Электронные осциллографы

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛОВ

Электронные осциллографы

Электронно-лучевые (электронные) осциллографы предназ­начены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Осциллограммы сигналов имеют боль­шую информативность и дают возможность во время анализа сигналов выявлять сложные закономерности, распознавать при­роду исследуемых явлений, измерять параметры непрерывных, импульсных, периодических и непериодических сигналов в ши­роком диапазоне частот.

Современные осциллографы, оснащенные устройствами для
управления и автоматизации процесса измерения (контроллерами) на базе микропроцессоров, аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразователями, представляют собой многофункциональные измерительные комплексы, способные измерять характеристики и параметры сложных электрорадиотехнических устройств.             

Для визуализации, анализа, измерения и сравнений характе­ристик и параметров одновременно нескольких сигналов пред­назначены многолучевые (преимущественно двухлучевые) ос­циллографы.

В последнее время в некоторых современных осциллографах предусмотрены кроме традиционных функций изображения сиг­налов функции измерения частоты, тока, напряжения, сопро­тивления (осциллограф-мультиметр).

Основными структурами осциллографа (рис. 6.1) являются:

электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) со схемами фокусирования луча, управления лучом и высоковольтного питания;

канал вертикального отклонения (канал Ү);

канал горизонтального отклонения (канал X);

канал управления яркостью луча (канал Z).

В состав осциллографа входят также калибратор амплитуды и длительности и синхронизатор.

Электронно-лучевая трубка. Стеклянный баллон электронно­лучевой трубки изготовляется в форме колбы (рис. 6.2), в кото­рой создается высокий вакуум. Электронный прожектор, или электронная пушка, состоит из подогревного катода, управляю­щего электрода (или модулятора) и анодов, фокусирующих луч на экране. Подогревный катод 2 — это никеле­вый цилиндр, в середине которого расположен вольфрамовый подогреватель 7. На торцовой части катода с внешней стороны нанесен оксидный слой, обеспечивающий эмиссию электронов в сторону экрана. Катод окружен управляющим электродом (мо­дулятором) 3, изготовленным в виде металлического цилиндра с отверстием в торце и предназначенным для регулирования плотности электрического луча. На модулятор подается отрица­тельный относительно катода потенциал и электроны, которые вылетают из катода и направляются в сторону модулятора. Под действием электрического поля между катодом и модулятором изменяют направление своего движения, смещаясь к оси луча.

С увеличением отрицательного потенциала модулятора часть электронов приобретет большое отклонение и не пройдет сквозь отверстие, следовательно, изменяя потенциал модулятора, можно регулировать плотность луча и яркость светового пятна на экране.

Для дальнейшего фокусирования луча предназначены аноды
4 и 5. Оба они цилиндрические с диафрагмой для ограничения
поперечного сечения луча. В первом фокусирующем аноде положительный потенциал относительно катода составляет 200...500 В. Под действием сил электрического поля первого анода электронный луч сжимается (фокусируется). Второй анод, ускоряющий, размещен на определенном расстоянии от первого на оси трубки и находится под положительным потенциалом 1000... 2000 В относительно катода. Между двумя анодами возникает электрическое поле, попав в которое, электроны отклоняются к оси луча и приобретают ускорение в направлении движения к экрану 7.

Экран электронно-лучевой трубки покрыт специальной смесью (люминофором), которая светится под действием ударов электронов (когда сфокусированный луч попадает в определен­ную точку экрана, эта точка начинает светиться). Для изготовле­ния люминофоров используют оксиды цинка, бериллиевого цинка, смесь сульфата цинка с сульфатом кадмия и т. п. Данные материалы имеют послесвечение — они продолжают светиться оп­ределенное время после прекращения действия электронного луча.

Часть энергии электронного луча преобразуется в световую в виде светового пятна диаметром менее 1 мм. Остальная энергия передается электронам экрана, обусловливая вторичную эмис­сию. Вторичные электроны улавливаются электропроводящим графитным слоем (аквадагом), который частично покрывает внутреннюю цилиндрическую и коническую части колбы и со­единен со вторым анодом.

Отклоняющие пластины 6 предназначены для отклонения электронного луча от оси в двух взаимно перпендикулярных на­правлениях. Первая пара пластин отклоняет электронный луч в вертикальной плоскости и называется вертикальными отклоня­ющими пластинами, а вторая — в горизонтальной плоскости и называется горизонтальными отклоняющими пластинами. С по­мощью системы отклоняющих пластин можно осуществить про­извольное движение луча, разложив его на вертикальную и го­ризонтальну оставляющие.

Электронно-лучевые трубки с магнитным управлением состо­ят из катода, модулятора и первого анода такого же строения и назначения, как и у трубки с электронным управлением. Роль
второго анода выполняет аквадаг. Для фокусирования луча предназначена специальная фокусирующая катушка. Отклоняющая система состоит из двух пар отклоняющих катушек, оси кото­рых взаимно перпендикулярны.

К основным характеристикам электронно-лучевых трубок от­носятся чувствительность, полоса пропускания, длительность послесвечения, рабочая площадь экрана и прочие характеристики.

Чувствительность трубки S определяется отклонением l луча
на экране, вызванным напряжением U, приложенным к отклоняющим пластинам: 

Чувствительность трубок находится в основном в пределах 0,5...5мм/В. С увеличением частоты чувствительность трубок уменьшается. Верхней частотой полосы пропускания трубки счи­тается частота, на которой чувствительность трубки уменьшает­ся в раз (на 3дБ) по сравнению с чувствительностью трубки на нижних частотах. У большинства электронно-лучевых трубок верхняя частота составляет около 100 МГц.

Длительность послесвечения характеризуется интервалом времени от момента прекращения действия электронного луча до момента, когда яркость изображения уменьшится до 1% от на­чальной яркости. Чтобы облегчить наблюдения кратковременных одиночных или медленных сигналов, применяют трубки с дли­тельным послесвечением (более 0,1 с). Специальные запомина­ющие трубки дают возможность сохранять изображение сигна­лов от нескольких минут до нескольких суток.

Рабочая площадь экрана определяется диаметром трубки. Цвет изображения зависит от типа люминофора. Наибольшее распро­странение получили трубки с зеленым свечением. Для фотогра­фирования осциллограмм более приемлемы трубки с голубым свечением.

Канал вертикального отклонения. Канал вертикального откло­нения (канал Y) состоит из входного делителя напряжения, входного усилителя, линии задержки, выходного усилителя.

Входной делитель напряжения
обеспечивает высокое входное cсопротивление осциллографа в широком диапазоне частот и служит для согласования выход­ного сопротивления источника измеряемого сигнала и входно­го сопротивления усилителя (рис. 9.3). Чтобы обеспечить воз­можность анализа переменной составляющей сигнала с малой амплитудой при наличии большой постоянной составляю­щей, входной сигнал подается на вход через разделительный конденсатор Ср.

Для уменьшения зависимос­ти коэффициента деления де­лителя напряжения от частоты параллельно резисторам делителя включают конденсаторы с таким расчетом, чтобы постоян­ные времени τ1 = R1C1; τ1 = R2 C2 были одинаковы (τ1 = τ2) тогда R1 С1 = R2 С2.

Входное напряжение подводят к осциллографу с помощью коаксиального кабеля, емкость которого в зависимости от дли­ны составляет 50... 150 пФ и прибавляется к входной емкости ос­циллографа. Это приводит к увеличению искажений сигнала и уменьшению полосы пропускания осциллографа. Чтобы умень­шить отрицательное влияние емкости кабеля, применяют вспо­могательный делитель напряжения (аттенюатор), расположен­ный в выносном пробнике, который через зонд длиной несколь­ко сантиметров включается непосредственно в нужную точку электрической цепи (рис. 6.4).

Если длительность фронтов исследуемых импульсов соизме­рима с задержкой сигнала в соединительном кабеле, то во избе­жание отражения электромагнитных колебаний от концов вол­новое сопротивление кабеля необходимо согласовывать на входе и выходе.

Основное усиление исследуемого сигнала осуществляется предварительным усилителем канала вертикального отклонения. Усилитель строят по схеме балансного (дифференциального) усилителя. Кроме основной функции — усиления, усилитель выполняет еще некоторые вспомогательные функции: плавное изменение коэффициента усиления, балансирование постоянной составляющей, преобразование сигнала из несимметричного относительно земли в симметричный.

Линия задержки обеспечивает задержку исследуемого сигнала относительно начала развертки, что дает возможность наблюдать передний фронт импульса.

Выходной усилитель канала обеспечивает усиление сигнала до значения, необходимого для отклонения луча в пределах экрана.

Канал горизонтального отклонения. В состав канала горизон­тального отклонения (канала X) входит генератор развертки, вы­ходной усилитель, устройство синхронизации и запуска развертки.

Генератор развертки предназначен для формирования пило­образных импульсов, необходимых для отклонения электронного луча по горизонтали, пропорционального времени. Он имеет три режима работы: автоколебательный, ждущий и одноразовой развертки.

Автоколебательный режим предназначен для отобра­жения периодических импульсных и синусоидальных сигналов. Сигналы внешней или внутренней синхронизации поступают на генератор и обеспечивают кратность частоты развертки частоте сигнала.

Ждущий режим используется для отображения кратков­ременных импульсов низкой частоты. Генератор в этом режиме находится в состоянии готовности к рабочему ходу развертки. Как только на входе есть импульс запуска, начинается рабочий ход развертки. После окончания рабочего хода генератор снова пе­реходит в режим ожидания нового рабочего хода. Яркость изобра­жения импульса на экране пропорциональна частоте импульсов.

Режим одноразовой развертки предназначен для запоминания или фотографирования отдельных одиночных им­пульсов. Генератор развертки находится в состоянии готовности к запуску. Нажимом кнопки «Пуск» генератор запускается оче­редным импульсом.

Чтобы получить изображение большего масштаба, во многих осциллографах предусмотрен режим растягивания во вре­мени. Это достигается увеличением коэффициента усиления вы­ходного усилителя канала X в определенное число раз. Яркость изображения в таком случае уменьшается.

Часто необходимо наблюдать часть импульса, которая появ­ляется значительно позже начала развертки. Для этого использу­ют две развертки: медленную которая дает возможность наблю­дать весь импульс и выбирать на нем с помощью специальной отметки нужный участок сигнала, и быструю, которая запуска­ется несколько раньше выбранного участка и, тем самым, обес­печивает изображение большего масштаба.

N большинства осциллографов наряду с режимом развертки во времени имеется режим отклонения (режим X— Y) ис­следуемого сигнала по горизонтали, аналогичный выполняемо­му в канале Y. Этот режим используется для исследования зави­симости одного сигнала от другого, например для исследования вольтамперных характеристик устройств.

Выходной усилитель канала X по назначению и строению ана­логичен выходному усилителю канала Y.

Устройство синхронизации и запуска развертки предназначено для обеспечения стойкого изображения на экране осциллографа. Для этого начало рабочего хода должно точно совпадать с од­ной и той же характерной точкой исследуемого сигнала.