Аналоговый осциллограф с встроенным микропроцессором

Один из первых «интеллектуальных», т. е. программируемых, ос­циллографов представляет собой сочетание обычного универсаль­ного аналогового осциллографа и устройства цифровой обработ­ки, построенного на основе микропроцессорной системы. Выпол­ненный в виде единого блока этот прибор обладает многими из перечисленных новых свойств микропроцессорных осциллогра­фов [18].

На рис. 3.24 приведена упрощенная структурная схема осцил-лографа (реальный прибор — двухканальный), которую можно условно разделить на три части. Верхняя часть — собственно ана­логовый осциллограф (канал управления яркостью Z, а также средства измерения и отображения параметров сигналов не пока­заны, чтобы не усложнять рисунок). Расположенные в средней ча­сти АЦП и ЦАП, а также модули запоминающих устройств в со­четании с контроллерной функцией микропроцессорной системы позволяют использовать рассматриваемый прибор как цифровой запоминающий осциллограф, подобный описанному ранее (рис.3. 23).

Нижняя часть — микропроцессорная система — служит для программного управления и цифровой обработки. С помощью ин­терфейсной карты (ИКАР) осциллограф подключают к системному интерфейсу (см. § 12.4).

При получении изображения исследуемого сигнала в реальном масштабе времени прибор работает как обычный универсальный осциллограф. Если у экспериментатора еще не появилась необходи­мость воспользоваться возможностями программного управления и цифровой обработки, создаваемыми микропроцессорной системой, то в его распоряжении привычный аналоговый осциллограф. В та­ком приборе можно менять стандартные блоки (усилители верти­кального отклонения, генераторы развертки и т. п.), как и в неко­торых обычных осциллографах, конструкции которых рассчитаны на подобные замены или подключение новых блоков. Тенденция разделения прибора на аналоговую и цифровую части проявляют­ся и в расположении органов управления: традиционные органы управления, характерные для обычного осциллографа, занимают «свою территорию» — отделены от клавишей, с помощью которых осуществляются возможности, заложенные в цифровой части.

Микропроцессорная система придает осциллографу новые свой­ства. Она содержит все основные модули, характерные для таких систем. Основным связующим звеном между ею и аналоговой частью осциллографа служит АЦП. Рассмотрим особенности ана­лого-цифрового преобразования осциллографируемых сигналов.

Описанный микропроцессорный осциллограф [18]—широко­полосный прибор: полоса пропускания канала вертикального от­клонения 400 МГц (минимальный коэффициент развертки 0,5 нс/дел). Необходимость запоминания высокочастотных сигна­лов при сохранении высокой разрешающей способности отображе­ния исследуемого сигнала определяет специфику аналого-цифрово­го преобразования: дискретизацию аналогового сигнала с малыми интервалами (высокой частотой) и квантование по большому чис­лу уровней. В рассматриваемом осциллографе обе операции вы­полняются с относительной погрешностью, не превышающей 2^-10, т. е. наибольшая разрешающая способность и по горизонтальной и по вертикальной оси экрана составляет 1/1024 (0,1%). Для до­стижения столь высоких характеристик требуются 10 двоичных разрядов (бит) квантования и дискретизация с частотой не ниже 1 ГГц (при полосе 400 МГц). Современные АЦП не обладают таким быстродействием. Поэтому применительно к сигналам, ото­браженным на экране осциллографа, разработай метод стохасти­ческой (нерегулярной) дискретизации, который позволил реали­зовать аналого-цифровое преобразование на основе 10-бнтового АЦП (также поразрядного уравновешивания), характеризуемого временем преобразования 1 мкс.

Поясним сущность этого метода, для чего воспользуемся рис. 3.25.

Экран ЭЛТ представляется в виде совокупности п*т элемен­тарных ячеек: n=1024 — число ячеек по вертикали, т = п (или п/2, п/4, п/8) — число ячеек по горизонтали. Порядковый номер i ячейки, отсчитываемый по горизонтальной оси, указывает адрес определенной ординаты кривой отображаемого сигнала, а поряд­ковый номер k той же ячейки по вертикали соответствует числово­му значению i -й ординаты. Число i получается в результате ана­лого-цифрового преобразования развертывающего напряжения, поступающего из канала горизонтального отклонения в АЦП ка­нала X. Образующееся на выходе этого АЦП число, соответст­вующее значению резвертывающего напряжения в момент выбор­ки, поступает в шину адреса и используется для формирования адреса ячейки памяти энергонезависимого запоминающего уст­ройства. Число k представляет результат аналого-цифрового пре­образования осциллографируемого сигнала, подводимого из ка­нала вертикального отклонения к АЦП канала Υ. Полученное число передается через шину данных в ячейку памяти указанного адреса, в которой и хранится.

Моменты выборок (дискретизации) сигналов, поступающих из каналов горизонтального и вертикального отклонения на соответ­ствующие схемы выборки и запоминания, задаются импульсами, вырабатываемыми генератором синхронизирующих сигналов. Им­пульсы выборок имеют очень малую длительность (они подобны импульсам, применяемым для дискретизации сигналов в стробоско­пических осциллографах). Поэтому напряжение выборки запоми­нается конденсатором, содержащимся в схеме выборки и запоми­нания, на время, достаточное для преобразования с помощью АЦП (в данном случае за 1 мкс). Интервалы следования импульсов- выборок изменяются случайным образом и выборки оказываются нерегулярными по отношению к преобразуемому аналоговому си­гналу. Они осуществляются в разных точках периодически повто­ряющегося сигнала. После заполнения каждой ячейки ЗУ, на­ходящейся по указанному выходным числом АЦП канала X ад­ресу, выдается сигнал (флаг), индицирующий заполнение. Резуль­таты последующих выборок фиксируются в других ячейках памя­ти. Процедура взятия выборок продолжается до заполнения по крайней мере 99% общего объема ячеек, отведенного в ЗУ для цифрового представления осциллографируемого сигнала. В резуль­тате в памяти оказываются записанными значения сигнала, кото­рые необходимы для последующего его отображения на экране осциллографа. —

Заметим, что осциллограф, описанный в [18], содержит толь­ко один АЦП, подключаемый попеременно к обеим схемам вы­борки и запоминания с помощью мультиплексора. Это, естествен­но, увеличивает продолжительность преобразования.

Как видно из рис. 3.24, микропроцессорная система имеет обыч­ную структуру, однако специфика ее работы в осциллографе оп­ределяет требования к входящим в нее модулям и алгоритмам функционирования. Сказанное прежде всего относится к микро­процессору.

Использование 10-разрядного АЦП и требования к скорости об­работки и вычислительным возможностям микропроцессорной си­стемы предопределили ориентацию на 16-разрядный микропроцес­сор. Хотя принципиально и возможно сочетание 10-разрядного АЦП и 8-разрядного микропроцессора, но в данном случае оно неприемлемо. Это объясняется тем, что при такой комбинации чи­словой эквивалент, формируемый АЦП, т. е. слово данных, при­ходится разбивать на два байта, последовательно запоминаемых и обрабатываемых, что требует значительного увеличения продол­жительности всей процедуры аналого-цифрового преобразования, вычислений и отображения. Кроме того, ограничиваются возмож­ности адресации при запоминании многочисленных значений сиг­налов и программ, да и точность вычислений оказывается недо­статочно высокой.

Примененный в осциллографе микропроцессор допускает шест­надцать вектор прерываний, что важно в специфических услови­ях работы осциллографа, особенно при подключении к системному интерфейсу. Еще одна существенная особенность микропроцессо­ра заключается в том, что он содержит шестнадцать регистров об­щего назначения. Это упрощает и ускоряет обработку данных. Сле­дует также отметить, что наличие в составе шины управления ли­ний запросов и разрешений, которые можно использовать для очи­стки шин данных и адреса, создавая прямой доступ к памяти, позволяет ускорить запись и считывание текущих данных обраба­тываемого сигнала, сократить продолжительность аналого-цифро­вого преобразования и процедуры отображения.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), служащее для хранения программы управления, имеет емкость 32 Кбайт. Преду­смотрена возможность применения программируемого ПЗУ. Ос­новное ОЗУ рассчитано на 4К двухбайтовых слов. При необходи­мости емкость ОЗУ может быть удвоена.

Система (клавиатура) управления цифровой частью прибора разделена на две подсистемы. Первая представляет собой сово­купность клавиш, помещенных непосредственно на передней па­нели осциллографа и предназначенных для выполнения лишь тех функций, которые относительно близки к традиционным: измере­ния максимального и минимального значений напряжения иссле­дуемого сигнала, его размаха, среднеквадратического значения, длительностей фронта и среза прямоугольного импульса и т. п. Сюда же относятся клавиши для управления дискретизацией сиг­нала. Пользователь осциллографа имеет возможность уменьшать число выборок (вместо 1024 устанавливать 512, 256 или 128 вы­борок). Это позволяет увеличить число запоминаемых сигналов ценой ухудшения разрешающей способности.

Вторая подсистема — это выносная клавиатура, расширяющая функциональные возможности прибора и позволяющая управлять им на расстоянии. Для облегчения эксплуатации осциллографа выносная клавиатура ориентирована на язык символьных кла­виш— язык программирования, применяемый в настольных каль­куляторах. Особенность этого языка заключается в том, что кон­кретная функция задается нажатием (одним пальцем) клавиши, имеющей соответствующее мнемоническое обозначение. Каждая операция (определяемая только оператором и операндом) выпол­няется независимо от остальных и результат получается немедлен­но. Его можно отобразить совместно с названием операции на эк­ране ЭЛТ.

Одна группа клавиш служит для выбора режима осциллогра- фирования: в реальном масштабе времени или с запоминанием, а также сочетания того и другого. Другая группа клавиш, определя­ющих характер изображения на экране (точечное или непрерыв­ное), а также позволяющих получить осциллограммы в системе координат сигнал — время или сигнал — сигнал и стирать изобра­жение (полностью или частично), помогает управлять отображе­нием в режиме запоминания. Предусмотрены клавиши, с помощью которых можно изменять масштабы по вертикальной и горизон­тальной осям, а также перемещать осциллограмму по экрану. Имеются клавиши для ввода констант, выбора номера хранимого сигнала, изменяя числа и положения меток, используемых при из­мерениях. Группа клавиш служит для выполнения математических операций с числами — арифметических, вычисления логарифмов, экспоненциальных функций. Специальные клавиши дают возмож­ность выполнять такие функциональные преобразования сигналов, как дифференцирование, интегрирование, усреднение, и осущест­влять линейную интерполяцию для восстановления формы сигна­ла по отдельным точкам (эти точки соединяются отрезками пря­мых). Еще одна группа клавиш предназначена для задания прог­раммного режима работы. Предусмотрена возможность прерыва­ния программы по требованию пользователя прибора.

Кроме аналоговых микропроцессорных осциллографов, имеют­ся полностью программируемые цифровые осциллографы- (см. § 12.7).

3.11. ОСЦИЛЛОГРАФЫ С НЕТРАДИЦИОННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Недостатки электронно-лучевых трубок. В подавляющем боль­шинстве электронных осциллографов, находящихся в эксплуатации выпускаемых промышленностью, устройствами отображения ин­формации служат ЭЛТ. Их достоинства хорошо известны. Однако по мере развития ряда областей техники и прежде всего вычисли­тельной техники, с одной стороны, усложнились требования к ос­циллографам, подчеркивающие недостатки ЭЛТ, а с другой сто­роны, стала реальной осуществимость цифровых осциллографов с новыми видами устройств отображения информации.

К основным недостаткам ЭЛТ относятся большая длина труб­ки ¹ (требующая большой глубины устройства, в котором приме­няется ЭЛТ), высокие питающие напряжения, сравнительно ма­лая долговечность, невысокая механическая прочность, сравнитель­но малые размеры экрана [40]. При построении цифровых осцил­лографов остро ощущается отсутствие возможности непосредствен­ного согласования ЭЛТ с устройствами цифровой вычислительной техники [104]. Не следует забывать и того, что ЭЛТ — вакуумный прибор.

За последние годы интенсивно разрабатывались (и разрабаты­ваются в настоящее время) устройства отображения информации с плоскими экранами, лишенные недостатков ЭЛТ (или хотя бы некоторых из них). К таким устройствам относят газоразрядные индикаторные панели, жидкокристаллические дисплеи, электролюминесцентные индикаторы, твердотельные панели: сегнетоэлектрические и на светоизлучающих диодах. Кратко осветим осциллогра­фы с первыми двумя видами отображающих устройств.

Газоразрядные индикаторы панели. Используемые вместо ЭЛТ газоразрядные индикаторные панели делят на три вида: посто­янного и переменного тока, а также комбинированные. Все газо­разрядные панели имеют матричную структуру.

Индикаторные панели постоянного тока в зависимости от зало­женного в их конструкции принципа управления разделяют на па­нели с внешней коммутацией и самосканированием (внутренней коммутацией). Кратко осветим устройство и работу первой из них [104].

Основой конструкции индикаторной панели постоянного тока с внешней коммутацией служат две стеклянные пластины — ли­цевая и тыльная, между которыми помещена диэлектрическая ма­трица. Она представляет собой пластину из диэлектрика с систе­мой отверстий, выполненной в виде строк и столбцов. На внут­ренних поверхностях обеих стеклянных пластин нанесены электро­ды в виде параллельных линий. Электроды лицевой пластины, че­рез которую излучается свет, прозрачны и расположены горизон­тально. Их называют анодами. На тыльной пластине параллель­ные линии электродов, называемых катодами, направлены верти­кально. Иначе говоря, получается система взаимно перпендикуляр­ных электродов. Отверстия в диэлектрической пластине находят­ся в точках, в которых как бы пересекаются аноды и катоды. Про­странство между стеклянными пластинами наполнено смесью инертных газов, и панель герметизирована по периметру (стекло- цементом). Таким образом отверстия в диэлектрической пласти­не, заполненные газом, представляют собой газоразрядное ячей­ки. Состоящая из этих ячеек газоразрядная матрица содержит т строк, где т определяет число анодов, и п столбцов, где п — чи­сло катодов (см. рис. 3.27). Общее число ячеек матрицы m*n характеризует информационную емкость С панели. Например, га­зоразрядная панель ГИП-10 000, у которой т=п= 100, имеет ин­формационную емкость С = 10 ООО элементов.

Чтобы светилась ячейка номер j, l, расположенная на пересе­чении j-то катода и l-г о анода, необходимо ее возбудить — выз­вать газовый разряд именно в этой ячейке (при невозбужденных остальных ячейках). Для этого между 1-м анодом и j-м катодом должна быть создана разность потенциалов (около 250 В), зна­чение которой превосходит значение потенциала зажигания. Для прекращения свечения данной ячейки разность потенциалов ме­жду l -м анодом и j-м катодом должна быть понижена до значения, меньшего потенциала гашения.

Таким образом, необходима специальная схема управления, осуществляющая горизонтальную развертку (выбор катода, но­мер j) и «отклонение» по вертикали (выбор анода, номер l кото­рого соответствует значению исследуемого напряжения). Подоб­ные схемы довольно сложны, содержат большое число компонен­тов: матрица размеров т*п требует применения т + п формиро­вателей напряжения и такого же числа соединений.

Основными характеристиками газоразрядной индикаторной па­нели, как и других устройств отображения информации с плос­кими экранами, служат яркость, контрастность изображения, цвет излучения, информационная емкость, разрешающая способность экрана, информационная производительность.

Разрешающая способность определяется числом элементов, приходящихся на один миллиметр экрана. Ее предельное значение, определяемое свойствами глаза человека, составляет 8... 10 эле­ментов на миллиметр. Вполне приемлема разрешающая способ­ность 5... 6 элементов на миллиметр, это эквивалентно (в смысле непрерывности и плавности линий осциллограммы) возможностям ЭЛТ с толщиной луча 0,2... 0,3 мм.

Под информационной производительностью понимают поток информации, передаваемый устройством отображения пользова­телю осциллографа. Она определяется главным образом скоро­стью записи и стирания информации на панели. Характеризует возможности изменения размера осциллограммы и смещения ее, а также вспомогательных сигналов и буквенно-цифровых элемен­тов, отображающих результаты измерения.

Основные недостатки панелей постоянного тока с внешней ком­мутацией— значительное время запаздывания зажигания ячеек, мерцание при частоте ниже 50 Гц и необходимость применения относительно сложного внешнего развертывающего устройства.

У газоразрядной индикаторной панели постоянного тока с са- москанированием время запаздывания зажигания существенно меньше, что обусловлено конструкцией и принципом действия па­нели. Она содержит две взаимосвязанные системы: сканирующую

и индикаторную. Первая система осуществляет внутренний пере­нос разряда и подготовку к нему индикаторных ячеек, что снижа­ет требования к напряжению зажигания, а также исключает мер­цание и делает яркость свечения ячеек более однородной. Кроме того, наличие внутреннего сканирования позволило упростить внешнюю схему управления. Однако сложность конструкции пане­ли с самосканированием ограничивает ее применение в осцилло­графе.

Отличительными особенностями газоразрядной индикаторной панели переменного тока, обладающей внутренней памятью, явля­ются возможность сохранения яркости изображения при значи­тельном увеличении размеров экрана, отсутствие мерцаний при частоте ниже 50 Гц, высокая разрешающая способность. Од­нако схема формирования управляющих напряжений довольно сложна.

Более подробные сведения о газоразрядных индикаторных па­нелях постоянного тока и переменного тока читатель найдет в (40, 104], а сведения о газоразрядной индикаторной панели, в ко­торой используются комбинированные ячейки постоянного/пере­менного тока (что позволяет существенно уменьшить число фор­мирователей напряжения), содержатся в [16].

Цифровой осциллограф с матричным газоразрядным индикато­ром. Структурная схема прибора (рис. 3.26) во многом сходна со структурной схемой цифрового запоминающего осциллографа, о котором шла речь в § 3.9 (рис. 3.23). Основная особенность рас­сматриваемого прибора состоит в том, что функцию устройства ото­бражения информации вместо ЭЛТ выполняет матричная газо­разрядная панель. В сочетании с электронными схемами, служа­щими для управления работой панели, а также согласования ее входов с выходами интегральных схем запоминающего устройства (ЗУ) и контроллера, образуется конструктивно единый блок-

индикаторный модуль. Его на­зывают индикатором матрич­ ным газоразрядным и обозна­чают ИМГ

Приведенная та рис. 3.27 структурная схеміа индикатор­ного модуля содержит газо­разрядную индикаторную па­нель, катодный їй анодный коммутаторы, схему защиты от перегрузок. Каждый ком­мутатор состоит из дешифра­тора и схемы ключевых эле­ментов. Это позволяет управ­лять высоковольтными элек­тродами пазоразрядной инди­каторной панели с помощью низковольтных сигналов, сни­маемых с выходов запоминаю­щего устройства и контроллера.

Рассмотрим работу системы управления, причем для боль­шей наглядности будем опираться на характеристики модуля ИМГ-1. В исходном положении напряжение на всех катодах 150 В, а во всех анодах 90 В. Ячейка (j, l ) газоразрядной индикаторной панели возбуждается тогда, когда отпирается j-й катодный клю­чевой элемент и запирается 1-й анодный ключевой элемент. Это приводит к понижению напряжения на j-м катоде от 150 В до 0 ч повышению напряжения на 1-м аноде от 90 до 250 В.

Катодный коммутатор служит для развертки изображения на газоразрядной индикаторной панели. Дешифратор X имеет k вхо­дов и т выходов (k=8 и m=100). Поступающее на его входы из контроллера число указывает номер катода, проходящего через ячейку (j, l), которая должна возбудиться. Напряжение, появля­ющееся на l-м выходе дешифратора X, отпирает соответствующий катодный ключевой элемент, вследствие чего напряжение на j-м катоде падает до нуля.

Анодный коммутатор предназначен для выбора определенной ячейки по вертикали. Дешифратор Y имеет р входов и п выходов (у индикаторного модуля ИМГ-1 соответственно р= 8 и n=100). Числу, подаваемому из ЗУ на входы дешифратора, соответствует номер анода (l), Проходящего через ячейку (j,l), которая долж­на возбудиться. Возникающее на 1-м выходе дешифратора У на­пряжение запирает «свой» анодный ключевой элемент, и напря­жение на 1-м аноде повышается от 90 до 250 В. Таким образом, разность потенциалов между 1-м анодом и j-м катодом газоразряд­ной панели становится 250В. Ячейка (j, l) возбуждается.

При получении изображения формы исследуемого сигнала го­ризонтальная развертка осуществляется поочередно коммутацией катодных ключевых элементов пропорционально времени в резуль­тате последовательного изменения чисел (от 0 до 99), поступа­ющих из контроллера по шине на входы дешифратора X. Подоб­ная развертка циклически повторяется. Синхронно с ней произво­дится коммутация анодных ключевых элементов, определяющих вертикальное отклонение, для чего на входы дешифратора Y по­даются из ЗУ соответствующие числовые эквиваленты значений исследуемого сигнала.

Чтобы ячейки газоразрядной индикаторной панели стабильно возбуждались, необходима их начальная ионизация. Ее использу­ют для получения масштабной сетки экрана, называемой «элект­ронной шкалой». С этой целью понижают яркость свечения яче­ек, образующих вертикальные и горизонтальные линии, номера которых кратны десяти.

Цифровой осциллограф с жидкокристаллическим дисплеем. Из­вестно, что индикаторы на жидких кристаллах нашли широкое применение в средствах измерения. Появились и осциллографы, у которых вместо ЭЛТ используется плоский жидкокристаллический (ЖК) дисплей матричного типа. Такой дисплей компактен и об­ладает высокой механической прочностью. Для него характерны очень малая потребляемая мощность и низкое рабочее напряже­ние, а также четкость изображения при ярком солнечном свете. Осциллограмма отображается в виде темно-синей кривой на свет­лом фоне.

Представление о возможностях осциллографа с ЖК дисплеем дают характеристики одного из выпускаемых приборов — порта­тивного двухлучевого цифрового запоминающего осциллографа. Он воспроизводит однозначные функции времени, экран дисплея, со­держащего матрицу форматом 128*256 (32 768 точечных элемен­тов), имеет ширину 10 см, высоту 6 см и толщину 3 мм, число разрядов АЦП 7, частота дискретизации 1,25 МГц, потребляемая мощность 2 Вт (питание от аккумуляторных батарей, подзаряжа­емых от источника напряжением 12 В), масса прибора 2,5 кг. Ос­новными недостатками прибора являются воспроизведение только сигналов, предоставляющих однозначные функции, работа толь­ко в цифровом режиме, существенно ограниченный частотный диа­пазон, меньшая разрешающая способность, чем у осциллографа, выполненного на ЭЛТ.

Продолжающиеся разработки позволяют рассчитывать, что в ближайшие годы появятся осциллографы с ЖК дисплеем, имею­щие более высокие характеристики.

3.12 ЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ОСЦИЛЛОГРАФА

Согласно рекомендациям, изложенным в § 1.6, правильно выб­рать осциллограф — это значит применить такой прибор, основ­ные характеристики которого соответствуют требованиям решаемой задачи, свойствам и параметрам исследуемого сигнала или цепи. На практике прибор выбирают так, чтобы он должным образом соответствовал принятой модели.

От условий решаемой задачи и характера исследуемого сигна­ла зависит вид требуемого осциллографа. При простом наблюде­нии формы непрерывного сигнала или импульсного сигнала с вы­сокой частотой повторения и измерении их основных парамет­ров— длительности и амплитуды — применяют обычные универ­сальные осциллографы. Если же требуется более подробно иссле­довать сигнал, измерить многие его параметры, обработать резуль­таты наблюдений, сопоставить результаты измерений с заданны­ми значениями, то незаменим осциллограф со встроенным микро­процессором. Такой же прибор выбирают и в том случае, когда осциллограф должен работать в составе автоматической измери­тельной системы.

Для исследования одиночных сигналов используют запомина­ющие осциллографы, причем решение о выборе аналогового или цифрового прибора вытекает из поставленной задачи. Если объ­ектом исследования служат импульсы очень малой длительности или периодические сигналы очень высокой частоты, то не обойтись без стробоскопического осциллографа.

Конкретные условия задачи, решаемой при осциллографирова- нии сигнала, предопределяют необходимую точность прибора. Ког­да с помощью осциллографа исследуют форму напряжения сигна­ла, то критерий точности прежде всего заключается в том, чтобы искажения изображения сигнала не превосходили допускаемых. Иначе говоря требуется получить осциллограмму, в должной мере соответствующую форме напряжения исследуемого сигнала. За­лог осуществления этого требования — в рациональном выборе ос­циллографа. Необходимо также выполнять ряд других условий, от которых зависит возможность наблюдения неискаженных ос­циллограмм: правильное подключение осциллографа к объекту ис­следования, выбор режимов работы прибора, применение требу­емого вида синхронизации развертывающего напряжения с иссле­дуемым сигналом, получение оптимального размера изображе­ния и др.

Выбирая осциллограф, следует четко и ясно представлять осо­бенности объекта исследования, знать характеристики прибора и понимать роль каждой из них в предстоящем исследовании. При­ведем основные соображения, которыми руководствуются при вы­боре характеристик осциллографа.

Характеристики канала вертикального отклонения. Качество осциллограммы определяют прежде всего чувствительность, по­лоса пропускания, входное сопротивление и входная емкость ка­нала. Приведем основные соображения, которыми руководствуют­ся при выборе этих характеристик.

Чувствительность определяется амплитудой исследуемого на­пряжения. Выбирают осциллограф с такой максимальной чувстви­тельностью (минимальным коэффициентом отклонения), которая гарантирует отклонение луча по вертикали на весь экран при ми­нимальной амплитуде исследуемого напряжения. Чувствительность можно уменьшить, изменяя усиление усилителя и коэффициент пе­редачи аттенюатора.

При выборе чувствительности нужно исходить из того, что раз­мер изображения по вертикали должен быть удобен для наблю­дения. Пусть, например, исследуется гармоническое напряжение частотой 1 кГц и амплитудой 6 мВ (размах 12 мВ) и в распоря­жении имеются два осциллографа. Максимальная чувствитель­ность канала вертикального отклонения первого прибора =0,6 мм/мВ. Следовательно, изображение получается размером (7,2 мм. У второго {прибора = 10 мм/мВ. Выбрав этот осцил­лограф, мы получим размер изображения 120 мм. В то время как изображение, получаемое на экране первого прибора, мало при­годно для исследования, на экране второго осциллографа можно получить вполне удобный для наблюдения размер изображения, даже не используя полностью возможности усилителя вертикаль­ного отклонения.

Исследуя сигнал большой амплитуды, нужно знать максималь­но допустимое значение напряжения сигнала, подаваемого на вход Y осциллографа, и чувствительность ЭЛТ к вертикальному откло­нению. Иногда приходится применять осциллограф с выносным делителем напряжения или пользоваться отдельным внешним де­лителем.

Полоса пропускания канала определяется верхней граничной частотой , поскольку нижняя граничная частота полосы пропускания либо близка к нулю (открытый вход), либо составляет единицы герц. При исследовании напряжения перио­дического сигнала выбор полосы пропускания канала вертикаль­ного отклонения зависит от частоты исследуемого сигнала : должно выполняться условие .

Особенно важен правильный выбор полосы пропускания при ис­следовании импульсных сигналов. Согласно [133] погрешность передачи фронта прямоугольного импульса через канал вертикаль­ного отклонения не превышает 2%, если время нарастания переходной характеристики канала в 5 раз меньше длительности фронта ¹ , т. е.

(3.15)

Сопоставляя (3.7) и (3.15), получаем формулу, которой руко­водствуются при выборе ширины полосы пропускания канала вертикального отклонения в случае исследо­вания прямоугольного импульса с дли­тельностью фронта :

где Δ F выражена в мегагерцах, если τф задана їв микросекундах. Например, Преоложим, что τф = 10нс=0,01 мкс. Тогда требуемаяминимальная полоса пропускания ΔF= (1,75/0,01) = 175 МГц (время нарастання переходной характе­ристики должно бытьменьше 2 не).

Если сформулированное требование не выполняется — применен осциллограф, у которого полоса пропускания канала вертикального отклонения существенно уже, чем требуется согласно (3.16), то осциллограмма представляет собой заметно искаженное изображение исследуе­мого импульса. Оно проявляется в сильном уменьшении крутизны фронта и среза импульса (рис. 3.28).

Следует заметить, что полоса пропускания вертикально откло­няющих пластин всегда шире полосы пропускания канала, поэто­му для уменьшения искажений сигнал целесообразно подавать не­посредственно на вертикально отклоняющие пластины, если в ос­циллографе предусмотрена такая возможность и амплитуда сиг­нала достаточно велика.

Значение F_n нижней граничной частоты полосы пропускания определяет степень спада вершины импульса: , где

— длительность исследуемого прямоугольного импульса, а

— допускаемый относительный спад вершины импульса.

Входное активное сопротивление R_BX и входная емкость С_вх должны соответствовать значениям параметров исследуемой схе­мы и характеристикам сигнала. Если — сопротивление участ­ка цепи, параллельно которому присоединен вход У осциллографа, то должно выполняться условие . При подключении входа У осциллографа параллельно конденсатору емкостью С_и (напри­мер, входящему в колебательный контур) необходимо следить за соблюдением соотношения

Характеристики канала горизонтального отклонения и синхро­низация развертывающего напряжения. Прежде всего выбирают вид развертки. Исследуя периодические сигналы, естественно, при­меняют линейную периодическую развертку. Для однократных им­пульсных сигналив и импульсных периодических последователь­ностей, характеризуемых большой скважностью, или кодовых групп импульсов требуется ждущая развертка. Интересуясь характери­стиками генератора развертывающего напряжения, необходимо проследить за тем, чтобы значения коэффициента развертки соот­ветствовали длительностям осциллографируемых сигналов. Име­ется в виду, что пределы значений коэффициента развертки выб­ранного осциллографа должны гарантировать возможность полу­чения такого размера осциллограммы, при котором достигается требуемая точность отображения сигнала и измерения его времен­ных параметров.

При некоторых измерениях горизонтальную развертку осу­ществляют от внешнего источника напряжения. В подобных слу­чаях, выбирая осциллограф, следует проверить соответствие чув­ствительности, полосы пропускания и входных параметров кана­ла горизонтального отклонения характеристикам напряжения развертки.

Очень важны вопросы синхронизации развертывающего напря­жения. При наблюдении периодических сигналов наиболее целе­сообразна внутренняя синхронизация, т. е. синхронизация иссле­дуемым сигналом. Но при этом не следует забывать о цели ис­следования. Так, при осциллографировании АМ сигнала (моду­ляция низкочастотным синусоидальным напряжением) задача сво­дится к получению устойчивого изображения огибающей. В этом случае прибегают к внешней синхронизации модулирующим на­пряжением. Синхронизация «от сети» удобна при осциллографи­ровании напряжений, частоты которых равны или кратны часто­те напряжения питающей сети, например выходного напряжения трансформатора, питаемого от сети, пульсаций на выходе выпря­мителя и т. п. Синхронизировать ждущую развертку можно ис­следуемым и внешним импульсами в зависимости от условий на­блюдения. Если используется линия задержки канала вертикаль­ного отклонения осциллографа, то генератор развертки синхро­низируют исследуемым сигналом.

В большинстве же случаев необходима внешняя синхрониза­ция, т. е. такая синхронизация импульсом внешнего по отноше­нию к осциллографу источника, которая гарантирует запуск ге­нератора развертки с опережением относительно момента появ­ления фронта исследуемого сигнала на вертикально отклоняю­щих пластинах (см. рис. 3.12).

Остановившись на определенном виде синхронизации, выте­кающем из условий исследования, нужно обратить внимание на требуемые значения синхронизирующих напряжений при данном виде синхронизации и используемом виде развертки. Если приме­няется ждущая развертка, то следует учесть требования к дли­тельности и амплитуде импульса, запускающего генератор жду­щей развертки. Не должна оставаться вне поля зрения и поляр­ность синхронизирующего сигнала: от правильного выбора ее за­висят возможность наблюдения интересующего экспериментатора участка исследуемого сигнала и точность измерения длительно­сти импульса.