3. Параметры и характеристики осциллографа

Поскольку осциллографы предназначены для отображения сигналов в декартовой система координат время - напряжение входного сигнала, поэтому любой осциллограф имеет две группы параметров (основных и дополнительных), связанных с измерением напряжения и времени и определяющих степень искажения осциллограммы

К основным параметрам ЭЛО относятся:

• Значения коэффициентов отклонения, погрешность коэффициента отклонения или связанная с ним погрешность измерения напряжения. У большинства аналоговых осциллографов погрешность измерения напряжения методом калиброванных шкал составляет 3-5%.

• Значения коэффициентов развертки, погрешность коэффициента развертки или связанная с ним погрешность измерения временных интервалов. У большинства аналоговых осциллографов погрешность коэффициента развертки составляет от 3% до 5% - это обусловлено тем, что времязадающие цепи развертки реализованы на аналоговой элементной базе. Регулировка длительности развертки осуществляется RC-цепочками, что не дает возможности добиться высокой точности и стабильности генератора развертки.

• Параметры переходной характеристики (ПХ): время нарастания, выброс, неравномерность вершины, время установления.

• Параметры входа канала вертикального отклонения: активное входное сопротивление и входная емкость; Этот параметр определяет влияние осциллографа на исследуемую цепь. Чем больше R_вх и меньше С_вх, тем меньше проявится влияние подключения осциллографа к измеряемой цепи. Обычно R_вх составляет 1 МОм, входная емкость С_вх – 20 ..... 40 пФ. При использовании выносного пробника входная емкость может быть уменьшена до 7 ... 10 пФ.

• Параметры сигнала синхронизации: диапазон частот; предельные уровни.

К дополнительным параметрам относятся:

• Параметры АЧХ: полоса пропускания; нормальный диапазон частот; расширенный диапазон частот; опорная частота.

• Коэффициент развязки между каналами. Он показывает степень взаимного влияния каналов друг на друга.

Переходной характеристикой (ПХ) осциллографа называют осциллограмму скачка напряжения с пренебрежимо малым фронтом. В зависимости от вида частотной характеристики канала Y эта осциллограмма имеет вид ПХ апериодического (рис.1.8а). или колебательного (рис.1.8б). звена.

В первом случае, характерном для широкополосных осциллографов, главный параметр ПХ – время нарастания ПХ τ_н. Во втором случае, когда на ПХ наблюдается выброс, вводят дополнительные параметры канала Y– время установления τ_у и величина выброса δ_в. Все эти параметры измеряют, подавая на вход канала Y перепад напряжения с малым фронтом τ_ф. Тогда время нарастания измеряют между точками уровней 0,1 и 0,9 от установившегося значения сигнала. Если входной сигнал имеет конечное время фронта, то результат измерения рассчитывают по формуле

, (2)

где τ_изм – измеренная по шкале осциллографа величина. Время установления отсчитывают между уровнем 0,1 и моментом, когда осцилляции на вершине ПХ не станут пренебрежимо малы. Выброс оценивают в % от амплитуды ПХ. Для корректной оценки выброса ПХ соотношение длительности фронта испытательного сигнала и времени нарастания ПХ осциллографа должно быть не менее 0,2.

Переходная характеристика показывает степень искажения сигналов с резкими перепадами (например, импульсные и цифровые сигналы). Для синусоидальных сигналов более важными оказываются частотные свойства осциллографа, которые описываются формой его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). АЧХ осциллографа – это зависимость вертикального размера изображения синусоидального сигнала от его частоты. Измеряется АЧХ при подаче гармонического сигнала от перестраиваемого генератора путем измерения размера изображения по вертикали на разных частотах. От формы АЧХ зависит вид ПХ. В частности, значение выброса ПХ связано с формой АЧХ. Оптимальной АЧХ, позволяющей получить минимальное значение τ_н при минимальном выбросе, соответствует характеристика, близкая к кривой Гаусса:

, (3)

где f_B – верхняя граничная частота осциллографа, определяемая по спаду АЧХ до уровня 0,707 от значения на опорной частоте. Опорная частота – это частота, по отношению к которой производится определение полосы пропускания осциллографа. Чаще всего она составляет не менее 1/20 полосы пропускания осциллографа.

Верхняя граничная частота определяет полосу пропускания осциллографа. В ее пределах искажения спектра сложного сигнала считаются допустимыми. Верхняя граничная частота и время нарастания ПХ связаны между собой соотношением

, (4)

где частота выражена в МГЦ, а время – в нс. Это соотношение справедливо для гауссовской формы АЧХ.

Очевидно, что измерение амплитуды синусоидального сигнала на границе полосы пропускания приводит к значительным погрешностям (до 30% на f_в). Поэтому в качестве параметра канала Y используют также нормальный диапазон АЧХ ∆f – это полоса частот, в пределах которой неравномерность АЧХ не превышает погрешности коэффициента отклонения , заявленной для данного осциллографа. Данный параметр определяет частотные границы измерения амплитуд гармонических сигналов и узкополосных радиосигналов с заданной точностью. Но не всегда необходимы особо точные измерения амплитуды. Расширенный диапазон АЧХ – это интервал частот, в котором неравномерность АЧХ (а , следовательно, и точность измерения амплитуды) не превышает 10%. Для узкополосных осциллографов (с полосой менее 1 МГц) параметры АЧХ являются основными параметрами канала Y.