Лекция № 6. Электронные аналоговые и цифровые осциллографы

 

Содержание лекции: назначение; структурные схемы; устройство и принцип работы.

Цель лекции: изучить устройство и принцип работы; усвоить порядок выполнения осциллографических измерений.

Электронный осциллограф (ЭО) предназначен для визуального наблюдения и измерения параметров сигналов. С помощью ЭО исследуют периодические и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, одиночные импульсы и оценивают их параметры. По осциллограммам, получаемых на экране ЗО, можно измерить амплитуду, частоту, фазовый сдвиг, временные интервалы и другие физические величины. На базе ЭО созданы анализаторы амплитудно-частотных характеристик, спектроанализаторы для контроля загрузки радио-эфира, различные рефлектометры для анализа состояний кабельных проводных и волоконно-оптических линий связи.

В практике электрорадиоизмерений используются различные типы ЭОоминающие, скоростные, стробоскопические и цифровые. пические и цифровые.

Каждый электронный осциллограф состоит из взаимодействующих блоков; одни из них являются общими, другие – выполняют определенные функции. Структурная схема универсального осциллографа приведена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 – Структурная схема электронного осциллографа

 

Устройство простейшей электроннолучевой трубки ЭЛТ представлено на рисунке 6.2

а) б) в)

а) устройство; б) графическое обозначение в схемах; в) упрощенное обозначение.

Рисунок 6.2 – Электроннолучевая трубка

 

К – катод; М – модулятор; А1 – первый анод; А2 – второй анод; У и X – отклоняющие пластины; A3 – третий анод; Э – экран.

Основой ЭЛТ является электронный прожектор (электронная пушка). Электронный прожект предназначен для создания тонкого электронного луча.

Две пары электродов в виде плоских пластин Y и X образуют электростатическую отклоняющую систему (см. рисунок 6.3). При помощи переменных резисторов R3, R4 можно установить светящееся пятно в любом месте экрана ЭЛТ.

Канал вертикального отклонения У выполняет роль устройства, формирующего на экране входной исследуемый сигнал по величине и мощности. Он состоит из входного устройства ВУ и усилителя вертикального отклонения. Входное устройство содержит выводы для присоединения внешних проводников, делитель напряжения с коммутирующими элементами и корректирующими цепями. Усилитель служит для усиления входных сигналов до уровня, необходимого для воздействия па электронный луч со стороны вертикально-отклоняющих пластин.

Канал X обеспечивает управление лучом в горизонтальной плоскости. При исследовании временных зависимостей на пластины подается линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение с требуемым периодом повторения. Генератор пилообразного напряжения Г с усилителем часто называют генератором развертки.

Рисунок 6.3 – Устройство и схема включения осциллографической электронной трубки

 

В этом же канале имеется устройство синхронизации С предварительным усилителем, которое запускает генератор синхронно с началом действия исследуемого входного сигнала. Синхронизация может быть внутренней и внешней: внешняя синхронизация производится сигналами от внешних источников через входное гнездо U_С канала X.

Генератор развертки вырабатывает напряжение развертки U_P пилообразной формы, с обязательным обеспечением линейности переднего и обратного ходов (см. рисунок 6.4).

а) форма развертывающего напряжения; б) линия развертки на экране.

Рисунок 6.4 – Линейная развертка

Линейно изменяющееся напряжение (см. рисунок 6.5) на горизонтально-отклоняющих пластинах плавно перемещает луч в направлении от одной пластины к другой; при обратном ходе «пилы» луч затемняется (линия 1). Если теперь подать на вертикально-отклоняющие пластины исследуемый сигнал, то электронный луч будет испытывать воздействие как пилообразного, так и исследуемого напряжения, т. е. он будет двигаться по сложной траектории (кривая 2).

Рисунок 6.5 – Формирование изображения на экране электроннолучевой трубки

 

В начальном состоянии осциллограф включен, а входной исследуемый сигнал отсутствует; на экране видна лишь горизонтальная линия 1; это означает нормальное функционирование генератора развертки.

В практике осциллографирования возможны случаи несоответствия регистрируемой кривой истинной форме напряжения исследуемого сигнала – искажения осциллограмм. Они могут проявляться по-разному и вызываться самыми различными причинами. Поэтому необходимо иметь представление о возможных искажениях осциллограмм и причинах их возникновения.

Основными причинами являются:

1) нарушение работы генератора развертки (нелинейность пилы при прямом ходе t_пр (см. рисунок 6.4, а), смещение линии развертки вверх или вниз относительно центра экрана (рис.6.4, б));

2) невыполнение условия Т_р = nТ_у, где n – 1, 2, 3…

Изображение представляется наблюдателю неподвижным, если луч при каждом прямом ходе прочерчивает одну и ту же кривую. Это достигается тогда, когда период развертывающего напряжения Т_Р равен или кратен периоду исследуемого сигнала Т_У, т.е.

Т_Р=Т_У или Т_Р=nТ_У.

Напомним, что два колебания, у которых частоты (периоды) равны или кратны и изменению одной из частот соответствует пропорциональное изменение второй частоты, называются синхронными (одновременными). Таким образом, для получения неподвижного изображения напряжение развертки и исследуемое напряжение должны быть синхронными. Это достигается синхронизацией напряжения развертки исследуемым сигналом или внешним напряжением с периодом, соответствующим выше названному условию Важно отметить, что пилообразное напряжение не бывает строго линейным. Часто оно изменяется по экспоненте, близкой к прямой, причем степень линеаризации зависит от схемы генератора развертки. При недостаточно большой постоянной времени экспоненты форма наблюдаемого напряжения искажается.

В генераторах развертки предусматривается возможность регулирования частоты развертки: ступенчато — переключением конденсаторов различной емкости и плавно — переменным резистором. Положения переключателя градуируются как время/деление (мкс/дел, мс/дел, с/дел).

Часто осциллограф используют для исследования различных импульсных процессов, в том числе непериодических. Непрерывная развертка не позволяет наблюдать однократные импульсы, а при исследовании процессов с большой скважностью она оказывается малоэффективной. В последнем случае слишком малая часть периода следования импульсов приходится на долю импульса, а его вершина наблюдается в виде светящейся точки. Иначе говоря, большая часть периода напряжения горизонтальной развертки не используется, а масштаб получается очень мелким.

В этом случае используется ждущая развертка показанная на рисунке 6.6.

 

 

Рисунок 6.6 – Осциллографирование периодической последовательности импульсов с большой скважностью

 

Суть ждущей развертки заключается в том, что генератор развертки следит за появлением импульсов на входе канала Y. Как только импульс появился, он задерживается на некоторое время, чтобы появился пилообразный импульс ждущей развертки. Длительность импульса ждущей развертки чуть больше ширина импульса.

В самой сущности ждущей развертки заложена необходимость жесткой синхронизации. Так как в качестве генератора развертки применяется одновибратор, то синхронизация достигается возбуждением его либо исследуемым сигналом, либо синхронным с ним импульсом.