Размещено на http://www.allbest.ru/

Электронно-лучевой осциллограф

1. Назначение, классификация и основные устройства осциллографов

Электронно-лучевой осциллограф -- один из наиболее универсальных измерительных приборов для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Существуют различные типы осциллографов: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные.

Наиболее распространены универсальные осциллографы, позволяющие исследовать разнообразные электрические сигналы в диапазоне от долей милливольт до сотен вольт с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд. Полоса пропускания лучших универсальных осциллографов достигает 300--400 МГц. Изображение сигнала на экране индицируется практически одновременно с появлением сигнала на входе, поэтому такие приборы называют осциллографами реального времени. Часто универсальные осциллографы выполняют со сменными блоками, увеличивающими их функциональные возможности.

Скоростные осциллографы предназначены для исследования быстропротекающих процессов (нано - и пикосекундной длительности), для чего используется специальная электронно-лучевая трубка бегущей волны. Предварительного усиления входного сигнала в скоростных осциллографах, как правило, не производят, поэтому чувствительность их невелика. Эти приборы также являются осциллографами реального времени и позволяют наблюдать и фотографировать одиночные и повторяющиеся сигналы.

С помощью стробоскопических осциллографов исследуют повторяющиеся кратковременные процессы. По принципу действия стробоскопические осциллографы относятся к приборам с преобразованием временного масштаба и отличаются высокой чувствительностью и широкой (до 18 ГГц) рабочей полосой.

Запоминающие осциллографы благодаря применению специальных электронно-лучевых трубок обладают способностью сохранять и воспроизводить в течение длительного времени изображение сигнала после исчезновения его на входе. Основное назначение запоминающих осциллографов -- исследование однократных и редко повторяющихся процессов. Запоминающие осциллографы имеют примерно те же характеристики, что и универсальные, однако отличаются расширенными функциональными возможностями.

К специальным относят осциллографы с дополнительными блоками целевого назначения, а также телевизионные, позволяющие выделить видеосигнал заданной строки изображения, цифровые, дающие возможность не только наблюдать сигнал, но и передать его в цифровом виде на ЭВМ для дальнейшей обработки. Специальные осциллографы могут включать блоки измерения напряжений, токов и сопротивлений (мультиметры), а также устройства для исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов.

Рис.1. Устройство осцилорграфической электронно-лучевой трубки

нагреватель; 2 -- экран; 3 -- вакуумная оболочка; 4 -- третий анод; ,5 -- горизонтально отклоняющие пластины; 6 -- вертикально отклоняющие пластины; 7 -- второй анод; 8 -- первый анод; 9 -- модулятор; 10 -- катод

По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов различают одноканальные и многоканальные осциллографы. Возможность совмещения на экране изображений нескольких входных сигналов реализуют либо использованием специальной многолучевой трубки, либо путем периодического переключения осциллографа на разные входы с помощью электронного коммутатора.

К основным блокам, позволяющим осуществить наблюдение и измерение характеристик процессов, можно отнести электроннолучевые трубки и генераторы развертки.

Осциллографические электронно-лучевые трубки. В осциллографах применяют, как правило, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением и формированием луча. ЭЛТ представляет собой стеклянную вакуумную оболочку с люминесцентным экраном (рис.1). Внутри оболочки расположены: катод с подогревателем; электроды ускорения и фокусировки луча (1-й--3-й аноды); модулятор яркости светового пятна; пара пластин для отклонения луча по вертикали (ось У); пара пластин, отклоняющих, луч по горизонтальной координате (ось X). Принцип действия ЭЛТ основан на следующем. Электроны, эмитированные с катода, ускоряются и формируются в узкий пучок (электронный луч). Проходя мимо пластин, электронный луч под воздействием приложенного к ним напряжения отклоняется по осям X и У. Попадая на люминесцентный экран, электроны вызывают свечение в виде яркой точки. Размеры и конфигурацию пластин выбирают так, чтобы смещение светового пятна было пропорционально значениям отклоняющих напряжений, поданных на пластины. При этом световое пятно описывает траекторию, называемую осциллограммой.

Основные эксплуатационные параметры ЭЛТ описываются следующими эксплуатационными параметрами:

1. чувствительностью ЭЛТ по осям Х и У (h_x и h_y), которая выражается величиной перемещения светового пятна, вызванного отклоняющим напряжением величиной 1 В;

2. полосой пропускания ЭЛТ -- диапазоном частот, в пределах которого чувствительность по вертикали составляет не менее 0,707 от максимального значения. Из-за конечного времени пролета электронов вдоль отклоняющих пластин ?_пр полоса пропускания ограничена со стороны верхних частот. Для учета этого эффекта используют понятие динамической чувствительности, которая связана со статической чувствительностью, введенной ранее, следующей зависимостью:

(1).

График зависимости динамической чувствительности от частоты приведен на рис.2. Динамическая чувствительность на частотах

обращается в нуль. Частоту

называют критической; она зависит от значения ускоряющего напряжения длины пластин.

Рис.2. Зависимость динамической чувствительности ЭЛТ от частоты

Полоса пропускания ЭЛТ обычно задается верхней граничной частотой , на которой . Кроме пролетных явлений, учитываемых соотношением (1), на нее влияют емкость пластин и индуктивность их выводов. Поясним это, рассмотрев эквивалентную схему отклоняющих пластин (рис.3). Последовательный контур, образованный паразитными реактивностями LB и Спл, имеет малое входное сопротивление на частоте собственного резонанса:

. (2)

Напряжение на пластинах зависит от частоты по закону, показанному на рис.4. Как видно из графика, на частотах выше резонансной чувствительность ЭЛТ резко падает. Для повышения резонансной частоты уменьшают индуктивность выводов и емкость пластин.

Рассмотренные причины являются факторами, ограничивающими рабочую полосу ЭЛТ широкого применения частотами 200-- 300 МГц. Статическая чувствительность их находится в пределах 0,6--6 мм/В по оси Y.

Важным параметром ЭЛТ также является, размер рабочей, части экрана, в пределах которой искажения осциллограммы минимальны. Для улучшения использования площади экрана современные ЭЛТ имеют прямоугольный экран.

Рассмотрим некоторые пути улучшения параметров ЭЛТ. Шкала экрана ЭЛТ наносится на внутреннюю поверхность стекла. Это устраняет субъективные ошибки из-за параллакса, которые возникают при использовании шкалы, накладываемой на ЭЛТ снаружи. Для увеличения яркости изображения используют металлизированный экран. Изнутри на него наносят тонкую пленку алюминия, прозрачную для электронов, но отражающую световой поток (направленный внутрь трубки) в сторону оператора.

Другим способом увеличения яркости, применяемым при фоторегистрации быстропротекающих процессов, является применение стекловолоконных экранов. Такие экраны представляют собой совокупность коротких отрезков световодов -- стеклянных нитей с отражающей оболочкой. В каждом световоде излучение распространяется от одного торца к другому с минимальным боковым рассеянием, поэтому практически вся световая энергия достигает фотопленки, наложенной, непосредственно на экран.

Запоминающие трубки. Эти трубки содержат те же элементы, что и ЭЛТ широкого применения. Это позволяет использовать их в режиме осциллографирования без запоминания. Дополнительно запоминающие ЭЛТ оснащают узлом памяти, узлом воспроизведения и вспомогательными электродами (рис. 5). Узел памяти содержит мишень-- сетку, покрытую слоем диэлектрика, и коллектор-- более крупноструктурную сетку, расположенную поверх мишени. Запись изображения осуществляется электронным лучом высокой энергии (записывающий луч). Электроны луча оседают на мишени, причем количество заряда пропорционально току луча. При перемещении луча на мишени создается, потенциальный рельеф, повторяющий форму осциллограммы. После прекращения действия сигнала потенциальный рельеф мишени сохраняется длительное время (особенно при отключенном питании ЭЛТ).

Для наблюдения записанного изображения служит узел воспроизведения, состоящий из катода с подогревателем, модулятора и электродов коллиматора. Катод создает поток электронов малой энергии, плотность которого регулируется модулятором. Коллиматор формирует широкий пучок, равномерно облучающий мишень. Потенциалы мишени и коллектора подобраны таким образом, чтобы при отсутствии записанного изображения медленные электроны воспроизводящего пучка не могли пройти через мишень. В этом случае свечение экрана минимально. При наличии потенциального рельефу в этих треках мишени часть электронов проходят к экрану, вызывая его свечение. На экране появляется осциллограмма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Стирание записи производится подачей на мишень положительного импульса, выравнивающего потенциал мишени.

Современные запоминающие ЭЛТ имеют скорость записи от 5-10 до 4000км/с.

Остальные параметры запоминающих ЭЛТ не отличаются от параметров ЭЛТ широкого применения.

Перспективным типом отображающего устройства, применяемого в осциллографах с аналого-цифровым преобразованием исследуемого сигнала, является матричная индикаторная панель. Она представляет собой совокупность отдельных дискретных излучателей (газоразрядных, твердотельных и пр.).

В настоящее время серийно выпускаются матричные индикаторные панели с числом ячеек 100?100, что обеспечивает разрешающую способность 1 лин/мм. Экспериментальные образцы содержат 1000?1000 ячеек, что обеспечивает разрешающую способность, сравнимую с лучшими образцами ЭЛТ.

Виды разверток и их применение. Для воспроизведения формы исследуемого сигнала на экране ЭЛТ используется его развертка во времени. Разверткой называют линию на экране осциллографа, которую вычерчивает луч в отсутствие сигнала. В осциллографах чаще используют линейную развертку. Для некоторых измерений применяют круговую и эллиптическую развертки.

В случае линейной развертки луч, двигаясь равномерно по экрану, прочерчивает прямую горизонтальную линию, как бы нанося на экран ось абсцисс декартовой системы координат -- ось времени. Если на вертикально отклоняющие пластины подать исследуемый сигнал, то луч будет смещаться от линий развёртки причем величина отклонения пропорциональна мгновенному значению сигнала в текущий момент времени- (в данной точке развертки).

Линейная развертка может быть однократной, непрерывной и ждущей.

Однократная развертка применяется для наблюдения одиночных и непериодических процессов. Для фиксации изображения применяют фоторегистрацию или запоминающую ЭЛТ. При однократной развертке на пластины X подают линейно изменяющийся (пилообразной) импульс (рис.6) от специального генератора, встроенного в осциллограф и называемого генератором развертки. Запуск генератора развертки производят несколько раньше момента появления напряжения на пластинах У, для чёго в осциллографе производится небольшая задержка входного сигнала. После того как луч достигнет края экрана (при этом напряжение на пластинах X равно амплитуде развертки UР), луч возвращается в исходное положение и осциллограф готов к приходу следующего сигнала.

Непрерывная развертка применяется для исследования периодически повторяющихся сигналов. Напряжение развертки, при этом вырабатывается непрерывно (рис.7) и изображение образуется наложением осциллограмм, полученных на каждом периоде исследуемого сигнала (рис.7, а) или на нескольких периодах (рис.7, б). Период развёртки следует выбирать так, чтобы изображение на экране было неподвижным. Это возможно при выполнении следующего условия: отношение периода развертки Т_р к периоду исследуемого сигнала Т кратно целому числу:

Т_р/Т=п, n=1, 2, 3,… .

n= 1 соответствует изображению одного периода сигнала (рис.7, а), n= 2 двух периодов (рис.7, б) и т.д. Если кратность не выполняется, то изображения сигнала на каждом периоде смещаются. Это приводит к появлению «бегущего» изображения; наблюдать сигнал при этом невозможно. Кратность развертки периоду повторения сигнала обеспечивается устройством синхронизации осциллографа.

Ждущая развертка применяется для исследования непериодических сигналов, а также импульсов малой длительности с большим периодом повторения, когда непрерывная развертка малопригодна. Это поясняет рис. 8. Как видно, при Т_Р = Т масштаб изображения не подходит для наблюдения формы сигнала. Попытка уменьшить период развертки Т_Р<Т приводит к искажению осциллограммы (рис. 10, в) -- кроме сигнала на экране появится линия развертки, прочерченная во время холостых проходов луча. Число

этих проходов может быть велико, поэтому яркость нулевой линии существенно больше яркости изображения сигнала. Практически из-за ограниченного динамического диапазона ЭЛТ по яркости изображение сигнала наблюдаться не может.

Круговая и эллиптическая развертки. В этом случае линия развертки представляет собой окружность или эллипс, причем ее длина больше, чем в случае линейной развертки, и отсутствует обратный ход луча. Данные обстоятельства увеличивают разрешающую, способность осциллографа примерно в три раза. Для создания круговой развертки используется генератор синусоидального напряжения, сигнал с которого подается на пластины X непосредственно, а на пластины У -- со сдвигом 90°. Равенство амплитуд напряжений на пластинах дает круговую развертку, при неравенстве линия развертки представляет собой эллипс.

В современных осциллографах широко распространены генераторы двойной развертки (задерживающей и задержанной). Применение двойной развертки существенно увеличивает функциональные возможности осциллографа. В частности, это позволяет рассматривать отдельные участки сигнала в удобном масштабе, что повышает точность измерения.

2. Структурная схема универсального осциллографа

осциллограф электронный лучевой частота

Рассмотрим обобщённую структурную схему универсального осциллографа (рис.9). В осциллографе кроме ЭЛТ можно выделить следующие функциональные блоки: каналы вертикального и горизонтального отклонений, устройство синхронизации и запуска развертки, канал модуляции луча вспомогательные устройства, источник питания.

Канал вертикального отклонения (У) определяет основные качественные характеристики, осциллографа и включает вводное устройство, предварительный усилитель, линию задержки и оконечный усилитель. Входная цепь служит для регулировки водного; сигнала по амплитуде, которая осуществляется широкополосным дискретным аттенюатором, проградуированным в значениях, коэффициента отклонения. Во входной цепи предусматривают также коммутируемый разделительный конденсатор, позволявший при необходимости исключать подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала («закрытый» вход).

Предварительный усилитель выполняет следующие функции: усиление сигнала и преобразование его из несимметричного в симметричный относительно общего провода, плавную регулировку коэффициента отклонения и изменение постоянной составляющей сигнала, подаваемого на ЭЛТ. Последнее необходимо для регулировки положения изображения по вертикали. В современных моделях широко используется дифференциальный предварительный усилитель с двумя входами. При этом на экране ЭЛТ отображается разность сигналов, поданных на входы.

Линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала на пластинах ЭЛТ относительно начала развертки, что важно для ждущего режима. Оконечный усилитель обеспечивает увеличение амплитуды сигнала до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана, а также согласование входного сопротивления отклоняющих пластин ЭЛТ с выходным сопротивлением предварительного усилителя и линии задержки.

Канал горизонтального отклонения (X) включает генератор развертки и оконечный усилитель. Как правило, генератор развертки имеет три режима работы: автоколебательный (непрерывная линейная развертка), ждущий и режим однократного запуска. Период развертки регулируется дискретно и плавно. Генератор развертки может быть отключен; при этом развертка производится внешним сигналом, подаваемым на вход канала X. Назначение усилителя то же, что и оконечного усилителя Y, однако в нем предусматривается дискретное изменение коэффициента усиления для режима растяжки.

Рис. 9. Структурная схема универсального осциллографа

Устройство синхронизации и запуска развертки предназначено для управления генератором развертки и обеспечивает кратности, периодов сигнала и. развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом и пр.). Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме и запуском -- в ждущем. Синхронизация и запуск развертки производятся специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации. Различают два рёжима синхронизации: внутреннюю и внешнюю. При внутренней синхронизации синхроимпульсы вырабатывают из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней -- сигнал синхронизации подают на специальный вход осциллографа от внешнего источника. Например, в стандартных генераторах импульсов вырабатываются синхроимпульсы, относительно которых выходной сигнал, может быть, сдвинут с помощью регулируемой задержки. При изучении прохождения импульсов через какое-либо устройство регулировка задержки на генераторе при внешней синхронизации позволяет перемещать импульс на экране осциллографа по горизонтальной координате в удобное для наблюдения место.

Канал модуляции луча по яркости (Z), основное назначение которого -- подсветка прямого хода развертки. Постоянное напряжение на модуляторе ЭЛТ выбирают на уровне запирания трубки. В генераторе развертки вырабатывается специальный прямоугольный импульс подсчета, равный длительности прямого хода развертки. Для равномерной яркости изображения импульс подсвета должен иметь плоскую вершину. Необходимо также обеспечить малую длительность фронта и спада импульса. Для формирования напряжения, поступающего на модулятор, служит усилитель, имеющий также дополнительный вход. Это дает возможность модуляции изображения по яркости внешним сигналом. Канал Z используется также для создания яркостной отметки в осциллографах с двойной разверткой.

Вспомогательные устройства осциллографа включают калибраторы и электронный коммутатор каналов. Калибраторы, встроенные в осциллограф, служат для точной установки коэффициентов отклоненной и развертки непосредственно перед измерениями. Они представляет собой отдельные генераторы сигналов с точно известной амплитудой и частотой. Для калибровки оси У используют постоянные напряжения обеих, полярностей (иногда плавно регулируемые) и напряжения в виде меандра. Масштаб по оси Х обычно устанавливают по синусоидальному напряжению, стабилизированному кварцем. Электронные коммутаторы, входящие в канал У некоторых осциллографов позволяют наблюдать на экране несколько синхронных процессов (имеющих строго кратные периоды повторения). Такой осциллограф называется многоканальным и имеет несколько входов, подключаемых к усилителю У с частотой развертки. В этом случае на каждом ходе развертки образуется изображение одного из входных сигналов (поочередный режим).

Источник питания осциллографа обычно состоит из двух частей высоковольтного, выдающего необходимые напряжения для питания электродов ЭЛТ, и низковольтного -- для питания остальные узлов осциллографа.

3. Основные технические характеристики осциллографа

Параметры осциллографа характеризуют его технические и эксплуатационные возможности как измерительного прибора. Можно выделить три группы параметров:

1. определяющие условия неискаженного воспроизведения на экране формы сигналов;

2. характеризующие точность измерения;

3. эксплуатационные параметры.

Среди других параметров отметим нормальный диапазон AЧX, в пределах которого неравномерность АЧХ не превышает погрешности измерения напряжения для данного осциллографа. Этот параметр определяет частотные границы измерения амплитуд гармонических сигналов с заданной точностью. Специфическим видом искажений является воспроизведение на экране осциллографа собственных шумов усилителя Y. При этом линиям развертки получается размытой и наблюдение сигнала и измерение его параметров затруднено или невозможно. Уровень собственных шумов определяет, максимальную чувствительность, осциллографа -- параметр, численно выражаемый минимальным коэффициентом отклонения, при котором возможны измерения с заданной точностью. Собственные шумы проявляются сильнее в широкополосных каналах Y, поэтому высокочувствительные осциллографы, как правило, узкополосные.

4. Запоминающие, скоростные и стробоскопические

Электронно-лучевой осциллограф является наиболее широко используемым радиоизмерительным прибором. Автоматизация процесса измерений дает значительный выигрыш во времени и в ряде случаев значительно повышает точность измерений. Рассмотрим возможные пути автоматизации регулировок и отсчета показаний при проведении осциллографических измерений.

Автоматическая установка масштабов по осям Х и У. Действие автоматической установки масштабов заключается в том, что при изменении амплитуды и длительности входного сигнала в пределах, динамического диапазона осциллографа размеры изображения остаются постоянными или меняются в заданных пределах. При этом производится цифровая индикация коэффициентов отклонения и развертки, либо на специальном индикаторе, либо непосредственно на экране ЭЛТ

Автоматизация регулировки яркости изображения. Регулировка яркости изображения -- одна из необходимых операций при осциллографировании. Она занимает много времени, так как яркость зависит от скорости перемещения луча по экрану, связанной с видом сигнала и величиной установленного масштаба. Кроме того, яркость изображения не остается постоянной в пределах экрана, так как изображение сигнала содержит участки, проходимые лучом с разной скоростью. Для получения одинаковой яркости изображения на экране используется принцип автоматической модуляций луча ЭЛТ. Для этого на модулятор подается напряжение следующего вида:

где и_z --скорость движения луча; Тр -- длительность развертки; k--коэффициент пропорциональности, определяющий общий уровень яркости.

Перевод аналогового входного сигнала в цифровую форму позволяет автоматизировать не только процесс регулировки, но и процесс измерения и обработки сигнала.

Наиболее просто цифровая обработка сигнала реализуется в стробоскопических осциллографах, так как дискретизация сигнала во времени лежит в основе принципа действия стробоскопическою преобразователя. В цифровом устройстве проводится дискретизации сигнала только по уровню, результаты преобразования обрабатываются встроенным микропроцессором или внешней ЭВМ.

Программа измерений и обработки сигнала заранее вводится в ЭВМ и может быть изменена. Это существенно расширяет функциональные возможности осциллографа с устройством цифрой обработки.

Размещено на Allbest.ru