1. Структурная схема универсального осциллографа

Осциллограф – измерительный прибор, позволяющий получить изображение (осциллограмму) сигнала в виде графика в декартовой системе координат напряжение-время и измерить его параметры. Существуют три группы осциллографов – аналоговые, цифровые и аналогово-цифровые (аналоговые ЭЛО с цифровыми измерительными блоками). Современные осциллографы позволяют исследовать разнообразные сигналы в широком диапазоне амплитуд, длительностей и частот повторения.

Основным узлом универсального аналогового осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим отклонением луча. При этом исследуемый сигнал после усиления подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Этим универсальные осциллографы отличаются от скоростных осциллографов, которые имеют специальную трубку бегущей волны с отклоняющей системой в виде широкополосной замедляющей структуры. Эти два типа осциллографов позволяют исследовать сигналы в реальном масштабе времени и не имеют режима запоминания. Поэтому они пригодны только для наблюдения повторяющихся процессов (периодических и непериодических). Однократные и неповторяющиеся процессы в этом случае исследуют в режиме фотофиксации изображения на фотопленку или на цифровую фотокамеру.

В других типах осциллографов используют трансформацию временного масштаба (стробоскопические осциллографы) и аналого-цифровое преобразование мгновенных значений сигнала (цифровые осциллографы).Относительно редко применяют запоминающие осциллографы, в которых реализована фиксация осциллограммы на экране специальной запоминаюшей ЭЛТ.

Различают несколько типов универсальных осциллографов. Наиболее простые конструкции содержат один канал усиления сигнала с ограниченным частотным диапазоном (10-20 МГц). Такие осциллографы часто выпускаются в портативном исполнении с автономным питанием, они имеют, как правило, более высокую чувствительность. Более сложные универсальные осциллографы имеют один или два широкополосных канала усиления сигнала (200 -500 МГц). Двухканальные осциллографы с электронной коммутацией сигналов позволяют наблюдать на экране два синхронных сигнала. Аналогичную задачу решают и двухлучевые осциллографы. Они содержат специальную двухлучевую ЭЛТ, которая фактически представляет собой две электронно-оптические и отклоняющие системы, собранные в одной колбе и работающие на общий экран. Двухлучевой осциллограф имеет два идентичных канала усиления сигнала и позволяет регулировать параметры изображений (яркость, фокус, положение по вертикали и горизонтали) независимо друг от друга.

В осциллографах усилитель канала вертикального отклонения иногда делают с дифференциальными входами – инвертирующий и неинвертирующий. В этом случае при подаче двух сигналов на экране можно наблюдать их разность. Такой режим расширяет функциональные возможности осциллографа – его используют для компенсации помех, при измерениях методом замещения и пр. Ряд осциллографов имеют канал горизонтального отклонения с двумя генераторами развертки (система двойной развертки), что позволяет реализовать режим временного окна и увеличить точность измерения временных интервалов.

В лабораторной работе используется универсальный аналоговый осциллограф – двухканальный с электронной коммутацией каналов GOS-653G. Общий вид осциллографа приведен на рис.1.1.

Осциллограф имеет систему двойной развертки с некалиброванной задержкой второй развертки. Структурная схема осциллографа приведена на рис.1.2.

Основными блоками осциллографа являются электроннолучевая трубка (ЭЛТ) с устройством ускорения и фокусировки электронов, каналы вертикального (Y) и горизонтального (X) отклонений луча, блок синхронизации и запуска, канал модуляции луча по яркости (Z) и калибратор. Органы управления этих блоков на передней панели осциллографа обычно объединяют в группы (см.рис.1.1), что упрощает регулировку и управление прибором.

В осциллографе применнена ЭЛТ с электростатическим формированием и отклонением луча. Такая трубка содержит две пары пластин для отклонения электронного луча по вертикали и горизонтали, ускоряющие и фокусирующие электроды, модулятор для управления плотностью луча (а, следовательно, и яркостью изображения) и катод с подогревателем. Изображение сигнала образуется на плос­ком экране с люминесцентным покрытием. Цвет свечения экрана - желто-зеленый. Непосредственно на экран ЭЛТ наносят шкалу (прямоугольную сетку), обычно 8 х 10 делений. В пределах шкалы гарантируются основные метрологические параметры осциллографа (погрешности измерения

Рис. 1.2. Структурная схема двухканального осциллографа

с системой двойной развертки

напряжения и временных интервалов). Масштаб изображения по вертикали и горизонтали задается относительно деления этой шкалы. Поэтому размер шкалы и цена ее деления определяют минимальную погрешность дискретности при измерениях методом калиброванных шкал. Для удобства наблюдения и фотографирования шкала может быть подсвечена, что позволяет скрыть ее разметку.

Канал Y служит для усиления исследуемых сигналов. Он включает входное устройство, калиброванный аттенюатор, предварительный усилитель, линию задержки и оконечный усилитель. Входное устройство представляет собой комму­тируемый разделительный конденсатор, позволяющий при необходимости убрать постоянную составляющую сигнала ("закрытый вход"). Калиброванный аттенюатор и предварительный усилитель обеспечивают регулировку и усиление исследуемого сигнала. В усилителе предусматривают возможность плавной регулировки коэффициента передачи (высоты изображения) и смещения изображения по вертикали.

В двухканальном осциллографе предусматривают два блока вертикального отклонения луча, содержащих идентичные входные устройства, аттенюаторы и предварительные усилители. Сигнал на оконечные каскады и ЭЛТ подают через электронный коммутатор каналов. В этом случае обеспечивается как независимое наблюдение сигналов в канале 1 и 2, так и суммирования (вычитание) сигналов. В режиме коммутации переключение каналов с большой частотой позволяет создать на экране изображение двух сигналов. Обычно используют поочередный режим переключения, при котором на один ход развертки создается изображение одного из сигналов, на другой – второй сигнал. Этот режим неудобен при медленных развертках, так как создает мелькание изображения. В таком случае применяют прерывистый режим переключения каналов с достаточно высокой частотой, не связанной с частотой работы развертки.

Линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала, подаваемого на отклоняющие пластины Y, относительно начала развертки. Это позволяет сохра­нить на осциллограмме передний фронт исследуемого импульса при запуске генератора развертки от входных сигналов (внутренняя синхронизация и запуск).

Оконечный усилитель канала Y увеличивает амплитуду сигнала до значения необходимого для отклонения луча в пределах рабочей части экрана. Кроме того, малое выходное сопротивление усилителя позволяет уменьшить частотную зависимость канала на верхних частотах, возникающую из-за паразитной емкости отклоняющих пластин. Оконечный усилитель имеет симметричный выход, что также уменьшает искажения осциллограммы.

Канал X служит для отклонения луча по горизонтали. Он содержит генератор развертки и оконечный усилитель. Генератор развертки вырабатывает линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение. (рис.1.3.).

Оно имеет участок прямого хода развертки t_пр, участок обратного хода t_обр и некоторый интервал блокировки t_бл , дополняющий до периода Tр.

. (1)

Длительность прямого хода определяет временной масштаб осциллограммы по оси Х и приближенно равна цене деления (коэффициенту развертки), умноженному на 10 делений всей шкалы. Время обратного хода стараются делать минимальным. Время блокировки возникает в случае, когда при синхронизации генератора его период становится кратен или равен периоду входного сигнала и не равен сумме времен прямого и обратного хода.

Обычно генератор развертки имеет три режима работы: автоколебательный (непрерывный), ждущий и однократный. Ждущий режим применяется для исследования непериодических сигналов и импульсов большой скважности, однократный – для фотографирования неповторяющихся одиночных процессов. В ряде случаев (при измерении частоты, фазового сдвига и пр.) генератор развертки отключают, а на оконечный усилитель канала X подают сигналы от внешнего источника развертывающего напряжения (Х-У режим).

Оконечный усилитель канала X выполняет те же функции, что и усилитель канала У. Он используется в режиме X-Y для усиления входного сигнала при отключенной развертке. Для получения более крупного масштаба осциллограммы используют режим растяжки изображения по горизонтали. При этом масштаб меняют не регулировкой генератора развертки, а дискретным (обычно в 10 раз) увеличением коэффициента пере­дачи оконечного усилителя канала X.

Увеличение точности измерений временных интервалов возможно в осциллографах, имеющих блок двойной развертки. В канале Х таких осциллографов предус­матривают два генератора развертки - основной (A) и задержанной (B). Оба генератора могут работать независимо, обес­печивая обычный осциллографический режим. Однако наибольший интерес представляет случай, когда запуск развертки Б осуществляется от генератора развертки А с некоторой задержкой, величина которой может регулироваться. Задержку запуска Б иногда делают калиброванной, что позволяет проводить измерения временных интервалов методом замещения.

Устройство синхронизации и запуска (УСЗ) обеспечивает полу­чение неподвижного изображения на экране. Это устройство вырабатывает импульсы синхронизации( запуска), которые привязываются к одной и той же характерной точке сигнала (например, фронт, срез импульса и др.). Для периодических сигналов устройство син­хронизации вырабатывает импульсы с периодом, равным периоду входного сигнала. В автоколеба­тельном режиме работы генератора развертки эти импульсы воздействуют на генератор развертки, синхронизируя его с исследуемым сигналом и обеспечивая тем самым неподвижность осцилло­граммы. В ждущем режиме УСЗ вырабатывает импульсы, запускающие генератор развертки. При этом напряжение раз­вертки вырабатывается только при наличии на входе осцилло­графа исследуемого сигнала.. В УСЗ используют ручную или автоматическую регулировку уровня срабатывания , по которому вырабатывается сигнал синхронизации или запуска. Кроме этого, применяют переключение полярности синхронизации – это позволяет выбрать точку образования импульса запуска на фронте (нарастании) или на срезе (убывании) сигнала. Предусматривают также режимы синхронизации от специальных видов сигналов – например, от напряжения питающей сети 50 Гц или от телевизионных сигналов (выделение синхроимпульсов по кадрам или строкам).

Канал Z служит для модуляции яркости изображения на экране. Основное назначение канала – подсвет рабочего хода развертки. Во время обратного хода электронно-лучевая трубка запирается отрицательным напряжением на модуляторе развертки. При измерениях канал Z применяют для создания на осциллограмме временных меток и подсветки части изображения.

Калибратор служит для установки определенных масштабных коэффициентов по горизонтали и вертикали и представляет собой генератор эталонного сигнала. Для калибровки обычно используют прямоугольные импульсы с известными амплитудой и частотой.