет одновременно участвовать в двух движениях. В зависимости от соотношения частот исследуемого сигнала и развертки на экране осциллографа можно получить различное число периодов изучаемого напряжения. При равенстве периодов Т р =Т с за время равномерного движения луча от левого края экрана до правого луч успевает совершить одно полное колебание также в вертикальном направлении и на экране получится один период исследуемого напряжения. Через время T p луч вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать синусоиду, которая точно ляжет на первую, и на экране возникнет неподвижная осциллограмма. При T р =nT с (где n – целое число) осциллограмма будет представлять собой кривую из n периодов исследуемого напряжения.

При незначительном нарушении указанного выше условия осциллограмма начнет двигаться либо вправо, либо влево. Для достижения неподвижности осциллограммы на экране необходимо синхронизировать напряжение развертки с исследуемым сигналом. Для этих целей служит блок синхронизации . Синхронизация заключается в том, что начало каждого периода пилообразного напряжения принудительно совмещается с одной и той же фазой исследуемого сигнала. Тогда развертка начинается всегда в одной и той же точке на кривой временной зависимости исследуемого сигнала. Если в качестве напряжения синхронизации в осциллографе используется сам исследуемый сигнал, то говорят о внутренней синхронизации . Если для синхронизации используется какое-либо внешнее напряжение, не связанное с исследуемым сигналом, то говорят о внешней синхронизации . В осциллографах также предусматривается синхронизация от напряжения сети. В современных осциллографах генератор развертки может работать в двух режимах – в режиме непрерывной развертки и в режиме ждущей развертки. В режиме непрерывной развертки генератор развертки работает независимо от наличия сигнала на входе Y. В режиме ждущей развертки генератор развертки приводится в действие только при подаче исследуемого напряжения.

Блок питания предназначен для обеспечения необходимыми напряжениями электроды электронно-лучевой трубки, усилители, генераторы и другие схемы осциллографа.

Чувствительность трубки . Электронно-лучевая трубка характеризуется чувствительностью. Чувствительностью трубки к напряжению называется отклонение луча на экране, вызванное разностью потенциалов в 1 В на отклоняющих пластинах:

где k - чувствительность трубки; Z – отклонение луча на экране трубки; U - разность потенциалов между отклоняющими пластинами.