Електронні аналогові осцилографи

Електронний осцилограф є універсальним приладом, який призначається для спостереження, дослідження й фотографування форми електричних сигналів з екрана електронно-променевої трубки (ЕПТ). Окрім якісної оцінки досліджуваних процесів, осцилографи дозволяють вимірювати ряд величин: напругу, інтервал часу, частоту, фазовий зсув, коефіцієнт амплітудної модуляції та ін. Широке розповсюдження електронних осцилографів обумовлено великим вхідним опором, безінерційністю до дуже високих частот, високою чутливістю та широкими межами значень вимірюваних параметрів.

Розрізняють три види аналогових осцилографів:

- до виду С1 належать найбільш розповсюджені осцилографи реального часу, тобто осцилографи, в яких зображення сигналу на екрані ЕПТ виникає одночасно з дією сигналу на вході. Більшість з них низькочастотні зі смугою пропускання до 10...35 МГц. Ряд осцилографів, наприклад С1-120 та С1-121, мають смугу пропускання 0...100 МГц. Найбільш швидкодіючий осцилограф С1-75 дозволяє проводити дослідження одного або двох сигналів у діапазоні частот до 250 МГц;

- швидкісні та стробоскопічні осцилографи належать до виду С7. Перші з них зі смугою пропускання 0...5 ГГц призначаються для дослідження в реальному часі періодичних СВЧ коливань та імпульсних сигналів наносекундної тривалості. Стробоскопічні осцилографи мають властивість досліджувати сигнали наносекундної тривалості завдяки застосуванню стробоскопічного методу трансформації масштабу часу. Цим осцилографам притаманні висока чутливість (мілівольти) та широка смуга пропускання (до 10 ГГц і вище);

- до виду С8 належать запам‘ятовуючі осцилографи, які здатні зберігати і відтворювати довгий час зображення сигналу на екрані ЕПТ після його зникнення на вході осцилографа. Ці осцилографи призначаються для дослідження поодиноких імпульсів та сигналів, що змінюються дуже повільно.

Електронно-променеві осцилографи реального часу

Структурні схеми електронно-променевих осцилографів (ЕПО) реального часу досить різноманітні. Проте всі вони мають однакові за призначенням функціональні блоки, до числа яких належать ЕПТ, канал вертикального відхилення променя (канал Y), канал горизонтального відхилення променя (канал X), канал керування яскравістю (канал Z), калібратор та блок живлення.

Блок ЕПТ складається з ЕПТ та схеми керування електронним променем (Рис.6.48). ЕПТ являє собою скляну колбу, в якій розміщена так звана електронна гармата, створена групою електродів: катодом 2 з ниткою розжарювання 1, анодами 4 і 5, модулятором 3 (керуючим електродом). Живлення електронної гармати здійснюється від джерела високої напруги 1...3 кВ. Емісія електронів відбувається з торцевої поверхні катода, в центральній частині якого нанесений оксидний шар.

Модулятор виконується у вигляді металевого циліндра з невеликим отвором у центрі основи і розміщується навколо катода. На модулятор подається від’ємна відносно катода напруга (кілька десятків вольт), під дією якої електрони концентруються поблизу осі трубки, тобто модулятор здійснює первинне фокусування потоку електронів. Частина електронів, перемагаючи протидію з боку модулятора, проскакує через центральний отвір і потрапляє в прискорювальне поле анодів 4 і 5. Змінюючи потенціометром R2 (ЯСКРАВІСТЬ) потенціал модулятора, можна регулювати кількість електронів, що створюють електронний промінь, а отже, і викликають яскравість світіння зображення сигналу на екрані ЕПТ.

Рис.1. Схема блока ЕПТ.

У багатьох осцилографах передбачається можливість подачі на модулятор (Вхід Z) напруги від зовнішнього джерела. За допомогою двох анодів, на які подаються додатні відносно катода напруги, здійснюється розгін і фокусування пучка електронів. Екран ЕПТ створюється тонким шаром люмінофору 9 - речовини, здатної світитися під ударами електронів, яка наноситься на внутрішню поверхню торцевої частини скляної колби. Електрони променя, бомбардуючи екран, вибивають з нього вторинні електрони, від яких виникає небезпека накопичення на екрані негативних зарядів. Для відведення вторинних електронів на внутрішню поверхню трубки наносять провідний шар графіту, так званий аквадаг 8, який електрично з‘єднується з анодом 5. Графітове покриття, крім того, екранує електронний промінь від електричних і магнітних полів, існуючих по за трубкою.

Відхильна система ЕПТ складається з двох пар пластин 6, 7, які розміщуються у взаємно перпендикулярних площинах. При подачі на будь-яку пару пластин напруги електронний промінь відхиляється у бік позитивно зарядженої пластини. Тому, змінюючи за допомогою потенціометрів R7 і R8 постійні напруги, які подаються на вертикально та горизонтально відхильні пластини, можна переміщувати світлову пляму в будь-яку точку екрана.

Зміщенням електронного променя по вертикалі на величину y від початкового положення під дією постійної напруги , яка прикладається до вертикально відхильних пластин, визначають чутливість ЕПТ до відхилення по вертикалі (мм/В): .

Аналогічно чутливість трубки по горизонталі (мм/В) визначається відхиленням х від початкового положення під дією напруги , яка прикладається до горизонтально відхильних пластин: .

Чутливість ЕПТ, що використовуються в універсальних осцилографах, складає 0,2...0,5 . Тому СКЗ напруги, яка подається на пластини, повинна бути не менше ніж 100...250 В, щоб викликати переміщення плями на екрані на 50 мм.

Канал вертикального відхилення (канал Y) призначається для підсилення або ослаблення досліджуваного сигналу, затримки його на якийсь час та перетворення в симетричну напругу. Канал Y включає в себе вхідний атенюатор, широкосмуговий підсилювач ШП, лінію затримки і підсилювач вертикального відхилення ПВВ, вихід якого під’єднується до пластин Y ЕПТ (Рис.6.49).

Досліджуваний сигнал ux(t) через Вхід Y подається на атенюатор або безпосередньо (відкритий вхід), або через розділювальний конденсатор С (закритий вхід). Якщо вхід відкритий, то в канал вертикального відхилення проходять як змінна, так і постійна складові сигналу. В противному разі через конденсатор С проходить тільки змінна складова сигналу. Вихідний сигнал атенюатора підсилюється широкосмуговим підсилювачем ШП і подається, по-перше, через лінію затримки і підсилювач вертикального відхилення ПВВ на вертикально відхильні пластини ЕПТ, і по-друге, - в канал горизонтального відхилення променя для синхронізації генератора розгортки.

Рис.2. Структурна схема електронного осцилографа.

Лінія затримки затримує досліджуваний сигнал на час, необхідний для спрацювання каналу горизонтального відхилення, щоб рух променя уздовж горизонтальної осі починався раніше, ніж досліджуваний сигнал потрапить на вертикально відхильні пластини ЕПТ.

Канал горизонтального відхилення (канал Х) складається зі схем синхронізації та запуску, генератора розгортки і підсилювача горизонтального відхилення ПГВ.

Генератор розгортки виробляє напругу пилкоподібної форми, яка після підсилення подається на горизонтально відхильні пластини Х ЕПТ. За час прямого ходу розгортки напруга генератора зростає лінійно і електронний промінь з постійною швидкістю рухається по горизонталі на екрані ЕПТ. За час зворотного ходу напруга генератора змінюється від максимального до мінімального значення, і промінь дуже швидко перекидається до протилежного боку екрана ЕПТ. Після деякого часу блокування починається наступний такт прямого ходу розгортки. При необхідності генератор розгортки може бути відімкнутий і через Вхід X на горизонтально відхильні пластини ЕПТ може бути подана розгортальна напруга від зовнішнього джерела.

При наявності лінійної розгортки горизонтальна вісь екрана ЕПТ є віссю часу, а вертикальна вісь - віссю напруги. Задача вимірювання інтервалу часу або амплітуди Ux max сигналу зводиться до вимірювання лінійного розміру в якійсь частині осцилограми (по горизонталі або вертикалі ) та помноженню його на коефіцієнт розгортки kр або коефіцієнт відхилення kв: ; .

Коефіцієнт розгортки kр - це масштаб по горизонтальній осі, коефіцієнт відхилення kв - масштаб по вертикальній осі екрана ЕПТ. Перший з них подають в одиницях часу, віднесених до поділок шкали , а другий - в одиницях напруги, віднесених до поділок шкали . У сучасних осцилографах зміна коефіцієнтів розгортки і відхилення здійснюється східчасто за допомогою перемикачів: коефіцієнта відхилення з кратністю зміни 1; 2; 5; коефіцієнта розгортки - з кратністю зміни 0,25; 0,5; 1; 2; 5.

У процесі експлуатації осцилографа перевіряється, чи не відрізняються дійсні значення коефіцієнтів відхилення та розгортки від їх номінальних значень, указаних на передній панелі приладу. Перевірка виконується за допомогою вмонтованого в осцилограф калібратора (на Рис.6.50 не показано). Калібратор являє собою генератор напруги прямокутної форми типу меандр, амплітуда та частота якої відомі із заданою точністю.

Вихідний сигнал калібратора подається на Вхід Y осцилографа. Зображення амплітуди та періоду каліброваного сигналу на екрані ЕПТ повинно мати певні розміри. В противному випадку цього домагаються зміною коефіцієнтів відхилення та розгортки пристроями перестроювання.

Синхронізація розгортки осцилографа. Для одержання на екрані ЕПТ стійкого зображення досліджуваного сигналу необхідно, щоб частота розгортки дорівнювала частоті досліджуваного сигналу або була б у ціле число разів меншою за неї. З цією метою генератор розгортки запускається (синхронізується) або імпульсами, сформованими з досліджуваного сигналу (внутрішня синхронізація), або зовнішніми сигналами. Останні подаються на вхід зовнішня синхронізація. Для синхронізації запуску генератора може бути використана напруга мережі живлення, якщо частота досліджуваного сигналу кратна частоті мережі (синхронізація від мережі).

Чіткий запуск генератора розгортки гарантується в тому разі, якщо амплітуда синхронізуючого імпульсу досить велика. Рівень синхронізуючого імпульсу плавно регулюється рукоятками рівень та стабільність, розташованими на передній панелі осцилографа.

Режими роботи генератора розгортки. Генератор розгортки має два основних режими роботи: безперервної (періодичної) і очікувальної розгортки. Режим періодичної розгортки є автоколивальним. Він використовується при дослідженнях безперервних або імпульсних періодичних сигналів малої шпаруватості. Очікувальний режим генератора розгортки застосовується при дослідженнях неперіодичних сигналів, імпульсної напруги великої або змінної шпаруватості, імпульсів малої тривалості тощо. В цьому режимі генератор розгортки знаходиться у стані готовності до робочого ходу. При появі імпульсу синхронізації генератор формує тільки один період напруги розгортки і знову переходить у стан очікування, на екрані ЕПТ спостерігається зображення тільки одного імпульсу.

Більшість осцилографів можуть працювати ще в режимі поодинокого запуску. В цьому режимі в колі синхронізації формується тільки один імпульс (при натисканні спеціальної кнопки), який викликає однократне формування пилкоподібної напруги генератором розгортки.

Осцилографічні розгортки. У вимірювальній практиці широко застосовуються лінійна, синусоїдна і кругова розгортки.

Лінійна розгортка здійснюється за допомогою генератора пилкоподібної напруги. Її перевагою є те, що осцилограма досліджуваного процесу спостерігається в прямокутній системі координат.

Для одержання синусоїдної розгортки генератор розгортки від’єднується і на горизонтально відхильні пластини (через Вхід X) подають синусоїдну напругу від зовнішнього генератора f2 (Рис.6.50, а). Якщо до вертикально відхильних пластин також підвести синусоїдну напругу від генератора f1, то на екрані ЕПТ з‘явиться фігура Ліссажу (Рис.6.50, б): замкнена, якщо відношення частот напруг, які підведені до відхильних пластин, є цілим числом, або незамкнена, якщо відношення частот вхідних напруг є дробовим числом.