Лабораторная работа № 5

Электронно-лучевые осциллографы

Цель работы Изучение устройства, принципа действия и основных характеристик электронно-лучевого осциллографа. Освоение приемов использования осциллографа для визуального наблюдения и измерения параметров быстропротекающих процессов.

Задание: 1 Изучить принцип работы электронно-лучевого осциллографа, структурную схему и принцип действия его отдельных блоков. Ознакомиться с основами осциллографических измерений.

2 Ознакомиться с основными характеристиками электронно-лучевых осциллографов.

3 В ходе экспериментальной части провести измерение амплитуды, частоты, длительности и других параметров сигналов.

Общие сведения

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) предназначен для наблюдения и исследования формы электрических процессов путем визуального наблюдения и измерения их временных и амплитудных значений в диапазоне частот от постоянного тока до десятков гигагерц. Основным элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением луча и люминесцентным экраном. По точности воспроизведения сигнала измерения временных и амплитудных значений прибор относится к 3 классу точности ГОСТ 22737-77 "Осциллографы электронно-лучевые. Номенклатура параметров и общие технические требования."

Для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение на экране вертикально и горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки перемещают электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для получения на экране осциллографа изображения мгновенных значений сигнала, т.е. осциллограммы изменения сигнала во времени, исследуемый сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины и одновременно электронный луч отклоняется с постоянной скоростью в горизонтальном направлении с помощью линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения, приложенного к горизонтально отклоняющим пластинам. Напряжение, отклоняющее луч в горизонтальном направлении, называют развертывающим. По окончании цикла развертки развертывающее напряжение принимает первоначальное значение, при этом луч возвращается в исходное положение и цикл повторяется. Чувствительность электронно-лучевой трубки мала и для отклонения луча на весь экран требуется напряжение порядка десятков или сотен вольт. Напряжения исследуемого сигнала и развертки могут быть малыми, поэтому в каналах вертикального и горизонтального отклонения электронно-лучевого осциллографа предусматриваются усилители.

По назначению и принципу действия различают универсальные, стробоскопические, запоминающие и специальные осциллографы.

По числу одновременно наблюдаемых сигналов осциллографы делят на однолучевые, многолучевые и многоканальные.

Принцип действия универсального осциллографа

Структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа состоит из следующих составных частей (рис. 1):

- входного аттенюатора (Ат);

- предварительного каскада усилителя вертикального отклонения луча (У_Yпр);

- линии задержки (ЛЗ);

- оконечного каскада усилителя вертикального отклонения луча (У_Yок);

- калибратора амплитуды и времени (К);

- селектора синхронизации (СС);

- формирующего устройства (ФУ);

- генератора развертывающего пилообразного напряжения (ГР);

- оконечного выходного усилителя горизонтальной развертки (У_Xок);

- усилителя управления яркостью луча (У_Z);

- электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);

- узла питания.

Исследуемый сигнал подается на входной аттенюатор канала вертикального отклонения Y непосредственно через замкнутый переключатель S₁ или при разомкнутом переключателе S₁ через разделительный конденсатор C. В первом случае вход Y называют открытым, во втором случае - закрытым.

Входной аттенюатор Ат представляет собой частотно - компенсированный делитель напряжения. При помощи входного аттенюатора выбирают величину сигнала, удобную для исследования и наблюдения на экране ЭЛТ. Делитель (переключатель аттенюатора) имеет, как правило, 12 ступеней деления с коэффициентами деления 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000.

Предварительный усилитель вертикального отклонения луча У_Yпр усиливает сигнал до необходимой величины перед поступлением его на оконечный каскад усилителя вертикального отклонения луча. В нем имеется регулятор плавного изменения коэффициента усиления. Для обеспечения большого входного сопротивления входной каскад усилителя вертикального отклонения луча собран на полевых транзисторах. Для обеспечения малого температурного дрейфа усилителя входной каскад, как и последующие каскады, выполнен по симметричной схеме с парно подобранными транзисторами по минимальному разбросу тока стока. Для запуска горизонтальной развертки при внутренней синхронизации используется исследуемый сигнал, усиленный усилителем вертикального отклонения луча и поданный на входа селектора синхронизации СС.

Усиленный сигнал для обеспечения срабатывания канала горизонтального отклонения осциллографа задерживается линией задержки ЛЗ и поступает на оконечный каскад усилителя вертикального отклонения луча. Задержка сигнала необходима для того чтобы движение луча по горизонтали началось раньше, чем усиленный сигнал поступит на вертикально отклоняющие пластины (ВОП) ЭЛТ. Этим обеспечивается полное изображение на экране переднего фронта первого импульса исследуемого сигнала.

Оконечный каскад усилителя вертикального отклонения луча У_Yок собран по симметричной схеме. В нем происходит усиление задержанного сигнала до значения, удобного для наблюдения на экране, а также расщепление полярности сигнала для симметричной подачи его на пластины ЭЛТ. С выхода усилителя осесимметрированный сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. При симметричном питании отклоняющих пластин луч расфокусируется незначительно. Симметричные схемы усилителей имеют меньший дрейф: в симметричных выходных каскадах легче получить широкую полосу пропускания. Оконечный усилитель содержит регулировку смещения луча по вертикали.

Устойчивость изображения на экране ЭЛТ достигается синхронизацией частоты сигнала развертки f_р с частотой исследуемого сигнала f. Частота сигнала развертки f_р должна быть равна или в целое число раз меньше частоты f исследуемого сигнала: f_р = f / n.

Схема синхронизации состоит из селектора синхронизации СС, формирующего устройства ФУ, генератора развертки ГР и оконечного усилителя горизонтального отклонения луча У_Xок, образующих канал горизонтального отклонения X. Запуск схемы синхронизации может быть произведен как от внутреннего, так и внешнего сигнала, поданного на гнездо "Внеш. синхр." -при внешней синхронизации. Кроме того, схема синхронизации дает возможность изменять уровень, стабильность и полярность сигнала синхронизации благодаря наличию соответствующих органов управления. При работе осциллографа в режиме внутренней синхронизации из канала вертикального отклонения (до линии задержки) снимается часть исследуемого сигнала и подается на вход схемы синхронизации. На основе выбранного селектором синхронизации СС сигнала формирующее устройство ФУ вырабатывает короткие запускающие импульсы определенной формы, полярности и амплитуды независимо от значения и формы приходящего на вход схемы синхронизации сигнала. Выработанные в ФУ импульсы запускают генератор развертки ГР, который формирует пилообразное напряжение (рис. 2) для горизонтальной развертки луча ЭЛТ. Время прямого хода луча t_пр много больше времени обратного хода t_обр, поэтому период развертки T_р  t_пр.

Выходной сигнал генератора развертки ГР поступает на оконечный усилитель горизонтального отклонения луча У_Xок, предназначенный для преобразования пилообразного напряжения, поступающего с ГР в два противофазных сигнала, и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по горизонтали на весь экран ЭЛТ. Затем сигнал подается на горизонтально

отклоняющие пластины (ГОП). Периода развертки в ГР устанавливается переключателем «длительность».

Генератор развертки может работать в режиме:

а) автоколебательной периодической развертки, при которой на ее вход не подается сигнал, а выходной сигнал схемы синхронизации используется для задания и поддержания частоты развертывающего напряжения f_р = f / n.;

б) ждущей развертки, при которой ГР вырабатывает только один период напряжения развертки при наличии синхронизирующего сигнала ФУ, периодически повторяющий запуск ГР. Режим работы ГР устанавливается соответствующим переключателем.

Для того, чтобы на экране ЭЛТ воспроизводилось изображение только при прямом ходе, во время обратного хода луча применяют уменьшение его яркости, т.е. гашение обратного хода. Управление яркостью луча осуществляется усилителем У_Z при его подключении переключателем S₂ к ГР. Для получения яркостных меток времени в ряде осциллографов имеется вход Z, позволяющий непосредственно воздействовать на усилитель У_Z и управлять яркостью луча путем изменения напряжения на модуляторе М электронно-лучевой трубки. Четкость изображения достигается регулировкой яркости и фокусировки луча. Для этого на модулятор М и аноды а₁, а₂ ЭЛТ от выпрямителя блока питания подается высокое регулируемое напряжение.

В осциллографе предусмотрена возможность поступления внешнего сигнала на горизонтально отклоняющие пластины ГОП при подаче его на вход X. При этом усилитель канала горизонтального отклонения переключателем S₃ отключается от схемы ГР и подключается к входу X.

В ряде случаев, например, при сравнении двух сигналов возникает необходимость подачи исследуемых сигналов непосредственно на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Для этого осциллографы оснащены входами на пластины X и Y. При их использовании переключатели S₄, S₅ переводятся в правое по схеме положение и каналы X и Y отключаются от ЭЛТ.

С целью повышения точности измерений в состав осциллографа входит калибратор амплитуды и времени. Калибратор К вырабатывает прямоугольные импульсы типа «меандр» определенного напряжения и частоты, которые используются для калибровки усиления усилителя вертикального отклонения (в единицах напряжения) и для калибровки длительности развертки (в единицах времени).