Будова осцилографа

Принцип дії осцилографа полягає у перетво­ренні досліджуваних електричних сигналів у видиме зоб­раження (осцилограму) на екрані електронно-променевої трубки.

Рис. 1

Основними структурами осцилографа (рис. 1) є:

електронно-променева трубка ( ЕПТ ) зі схема­ми фокусування променя, керування променем та високо­вольтного живлення;

канал вертикального відхилення (канал У);

канал горизонтального відхилення (ка­нал X);

канал керування яскравістю променя (ка­нал Z).

До складу осцилографа входять також калібратор амплітуди і тривалості та синхронізатор.

Електронно-променева трубка. Скляний балон еле­ктронно-променевої трубки виготовляється у формі колби, у якій утворено високий вакуум.

Екран електронно-променевої трубки покритий спеці­альною сумішшю (люмінофором), яка світиться під дією ударів електронів (тобто коли сфокусований промінь потрапляє у певну точку екрана, ця точка починає світитися).

Для виготовлення люмінофорів використовують ок­сиди цинку, берилійового цинку, суміш сульфату цинку із сульфатом кадмію тощо. Ці матеріали мають післясвітіння — вони продовжують світитися певний час після при­пинення дії електронного променя.

Частина енергії електронного променя перетворюється у світлову у вигляді світної плями діаметром менше за 1 мм. Решта енергії передається електронам екрана, зумовлюючи вторинну емісію. Вторинні електрони вловлюються провідним графітним шаром (аквадагом), який частково по­криває внутрішню циліндричну й конічну частини колби і з'єднаний з другим анодом.

До основних характеристик електронно-променевих трубок належать чутливість, смуга пропускання, тривалість післясвітіння, робоча площа екрана та інші характеристики.

Канал вертикального відхилення (канал Y). Канал вертикального відхилення складається з вхідного подільника напруги, вхідного підсилювача, лінії затрим­ки, вихідного підсилювача.

Вхідний подільник напруги забезпечує високий вхідний опір осцилографа в широкому діапазоні частот і служить для узгодження вихідного опору джерела вимірюваного сигналу і вхідного опору підсилювача.

Вхідну напругу підводять до осцилографа за допомогою коаксіального кабелю, ємність якого залежно від довжини становить 50...150 пФ і додається до вхідної ємності осци­лографа. Це призводить до збільшення спотворень сигна­лу і до зменшення смуги пропускання осцилографа. Щоб зменшити негативний вплив ємності кабелю, застосовують додатковий подільник напруги (атенюатор), розміще­ний у виносному пробнику, який через зонд довжиною кілька сантиметрів вмикається безпосередньо у потрібну точку електричного кола (рис. 2).

Рис. 2

Основне підсилення досліджуваного сигналу здійсню­ється попереднім підсилювачем каналу вертикального від­хилення. Крім основної функції — підсилення, підсилювач виконує ще деякі допоміжні функції: плавну зміну коефіцієнта підсилення, балансу­вання постійної складової, перетворення сигналу із неси­метричного відносно землі у симетричний.

Лінія затримки забезпечує затримку досліджуваного сигналу відносно початку розгортки, що дає змогу спо­стерігати передній фронт імпульсу.

Вихідний підсилювач каналу забезпечує підсилення сигналу до значення, необхідного для відхилення променя в межах екрана.

Канал горизонтального відхилення (канал X). До складу каналу входить генератор розгортки, вихідний під­силювач, пристрій синхронізації і запускання розгортки.

Генератор розгортки призначений для формування пилкоподібних імпульсів, необхідних для відхилення електронного променя по горизонталі, пропорційно ча­су. Генератор розгортки має три режими роботи: авто­коливальний, очікувальний і одноразової розгортки.

Автоколивальний режим призначений для відображен­ня періодичних імпульсних і синусоїдних сигналів. Сигна­ли зовнішньої або внутрішньої синхронізації надходять на генератор і забезпечують кратність частоти розгортки ча­стоті сигналу.

Очікувальний режим використовується для відображен­ня короткотривалих імпульсів низької частоти. Генератор у цьому режимі знаходиться у стані готовності до робочо­го ходу розгортки. Як тільки імпульс запуску є на вході, починається робочий хід розгортки. Після закінчення ро­бочого ходу генератор знову переходить на режим очіку­вання нового робочого ходу. Яскравість зображення ім­пульсу на екрані пропорційна частоті імпульсів.

Режим одноразової розгортки призначений для за­пам'ятовування чи фотографування окремих поодиноких імпульсів. Генератор розгортки знаходиться у стані готов­ності до запуску. Натискуванням кнопки «Пуск» генера­тор запускається черговим імпульсом.

Щоб отримати зображення більшого масштабу, у бага­тьох осцилографах передбачений режим «розтягування» у часі. Це досягається збільшенням коефіцієнта підсилення вихідного підсилювача каналу Х у певну кількість разів. Яскравість зображення у такому разі зменшується.

Часто необхідно спостерігати частину імпульсу, яка з'являється значно пізніше за початок розгортки. Для цього використовують дві розгортки: повільну, яка дає змогу спостерігати весь імпульс і вибирати на ньому за допомогою спеціальної позначки потрібну ділянку сигна­лу, і швидку, яка запускається дещо раніше вибраної ділянки і тим самим забезпечує зображення більшого масштабу.

У більшості осцилографів поряд з режимом розгортки у часі використовується режим відхилення (режим X-Y) досліджуваного сигналу по горизонталі, аналогічно тому, як це виконується у каналі У. Цей режим використо­вується для дослідження залежності одного сигналу від іншого, наприклад для дослідження вольт-амперних ха­рактеристик пристроїв.

Вихідний підсилювач каналу Х за призначенням і будо­вою аналогічний вихідному підсилювачу каналу У.

Пристрій синхронізації і запускання розгортки при­значений для забезпечення стійкого зображення на екрані осцилографа.

Для цього початок робочого ходу має точно збігатися з однією і тією самою характерною течкою досліджуваного сигналу. У автоколивальному режимові цей процес прив'язування початку розгортки до початку сигналу називається синхронізацією, а при очікувальному та разовому запуску — запуском розгортки. Для забезпе­чення синхронізації і запуску розгортки пристрій син­хронізації генерує імпульс з крутим фронтом в момент ча­су, коли вхідний сигнал досягає заданого рівня. Цим імпульсом коригується тривалість зворотного ходу роз­гортки або її запуск.

Канал керування яскравістю променя (канал Z), або керування струмом електронного променя, служить для встановлення яскравості зображення на екрані трубки.

Ре­гулювання виконується як вручну (змінюючи напругу на модуляторі), так і за допомогою підсилювача, на вхід яко­го подають зовнішній або внутрішній сигнали і підсвічу­ють важливі їх ділянки. Основне призначення каналу Z полягає у підсвічуванні робочого ходу розгортки, для чого під час робочого ходу на вхід підсилювача подається пря­мокутний імпульс підсвічування, що створюється генера­тором розгортки і після підсилення подається на модуля­тор трубки.

Калібратор амплітуди і тривалості — це спе­ціальний генератор, як правило, прямокутних коливань у формі меандру, амплітуда і тривалість яких відомі із заданою точністю. Маючи на екрані зображення такого еталонного сигналу, можна за допомогою регулюваль­них пристроїв встановлювати необхідні параметри осци­лографа.

Синхронізатор. Щоб отримати на екрані зображення сигналу, розгорнутого за часом, на горизонтальні пластини електронно променевої трубки потрібно подавати напругу, яка лінійно зростає з плином часу. Така пилкоподібна напруга формується генератором розгортки, підсилюється підсилювачем каналу Х і подається на горизонтальні пластини.

Зображення періодичного сигналу на екрані осцилографа буде стійким у тому разі, коли тривалість розгортки кратна періоду сигналу. Для досягнення цієї кратності служить синхронізатор, за допомогою якого можна змінювати тривалість розгортки.

3. Параметри осцилографа

Коефіцієнт відхилення (т_и) — це відношення напруги вхідного сигналу U_x до відхилення променя l_х, спричине­не цією напругою, тобто: m_u=U_x/l_x. У найбільш пошире­них осцилографах коефіцієнт відхилення знаходиться у діапазоні 50 мкВ/поділку... 10 В/поділку.

Смуга пропускання — це діапазон частот, в межах якого коефіцієнт відхилення зменшується не більше, ніж 3 дБ (у 0,707 рази) порівняно з коефіцієнтом відхилення на деякій середній (опорній) частоті. Для низькочастотних осцилографів смуга пропускання знаходиться в межах від нуля до 5 МГц; для універсальних осцилографів верхня частота діапазону досягає десятків мегагерц, для високо­частотних — сотень мегагерц.

Час наростання перехідної характеристики (t) — час, упродовж якого промінь проходить від 0,1 до 0,9 усталеного значення, якщо на вхід осцилографа діє стри­бок напруги.

Коефіцієнт розгортки (m_t) — відношення інтервалу часу D t до відхилення променя І під дією напруги розгор­тки за цей час: m_t=Dt/l_x. Сучасні осцилографи мають ши­рокий діапазон коефіцієнтів розгортки від сотих часток мікросекунд на поділку до одиниць секунд на поділку.

Вхідний опір осцилографа визначається опором вхідно­го подільника напруги. Для зменшення похибки взаємодії вхідний опір має бути якомога більший.

Вхідний опір і вхідна ємність осцилографа характеризу­ють ступінь впливу осцилографа на режим роботи дослід­жуваного електричного кола і визначають похибку взаємо­дії. Щоб зменшити цю похибку, необхідно збільшувати вхідний опір і зменшувати вхідну ємність.

Підсилювачі каналу У вносять амплітудну і фазову динамічні похибки, зумовлені обмеженістю смуги пропу­скання підсилювачів. Нелінійність амплітудних характе­ристик підсилювачів також спотворює форму сигналу.

Візуальний відлік параметрів сигналів за осцилограма­ми призводить до похибок, зумовлених паралаксом, кінце­вою шириною променя і дискретністю відліку за шкалою. Паралакс може виникнути у процесі відліку за шкалою, розміщеною на деякій відстані від екрана трубки. У су­часних осцилографах застосовуються безпаралаксні екра­ни зі шкалою, нанесеною на внутрішній поверхні екрана трубки. Похибка зумовлена шириною променя оцінюється половиною його ширини, а похибка дискретності — половиною ціни поділки шкали.

Контрольні запитання:

1. Яке призначення осцилографа?

2. З яких основних вузлів складається електронний осцилограф?

3. Яке призначення і будова каналу вертикального відхилення (канал Y)?

4. Яке призначення і будова каналу горизонтального відхилення (канал Х)?

5. Яке призначення і будова каналу синхронізації (каналS)?

6. Яке призначення каналу керування яскравістю променя (канал Z)?

7. Якими основними параметрами характеризується робота осцилографа?