2.2. Электронные осциллографы

2.2.1. Области применения и свойства

Электронным осциллографом называется прибор для визуального наблюдения и регистрации разнообразных электрических сигналов, а также для измерения различных параметров сигналов, определяющих их форму, значение, временные и частотно-фазовые соотношения. Среди электронных приборов осциллограф наиболее универсальный прибор для исследования электрических сигналов, при работе с которым исследователь получает информацию об электрических процессах в наиболее компактной и удобной для восприятия форме.

Электронный осциллограф имеет все основные достоинства электронных приборов: большое входное сопротивление, высокую чувствительность, малую инерционность, широкий частотный диапазон. Это сделало осциллограф одним из самых распространенных измерительных приборов. Электронный осциллограф это прибор чувствительный к напряжению, поэтому наибольшее применение он нашел для измерений электрических величин и других физических величин, которые могут быть преобразованы в напряжение электрического сигнала.

Наиболее часто осциллограф применяется для измерения и исследования электрических сигналов, появляющихся при изучении переходных и установившихся режимов в электрических и электронных цепях. В этих областях измерительной техники электронный осциллограф является единственным измерительным прибором, с помощью которого можно получить наиболее точные сведения об исследуемых сигналах.

Электронный осциллограф также применяется при измерении и исследовании сопротивления, добротности контуров, электрической мощности при действии импульсных и высокочастотных сигналов; используется как прибор для измерения частотных характеристик четырехполюсников, как индикатор равновесия мостовых схем, при магнитных измерениях и измерениях частоты, фазы и т. д.

Достаточно широко используют электронный осциллограф и для измерения неэлектрических величин в оптике, механике и химии.

2.2.2. Характеристики электронных осциллографов и способы их определения

В общем случае электронный осциллограф можно охарактеризовать следующими метрологическими и техническими характеристиками.

1. Полосой пропускания или параметрами переходной характеристики. Например: полоса пропускания усилителя вертикального отклонения от постоянного тока до 15 МГц с неравномерностью не более 3 дБ при подаче сигнала на открытый вход. Измеряют полосу пропускания f снятием частотной характеристики соответствующего канала осциллографа. Частотную характеристику снимают при положениях входных делителей и органов плавной регулировки усиления, установленных в стандартах или технической документации на осциллографы конкретных типов. При этом на вход осциллографа подают постоянное по амплитуде синусоидальное напряжение в пределах полосы пропускания такой величины, чтобы изображение амплитуды на средних частотах было равно 70% мак­симальной амплитуды изображения. При положениях входных делителей, соответствующих ряду минимальных чувствительностей, допускается проверка полосы пропускания при меньших амплитудах изображения, но не менее 40 % максимальной амплитуды изображения.

2. Неравномерностью амплитудно-частотной характеристики.

3. Нелинейностью амплитудной характеристики усилителей осциллографа. Нелинейность амплитудной характеристики измеряют, подавая на вход осциллографа синусоидальный сигнал или испытательный импульс. Нелинейность характеристики определяют следующим образом: на вход осциллографа подают постоянный по значению испытательный сигнал такой амплитуды, чтобы размер видимого изображения в середине рабочей части экрана составлял 1 см или одно деление шкалы. Затем измеряют, размер изображения испытательного сигнала в разных местах рабочей части экрана при перемещении его по оси X при помощи внешнего напряжения.

Нелинейность амплитудной характеристики в процентах под­считывают по формуле:

, (2.6)

где h – наиболее отличный от 1 см или одного деления шкалы экрана размер испытательного сигнала в любом месте рабочей части экрана при его перемещении вдоль оси X.

4. Временем нарастания переходной характеристики. Время нарастания переходной характеристики осциллографа (Т_н) измеряют при следующих условиях: на вход осциллографа подают импульс со временем нарастания не более 0,3 времени нарастания переходной характеристики, указанной в стандартах или технической документации на осциллографы конкретных типов. Длительность импульса должна быть не менее чем в 10 раз больше времени нарастания переходной характеристики и указывается в стандартах или технической документации на осциллографы данного типа.

Выброс на импульсе не должен превышать 10%. При измерении времени нарастания амплитуду изображения импульса устанавливают максимальной, изменяя амплитуды входного сигнала. При положениях входного делителя, соответствующего ряду минимальных чувствительностей, допускается измерение времени нарастания при меньших амплитудах изображения, но не менее 40% максимальной амплитуды изображения.

Время нарастания переходной характеристики определяют как время нарастания изображения импульса, в течение которого происходит отклонение луча от уровня 0,1 до уровня 0,9 амплитуды импульса (выброс не учитывать). Эта операция производится на импульсах положительной и отрицательной полярности.

5. Величиной выброса на переходной характеристике. Измерение выброса производится на сигнале с параметрами, аналогичными параметрам сигнала, служащего для определения времени нарастания. При этом амплитуду изображения импульса устанавливают равной 70% от максимальной, регулируя амплитуду входного сигнала. При минимальных чувствительностях допускается измерение выброса при меньших амплитудах изображения, но не менее 40% максимальной амплитуды изображения.

Определение значения выброса в процентах производят путем измерения и сравнения линейных размеров по вертикали изображения выброса и амплитуды импульса. Значение величины выброса находят по формуле

, (2.7)

где h_u – амплитуда изображения импульса;

h_k – амплитуда изображения выброса.

Определение производится на импульсах положительной и отрицательной полярности.

6. Завалом вершины изображения импульса и ее неравномерностью. Измеряют завал вершины изображения импульса Q следующим образом: на вход осциллографа подают испытательный импульс длительности, указанной в стандартах или технической документации на осциллографы конкретных типов. Амплитуду изображения импульса устанавливают равной 70% максимальной, а при малых чувствительностях канала усиления – не менее 40% от максимальной амплитуды изображения.

Значение завала вершины определяют, измеряя и сравнивая линейные размеры по вертикали изображения амплитуды импульса в начале (отсчетную точку в начале импульса выбирают на уровне 0,9 амплитуды импульса) и в конце импульса А_к (отсчетная точка в конце импульса отстоит от начальной точки на время, равное длительности измерительного импульса).

Значение Q вычисляют в процентах

, (2.8)

где h_u – значение амплитуды изображения импульса.

Предполагается, что изображение амплитуды импульса уменьшается монотонно.

Измерение неравномерности вершины изображения импульса (отражения, синхронные наводки) производят следующим образом: отражения (у) измеряют как отклонения луча по вертикали (выбросы, впадины), вызванные неполным согласованием элементов схемы осциллографа (например, линии задержки в у-канале). Измерение производят путем подачи на вход осциллографа сигнала, при котором амплитуда изображения импульса максимальна, и при максимальном усилении канала. Время нарастания испытательного импульса должно быть не более 1,5 времени нарастания переходной характеристики, указанной в технической документации на данный тип осциллографа.

Значение отражений определяют по формуле

, (2.9)

где S_i – амплитуда выброса или впадины из-за неполного согласования;

S – толщина линии луча, указанная в стандартах на осциллографы конкретных типов.

Синхронные наводки v определяют измерением амплитуды наложенных на изображение колебаний, вызванных внутренними наводками, синхронными с запуском развертки.

Значение синхронных наводок находят по формуле

, (2.10)

где v_i – отклонение луча трубки из-за наложения на изображение колебании, вызванных внутренней наводкой; S – толщина луча.

Измерения производят в тех же условиях, что и измерения отражений.

7. Параметрами входов. Например: вход открытый (закрытый); входное сопротивление 1 М0м ± 3%, входная емкость, параллельная входному сопротивлению, не более 35 пф ± 10%.

Параметры входа осциллографов с полосой пропускания до 30 МГц определяют путем непосредственного измерения сопротивления входа и емкости входа соответствующими приборами. Для более, широкополосных осциллографов в технических условиях дается методика определения этих параметров входа.

8. Чувствительностью (нормальнее значение калиброванного коэффициента отклонения) Е определяют как отношение видимого отклонения луча в миллиметрах к значению вызвавшего его входного сигнала в вольтах или милливольтах, например  = 800 мм/В.

Для осциллографов, калиброванных по чувствительности, при помощи предусмотренных ручек регулировки чувствительности устанавливают значение чувствительности, указанное в технической документации на осциллографы, а для осциллографов, не калиброванных по чувствительности, устанавливают максимальную чувствительность. Чувствительность измеряют путем подачи на вход испытательного сигнала с плоской вершиной, калиброванного по амплитуде и вызывающего появление изображения сигнала максимальной амплитуды. Частота сигнала должна быть такой, чтобы не сказывалось влияние частотной характеристики на чувствительности.

Значение чувствительности вычисляют по формуле

, (2.11)

где U_ВХ – полный размах входного напряжения (двойная амплитуда);

– видимое отклонение луча трубки, вызванное испытательным сигналом.

9. Погрешностью калибраторов амплитуды и погрешностью измерения амплитуды; погрешностью калибраторов временных интервалов и погрешностью измерения временных интервалов. Определение погрешности измерения временных интервалов и амплитуды производится методом сравнения показаний испытуемого осциллографа и образцового измерительного устройства с погрешностью измерения соответствующих величин в три раза меньше, чем у по­веряемого осциллографа. Параметры испытательного сигнала указываются в ГОСТе или технической документации на осциллографы.

10. Длительностью разверток. Например, 20 мс/дел. Длительность непрерывных разверток проверяют по изображению на экране испытательного сигнала синусоидальной формы и определенной частоты. Для определения длительности разверток подсчитывают число периодов синусоиды, укладывающейся на рабочей части разверток.

11. Нелинейностью развертки. Измеряют, нелинейность разверток путем исследования рабочей части развертки во всей рабочей части экрана осциллографа. Определяют нелинейность развертки при помощи временного интервала, размер изображения которого в средней части экрана равен 1 см или одному делению шкалы экрана, при таком положении развертки, когда начало рабочей части развертки, совмещено с началом рабочей части экрана. Значение нелинейности развертки в процентах вычисляют по формуле

, (2.12)

где – длительность наиболее отличного от 1 см или одного деления шкалы временного интервала в любом месте рабочей части развертки в пределах рабочей части экрана.

При этом испытании положения органов регулировки развертки устанавливаются стандартами или технической документацией на осциллографы конкретного типа.

Кроме указанных характеристик в соответствии с ГОСТ 9810-69 осциллограф характеризуется следующими параметрами.

12. Рабочей частью экрана.

13. Минимальной частотой следования развертки.

14. Толщиной линий луча электроннолучевой трубки.

15. Допускаемым суммарным значением постоянного и переменного напряжений на входах.

16. Максимально допускаемым значением амплитуды исследуемого сигнала.

17. Минимальным значением и минимальной длительностью исследуемого сигнала, при котором обеспечивается класс точности осциллографа.

18. Дрейфом нуля усилителей.

19. Запаздыванием начала развертки относительно сигнала син­хронизации (для осциллографов без линии задержки).

20. Возможностью синхронизации (внешняя, внутренняя).

21. Разностью фаз между каналами.

22. Наводками с канала на канал.

23. Конструктивными характеристиками (массой, габаритами, питанием, условиями работы и т. п.).