Общие сведения об электронном осциллографе

Электронные осциллографы - приборы, предназначенные для визуального наблюдения и регистрации процессов, изменяющихся во времени. В зависимости от назначения и характеристик приборов схемы, электронных осциллографом различны. Упрощенная структурная схема электронного осциллографа приведена на рис.1.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) преобразует исследуемый сигнал в видимое изображение и является измерительным элементом прибора. Трубка представляет собой герметизированный стеклянный баллон с конусообразным или прямоугольной формы раструбом, находящийся под глубоким вакуумом. Внутренняя торцевая поверхность трубки покрыта слоем люминофора - вещества, способного светиться при попадании на него потока электронов. В горловине трубки расположена система металлических электродов - нить накала 1, катод 2, являющийся источником потока электронов вследствие термоэлектронной эмиссии. Катод окружен цилиндрическим модулятором 3, находящимся под отрицательным потенциалом. Изменением разности потенциалов между катодом и модулятором можно регулировать интенсивность потока электронов, фокусируя его в узкий пучок. Дальнейшая фокусировка электронного луча осуществляется анодом 4 (фокусирующий электрод), имеющим положительный потенциал относительно катода. Анод 5, находящийся под высоким положительным потенциалом относительно катода, создает электрическое поле, ускоряющее электроны. Под действием этого поля электроны долетают до люминофора, вызывая его свечение в точке.

Две пары отклоняющих пластин 6 и 7 представляют плоские конденсаторы, изменяя потенциал, на обкладках которого, можно управлять направлением движения электронного луча. Величина отклонения луча от своего среднего положения зависит от конструктивных параметров - длины пластин, расстояния между ними, удаления от экрана и потенциала на втором, ускоряющем аноде. Отношение величины отклонения луча на экране трубки h к вызывающему это отклонение напряжению на отклоняющих пластинах U определяет чувствительность трубки по напряжению: SU=h/U. Чувствительность современных ЭЛТ достигает 0,1 мм/B. Важным параметром ЭЛТ является длительность послесвечения - время, в течение которого уменьшается яркость свечения с момента прекращения действия электронного луча до 1% от яркости свечения при действии луча. В зависимости от продолжительности того времени различают осциллографы с коротким (менее 0.01 с), средним до (0.1 с) и длительным (более 0.1c) послесвечением. Современные трубки специального назначения обладают длительностью послесвечения до нескольких суток, что облегчает наблюдение непериодических медленноменяющихся процессов. Для воспроизведения на экране трубки быстроизменяющихся процессов электроны с экрана трубки удаляются при помощи анода 8, находящегося под большим потенциалом (десятки киловольт) относительно катода.

Входные делители ВДХ и ВДY используются для выбора масштабов регистрации горизонтального и вертикального каналов. Делители представляют собой последовательное соединение RC-цепей, с которых снимается напряжение, кратных 10. Основные требования к входным делителям - возможно большее сопротивление и минимальная емкость, неизменность коэффициента деления (RД=Uвых/Uвх) во всем диапазоне рабочих частот соответствующего канала осциллографа. Сопротивление входных цепей современных осциллографов достигает нескольких мегом, а их емкость не превышает нескольких пикофарад.

Усилители горизонтального УГО и вертикального УВО отклонения служат для усиления измеряемых сигналов по напряжению. В связи с тем, что чувствительность ЭЛТ часто оказывается недостаточной для прямого воспроизведения исследуемого процесса, необходимо увеличить напряжение, поступающее на ее отклоняющие пластины. Основные требования к усилителям электронных осциллографов - возможно больший коэффициент усиления и его постоянство во всем диапазоне рабочих частот, минимальные искажения, высокое входное сопротивление и др.

Усилители электронных осциллографов выполняются многокаскадными с коррекцией частотной характеристики. Выходной каскад усилителей выполняется так, чтобы обеспечить неизменный потенциал среднего положения луча в поле пластин при любом значении исследуемого сигнала. Параметры усилителей УГО и УВО различны. Это вызвано тем, что напряжение развертки, получаемое в осциллографе, как правило, превышает значения исследуемого сигнала, подаваемого на вход Y. Поэтому УГО, используемые, в основном, для усиления напряжения горизонтальной развертки, имеет меньший коэффициент усиления и диапазон рабочих частот. Если необходимо пронаблюдать сигнал с частотами, лежащими вне рабочего диапазона осциллографа, он подключается непосредственно к отклоняющим пластинам ЭЛТ.

Генератор развертки ГР электронного осциллографа является источником линейно изменяющегося во времени напряжения, подаваемого на горизонтальные отклоняющие пластины трубки. Такая форма напряжения (Рис.2) используется для получения линейной развертки. За время нарастания напряжения электронный луч перемещается по горизонтали экрана трубки слева направо. Это время называют временем прямого хода луча t_пр. При достижении лучом крайнего правого положения напряжение развертки резко падает до нуля и луч возвращается в левое исходное положение. Время возврата луча - время обратного хода t_обр. Сумма t_пр+t_обр=t_р. представляет собой время (период) развертки.

Напряжение развертки (Рис.2) получают при помощи схем, использующих заряд и разряд конденсатора. Значение и знак заряда конденсатора в таких схемах изменяются автоматически с требуемой частотой. Время заряда конденсатора определяет время прямого хода, а время разряда - время обратного хода луча. Основное требование, предъявляемое к генераторам развертки, - линейность напряжения за время t_пр. Нелинейность этого напряжения ведет к искажению изображения на экране осциллографа. В схемах генераторов развертки используют различные методы линеаризации напряжения.

Цепь синхронизации электронного осциллографа необходима для обеспечения определенного соотношения между частотами исследуемого напряжения и напряжения развертки и получения на экране неподвижного изображения. С этой целью необходимо, чтобы частота напряжения развертки f_р и частота исследуемого сигнала различались в целое число раз, f_р=f/n.

Это соотношение между частотами обеспечивается синхронизацией работы генератора развертки. Для чего цепь синхронизации содержит усилитель, вход которого может быть подключен к УВО (внутренняя синхронизация), к сети (синхронизация от сети с частотой 50 ГЦ) или к источнику внешнего сигнала (внешняя синхронизация).

Вспомогательные элементы электронных осциллографов - калибраторы. Их используют для измерения параметров (амплитуды и времени) исследуемых сигналов.

Калибратор амплитуды КА - устройство, позволяющее получить калиброванное напряжение. Это напряжение используется в осциллографах для градуировки (калибровки) канала вертикального отклонения луча. При этом степень отклонения луча характеризуется коэффициентом, равным отношению калиброванного напряжения U_к к соответствующему отклонению луча l на экране трубки: R_о=U_к/l. В электронных осциллографах амплитуду напряжения можно определить непосредственно при помощи калиброванного канала. Погрешность измерений не превышает 10 %. Калибратор времени 0 (длительности) КВ позволяет при помощи осциллографа измерять временные параметры (частоту) исследуемого сигнала. Для этого применяются метки или специальные развертки.

Для получения меток используют схемы, вырабатывающие колебания стабильной частоты, синхронные с частотой напряжения развертки. Эти колебания модулируют яркость луча трубки через одинаковые промежутки времени. В результате на экране осциллографа появляются следующие с одинаковым интервалом метки времени. Совмещение полученного масштаба времени с изображением исследуемого сигнала позволяет определить его временные параметры. Погрешность такого измерения также достигает 10 %. Использование калиброванных разверток позволяет получить ось отсчета времени по длине, соответствующей периоду исследуемого сигнала. Такой метод значительно сокращает погрешности измерений временных параметров.

Современные осциллографы снабжены рядом вспомогательных устройств, повышающих их функциональные возможности (для фотографирования, дистанционного управления и т.д.). Питание электрических цепей осциллографа осуществляется от встроенных или автономных источников питания.

При изготовлении осциллографов в настоящее время используют электронно-лучевые рубки с бегущей волной и волоконной оптикой, интегральные схемы и встроенные микроЭВМ, значительно повышающие удобство в работе с такими приборами. Для одновременного исследования двух сигналов используют двухлучевые осциллографы или коммутацию электронного луча. Исследуемые сигналы одновременно подаются на два входа: вход А и вход В, на экране трубки одновременно наблюдаются две развертки. Двухлучевые осциллографы помимо измерений позволяют сравнить временное положение или фазу двух входных сигналов. Особое положение занимают многолучевые осциллографы -логические анализаторы. Они позволяют наблюдать одновременно до 16 логических (цифровых) сигналов, используются для работы с цифровыми схемами.

Основными характеристиками осциллографов считаются следующие.

1. Размеры экрана.

2. Чувствительность и полоса пропускания усилителей.

3. Коэффициент усиления по напряжению усилителя вертикального и горизонтального отклонения.

4. Параметры входных цепей (входное сопротивление и емкость).

5. Диапазон частот развертки.

6. Нелинейность развертки.

7. Погрешности измерения амплитуды и длительности сигнала и др.

Электронные осциллографы нашли широкое применение для наблюдения формы периодических сигналов, измерения амплитудного и мгновенного значений величины напряжения, временных интервалов сигналов.