Универсальные одноканальные электронно-лучевые осциллографы

Электронный осциллограф является основным и широко распространенным прибором для наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Осциллограф позволяет «видеть» исследуемый сигнал в виде функции времени. Упрощенная структурная схема осциллографа приведена на рисунке 1. Она содержит электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), канал вертикального отклонения, канал горизонтального отклонения, калибратор.

Принцип получения изображения исследуемого напряжения на экране осциллографа в общих чертах заключается в следующем. Исследуемое напряжение, которое является функцией времени, отображается в прямоугольных координатах Х, У графиком . Две пары пластин ЭЛТ, расположенные по отношению друг к другу под углом 90^о, отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для наблюдения на экране исследуемого напряжения необходимо отклонять луч по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси – пропорционально величине исследуемого напряжения. С этой целью к горизонтально отклоняющим пластинам подается линейно изменяющееся напряжение, под действием которого электронный луч перемещается по горизонтали с постоянной скоростью слева направо. В исходное положение луч возвращается с гораздо большей скоростью.

Напряжение горизонтальной развертки, имеющее пилообразную форму создается внутренним генератором развертывающего напряжения. Величина перемещения луча по горизонтальной оси является линейной функцией времени.

Исследуемое напряжение поступает на вход канала вертикального отклонения и далее на вертикально отклоняющие пластины.

Следовательно, в каждый момент времени положение электронного луча соответствует величине исследуемого напряжения. За время прямого хода, луч прочерчивает кривую исследуемого сигнала. Изображение кривой на экране называют осциллограммой. Если развертывающее напряжение и напряжение исследуемого сигнала синхронно и периодически повторяется, то на экране осциллографа наблюдается неподвижное изображение сигнала.

Рассмотрим функционирование основных узлов осциллографа.

 

Рис.1.1. Упрощенная структурная схема осциллографа

 

Канал вертикального отклонения луча (канал У) предназначен для передачи напряжения исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Входной блок канала имеет калиброванный переключатель усиления с помощью которого устанавливается масштаб ВОЛЬТ/ДЕЛЕНИЕ на экране осциллографа.

В усилителе вертикального отклонения имеется линия задержки, благодаря которой обеспечивается подача исследуемого импульсного сигнала с задержкой относительно пилообразного напряжения, поступающего на горизонтально отклоняющие пластины, что позволяет наблюдать передний фронт импульсного сигнала. Усилитель вертикального отклонения усиливает исследуемый сигнал до величины, необходимой для получения достаточного для наблюдения размера исследуемого сигнала на экране ЭЛТ.

Канал горизонтального отклонения луча или канал Х вырабатывает напряжение перемещающее луч в горизонтальном направлении пропорционально времени. Он содержит: генератор развертывающего напряжения, который перемещает луч по горизонтали с определенной скоростью; усилитель, обеспечивающий необходимую величину напряжения развертки; схему синхронизации, предназначенную для усиления, преобразования и изменения полярности синхронизирующего сигнала с целью получения устойчивой неискаженной осциллограммы.

Для получения на экране устойчивой осциллограммы служит схема синхронизации и запуска развертки, которая управляет генератором развертки и обеспечивает кратность периодов исследуемого сигнала и развертывающего напряжения. Для наблюдения изображения неподвижным начало развертки должно быть связано с одной и той же точкой сигнала. Эту привязку к определенным точкам сигнала осуществляет схема синхронизации, с помощью которой устанавливается определенный уровень и наклон («+» или «-»), определяющий момент начала развертки.

Схема синхронизации вырабатывает короткий импульс, поступающий на генератор развертки и запускающий его с помощью переключателя, расположенного на передней панели, возможно выбрать один из трех режимов синхронизации – внутренний, внешний и от сети. При внутренней синхронизации импульсы, запускающие схему, вырабатываются из входного сигнала, который поступает из канала вертикального отклонения до линии задержки. В режиме внешней синхронизации запускающий сигнал подается на схему синхронизации от внешнего источника через специальный вход на передней панели. При этом осуществляется ждущий режим работы генератора развертки, который обеспечивает исследование импульсных сигналов, в том числе с большой скважностью и даже не непериодических. В ждущем режиме напряжение развертки поступает на горизонтально отклоняющие пластина трубки синхронно с моментом их появления запускающего сигнала. При поступлении запускающего импульса электронный луч совершает один прямой и один обратный ход. После этого генератор развертки будет находится в заторможенном состоянии и «ждать» прихода следующего запускающего импульса.

Генератором развертки так же вырабатываются специальный прямоугольный импульс подсвета, длительность которого равна длительности прямого входа развертывающего напряжения. Сформированный в усилителе Z импульс поступает на модулятор ЭЛТ и подсвечивает прямой ход развертки. Как правило, в осциллографах предусматривается возможность модуляции изображения исследуемого сигнала по яркости внешнего сигнала. Для этой цели служит вход Z, а так же схема, позволяющая изменять полярность модулирующего напряжения.

Для точной установки коэффициента усиления сигнала по входу У и коэффициента развертки в осциллографе предусматривается встроенный генератор сигналов с точно известными амплитудой и частотой.

Запоминающие осциллографы

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. 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.