Вопрос 2. Структура и принцип работы универсального осциллографа. Виды разверток в осциллографе

Универсальным осциллографом называется измерительный прибор, в котором исследуемый электрический сигнал подается через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систему электронно­лучевой трубки (ЭЛТ), а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляется напряжением горизонтальной развертки (ГОСТ22737-77).

Внешний вид универсальных осциллографов представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Внешний вид универсальных осциллографов

Упрощенная структурная схема универсального осциллографа изо­бражена на рис. 2.

В осциллографе кроме ЭЛТ и каналов вертикально­го и горизонтального отклонений можно выделить следующие функ­циональные блоки: устройство синхронизации и запуска развертки, ка­нал модуляции луча, вспомогательные устройства, источник питания. В стеклянном баллоне ЭЛТ расположены подогревный катод К, модуля­тор (сетка) М, фокусирующий анод А₁, ускоряющий анод А₂ и две пары, взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин: Х — горизонталь­ные, Y— вертикальные.

Рисунок 2 - Упрощенная структурная схема универсального осциллографа

Канал вертикального отклонения луча. На рис. 2 показан канал вер­тикального отклонения луча, состоящий из аттенюатора, линии задерж­ки и усилителя. Канал Y служит для передачи на пластины Y исследуе­мого сигнала u_c(t), подводимого ко входу Y. Аттенюатор канала поз­воляет ослабить сигнал u_c(t) в определенное число раз, а линия задержки (она регулируемая) обеспечить его подачу на пластины Y с задержкой относительно начала горизонтально развертывающего напряжения U_x. Усилитель обеспечивает амплитуду сигнала на пластинах Y, доста­точную для значительного отклонения луча на экране даже малым ис­следуемым сигналом u_c(t).

В свою очередь, усилитель Y канала вертикального отклонения включает следующие звенья (на рис. 2 не показаны): входной усили­тель с изменяемым коэффициентом усиления К_ус, линию задержки и парафазный (с противофазными выходными сигналами) усилитель, обес­печивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. В канал вертикального отклонения луча может также входить калибратор амплитуды (на рис. 2 не показан). Сигнал от калибратора поступает на вход первого усилителя для установки за­данного коэффициента усиления K_yc. При этом цена деления (В/дел)-масштабной сетки на экране осциллографа определится формулой

(1)

где u_k — напряжение калибратора; К_ус — коэффициент усиления усилителя при одном положении регулировки; n_к — число делений сетки, занятое изображением калибровочного сигнала.

Цена деления масштабной сетки с учетом коэффициента деления k_д аттенюатора с _д = с k_д. Если в процессе работы параметр с остается посто­янным, то величина с_д может быть указана на дискретном переключателе аттенюатора, что и делается на практике. Основные характе­ристики канала вертикального отклонения — верхняя граничная частота порядка 100 МГц и чувствительность Sy = k_д K_ycS_mp; при k_д = 1 чувствительность около 1мм/мВ.

Канал горизонтального отклонения луча — канал Х — служит для соз­дания горизонтально отклоняющего — развертывающего — напряжения U_x с помощью напряжения генератора развертки или для передачи (через аттенюатор и усилитель) на пластины Х исследуемого сигнала, подводимого ко входу Х осциллографа. Схема синхронизации вырабатывает сигнал синхронизации, поступающий на генератор развертки (для получения четкой неподвижной осциллограммы). Усилитель канала Х усиливает и преобразует сигнал развертки U_р в U_х.

Канал горизонтального отклонения характеризуется чувстви­тельностью и полосой пропускания, которые раза в два меньше, чем в 1 канале вертикального отклонения. Основной блок в канале — генератор развертки, работающий в непрерывном или ждущем режиме. К форме пилообразного напряжения генератора предъявляется ряд требований:

- время обратного хода луча должно быть много меньше времени прямого хода Т_обр << Т_пр. В противном случае часть изображения сигна­ла будет отсутствовать;

- для того чтобы изображение на экране было неподвижным, осцил­лограмма должна начинаться всегда с одной и той же точки экрана и фазы сигнала. Это достигается синхронизацией напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала: Т_разв = nТ_c, где п = 1, 2,3, 4...;

- напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе луч будет двигаться по экрану с различной скоростью и нарушится равномерность временного масштаба по оси X. Это может привести к искажению сигнала.

Канал Z (канал управления яркости) осциллографа служит для пере­дачи со входа Z на управляющий вход ЭЛТ сигнала, модулирующего ток ее лучаи, следовательно, яркость свечения люминофора. В схему этого канала входят: аттенюатор, схема изменения полярности и усилитель Z.

Калибратор — устройство, формирующее периодический импульсный сигнал с известными амплитудой, длительностью и частотой для калиб­ровки осциллографа, т.е. для обеспечения правильных измерений пара­метров исследуемого сигнала.

Одним из основных блоков осцилло­графа является электронно-лучевая трубка, выходными элементами ко­торой служат две пары пластин, с помощью специальной развертки от­клоняющие луч горизонтально и вертикально.

Развертка — это линия, которую чертит луч на экране при отсутст­вии исследуемого сигнала в результате действия только одного развер­тывающего напряжения. Если развертывающее напряжение приложено к одной паре отклоняющих пластин (обычно к пластинам X), то развертку называют по форме развертывающего напряжения (например, линейной или синусоидальной).

Если развертывающие напряжения приложены к отклоняющим пла­стинам Х и У трубки осциллографа одновременно, то название разверт­ке дается по ее форме (например, круговая или эллиптическая).

Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая пи­лообразным напряжением U_p генератора развертки. В зависимости от режима работы генератора развертки такую развертку подразделяют на несколько видов. Рассмотрим некоторые из них.

Автоколебательная развертка — это развертка, при которой гене­ратор развертки периодически запускается и при отсутствии сигнала запуска на его входе.

Ждущая развертка — развертка, при которой генератор развертки запускается только с помощью сигнала запуска.

Однократная развертка — развертка, с помощью которой генератор развертки запускается только один раз с последующей блокировкой.

При подаче на горизонтально отклоняющие пластины напряжения U_x, пилообразной формы (рис. 3), электронный сфокусированный луч под воздействием этого напряжения перемещается слева направо на интер­вале Т_пр (точки 0-1-2 — длительность прямого хода луча) и справа налево на интервале Т_обр (точки 2-3 — длительность обратного хода луча). Причем скорость движения луча в обратном направлении много больше (обычно луч при этом гасится), чем в прямом.

С помощью напряжения развертки, подаваемого на горизонтальные пластины электронно-лучевой трубки (пластины X) осциллографа, на экране можно наблюдать исследуемый сигнал, поступающий на пласти­ны У и изменяющийся во времени (развернутый во времени).

Рисунок 3 - Диаграмма, поясняющая создание временного масштаба по горизонтальной оси экрана:

___________- прямой ход луча, _ _ _ _ _ _ _- возвратный ход луча;

T_разв=T_пр+T_обр, T_пр=2t₁

Автоколебательная развертка применяется для исследования пе­риодических сигналов, а также импульсных с небольшой скважностью Q = Т/τ. Она применяется при внутренней синхронизации. На рис. 4 представлены исследуемый сигнал Uс, развертывающее синхронное напряжение Ux, и наблюдаемая осциллограмма.

Рисунок 4 - Пример применения автоколебательной развертки

Автоколебательная развертка не позволяет наблюдать неперио­дические сигналы и практически бесполезна при наблюдении периодических импульсных сигналов с большой скважностью Q (это связано с тем, что передний и задний фронты импульса почти сливаются). В этих случаях используют ждущую развертку.

Пример использования ждущей развертки показан на рис. 5. Генератор развертки запускается только при поступлении импульсов Uc. Если длитель­ность развертки, равная t₂ – t₁, сопоставима с длительностью исследуемого импульса, то его изображение на экране достаточно детально.

Рисунок 5 - Пример применения ждущей развертки

В осциллографе начало ждущей развертки несколько задержано от­носительно фронта (переднего скачка) импульса Uc. Поэтому если фронт импульса очень короткий, то он может не отобразиться на осцил­лограмме. Для наблюдения короткого фронта сигнал Uc задерживают во времени в канале Y с помощью линии задержки (штриховые импульсы Uc на рис. 5). Осциллограмма этой развертки дана на рис. 5 штрихо­вой линией.

Однократная развертка применяется при фотографировании с экрана осциллографа неповторяющихся сигналов. В этом режиме генератор развертки запускается исследуемым сигналом только один раз.

Рассмотрим получение на экране ЭЛТ круговой развертки. Для этого на пластины Y надо подать синусоидальный сигнал U_y = Usin(ωt) = Usin(2πt/Т), а на пластины X — аналогичный по форме сигнал, но за­держанный по времени на четверть периода (по фазе на φ= 90°), т.е. сигнал U_x = Usin[ω(t-T/4)] =- Ucos(ωt). Осциллограмма круговой раз­вертки представлена на рис. 6.

Рисунок 6 - Получение круговой развертки в осциллографе

Под действием напряжений развертки U_y и U_x луч прочерчивает на экране окружность за время, равное периоду T. Положение луча на экране в момент времени t = 0 отмечено точкой О, в момент t₁- точкой 1 и т.д. Если амплитуды. сигналов U_y и U_x не равны, то получим эллиптическую развертку, т.е. на на экране увидим эллипс. Например, при U_y < U_x большая ось эллипса расположена по горизонтали, а малая по вертикали.