Короткі теоретичні відомості

Електронні осцилографи

Найбільш поширеними і універсальними приладами для дослідження сигналів є осцилографи. Осцилографи – прилади, призначені для візуального спостереження електричних сигналів, а також вимірювання і запису їх параметрів з використанням засобів відображення форми сигналу.

За принципом дії осцилографи поділяються на електромеханічні (світло-променеві) та електронні. Для проведення електрорадіовимірювань використовуються виключно електронні осцилографи, засобами відображення форми сигналу яких є електронно-променева трубка (ЕПТ) або рідкокристалічний дисплей. Якщо застосовуються ЕПТ, то такі осцилографи називаються електронно-променевими.

Виділяють наступні види електронних осцилографів: С1 – універсальні осцилографи, С7 – осцилографи швидкісні та стробоскопічні, С8 запам’ятовуючі осцилографи, С9 – спеціальні осцилографи.

Узагальнена структурна схема електронно-променевого осцилографа включає (рисунок 5.1):

1) ЕПТ зі схемою керування променем,

2) канал вертикального відхилення (канал Y),

3) канал горизонтального відхилення (канал Х),

4) канал керування яскравістю (канал Z),

5) калібратори амплітуди й тривалості.

ЕПТ призначена для візуального спостереження форми досліджуваних сигналів і проведення вимірювання їх параметрів. Всередині ЕПТ виробляється один або декілька пучків електронів (променів), які попадають на внутрішню поверхню екрана, покриту люмінофором. При попаданні електронів в люмінофор відбувається його світіння. В залежності від кількості променів, що виробляє ЕПТ, осцилографи можуть бути однопроменевими і багатопроменевими.

Принцип відображення форми досліджуваного сигналу на екрані ЕПТ полягає в наступному: на пластини горизонтального відхилення ЕПТ (пластини X) подається лінійна пилкоподібна напруга (напруга розгортки), що викликає горизонтальне переміщення променя в одному напрямку з постійною швидкістю; на пластини вертикального відхилення (пластини У) подається напруга досліджуваного сигналу. Одночасна дія обох напруг на електронний промінь викликає появу на екрані ЕПТ зображення, що зветься осцилограмою досліджуваного сигналу.

Схема керування променем призначена для контролю яскравості, фокусування, астигматизму і положення променя на екрані ЕПТ. На передній панелі осцилографа є відповідні органи керування.

Рисунок 5.1- Узагальнена схема електронно-променевого осцилографа

Канал Y призначений для неспотвореної передачі досліджуваного сигналу від його джерела до пластин Y ЕПТ. Передача сигналу пов'язана з його підсиленням і вимагає узгодження входу осцилографа з джерелом досліджуваного сигналу. Тому до складу каналу Y входять вхідний пристрій (ВП) і підсилювач вертикального відхилення (ПВВ). Вхід Y може бути як відкритим, так і закритим. Канал Y може складатися з декількох каналів і електронного комутатора (ЕК). У цьому випадку на екрані ЕПТ можуть бути отримані осцилограми декількох сигналів, що надходять по каналах . Такий осцилограф називається багатоканальним.

Канал X призначений для створення і подачі на пластини X ЕПТ напруги розгортки, підсилення і перетворення сигналів синхронізації і запуску розгортки, а також для підсилення і подачі на пластини X зовнішнього сигналу з входу X. Тому до складу каналу X входять генератор розгортки (ГР), підсилювач горизонтального відхилення (ПГВ) і пристрій синхронізації і запуску розгортки.

Канал Z призначений для передачі з входу Z на керуючий електрод ЕПТ сигналів, що модулюють яскравість світіння променя. Використання даної модуляції дозволяє отримати осцилограму, вигляд якої залежить від співвідношення частот досліджуваного (модулюючого) і зразкового сигналів.

Калібратори амплітуди і тривалості - це вбудовані в осцилограф генератори зразкових сигналів із заданими амплітудою і періодом. Зразкові сигнали подають на вхід Y осцилографа і використовують для калібрування каналів Y та X.

Види розгорток осцилографа

Напруга розгортки (НР) - напруга, яка подається окремо на пластини Y або X, або одночасно на пластини Y та X осцилографа і визначає траєкторію руху і швидкість переміщення променя на екрані ЕПТ у відсутності досліджуваного сигналу.

Розгортка - траєкторія руху променя на екрані ЕПТ під дією HP.

За формою розгортка поділяється на лінійну, еліптичну, кругову і спіральну.

Лінійна розгортка - розгортка, при якій HP подається на пластини Y або X осцилографа, і рухомий промінь за відсутності досліджуваного сигналу залишає слід на екрані ЕПТ у вигляді лінії. Швидкість руху променя визначається швидкістю зміни HP. Як правило, на практиці реалізується в основному лінійна горизонтальна розгортка, коли HP подається на пластини X, і траєкторією руху променя за відсутності досліджуваного сигналу є горизонтальна лінія. Тому далі під лінійною розгорткою будемо розуміти лінійну горизонтальну розгортку.

За формою HP лінійна розгортка поділяється на пилкоподібну, експоненціальну і синусоїдну. В основному застосовується пилкоподібна розгортка, так як HP забезпечує постійну швидкість руху променя по горизонталі.

Еліптична розгортка – розгортка, яку отримують в результаті подачі на пластини Y та X осцилографа HP у вигляді двох гармонійних напруг однієї і тієї ж частоти, зсунутих по фазі на . При цьому слід на екрані ЕПТ від рухомого променя за відсутності досліджуваного сигналу представляє собою еліпс, вісі якого співпадають з вертикаллю і горизонталлю. Співвідношення вісей еліпса залежить від співвідношення амплітуд гармонійних напруг і .

Кругова розгортка є окремим випадком еліптичної, коли співвідношення між і підібрані таким чином, щоб відхилення променя по горизонталі і вертикалі були рівними. У цьому випадку рухомий промінь за відсутності досліджуваного сигналу залишає слід на екрані ЕПТ у вигляді кола.

Спіральна розгортка - розгортка, яку отримують в результаті подачі на пластини Y та X осцилографа HP у вигляді, необхідній для отримання кругової розгортки, але відрізняється тим, що амплітуди і змінюються в часі за лінійним законом. Тоді рухомий промінь за відсутності досліджуваного сигналу буде залишати слід на екрані ЕПТ у вигляді архімедової спіралі.

В основному застосовуються два види лінійної пилкоподібної розгортки: автоколивальна і розгортка з очікуванням.

Автоколивальна розгортка

Автоколивальна розгортка (АР) - розгортка, при якій промінь безперервно, періодично переміщується по горизонталі. Тому АР називають також безперервною періодичною розгорткою.

АР застосовується при дослідженні періодичних сигналів та імпульсних сигналів з ​​малою шпаруватістю.

Шпаруватість Θ - безрозмірна величина, що дорівнює відношенню періоду повторення Т імпульсного сигналу до тривалості поодинокого імпульсу (рисунок 5.2 а)):

. (5.1)

АР створюється пилкоподібною HP від ГР, що працює в автоколивальному режимі. У цьому випадку HP подається на пластини X ЕПТ при наявності та у відсутності сигналу запуску, що надходить на вхід ГР.

Пилкоподібна HP характеризується в загальному випадку початковим рівнем , розмахом тривалістю прямого ходу , зворотного ходу , і блокування (рисунок 5.2 б)). За час HP зростає за лінійним законом від величини до . Промінь на екрані ЕПТ переміщується під дією HP зліва направо з постійною швидкістю, так як

Величини і вибираються так, щоб промінь на початку прямого ходу знаходився в крайньому лівому положенні на горизонталі екрану, а по закінченні прямого ходу перемістився в крайнє праве положення екрану. Протягом часу промінь повертається у вихідне положення. За час затухають перехідні процеси і АР повторюється знову з періодом . Якщо , то через інерційність людського ока зображення на екрані ЕПТ сприймається як безперервна лінія. Для отримання високоякісної осцилограми потрібне виконання умови: .

Рисунок 5.2 (а – імпульсний сигнал, б – напруга пилкоподібної форми)

Щоб провести дослідження сигналу при АР, тобто визначити його форму і виміряти параметри, необхідно забезпечити нерухомість осцилограми досліджуваного сигналу. Для цього потрібно виконати умову синхронізації, тобто щоб період АР був кратний періоду досліджуваного сигналу :

(5.2)

При частина , що відповідає не відтворюється. Тому доцільно вибирати , так як в цьому випадку спостерігається повністю один період . Використання призводить до погіршення детальності осцилограми. Якщо умова синхронізації не виконана ( - не ціле число), то проводити вимірювання неможливо.

Синхронізація забезпечується за допомогою пристрою синхронізації і може бути внутрішньою і зовнішньою.

Внутрішня синхронізація - це синхронізація самим досліджуваним сигналом , який подається з каналу Y в пристрій синхронізації, де з формуються короткі однополярні імпульси (сигнали запуску) з періодом надходження, кратним періоду . Отримані імпульси поступають на вхід ГР і керують його запуском.

Зовнішня синхронізація - це синхронізація, при якій сигнали запуску подаються ззовні на вхід X. Зовнішні сигнали запуску також повинні бути синхронними з досліджуваним сигналом.

АР має два недоліки. Вона не дозволяє: 1) спостерігати неперіодичні сигнали; 2) досліджувати імпульсні сигнали з великою шпаруватістю.

Основні параметри каналу Y

Канал Y можна представити чотириполюсником, вхідні затискачі якого є входом Y осцилографа, а вихідні затискачі підключені до пластин Y ЕПТ. При передачі через канал Y досліджуваний сигнал піддається спотворенням. Щоб осцилограма відтворювала форму досліджуваного сигналу із заданою для осцилографа точністю, необхідно, щоб забезпечувалося виконання певних співвідношень між параметрами досліджуваного сигналу і параметрами каналу Y.

Основними параметрами каналу Y є: 1) чутливість і коефіцієнт відхилення; 2) вхідні активний опір і ємність ; 3) параметри амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) і перехідної характеристики.

Чутливість - відношення величини розміру видимого відхилення променя до значення величини поданої на вхід Y напруги , яка викликала дане відхилення:

де К - коефіцієнт передачі каналу Y, - чутливість ЕПТ до вертикального відхилення променя.

Коефіцієнт відхилення - величина, зворотна чутливості, яка виражається в , або . Значення відповідають ряду

(5.4)

де і при даних U і визначаються відповідними величинами .

Рисунок 5.3 (а - дволанковий атенюатор (дільник напруги), б – перехідна характеристика каналу Y)

До складу ВП каналу Y входить атенюатор (дільник напруги), за допомогою якого можна отримати те чи інше значення . На передній панелі осцилографа є ручка перемикача «В/см», «В/под» або «V/под», яка з'єднує ланки атенюатора з різними значеннями коефіцієнта передачі , які визначають значення

(5.5)

де - коефіцієнт передачі всіх вимірювальних перетворювачів, крім атенюатора, що входять до складу каналу Y. При даному на середніх частотах смуги пропускання .

Найпростіший (дволанковий) атенюатор – чотириполюсник що включає два резистора і і два конденсатори і (рисунок 5.3 а). Коефіцієнт передачі дільника

Якщо , то

тобто не залежить від частоти.

Тому постійні часу і ланок атенюатора, що входять до складу каналу Y, роблять однаковими, і забезпечують для обраних двох ланок постійний в широкому діапазоні частот. Величина змінюється при перемиканні обох ланок, але так, що вхідний опір

(5.9)

залишається практично незмінним.

визначається значенням еквівалентної ємності аттенюатора , вхідної ємності ПВВ та паразитної ємності монтажу. Для більшості осцилографів , .

Досліджуваний сигнал може надходити в атенюатор безпосередньо (режим з відкритим входом) або через розділовий конденсатор (режим із закритим входом). Для перемикання режимів служить перемикач, розташований на передній панелі осцилографа.

При оцінці властивостей каналу Y, розглянутого як лінійний ланцюг, враховують наступні параметри АЧХ: верхню і нижню граничні частоти, смугу пропускання . Величини і визначаються за зменшенням не більше ніж на 3 дБ (у 2 рази) відносно його середнього значення.

При дослідженні імпульсних сигналів використовують перехідну характеристику (рисунок 5.3 б), яка являє собою вихідний сигнал , що надходить на пластини Y ЕПТ, коли на вхід Y подається сигнал у вигляді прямокутного імпульсу з тривалістю імпульсу . Форма оцінюється сталим значенням , викидом відносно , нерівномірністю і часом наростання . Під величиною розуміють інтервал часу, необхідний для наростання вихідного сигналу від до . тим більше, чим менше :

. (5.10)

Для проведення дослідження сигналу за допомогою даного осцилографа необхідно переконатися в тому, щоб розмір зображення по вертикалі був зручний для спостереження, тобто необхідно виставити такий , якому відповідає відхилення променя по вертикалі на весь екран. Якщо амплітуда досліджуваного сигналу мала, то навіть при мінімальному (максимальній ) розмір зображення по вертикалі може бути дрібним - менше однієї поділки. У цьому випадку потрібно вибрати осцилограф з більшою . Якщо амплітуда досліджуваного сигналу настільки велика, що навіть при максимальному (мінімальній ) розмір зображення по вертикалі більше розміру екрана, то використовується виносний дільник напруги.

і повинні відповідати значенням параметрів досліджуваного ланцюга. Якщо R і С - величини активного опору і ємності ділянки кола, паралельно до якого приєднаний вхід Y, то повинні виконуватися нерівності:

(5.11)

При дослідженні періодичних сигналів з частотою необхідно, щоб виконувалася умова

(5.12)

Якщо досліджується імпульсний сигнал з тривалістю фронту , то щоб фронт імпульсу передавався через канал Y без помітних спотворень, необхідно дотриматися вимоги:

або . (5.13)

Якщо вимога (5.13) не виконується, то осцилограма імпульсу помітно спотворюється - значно зменшується крутизна фронту і зрізу імпульсу. У більшості осцилографах передбачається можливість подачі досліджуваного сигналу безпосередньо на пластини Y ЕПТ. Смуга пропускання пластин Y завжди ширша каналу Y. Тому, якщо амплітуда імпульсу достатньо велика, його доцільно подати безпосередньо на пластини Y ЕПТ.

Основні параметри каналу X

Передбачено два режими роботи каналу X: 1) формування HP і її передача на пластини X ЕПТ; 2) підсилення і передача на пластини X зовнішнього сигналу з входу X.

У першому режимі канал X характеризується параметрами HP, що виробляється ГР, і параметрами синхронізації. У другому режимі параметри каналу X аналогічні параметрам каналу Y.

Параметрами HP є коефіцієнт розгортки, амплітуда і коефіцієнт нелінійності.

Коефіцієнт розгортки - відношення значення тривалості (див. рисунок 5.2 б) до значення переміщення променя на екрані ЕПТ протягом :

, (5.14) яке виражається в “Час/см” або “Час/под.”. Значення відповідають ряду (5.4) і визначають величину на ділянці прямого ходу променя HP, тобто швидкість руху променя по горизонталі.

Ділянка зростання пилкоподібної HP не буває строго лінійною. Часто напруга на цьому відрізку змінюється за експонентою, близькою за формою до прямої лінії. Швидкість експоненціальної розгортки на відміну від швидкості лінійної розгортки непостійна: вона зменшується від початку до кінця розгортки.

Коефіцієнт нелінійності - кількісна міра нелінійності ділянки зростання HP, яка характеризує ступінь мінливості швидкості зміни напруги розгортки на початку та наприкінці прямого ходу променя:

До параметрів синхронізації відносяться діапазон частот, в якому забезпечується внутрішня або зовнішня синхронізація, граничний рівень і нестабільність синхронізації.

Граничний рівень синхронізації - мінімальне значення напруги сигналу синхронізації, необхідної для отримання стабільного зображення.

Нестабільність синхронізації - нечіткість зображення сигналу по горизонталі.

Універсальний осцилограф

Універсальний осцилограф - осцилограф, в якому досліджуваний сигнал подається через канал Y на вертикально відхиляючу систему ЕПТ, а горизонтальне відхилення променя здійснюється напругою ГР.

Рисунок 5.4 - Структурна схема двоканального універсального осцилографа

Структурна схема однопроменевого двоканального універсального осцилографа представлена ​​на рисунку 5.4. Вона включає всі основні елементи узагальненої структурної схеми електронно-променевого осцилографа: ЕПТ зі схемою керування променем; канали Y, X і Z; калібратори амплітуди і тривалості. Розглянемо деякі особливості даної схеми.

Канал Y складається з двох каналів, на входи яких Y1 й Y2 можуть бути подані досліджувані сигнали.

Вхідні пристрої ВП1 і ВП2 включають вхідні ланцюги і атенюатори. Вхідні ланцюги забезпечують комутацію режиму входів Y1 і Y2 (відкритий або закритий). За допомогою атенюаторів змінюються значення .

Структурно ПВВ розбивається на попередні ПВВ1, ПВВ2 і кінцевий ПВВ, між якими ввімкнені ЕК та лінія затримки (ЛЗ). У попередніх ПВВ1, ПВВ2 зосереджені всі необхідні регулювання, а на їх виходах виробляються сигнали, що керують запуском ГР при внутрішній синхронізації. ЛЗ забезпечує неспотворене відтворення фронту імпульсу в режимі розгортки з очікуванням. Величина часу затримки може становити . На виході кінцевого ПВВ підсилені вхідні сигнали перетворюються в симетричні (протифазні) напруги, що подаються на пластини Y ЕПТ. Симетричність напруг - обов'язкова умова для одержання високоякісних осцилограм.

В універсальних осцилографах є можливість відключення пластин Y ЕПТ від виходу кінцевого ПВВ так, що ПВВ може бути використаний як самостійний підсилювач, а досліджуваний сигнал - поданий прямо (без спотворень в каналі Y) на пластини Y ЕПТ.

За допомогою ЕК здійснюється почергова подача досліджуваних сигналів з ​​входів Y1 і Y2 на пластини Y ЕПТ і реалізуються такі типові режими роботи двоканального осцилографа:

- одноканальний режим (Y1 або Y2) - на екрані ЕПТ спостерігається тільки один сигнал, що надходить з входів Y1 або Y2;

- режим чергування каналів - на екрані ЕПТ по черзі з частотою HP спостерігаються обидва сигнали, що надходять з входів Y1 і Y2;

- режим переривання - на екрані ЕПТ по черзі з частотою 0,5 - 1 МГц спостерігаються обидва сигнали, що надходять з входів Y1 і Y2;

- режим алгебраїчного додавання (Y1 Y2) - на екрані ЕПТ спостерігається сигнал, що представляє суму чи різницю сигналів, що надходять з входів Y1 і Y2.

Канал X складається з перемикача входу, пристрою і синхронізації і запуску розгортки (ПС і ЗР), ГР та ПГВ.

Перемикач входу дозволяє: 1) вибрати вид синхронізації розгортки осцилографа (внутрішня чи зовнішня); 2) подати зовнішній сигнал з входу X на вхід ПГВ, який після підсилення надходить на пластини X ЕПТ (ГР при цьому вимикається); 3) здійснити перемикання режиму входу X (відкритий і закритий) і дискретна зміна рівня вхідного сигналу.

ПС і ЗР призначене для: 1) перетворення різних за амплітудою і формою сигналів синхронізації або запуску в стандартні імпульси, що впливають на ГР; 2) забезпечення вибору моменту часу запуску розгортки, що відповідає певному рівню досліджуваного сигналу.

ГР призначений для формування пилкоподібної НР.

ПГВ призначений для: 1) підсилення вхідних сигналів та їх перетворення в симетричні (протифазні) напруги, що подаються на пластини X ЕПТ; 2) забезпечення розтяжки розгортки, тобто зміни в певну кількість разів масштабу розгортки з метою збільшення зображення по горизонталі.

Канал Z призначений для впливу на яскравість світіння екрана ЕПТ протягом певного інтервалу часу.

Калібратори амплітуди і тривалості є вбудованими мірами сигналів. З їх допомогою перед вимірюваннями встановлюються необхідні значення і .