Для чего необходим двухлучевой осциллограф

Осцилло́граф (лат. oscillo — качаюсь + греч. γραφω — пишу) — прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи, измерения) амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, и наглядно отображаемого (визуализации) непосредственно на экране, либо регистрируемого на фотоленту.

Современные осциллографы позволяют исследовать сигнал гигагерцовых частот. Для исследования более высокочастотных сигналов можно использовать электронно-оптические камеры.

Содержание

Классификация [ править | править код ]

По логике работы и назначению осциллографы можно разделить на три группы [1] :

• реального времени (аналоговый)
• запоминающий осциллограф (storage oscilloscope)

• аналоговый (например, с запоминающим устройством на ЭЛТ)
• цифровой (DSO — digital storage oscilloscope)

стробирующий осциллограф (sampling oscilloscope)

Осциллографы с непрерывной развёрткой для регистрации кривой на фотоленте (шлейфовый осциллограф).

По количеству лучей: однолучевые, двулучевые и т. д. Количество лучей может достигать 16 и более (n-лучевой осциллограф имеет n сигнальных входов и может одновременно отображать на экране n графиков входных сигналов).

Осциллографы с периодической развёрткой делятся на: универсальные (обычные), скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные; цифровые осциллографы могут сочетать возможность использования разных функций.

Также существуют осциллографы, совмещенные с другими измерительными приборами (напр. мультиметром). Такие приборы называются скопметрами.

Осциллограф также может существовать не только в качестве автономного прибора, но и в виде приставки к компьютеру: в виде карты расширения, или подключаемой через какой-либо внешний порт.

Устройство [ править | править код ]

Осциллограф с дисплеем на базе ЭЛТ состоит из следующих основных частей:

• Осциллографическая электронно-лучевая трубка;
• Блок горизонтальной развёртки. Генерирует периодический или однократный сигнал пилообразной формы (линейно нарастающий и быстро спадающий), который подаётся на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ. Во время спадающей фазы (обратный ход луча) также формируется импульс гашения электронного луча, который подаётся на модулятор ЭЛТ;
• Входной усилитель исследуемого сигнала, выход которого подключён к пластинам вертикального отклонения ЭЛТ.

Также содержатся вспомогательные блоки: блок управления яркости, калибратор длительности, калибратор амплитуды.

В цифровых осциллографах чаще всего используются ЖК-дисплеи.

Экран [ править | править код ]

Осциллограф имеет экран A, на котором отображаются графики входных сигналов. У цифровых осциллографов изображение выводится на дисплей (монохромный или цветной) в виде готовой картинки, у аналоговых осциллографов в качестве экрана используется осциллографическая электронно-лучевая трубка с электростатическим отклонением. На экран обычно нанесена разметка в виде координатной сетки.

Сигнальные входы [ править | править код ]

Осциллографы разделяются на одноканальные и многоканальные (2, 4, 6, и т. д. каналов на входе). Многоканальные осциллографы позволяют одновременно наблюдать на экране несколько сигналов, измерять их параметры и сравнивать их между собой.

Входной сигнал каждого канала подаётся на свой вход «Y» и усиливается своим усилителем вертикального отклонения до уровня, необходимого для работы отклоняющей системы ЭЛТ (десятки вольт) или аналого-цифрового преобразователя. Усилитель вертикального отклонения всегда строится по схеме усилителя постоянного тока (УПТ), то есть имеет нижнюю рабочую частоту 0 Гц. Это позволяет измерять постоянную составляющую сигнала, правильно отображать несимметричные сигналы относительно нулевой линии, измерять постоянное напряжение. Такой режим работы называется — режим с открытым входом.

Однако, если необходимо отсечь постоянную составляющую (например, она слишком велика и уводит луч за границы экрана), усилитель можно переключить в режим с закрытым входом (входной сигнал подаётся на УПТ через разделительный конденсатор).

Управление развёрткой [ править | править код ]

В большинстве осциллографов используются два основных режима развёртки:

• автоматический (автоколебательный);
• ждущий.

В некоторых моделях предусмотрен ещё один режим:

• однократный.

Автоматическая развёртка

При автоматической развёртке генератор развёртки работает в автоколебательном режиме, поэтому, даже в отсутствие сигнала, по окончании цикла развёртки — цикла генератора пилообразного напряжения развёртки происходит её очередной запуск, это позволяет наблюдать на экране изображение даже в отсутствии сигнала или при подаче на вход вертикального отклонения постоянного напряжения. В этом режиме у многих моделей осциллографов выполнен захват частоты генератора развёртки исследуемым сигналом, при этом частота генератора развёртки в целое число раз ниже частоты исследуемого сигнала.

Ждущий режим развёртки

В ждущем режиме развёртки напротив, при отсутствии сигнала или его недостаточном уровне (либо при неверно настроенном режиме синхронизации) развёртка отсутствует и экран гаснет. Развёртка запускается при достижении сигналом некоторого настроенного оператором уровня, причем можно настроить запуск развёртки как по нарастающему фронту сигнала, так и по падающему. При исследовании импульсных процессов, даже если они непериодические (например, непериодическое, достаточно редкое ударное возбуждение колебательного контура) ждущий режим обеспечивает зрительную неподвижность изображения на экране.

В ждущем режиме развёртку часто запускают не по самому исследуемому сигналу, а некоторым синхронным, обычно опережающим сам исследуемый процесс сигналом, например, сигналом импульсного генератора, возбуждающего процесс в исследуемой схеме. В этом случае, запускающий сигнал подаётся на вспомогательный вход осциллографа — вход запуска развёртки — вход синхронизации.

При однократном режиме генератор развёртки «взводится» внешним воздействием, например, нажатием кнопки и далее ожидает запуска точно также, как и в ждущем режиме. После запуска развёртка производится только один раз, для повторного запуска генератор развёртки необходимо «взвести» снова. Этот режим удобен для исследования непериодических процессов, таких как логические сигналы в цифровых схемах, чтобы последующие запуски развёртки по фронтам сигнала не «замусоривали» экран.

Недостаток такого режима развёртки — светящееся пятно по экрану пробегает однократно. Это затрудняет наблюдение при быстрых развёртках, так как яркость изображения в этом случае мала. Обычно в этих случаях применяют фотографирование экрана. Необходимость фотографирования на фотоплёнку ранее устраняли применением осциллографических трубок с запоминанием изображения, в современных цифровых осциллографах запоминание процесса производится в цифровом виде в цифровой памяти (ОЗУ) осциллографа.

Синхронизация развёртки с исследуемым сигналом [ править | править код ]

Для получения неподвижного изображения на экране каждые последующие траектории движения луча по экрану в циклах развёртки должны пробегать по одной и той же кривой. Это обеспечивает схема синхронизации развёртки, запускающая развёртку на одном и том же уровне и фронте исследуемого сигнала.

Пример. Допустим, исследуется синусоидальный сигнал и схема синхронизации настроена так, чтобы запускать развёртку при нарастании синусоиды, когда её значение равно нулю. После запуска луч отрисовывает одну или несколько, в зависимости от настроенной скорости развёртки, волн синусоиды. После окончания развёртки схема синхронизации не запускает развёртку повторно, как в автоматическом режиме, а дожидается очередного прохождения синусоидой волны нулевого значения на нарастающем фронте. Очевидно, что последующее прохождение луча по экрану повторит траекторию предыдущего. При частотах повторения развёртки свыше 20 Гц, из-за инерционности зрения будет видна неподвижная картина.

Если запуск развёртки не синхронизирован с наблюдаемым сигналом, то изображение на экране будет выглядеть «бегущим» или даже совершенно размазанным. Это происходит потому, что в этом случае, отображаются различные участки наблюдаемого сигнала на одном и том же экране.

Для получения стабильного изображения все осциллографы содержат систему, называемую схемой синхронизации, которую в зарубежной литературе, не совсем корректно, часто называют триггером.

Назначение схемы синхронизации — задерживать запуск развёртки до тех пор, пока не произойдёт некоторое событие. В примере, событием было прохождение синусоиды через нуль на нарастающем фронте.

Поэтому, схема синхронизации имеет как минимум две настройки, доступные оператору:

• Уровень запуска: задаёт напряжение исследуемого сигнала, при достижении которого запускается развёртка.
• Тип запуска: по фронту или по спаду.

Правильная настройка этих органов управления обеспечивает запуск развёртки всегда в одном и том же месте сигнала, поэтому изображение сигнала на осциллограмме выглядит стабильным и неподвижным.

Во многих моделях осциллографов имеется ещё один орган управления схемой синхронизации, ручка плавной регулировки «СТАБИЛЬНОСТЬ», изменением её положения изменяют время нечувствительности генератора развёртки к запускающему событию («мертвое время» генератора развёртки). В одном крайнем положении генератор развёртки переводится в автоколебательный режим, в другом крайнем положении — в ждущий режим, в промежуточных положениях изменяет частоту запуска развёртки. Обычно в осциллографах, снабжённых этой регулировкой, отсутствует переключатель режима развёртки «ЖДУЩИЙ/АВТОМАТИЧЕСКИЙ»

Как было сказано, почти всегда предусмотрен дополнительный вход синхронизации развёртки, при этом имеется переключатель запуска развёртки «ВНЕШНИЙ/ВНУТРЕННИЙ», при положении «ВНЕШНИЙ» на вход схемы синхронизации развёртки подаётся не сам исследуемый сигнал, а напряжение со входа синхронизации.

Часто имеется переключатель на синхронизацию от питающей сети (в европейских странах и России — 50 Гц, в некоторых других странах — 60 Гц), при синхронизации от сети на вход схемы синхронизации подаётся напряжение с частотой сети. Такая синхронизация удобна для наблюдения сигналов с частотой сети, или сигналов кратных этой частоте, например, сетевых помех, измерении параметров сетевых фильтров, выпрямителей и др.

В специализированных осциллографах имеются и особые режимы синхронизации, например, режим запуска развёртки в момент начала заданной оператором номером строки в кадре телевизионного сигнала, что удобно при измерении параметров телевизионного тракта и отдельных его каскадов в системах телевидения.

В других специализированных осциллографах, применяемых при исследовании цифровых (например, микропроцессорных) устройств, схема синхронизации дополняется компаратором кодов и запуск развёртки производится при совпадении заданного оператором двоичного кода (слова) с кодом на шине, например, адреса. Это удобно для поиска причины сбоев при записи/чтении некоторой ячейки памяти и других диагностик.

Применение [ править | править код ]

Один из важнейших приборов в радиоэлектронике. Используются в прикладных, лабораторных и научно-исследовательских целях, для контроля/изучения и измерения параметров электрических сигналов — как непосредственно, так и получаемых при воздействии различных устройств/сред на датчики, преобразующие эти воздействия в электрический сигнал или радиоволны.

Наблюдение фигур Лиссажу [ править | править код ]

В осциллографах есть режим, при котором на пластины горизонтального отклонения подаётся не пилообразное напряжение развёртки, а произвольный сигнал, подаваемый на специальный вход (вход «Х»). Если подать на входы «X» и «Y» осциллографа сигналы близких частот, то на экране можно увидеть фигуры Лиссажу. Этот метод широко используется для сравнения частот двух источников сигналов и для подстройки одного источника под частоту другого.

Курсорные измерения [ править | править код ]

В современных аналоговых и цифровых осциллографах часто имеется вспомогательная сервисная система, позволяющая удобно измерить некоторые параметры исследуемого осциллографом сигнала. В таких осциллографах на экран наблюдения исследуемого сигнала дополнительно выводятся изображения курсоров в виде горизонтальных или вертикальных прямых, либо в виде взаимноперпендикулярных прямых линий.

Координаты курсорных линий по амплитуде и времени отображаются в десятичном цифровом виде, обычно на экране осциллографа, либо на дополнительных цифровых индикаторах.

Оператор с помощью органов управления положением курсоров имеет возможность навести курсор на интересующую его точку изображения сигнала, при этом курсорная система непрерывно показывает в цифровом виде координаты этой точки, — уровня напряжения или момента времени по оси времени и оси амплитуды.

Во многих осциллографах имеется несколько экземпляров курсоров, при этом на цифровые индикаторы можно выводить разность значений курсорных засечек между парой засечек по вертикали и промежутка времени между парой курсорных засечек по горизонтали. Практически во всех типах таких осциллографах автоматически в цифровом виде на индикаторы выводится величина, обратная промежутку времени между курсорными засечками, что сразу даёт частоту исследуемого периодического сигнала при наведении курсоров по оси времени на соседние фронты сигнала.

В некоторых осциллографах предусмотрен режим автоматического позиционирования курсоров на пики сигнала, что в большинстве случаев и является целью амплитудных измерений. Таким образом, курсорные измерения позволяют упростить измерения параметров сигналов человеком, избавляя его от необходимости зрительно считывать число клеток разметки шкалы осциллографического экрана и производить умножение полученных таким образом данных на значения цены деления по вертикали и горизонтали.

Математические функции [ править | править код ]

В некоторых многоканальных осциллографах присутствует возможность производить математические функции над измеряемыми разными каналами сигналами и выводить результирующий сигнал вместо или в дополнении к измеряемым исходным сигналам. Наиболее часто присутствуют функции сложения, вычитания, умножения, деления. Это позволяет, например, вычесть из исследуемого сигнала канала №1 сигнал синхронизации поступающий на канал №2, освобождая, таким образом, исследуемый сигнал от сигналов синхронизации. Или, например, возможно проверить добротность блока аналогового усиления сигнала, вычитая из выходного сигнала входной сигнал. В некоторых современных цифровых осциллографах присутствуют такие математические функции как интегрирование, дифференцирование, извлечение квадратного корня [ источник не указан 311 дней ] .

Захват строки телевизионного сигнала [ править | править код ]

В современных цифровых осциллографах, а также в некоторых специализированных осциллографах на основе электронно-лучевой трубки, присутствует особый режим синхронизации — телевизионный. Этот режим позволяет отобразить одну или несколько заданных телевизионных строк из комплексного видеосигнала. В отличии от обычного осциллографа, блок синхронизации которого может стабильно показать только первую за синхроимпульсом строку, на специализированных осциллографах возможно наблюдать любую часть телевизионной картинки. Такие осциллографы обычно применяются на телевизионных и кабельных студиях и позволяют контролировать технические параметры передающей и записывающей аппаратуры.

Настройка [ править | править код ]

Современные осциллографы не требуют какой-либо настройки перед использованием, но, тем не менее, в большинстве осциллографов встроен прибор калибровки (Калибратор). Назначение этого прибора — формировать контрольный сигнал с заведомо известными и стабильными параметрами. Обычно такой сигнал имеет форму прямоугольных импульсов с амплитудой 1 Вольт, частотой 1кГц и скважностью 50% (параметры обычно указаны рядом с выходом сигнала калибратора). В любой момент пользователь осциллографа может подключить измерительный щуп прибора к выходу калибратора, и убедиться, что на экране осциллографа виден сигнал с указанными параметрами. В случае, если сигнал отличается от указанного на калибраторе, что скорее характерно для аналоговых осциллографов, то с помощью подстроечной отвертки пользователь может скорректировать входные характеристики щупа или усилители осциллографа таким образом, чтобы сигнал соответствовал данным калибратора. Стоит отметить, что современные цифровые осциллографы не имеют подстроечных элементов по причине использования цифровой обработки сигнала, но имеют автоматическую настройку по калибратору, когда через меню осциллографа вызывается специальная утилита, которая вносит поправочные коэффициенты в математический блок осциллографа и тем самым настраивает осциллограф на корректное отображение сигналов.

История [ править | править код ]

Электрический колебательный процесс изначально фиксировался вручную на бумаге. Первые попытки автоматизировать запись были предприняты Жюлем Франсуа Жубером в 1880 году, который предложил пошаговый полуавтоматический метод регистрации сигнала [2] . Развитием метода Жубера стал полностью автоматический ондограф Госпиталье [3] . В 1885 году русский физик Роберт Колли создал осциллометр, а в 1893 году французский физик Андре Блондель изобрел магнитоэлектрический осциллоскоп с бифилярным подвесом [4] .

Подвижные регистрирующие части первых осциллографов обладали большой инерцией и не позволяли фиксировать быстротечные процессы. Этот недостаток был устранён в 1897 году [5] Уильямом Дадделлом, который создал светолучевой осциллограф, использовав в качестве измерительного элемента небольшое лёгкое зеркальце. Запись производилась на светочувствительную пластину [6] . Вершиной развития этого метода стали в середине XX века многоканальные ленточные осциллографы.

Практически одновременно с Дадделлом Карл Фердинанд Браун использовал для отображения сигнала изобретённый им кинескоп [7] . В 1899 году устройство было доработано Йонатаном Зеннеком, добавившим горизонтальную развертку, что сделало его похожим на современные осциллографы. Кинескоп Брауна в 1930-е годы заменил кинескоп Зворыкина, что сделало устройства на его основе более надёжными [8] .

В конце XX века на смену аналоговым устройствам пришли цифровые. Благодаря развитию электроники и появлению быстрых аналого-цифровых преобразователей, к 1980-м годам они заняли доминирующую позицию среди осциллографов.

Назначение, устройство и описание осциллографа

Если спросить профессионального регулировщика электронной аппаратуры или радиоинженера: "Какой самый главный прибор на вашем рабочем месте?" Ответ будет однозначным: "Конечно, осциллограф!". И это действительно так.

Конечно, невозможно обойтись без мультиметра. Измерить напряжение в контрольных точках схемы, замерить сопротивление и ток, «прозвонить» диод или проверить транзистор все это важно и нужно.

Но когда речь заходит о регулировке и настройке любого электронного устройства от простого телевизора до многоканального передатчика орбитальной станции, то без осциллографа обойтись невозможно.

Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, измерить время нарастания импульса, а в цифровой аппаратуре это очень важный параметр.

Осциллограф – это своего рода телевизор, который показывает электрические сигналы.

Как работает осциллограф?

Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим блок-схему усреднённого прибора. Практически все осциллографы устроены именно так.

На схеме не показаны только два блока питания: высоковольтный источник, который используется для вырабатывания высокого напряжения поступающего на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) и низковольтный, обеспечивающий работу всех узлов прибора. И отсутствует встроенный калибратор, который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.

Исследуемый сигнал подаётся на вход "Y" канала вертикального отклонения и попадает на аттенюатор, который представляет собой многопозиционный переключатель, регулирующий чувствительность. Его шкала отградуирована в V/см или V/дел. Имеется в виду одно деление координатной сетки нанесённой на экран ЭЛТ. Там же нанесены сами величины: 0,1 В,10 В, 100 В. Если амплитуда исследуемого сигнала неизвестна, мы устанавливаем минимальную чувствительность, например 100 вольт на деление. Тогда даже сигнал амплитудой 300 вольт не выведет прибор из строя.

В комплект любого осциллографа входят делители 1 : 10 и 1 : 100 они представляют собой цилиндрические или прямоугольные насадки с разъёмами с двух сторон. Выполняют те же функции, что и аттенюатор. Кроме того при работе с короткими импульсами они компенсируют ёмкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешний делитель от осциллографа С1-94. Как видим, коэффициент деления его составляет 1 : 10.

Благодаря внешнему делителю удаётся расширить возможности прибора, так как при его использовании становится возможным исследование электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.

С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель. Здесь он разветвляется и поступает на линию задержки и на переключатель синхронизации. Линия задержки предназначена для компенсации времени срабатывания генератора развёртки с поступлением исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения. Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на пластины "Y" и обеспечивает отклонение луча по вертикали.

Генератор развёртки формирует пилообразное напряжение, которое подаётся на усилитель горизонтального отклонения и на пластины "X" ЭЛТ и обеспечивает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный как время на деление ("Время/дел"), и шкалу времени развёртки в секундах (s), миллисекундах (ms) и микросекундах (μs).

Устройство синхронизации обеспечивает начало запуска генератора развёртки одновременно с возникновением сигнала в начальной точке экрана. В результате на экране осциллографа мы видим изображение импульса развёрнутое во времени. Переключатель синхронизации имеет следующие положения:

Синхронизация от исследуемого сигнала.

Синхронизация от сети.

Синхронизация от внешнего источника.

Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.

Осциллограф С1-94.

Кроме сложных и дорогих моделей осциллографов, которые используются при разработке электронной аппаратуры, нашей промышленностью был налажен выпуск малогабаритного осциллографа C1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он хорошо зарекомендовал себя в работе и обладает всеми функциями дорогого и серьёзного прибора.

В отличие от своих более "навороченных" собратьев, осциллограф С1-94 обладает достаточно небольшими размерами, а также прост в использовании. Рассмотрим его органы управления. Вот лицевая панель осциллографа С1-94.

Справа от экрана сверху вниз.

Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.

Кнопка «Сеть». Кнопка включения прибора.

Кнопка установки времени развёртки. Грубое переключение коэффициентов развёртки. Можно установить миллисекунды (ms) и микросекунды (μs). Напомним, что 1 ms = 1000 μs. Подробнее о сокращённой записи численных величин.

Кнопка режима «Ждущ-Авт».

Это кнопка выбора ждущего и автоматического режима развёртки. При работе в ждущем режиме запуск и синхронизация развёртки производится исследуемым сигналом. При автоматическом режиме запуск развёртки происходит без сигнала. Для исследования сигнала чаще используется ждущий режим запуска развёртки.

Вот этой кнопкой производится выбор полярности запускающего импульса. Можно выбрать запуск от импульса положительной или отрицательной полярности.

Кнопка установки синхронизации «Внутр-Внешн».

Обычно используется внутренняя синхронизация, так как для использования внешнего синхросигнала нужен отдельный источник этого внешнего сигнала. Понятно, что в условиях домашней мастерской это в подавляющем случае не нужно. Вход внешнего синхросигнала на лицевой панели осциллографа выглядит вот так.

Кнопка выбора "Открытого" и "Закрытого" входа.

Тут всё понятно. Если предполагается исследование сигнала с постоянной составляющей, то выбираем "Переменный и постоянный". Этот режим называется "Открытым", так как на канал вертикального отклонения подаётся сигнал, содержащий в своём спектре постоянную составляющую или низкие частоты.

При этом, стоит учитывать, что при отображении сигнала на экране он уйдёт вверх, так как к амплитуде переменной составляющей добавиться и уровень постоянной составляющей. В большинстве случаев лучше выбирать "закрытый" вход (

). При этом постоянная составляющая электрического сигнала будет отсечена и не отображается на экране.

Клемма «корпус» служит для заземления корпуса прибора. Это делается в целях безопасности. В условиях домашней мастерской порой нет возможности заземлить корпус прибора. Поэтому приходится работать без заземления. При этом важно помнить, что во включенном состоянии на корпусе осциллографа может быть потенциал напряжения. При касании корпуса может "дёрнуть". Особенно опасно дотрагиваться одной рукой до корпуса осциллографа, а другой рукой до батарей отопления или других работающих электроприборов. В таком случае опасный потенциал с корпуса пройдёт через ваше тело ("рука" — "рука") и вы получите электрический удар! Поэтому при работе осциллографа без заземления желательно не дотрагиваться до металлических частей корпуса. Это правило справедливо и для прочих электроприборов с металлическим корпусом.

По центру лицевой панели переключатель «развёртка» — Время/дел. Именно этот переключатель управляет работой генератора развёртки.

Чуть ниже располагается переключатель входного делителя (аттенюатора) — V/дел. Как уже говорилось, при исследовании сигнала с неизвестной амплитудой, необходимо выставить максимально возможное значение V/дел. Так для осциллографа С1-94 нужно установить переключатель в положение 5 (5V/дел.). В таком случае одна клетка на координатной сетке экрана будет равна 5-ти вольтам. Если ко входу "Y" осциллографа подключить делитель с коэффициентом деления 1 к 10 (1 : 10), то одна клетка будет равна 50-ти вольтам (5V/дел. * 10 = 50V/дел.).

Также на панели осциллографа имеются:

Ручка «Перемещение луча по горизонтали».

Она служит для корректировки положения луча в горизонтальном направлении. Если покрутить данную ручку, то изображение развёртки будет смешатся либо вправо, либо влево.

Также есть и ручка «Перемещение луча по вертикали».

С помощью её можно отрегулировать положение развёртки на экране по вертикали.

Ручки «Перемещение луча по горизонтали» и «Перемещение луча по вертикали» служат исключительно для настройки комфортного отображения осциллограммы сигнала на экране. Они никак не влияют на настройку работы самого осциллографа.

А вот ручка «Уровень синхронизации» необходима для того, чтобы "остановить" осциллограмму сигнала на экране.

Поворотом этой ручки добиваются того, чтобы изображение сигнала "застыло", а не "убегало". Иногда, чтобы поймать изображение с помощью ручки "Уровень" приходится изменить время развёртки переключателем Время/дел.

Входной разъём "Y" , к которому подключается измерительный щуп или внешний делитель выглядит так.

Внизу указываются параметры входа, а именно входное сопротивление (1 MΩ) и входная ёмкость (40pF). Чем выше входное сопротивление измерительного прибора, тем лучше. Таким образом при измерении прибор не шунтирует элементы тестируемой схемы и не вносит искажений в измеряемый сигнал. Входная ёмкость прежде всего влияет на возможность исследования высокочастотных сигналов.

В настоящее время, с развитием цифровой техники, стали широко внедряться цифровые осциллографы. По сути это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.

Аналоговая аппаратура всегда была надежной и удобной в работе. Кроме того она легко ремонтировалась. Цифровой осциллограф стоит на порядок дороже и очень сложен в ремонте. Плюсов конечно много. Если аналоговый сигнал с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) перевести в цифровую форму, то с ним можно делать всё что угодно. Его можно записать в память и в любой момент вывести на экран для сравнения с другим сигналом, складывать в фазе и противофазе с другими сигналами. Конечно, аналоговая техника это хорошо, но за цифровой электроникой будущее.

Осциллографы относятся к приборам, позволяющим наблюдать форму различных сигналов и измерять параметры этих сигналов. Отличительной особенностью осциллографов является их многофункциональность.

Современные осциллографы делятся на электромеханические (самописцы) и электронные (электронно-лучевые) и различаются между собой принципом построения, областями измерения, а часто и типами решаемых задач.

В настоящее время для анализа формы сигнала чаще всего используют осциллографы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) — электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО). Эти измерительные приборы относятся к наиболее универсальным, и предназначены для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. В настоящее время разработаны и используются различные типы ЭЛО: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, специальные.

В качестве «карандаша», вычерчивающего закон изменения исследуемой величины на люминесцирующем экране, в электронном осциллографе (ЭО) используется узкий луч электронов, формируемый внутри ЭЛТ особой электронно-оптической системы электронной пушкой. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча показано на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча

Внутри стеклянного баллона, в котором путем откачивания воздуха создается вакуум, расположен катод К с прямым или косвенным подогревом, модулятор М, изменением напряжения на котором регулируется яркость луча, фокусирующий анод А₁ ускоряющий анод А₂ и две пары отклоняющих пластин: горизонтальные — X и вертикальные — Y. Внутренняя поверхность экрана трубки покрыта слоем люминофора, светящегося под действием бомбардировки электронами. Электронная трубка, состоящая из К, М, А₁, А₂, формирует узкий луч электронов.

Осциллографические трубки имеют следующие параметры: размер по диагонали, чувствительность:

(4.1)

где h — отклонение луча на экране (в делениях); U_вх — значение напряжения на пластинах, вызвавшее отклонение h.

Рис. 4.2. Упрощенная структурная схема универсального аналогового осциллографа

В современных ЭО на лицевой панели указывается коэффициент отклонения по каналу X или Y:

, (4.2)

а также ток накала — I_н, напряжение накала — U_н, время послесвечения — t, запирающее напряжение на управляющем электроде — U_з и рабочее напряжение на анодах А₁ и А₂.

Существует большое многообразие универсальных осциллографов, однако, структурная схема, определяемая особенностями ЭЛТ, у них общая (рис. 4.2). ЭЛТ, используемые в универсальных осциллографах, относятся к низковольтным — 1. 3 кВ.

Универсальный осциллограф состоит из ЭЛТ с электростатическим отклонением луча, трех электрических каналов (Y, X, Z) и блока питания.

По каналу Y подается исследуемое напряжение, отклоняющее электронный луч в вертикальном направлении. Отличительным признаком входа канала Y является указание значения входного импеданса (R_вх, С_вх) на лицевой панели прибора (рядом с входом).

По каналу X подается вспомогательное напряжение, отклоняющее электронный луч в горизонтальном направлении. Вход канала X, как и вход канала Y, расположен на лицевой панели прибора.

По каналу Z подается напряжение, управляющее яркостью луча. Вход канала Z расположен на задней панели осциллографа, так как этот вход используется реже, чем входы каналов Y и X. Блок питания обеспечивает питание различными по значению напряжениями не только ЭЛТ, но и все остальные блоки осциллографа.

Входной делитель, блок задержки и усилитель образуют канал вертикального отклонения луча (КВО). Исследуемое напряжение достаточного значения может быть подано непосредственно на пластины Y.

Канал горизонтального отклонения луча (КГО) содержит входной делитель, генератор развертки, блок синхронизации и усилитель КГО, и котором формируется развертывающее пилообразное напряжение, подаваемое непосредственно или через КГО на горизонтальные отклоняющие пластины канала X.

Для проверки работоспособности осциллографа в структурную схему прибора введен калибратор — устройство, формирующее периодический импульсный сигнал с известными высокостабильными параметрами (амплитудой, частотой и длительностью), используемый для снижения погрешности измерений.

Методика измерения параметров сигналов осциллографом. Для получения возможно меньшей погрешности измерения осциллограф должен соответствовать основным метрологическим характеристикам.

К основным метрологическим характеристикам осциллографа относятся чувствительность (либо коэффициент отклонения), полоса пропускания, значение импеданса по входу канала Y, погрешность воспроизведения формы сигнала и измерения его параметров.

Чувствительность s выражается формулой:

(4.3)

В техническом паспорте прибора приводится чувствительность по обоим каналам: по вертикальному каналу – s_x и горизонтальному каналу – s_y.

В современных осциллографах наиболее широкое применение нашел коэффициент отклонения, связанный с чувствительностью обратной зависимостью:

(4.4)

Полоса пропускания характеризует частотный диапазон сигналов, исследуемых и наблюдаемых на конкретном осциллографе. В этом частотном диапазоне сигнал измеряется с допустимой погрешностью. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) прибора приведена на рис. 4.3, где f_н и f_в — нижняя и верхняя граничные частоты соответственно. Узкополосные осциллографы, как правило, обладают большей чувствительностью, чем широкополосные.

Рис. 4.3. Амплитудно-частотная характеристика осциллографа

Значение импеданса по входу канала Y — это активная R_вx и реактивная (емкостная) С_вх составляющие входного сопротивления осциллографа. Достоинством осциллографа является большее значение входного сопротивления, что влечет за собой малое собственное потребление мощности от источника исследуемого сигнала. Значение входной емкости прямо пропорционально связано с полосой пропускания осциллографа: чем меньше входная емкость прибора, тем шире частотный диапазон.

Погрешность воспроизведения формы сигнала (искажение) и измерения его параметров обусловлена кривизной экрана, трудностью точного отсчета линейных размеров по вертикали и горизонтали, неумением оператора настроить прибор. Такая погрешность может достигать 10. 15% и является главным недостатком аналоговых осциллографов.

Осциллографические развертки. Напряжение, обеспечивающее перемещение электронного луча по горизонтали (оси времени), называется в осциллографах развертывающим напряжением; траектория, описываемая на экране ЭЛТ при отсутствии исследуемого напряжения, — разверткой; время, в течение которого описывается эта траектория, — длительностью развертки, а ее линейный размер по оси времени — длиной развертки.

Развертки, применяемые в современных аналоговых осциллографах, различаются по нескольким признакам:

— по форме развертывающего напряжения — пилообразные и синусоидальные;

— по форме траектории на экране ЭЛТ (при одновременной подаче исследуемого и развертывающего напряжений) — линейные, круговые и спиральные;

— по временным соотношениям — непрерывные, ждущие, ждущезадержанные (лупа времени) и однократные.

Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая напряжением U_X пилообразной формы и вырабатываемая генератором развертки. В зависимости от режима работы генератора развертки, как уже отмечалось ранее, линейная развертка может быть непрерывной или ждущей.

Непрерывная линейная развертка применяется для исследования гармонических процессов. Генератор развертки вырабатывает сигнал даже при отсутствии на его входе запускающего сигнала. К пластинам канала Y подводится исследуемое напряжение, а к пластинам канала X — напряжение, нарастающее (или убывающее) линейно, т.е. изменяющееся пропорционально времени (рис 4.4).

Рис. 4.4. Примеры линейно-нарастающего (а) и линейно-убывающего (б) идеального и реального развертывающего напряжения

Параметрами непрерывного реального развертывающего напряжения являются t_рх — время рабочего (прямого) хода луча, t_ох — время обратного хода луча, Т_х — период повторения развертывающего напряжения. Для получения возможно меньших искажений осциллограммы развертывающее напряжение должно иметь высокую линейность с возможно меньшим временем t_ox

Ждущая линейная развертка применяется для исследования импульсных сигналов. При этом генератор развертки запускается только с помощью сигнала запуска. К уже записанным ранее временным параметрам добавляется t_ож — время ожидания. Под действием ждущего напряжения электронный луч, проделав за время t_рх один прямой ход (слева направо) и за время t_ох — один обратный ход, остается некоторое время t_ож в состоянии ожидания (покоя). Затем процесс перемещения луча повторится.

Ждущая развертка должна отвечать некоторым требованиям:

— для получения минимальных искажений исследуемого сигнала развертка должна быть линейной (неэкспоненциальной), как и непрерывная пилообразная, с возможно меньшим обратным ходом;

— для получения неподвижной осциллограммы при использовании ждущей и непрерывной линейной развертки необходимо применять синхронизацию.

— для получения исследуемого сигнала в крупном масштабе по горизонтали необходимо выбрать положение органа управления, задающего масштаб, — переключателя «Длительность» («Время/дел.»).

Например, необходимо исследовать и измерить импульсный сигнал прямоугольной формы длительностью t_и = 5 мкс осциллографом, у которого переключатель «Время/дел.» имеет положения: 0,1 – 0,2 – 0,5 – 1 – 2 – 5 – 10 – 20 – 50 μs – 0,1 — 0,2 – 0,5 – 1 – 2 – 5 -10 – 20 – 50 ms.

Рис. 4.5. Осциллограммы импульсного сигнала с t_и = 5 мкс при разных положениях переключателя

На рис. 4.5. представлены осциллограммы импульсного сигнала с t_и = 5 мкс при разных положениях переключателя для четырех значений калиброванной развертки:0,5 – 1 – 5 мкс — μs

Анализ этих осциллограмм показывает, что из всех положений переключателя «Время/дел.» оптимальным является положение «1 μs», поскольку при этом положении хорошо видна форма сигнала и длительность импульса можно измерить с наименьшей погрешностью.

Синхронизация развертки — это принудительная «подгонка» частоты развертки к кратности частоты сигнала.

Наблюдать исследуемый сигнал на экране осциллографа и измерить его параметры можно только при неподвижной осциллограмме, что обеспечивается при условии равенства или кратности частот (периодов) развертывающего и исследуемого сигналов, т.е. при:

, (4.5)

где n — коэффициент частоты (периодов) сигнала: n = 1, 2, 3 .

Для выполнения этого условия и необходима синхронизация.

Внутренняя синхронизация осуществляется от внутреннего источника осциллографа. В качестве источника внешней синхронизации используется напряжение внешнего генератора. Синхронизация осуществляется короткими импульсами, вырабатываемыми блоком синхронизации, запускающими генератор развертки и управляющими его работой. Эти импульсы можно синхронизировать не только с U_y, но и со специальным внешним сигналом, поступающим на блок синхронизации при установке переключателя вида синхронизации в положение «Внеш.».

Двухлучевые осциллографы позволяют одновременно наблюдать за двумя сигналами, характеризующими исследуемый объект, благодаря получению дополнительной информации. Эту задачу можно выполнить также и однолучевым осциллографом с внешним электроным коммутатором.

Основными узлами, отличающими двухлучевой осциллограф от однолучевого, является особая ЭЛТ, внутри которой помещены две отдельные электронно-оптические системы и две отдельные системы отклоняющих пластин, т.е. двухлучевая трубка представляет собой две однолучевые трубки, работающие на общий экран.

Соответственно, в двухлучевом осциллографе имеются два канала вертикального отклонения и один общий генератор развертки. Калибратор амплитуды и длительности чаще всего также общие для двух лучей.

Для получения неподвижной осциллограммы (синхронизации) необходимо обеспечить кратность исследуемых сигналов:

, (4.6)

Двухлучевой осциллограф отличается от однолучевого внешними признаками: он имеет два входа канала Y и по две регулировки «Яркость», «Фокус», «Астигматизм», «Перемещение по вертикали ↨».

Двухканальные осциллографыпозволяют получить на экране изображение двух исследуемых сигналов с помощью электронного коммутатора, который периодически включает разные входы осциллографа. В таком осциллографе имеется также два одинаковых канала вертикального отклонения и однолучевая ЭЛТ. В зависимости от режима работы коммутатора реализуется один из режимов работы осциллографа: одноканальный (когда на экране виден один сигнал, подаваемый на один из входов — Y₁ или Y₂) или поочередный (когда на экране видны оба сигнала за счет переключения коммутатора во время каждого обратного хода развертки). По такому же принципу, как двухканальные осциллографы, строятся многоканальные осциллографы (с количеством каналов до восьми).

Двухканальный осциллограф отличается от двухлучевого таким внешним признаком, как наличие по одной регулировки: «Яркость», «Фокус», «Астигматизм».

Двухканальные осциллографы намного проще схематически и дешевле двухлучевых.

Алгоритм подготовки осциллографа к работе:

1. включить тумблер «Сеть». При этом должна загореться индикаторная лампочка;

2. через 1—2 мин после прогрева прибора при повороте ручки «Яркость» вправо на экране должна появиться светящаяся линия развертки. Если на экране появилась не линия развертки, а точка, то во избежание выхода из строя ЭЛТ яркость свечения следует уменьшить до едва различимой и включить внутреннюю синхронизацию для получения на экране линии развертки. Если после выполнения описанных процедур на экране не появится линия развертки или точка, то следует проверить, установлены ли регулировочные органы «↔» и «↕» в среднее положение. Если и тогда на экране ничего не появится, то следует повращать регулировки «Уровень» и «Стаб.»;

3. с помощью регулировок «Яркость», «Фокус» и «Астигматизм» установить оптимальные значения перечисленных параметров горизонтальной линии развертки: линия развертки должна быть буквально волосяной, тогда измерение линейных размеров параметров обеспечит минимально возможную погрешность;

4. поскольку выбор режима работы осциллографа определяется характером и значением исследуемого сигнала, то гармонические сигналы исследуются, как правило, при положении «Внутр.» переключателя синхронизации, а импульсные — при положении «Внеш.», При этом на разъем «Вход X» подаются импульсы синхронизации от внешнего источника;

5. переключатель по входу Y «

» устанавливают чаще всего в положение «

», что обеспечивает связь с источником исследуемого сигнала по постоянному току и дает возможность совместить линию развертки с осью времени;

6. осциллограф готов к работе, и можно подавать исследуемый сигнал через специальный кабель на вход Y. Если значение напряжения исследуемого сигнала даже приблизительно неизвестно, то необходимо переключатель « Вольт/дел. » установить в максимальное положение (чтобы не сгорела входная цепь), затем вывести его в положение, обеспечивающее оптимальный размер по вертикали. Во избежание появления большой погрешности перед измерением необходимо ручки плавного регулирования усиления по X и Y установить в крайнее правое положение «Калибр».

Цена одного деления сетки перед измерением устанавливается с помощью калибраторов амплитуды и длительности («Вольт/ дел.» и «Время/дел.»).

На размеры осциллограммы по вертикали влияют следующие органы управления: многоступенчатый переключатель «Вольт/дел.», а в некоторых осциллографах —тумблер «Усилитель» на два положении (например ). Произведение положений переключателя «Вольт/дел.» и тумблера «Усилитель» определяет цену одного деления масштабной сетки — с_в.

На размеры осциллограммы по горизонтали влияют два органа управления: многоступенчатый переключатель «Время/дел.» и тумблер «Развертка» на два положения. Произведение положений этих органов управления определяет цену одного деления масштабной сетки осциллографа с_г.

Дата добавления: 2016-10-26 ; просмотров: 4271 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ