Назначение осциллографа
Приборы, предназначенные для измерения отдельных параметров сигналов, например, вольтметр, частотомер и т.д. часто не удовлетворяют пользователя, поскольку не позволяют отображать форму исследуемого сигнала. В этой ситуации наиболее рациональным выходом является использование осциллографа.
ОСЦИЛЛОГРАФ (от лат. oscillo - качаюсь и греч. grаpho - пишу) - прибор для визуального наблюдения или регистрации функциональной связи между двумя или более величинами, характеризующими какой-либо физический процесс. В электронике наиболее часто осциллограф используется для наблюдения изменений тока или напряжения во времени, а также для измерения различных электрических величин: амплитуды тока и напряжения, частоты, сдвига фаз, глубины модуляции, длительности и частоты повторения электрических импульсов и др. С помощью осциллографа можно также наблюдать и записывать меняющиеся неэлектрические величины (давление, температуру, влажность и др.), предварительно преобразовав их в электрические сигналы.
Эволюция методов построения, элементной базы, конструкции осциллографов и других измерительных приборов во многом шла параллельными курсами /6/. Дата появления современного осциллографа связана с выпуском в 1946 году первого такого прибора модели 511 фирмы Tektronix, в котором появились калиброванные усиление и развертка.
Следующей вехой на пути развития осциллографов стала выпущенная в 1960 году той же фирмой портативная модель 321 - первый полностью полупроводниковый осциллограф.
Кроме того, в 1960 году фирма Hewlett-Packard представила стробоскопический осциллограф HP 185A, в котором сигнал подвергался дискретизации, запоминался в виде напряжения на конденсаторе и отображался. Наиболее удачной разработкой, несомненно, является серия 7000 модульных осциллографов фирмы Tektronix. Эта серия появилась в 1969 году и поставлялась в течение последующих двадцати лет. В аналоговом осциллографе модели 7104, выпущенном в 1979 году, была достигнута полоса пропускания шириной 1 ГГц при регистрации однократных процессов.
Классификация осциллографов.
По принципу действия различают светолучевые и электроннолучевые (или электронные) осциллографы.
Светолучевые осциллографы выполняются на базе одного или нескольких зеркальных гальванометров или шлейфов (шлейф - легкая петелька из очень тонкой проволоки с укрепленным на ней небольшим зеркальцем, помещаемая между полюсами постоянного магнита). Помимо зеркального гальванометра (шлейфа) осциллограф содержит светооптическую систему, носитель записи (светочувствительная бумага или фотопленка), механизм развертки. Электрический сигнал (ток), пропущенный через рамку гальванометра, или шлейф, вызывает поворот зеркальца, и отраженный световой луч 5 оставляет на равномерно движущемся носителе след в виде некоторой кривой, отображающей изменение электрического сигнала во времени. Для визуального наблюдения изменения исследуемой величины служит встроенный просветный экран, на который отводится часть светового луча.
Развертка луча на экране осуществляется с помощью равномерно вращающегося многогранного зеркального барабана. Для одновременной регистрации нескольких физических величин осциллографы могут иметь от 4 до 60 шлейфов.
В электронно-лучевом осциллографе изменение исследуемой физической величины во времени отображается с помощью электронного луча на экране осциллографического электронно-лучевого прибора. Чаще всего с помощью электронного осциллографа исследуют электрические сигналы. На экранах большинства осциллографов имеются проградуированные шкалы, позволяющие измерять амплитудные или временные характеристики всего сигнала или его части. Помимо ЭЛП в состав электронного осциллографа входят (рис. 1):
· усилитель вертикального отклонения (широкополосный видеоусилитель) – канал <У>;
· генератор (например, ждущий мультивибратор) и усилитель развертки, формирующие пилообразное напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах, - канал <Х>;
· синхронизатор, формирующий синхроимпульс для запуска генератора развертки в момент, соответствующий выбранной точке исследуемого сигнала;
· калибратор длительности, вырабатывающий временные отметки, по которым можно измерять временные характеристики сигналов; блок электропитания.
Исследуемый электрический сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛП непосредственно либо через усилитель (если сигнал мал), вызывая соответствующее отклонение электронного луча в вертикальном направлении; горизонтальное перемещение луча создается генератором горизонтальной развертки.
Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа представлена на рисунке 1.
Рис.1. Упрощенная функциональная схема электронно-лучевого осциллографа:
ЖР - ждущая развертка; НР - непрерывная развертка; К - катод; М - модулятор; В1 - переключатель калибратора амплитуды; В2 -переключатель входа на пластины <Y>; В3 - переключатель режима синхронизации; В4 - переключатель калибратора длительности; В5 - переключатель режима развертки; В6 - переключатель входа на пластины <X>; Y1,Y2 - вертикально отклоняющие пластины; Х1,X2 - горизонтально отклоняющие пластины; ЭЛП - электронно-лучевой прибор.
В результате на экране ЭЛП высвечивается кривая линия, отображающая изменение исследуемого сигнала во времени. Для одновременного исследования двух и более сигналов применяются многолучевые осциллографы (чаще всего двулучевые), а также встроенные многоканальные электронные коммутаторы, обеспечивающие получение изображения нескольких сигналов путем периодического поочередного подключения их ко входу усилителя вертикального отклонения.
Среди электронных осциллографов различают несколько разновидностей: универсальные электронные осциллографы (описан выше), запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные.
В запоминающих осциллографах используются ЭЛП с накоплением заряда, в которых изображение сохраняется длительное время, например до нескольких суток после выключения прибора. Применяется для исследования однократных и редко повторяющихся сигналов.
В стробоскопических осциллографах применяется способ последовательного стробирования мгновенных значений сигнала. К моменту прихода следующего сигнала стробирующий импульс сдвигается во времени и обеспечивает отображение на экране осциллографа значения сигнала, соответствующего этому моменту времени, и так до тех пор, пока стробирующий импульс не пройдет исследуемый сигнал полностью.
При этом на экране осциллографа отображается огибающая мгновенных значений входного сигнала.
Cтробоскопические осциллографы отличаются наиболее широкой полосой пропускания и позволяют исследовать сигналы с длительностью до 10-11 с.
Скоростные осциллографы предназначены для регистрации однократных и повторяющихся сигналов в полосе частот около единиц ГГц. В таких осциллографах используется ЭЛП с вертикально отклоняющей системой типа <бегущей волны>; исследуемый сигнал подается непосредственно на отклоняющую систему.
В некоторых моделях осциллографа используется квадрупольная фокусировка луча системой магнитных линз, позволяющая увеличить скорость записи при фоторегистрации осциллограммы. С этой же целью применяются ЭЛП с волоконно-оптическим экраном.
К специальным осциллографам относятся: осциллографы для исследования телевизионных сигналов; медицинские индикаторы - мониторы для одновременного наблюдения 8…12 изображений; логические осциллографы (анализаторы логического состояния), на экране которых воспроизводится в виде двоичного кода состояние исследуемого сигнала (или состояние исследуемой электронной схемы); бесконтактные осциллографические приборы, предназначенные для контроля и наблюдения электрических сигналов через изоляционные покрытия без контакта с токопроводящими поверхностями (такие приборы применяются, например, проектировании и изготовлении БИС и микропроцессоров). /1,2/