Осциллограф входит в комплект необходимых измерительных приборов при работе с электронными устройствами. Осциллограф – это единственный вид измерительных устройств, который позволяет наблюдать форму сигнала непосредственно, а также оценивать его амплитудные и временные характеристики. Современные осциллографы по точности измерения параметров не уступают специализированным измерительным приборам – вольтметрам, частотомерам.

Назначение осциллографа – это наблюдение формы сигнала, измерение его мгновенных параметров в любой момент времени наблюдения, сравнение формы и фазовых сдвигов с другими колебаниями.

Устройство и принцип действия

Устройство электронного осциллографа можно без преувеличения назвать одним из самых сложных среди большинства измерительных приборов. По принципу работы он практически идентичен телевизионному приемнику, с той разницей, что вместо сигнала изображения на его вход подается исследуемый сигнал.

В основе устройства лежит электронно-лучевая трубка, на которой визуально отображается состояние входного электрического сигнала. Для того чтобы согласовывать изображение на экране с реальной формой колебаний, электронный луч осциллографа управляется генератором строчной развертки.

Электронно-лучевая трубка осциллографа имеет в составе две пары отклоняющих пластин, которые управляют положением электронного луча на экране. Первая пара расположена горизонтально и отвечает за отклонение луча по горизонтали. Для этого на нее подается напряжение пилообразной формы от генератора горизонтальной развертки. Постепенно увеличивающееся напряжение вызывает линейное отклонение луча по горизонтали. Во время резкого спада импульса развертки луч возвращается назад для того, чтобы начать движение заново. Момент возврата луча не должен быть виден на экране, поэтому в это время на экран подается напряжение гашения луча.

Наиболее полно уяснить работу осциллографа можно, рассмотрев блок-схему внутреннего устройства.

Схема осциллографа позволяет более детально понять принцип его работы. По ней видно, что в состав прибора входит два канала: вертикального и горизонтального отклонения.

Горизонтальная развертка

Канал горизонтального отклонения (называется канал X) подключен к генератору развертки, который вырабатывает сигнал горизонтального отклонения лучей ЭЛТ. Генератор развертки может работать в нескольких режимах:

• Внутренняя синхронизация. Работает в режиме автоколебаний с вручную выставленной частотой;
• Внешняя синхронизация. Запуск генератора происходит от входных импульсов. Включает три подрежима: запуск по фронту или по спаду импульсов и от внешнего источника колебаний;
• Синхронизация от питающей сети (50Гц);
• Ручной (однократный) запуск.

Режим внутренней синхронизации удобен при исследованиях сигналов стабильной частоты, поскольку только при таком условии наблюдается стабильное неподвижное изображение. Для увеличения стабильности в данном режиме может быть организован захват частоты на входе собственным генератором развертки.

В режиме внешней синхронизации, его еще называют ждущий режим, запуск генератора производится в момент достижения входным сигналом определенного уровня или от внешнего источника. Данный режим удобен для исследования недостаточно стабильных колебаний, особенно, когда используется синхронизация генератора развертки и исследуемой схемы от одного источника колебаний. Для точной установки уровня, с которого начинается запуск генератора, в приборе предусмотрена регулировка.

Зачем предусмотрена синхронизация от сети? При синхронизации от питающей сети запуск развертки происходит синхронно с колебаниями сетевого напряжения, что очень удобно при наблюдении помех и искажений, вносимых устройствами питания.

К сведению. Ручная синхронизация используется при исследовании непериодических сигналов, например, в логических схемах.

Вертикальная развертка

По аналогии с координатной сеткой канал вертикального отклонения именуется канал Y. В нем происходит обработка входного исследуемого сигнала, который подается в канал через аттенюатор – ступенчатый регулятор уровня. Так сделано для того, чтобы амплитуда измеряемого параметра не превышала допустимого уровня, и наблюдаемая картинка не выходила за границы экрана. Канал вертикального отклонения имеет возможность передачи сигнала на задающий генератор горизонтального отклонения для синхронизации последнего.

Обычный режим работы канала Y – открытый. Это означает, что вертикальное отклонение луча будет в точности соответствовать уровню сигнала. Когда имеется постоянная составляющая, она может мешать наблюдению колебаний, поскольку картинка на экране будет сильно смещена к верхней или нижней границе экрана или даже выходить за нее. Либо же придется подгонять аттенюаторов в размер экрана. Постоянную составляющую можно убрать, переключив канал в режим закрытого входа.

Что такое закрытый вход? В таком случае сигнал поступает через конденсатор, который не создает препятствий для переменного напряжения.

Оба канала имеют оконечные усилители, которые формируют необходимые уровни сигналов, подаваемых на отклоняющие пластины.

Основные параметры

Как и любой другой измерительный прибор, электронный осциллограф имеет характеристики, которые определяют возможную область применения:

• Для того чтобы вход устройства не вносил искажения в исследуемую схему, его сопротивление должно быть достаточно велико. Подавляющее большинство осциллографов имеет сопротивление входа 1 Мом;
• Второй важный параметр – верхняя граничная частота исследуемого сигнала. Современные осциллографы способны работать с колебаниями гигагерцовой частоты. Здесь имеется в виду не только частота сигнала, но и длительность фронта или спада отдельных импульсов, то есть время изменения амплитуды. Это важно при исследовании сигналов несинусоидальной формы. Чем ближе форма сигнала к прямоугольной, тем больше в нем присутствие высокочастотных гармонических составляющих. Если входные цепи не рассчитаны на такую частоту, то на изображении передняя и задняя стенки импульсов будут передаваться с искажениями. Частота будет отображаться верно, но форма импульса уже не будет соответствовать реальной;

Важно! При исследованиях прямоугольных колебаний верхняя допустимая частота электронно лучевого осциллографа должна в несколько раз превосходить частоту сигнала.

• Диапазон допустимых значений уровня. Разумеется, что колебания малого уровня не будут способны вызвать отклонения электронного пучка ЭЛТ или выйдут из допустимых пределов разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя частоты. Высокие значения мало того что вызовут искажения изображения, но могут и вывести из строя входные цепи устройства.

Области применения

Как уже понятно из предыдущих описаний, осциллографы служат для исследований формы периодических и дискретных сигналов. В некоторых случаях измерений без них обойтись практически невозможно. Вольтметр и амперметр дают только понятие об уровнях сигнала, частотомер – об их частоте, но полной картины без использования осциллографа достигнуть невозможно.

Одна из значительных областей применения – исследование формы телевизионного сигнала, где, кроме сигнала, несущего информацию о передаваемом изображении, присутствуют данные о сигналах синхронизации кадровой и строчной разверток, импульсах цветовой синхронизации и прочей дополнительной информации. Наблюдения осциллографических изображений телевизионного сигнала позволяют значительно облегчить ремонт и регулировку трактов изображения телевизионных приемников.

Типы осциллографов

По принципу построения внутренней схемотехники электронно лучевые осциллографы делятся на:

• Аналоговые;
• Цифровые;
• Аналоговые с цифровой обработкой сигнала.

Исторически первыми появились аналоговые устройства, так как требовали наличия обычных аналоговых компонентов для работы внутренних составляющих. При этом они обеспечивали достаточно точное отображение формы сигнала, но не имели возможности производить замеры амплитудных и частотных характеристик. Движение электронного луча вкупе с искажениями, вносимыми входным трактом, давали большую нелинейность при определении амплитуды и частоты сигнала. Таким образом, по этим параметрам можно было производить только оценочные измерения.

Наблюдения были возможны только для периодических сигналов.

Появление специальных электронно-лучевых трубок позволило организовать память на одно движение луча горизонтальной развертки. Это было необходимо для оценки однократных сигналов или импульсных помех.

Более широкие возможности имеют устройства с цифровым трактом обработки сигнала, который после входных цепей осциллографа подавался на аналого-цифровой преобразователь. Данный алгоритм позволил производить точные измерения параметров, в том числе напряжение и частоту следования, длительность импульсов. Используя запоминающее устройство, легко можно было организовать запоминание любых участков формы сигнала без применения специальных трубок.

Цифроаналоговые осциллографы бывают двух подвидов. В первых из них цифровой тракт использовался только как дополнение к аналоговому для измерения параметров, во вторых – использовался для формирования изображения на ЭЛТ. Первый тип устройств по своим параметрам ничем не отличался от классических аналоговых, имея дополнительную опцию по измерению параметров. Второй подвид вплотную приблизился к полностью цифровым приборам, отличаясь только устройством отображения информации.

Цифровые осциллографы используют для отображения информации жидкокристаллический дисплей, на котором, кроме формы сигнала, отображаются все измеряемые параметры:

• Напряжение: амплитудное, среднее;
• Частота сигнала;
• Длительность импульсов;
• Длительность фронта и спада импульсов;
• Фазовые сдвиги.

Таким образом, один прибор способен заменить собой большую часть измерительных приборов.

Первые цифровые осциллографы характеризовались малой разрешающей способностью экрана и в этом качестве сильно уступали аналоговым устройствам, рисуя на дисплее сильно искаженную картинку сигнала. В настоящее время это ограничение снято, и качество изображения не уступает электронно-лучевой трубке.

Важно! Среди полезных качеств цифровых осциллографов следует отметить широкие возможности по запоминанию изображения и параметров измеряемых сигналов на различных участках времени, хранение информации и вывод ее на печать или передачу на внешние носители.

Методика измерений

Перед началом работы производится калибровка прибора. Для этой цели предусмотрены выходы встроенного калибратора со строго фиксированными значениями частоты и напряжения. Регулировкой чувствительности и частоты устанавливают изображение на экране в соответствии с нормой.

Для измерений следует иметь в виду, что щупы осциллографа имеют два вывода, один из которых подключается к общей точке электросхемы – массе.

Предварительно на входном аттенюаторе выставляется уровень, соответствующий напряжению измеряемого сигнала. Если это значение неизвестно, то следует начинать с максимального положения. Обычно это 100 В на одно деление экрана. Переключая положение аттенюатора, добиваются того, чтобы картинка занимала большую часть экрана.

Далее выставляют требуемый режим синхронизации и частоту развертки задающего генератора. На регуляторе частоты установлены значения длительности периода колебаний. То есть, если переключатель установлен в положение 20 мс/дел, это означает, что период колебаний длительностью 20 мс будет укладываться в одно деление координатной сетки. Это соответствует частоте 50 Гц.

Регулятором уровня и синхронизации добиваются неподвижности изображения.

Для измерений используется следующая методика:

1. Уровень сигнала определяют, подсчитывая, сколько делений по вертикали занимает изображение. Полученное число умножают на значение аттенюатора;
2. Также определяют и длительность сигнала, с тем отличием, что отсчитывают деления по горизонтали и умножают число на значение регулятора длительности. Частоту определяют по формуле:

Дополнительные возможности

Существуют многоканальные осциллографы, у которых имеется несколько входов Y и, соответственно, можно наблюдать сразу несколько сигналов. Для чего нужен многоканальный осциллограф? Он незаменим для определения фазовых сдвигов колебаний относительно друг друга и их сравнения.

Для увеличения входного диапазона применяются входные делители 1:10 или 1:100, которые поднимают допустимое верхнее значение сигнала в 10 и 100 раз, соответственно. Этот факт нужно учитывать при измерениях в дальнейшем. Наличие входного делителя при этом пропорционально увеличивает и входное сопротивление прибора.

Цифровые осциллографы избавляют от необходимости ручного подсчета амплитуды и частоты, выводя эти значения на экран. Кроме того, они позволяют заносить изображение в память и передавать его на внешнее печатающее устройство.

При отсутствии дополнительных входов Y для определения фазовых сдвигов нужен осциллограф, у которого предусмотрен вход Х с отключенным внутренним генератором развертки. Подавая колебания на входы X и Y, можно сравнивать фазы и частоты по так называемым фигурам Лиссажу.

Видео

Электронно-лучевые (электронные) осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий частотный диапазон (до 100 МГц), высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение.

В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электронно-лучевой трубки .

Электронно-лучевые трубки.

Простейшая однолучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и в котором расположены (рис.4.20) подогреваемый катод К , модулятор (сетка) М, фокусирующий анод А 1 ускоряющий анод А 2 , две пары взаимно перпендикулярных откло-няющих пластин ОП х и ОП у (горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины). Внутренняя поверхность дна баллона (экран Э) покрыта люминофором, способным светиться под действием бомбардировки электронами .

Рис. 4.20. Схема управления лучем электронно-лучевой трубки

Совокупность электродов К , M, A 1 , А 2 называют электронной пушкой. Конструктивно эти электроды выполнены в виде цилиндров, расположенных по оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов — электронный луч. Для этого на электроды пушки подают напряжение, как показано на рис.4.20, где ЦУЭЛ — цепи управления электронным лучом.

Интенсивность электронного луча регулируют путем изменения отрицательного относительно катода напряжения на модуляторе , что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Напряжения на первом и втором анодах формируют электронную линзу для фокусировки потока электронов в узкий луч, позволяющий получить на экране трубки светящееся пятно малого размера. Для ускорения электронов до скорости, необходимой для свечения люминофора, служит третий анод А3, на который подается высокое положительное напряжение.

Сформированный электронный луч проходит между парами отклоняющихся пластин ОП х и ОП у и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется, соответственно, по осям координат X и У, вызывая смещение светящегося пятна на экране трубки. На рис.4.20 также показана упрощенная схема управления начальной установки луча по оси Y (по оси X управление аналогичное). Меняя положение подвижного контакта переменного резистора («Смещение Y»), можно изменять напряжение на пластинах Y и тем самым смещать луч по экрану.

Чувствительность электроннолучевой трубки равна

где l t — отклонение луча на экране трубки, вызванное напряжением U t приложенным к отклоняющим пластинам. Обычно S T = 0,5 ÷ 5 мм/В.

Устройство и принцип действия осциллографа.

Упрощенная функциональная схема осциллографа (рис.4.21) включает в себя электронно-лучевую трубку ЭЛТ, входной делитель напряжения ВД, усилитель вертикального отклонения УВО, состоящий из предварительного усилителя ПУ, линии задержки ЛЗ и выходного усилителя ВУ, блок синхронизации БС, генератор развертки ГР, усилитель горизонтального отклонения УГО и калибраторы амплитуды КА и длительности КД.

Рис.4.21. Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа

Исследуемый сигнал подается на вход Y канала вертикального отклонения, включающего в себя входной делитель и усилитель вертикального отклонения. Выходное напряжение УВО, поступая на вертикальные отклоняющие пластины, управляет отклонением электронного луча в трубке по оси Y.

При подаче переменного напряжения на вход Y электронный луч вычерчивает на экране осциллографа вертикальную линию. Для получения изображения исследуемого сигнала, развернутого во времени, необходимо смещать (развертывать) луч по оси X с равномерной скоростью. Это осуществляется подачей на отклоняющие пластины ОП х линейно изменяющегося пилообразного напряжения, вырабатываемого генератором развертки ГР .

Принцип развертки изображения иллюстрируется рис.4.22, где даны кривые изменения напряжения и х и u у , подаваемые на пластины ОП х и OП y и получающееся при этом изображение на экране осциллографа. Цифрами 1 - 4, 1’ - 4" обозначены точки кривых в соответствующие моменты времени. Из рисунка видно, что при равенстве периодов напряжений и х и u Y на экране получается неподвижное изображение одного периода исследуемого сигнала. При увеличении периода пилообразного напряжения и х в п раз на экране появится изображение п периодов исследуемого сигнала.

Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа частота пилообразного напряжения развертки должна быть кратна частоте исследуемого сигнала. Выдержать точно кратность частот напряжений их и uY на практике оказывается достаточно сложно вследствие «ухода» частоты генератора ГР и изменения частоты исследуемого сигнала. Это приводит к неустойчивости изображения сигнала. Для обеспечения устойчивости изображения в осциллографе имеется блок синхронизации БС, который осуществляет изменение частоты генератора ГР (в некоторых пределах) в соответствии с частотой исследуемого процесса.

Для наблюдения непериодических или однократных сигналов используется ждущий режим работы генератора развертки, при котором пилообразный импульс вырабатывается только с приходом исследуемого импульса. Для того, чтобы не потерять изображение на экране начальной части сигнала, в канале вертикального отклонения используется линия задержки ЛЗ. Благодаря ей исследуемый сигнал поступает на пластины вертикального отклонения спустя некоторое время t ЗАД после начала работы генератора развертки.

В осциллографах предусматривается также возможность запуска генератора развертки от внешнего источника сигналов, подключаемого к специальному входу «Вход синхронизации».

Основные характеристики осциллографов.

Коэффициент отклонения К U - отношение напряжения входного сигнала к отклонению луча (в делениях шкалы), вызванному этим напряжением. Типовой диапазон значений 50 мкВ/дел - 10 В/дел.

Коэффициент развертки К t - отношение времени Δt к отклонению луча, вызванному напряжением развертки за это время. Типовой диапазон значений 0,01 мкс/дел - 1 с/дел.

Полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого коэффициент отклонения изменяется не более чем на 3 дБ относительно значения на средней частоте. Современные осциллографы имеют полосу пропускания 100 МГц.

Классы точности осциллографов - 1, 2, 3 или 4 при величине основной погрешности измерения напряжения и временных интервалов, соответственно, не более 3, 5, 10, 12%.

Параметры входов осциллографов определяется активным сопротивлением R ВХ (>1 Мом) и входной емкостью С ВХ (единицы пикофарад)

Осциллограф - прибор, показывающий форму напряжения во времени. Также он позволяет измерять ряд параметров сигнала, такие как напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз. Но главная польза от осциллографа - возможность наблюдения формы сигнала. Во многих случаях именно форма сигнала позволяет определить, что именно происходит в цепи. На рис. 1 показан пример подобной ситуации.

Рис. 1. Осциллограмма сложного сигнала.

В этом случае напряжение содержит как постоянную, так и переменную составляющие, причем форма переменной составляющей далека от синусоидальной. На таком сигнале вольтметры дают большую ошибку: стрелочный вольтметр переменного тока показал напряжение 2,2 вольт, а цифровой - вообще 1,99 вольт. Вольтметр постоянного тока показал 4,8 вольт. Правильное действующее значение напряжения показал осциллограф - 5,58 вольт (цифровые осциллографы измеряют напряжение и позволяют сохранять результаты в компьютерном формате). Кроме того, осциллограмма позволяет увидеть некоторые свойства сигнала:

• сигнал имеет импульсный характер;
• сигнал не принимает отрицательных значений (измерено с открытым входом осциллографа);
• сигнал очень быстро изменяется от нуля до значения 6,4 вольта и обратно до нуля (чувствительность канала вертикального отклонения 2 V/дел);
• длительность импульсов более чем в три раза превышает длительность пауз.

В общем, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.

В подавляющем большинстве случаев исследуются периодические сигналы, именно про них мы и будем говорить.

1. Принцип действия осциллографа

«Сердцем» прибора является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), рис.2.

Рис. 2. Устройство электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением.

ЭЛТ является электронной лампой, и, как и все лампы, она «заполнена» вакуумом. Катод излучает электроны, а система фокусировки формирует из них тонкий луч. Этот электронный луч попадает на экран, покрытый люминофором, который под воздействием электронной бомбардировки светится, и в центре экрана возникает светящаяся точка. Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси - пропорционально исследуемому напряжению.

На пластины горизонтального отклонения луча (расположенные вертикально) подается напряжение развертки. Оно имеет пилообразную форму: постепенно линейно нарастает и быстро спадает (рис. 3). Отрицательное напряжение отклоняет луч влево, а положительное - вправо (если смотреть со стороны экрана). В результате луч движется по экрану слева направо с определенной постоянной скоростью, после чего очень быстро возвращается к левой границе экрана и повторяет свое движение. Расстояние, которое проходит луч вдоль горизонтальной оси, пропорционально времени. Этот процесс называется разверткой, а горизонтальная линия, которую луч прочерчивает по экрану, называется линией развертки (иногда при измерениях ее называют нулевой линией). Она играет роль оси времени t графика. Частота повторения пилообразных импульсов называется частотой развертки, но она для измерений не используется. Для измерений нужно знать скорость развертки, про которую будет сказано ниже.

Рис. 3. Форма напряжения развертки.

Если при этом на пластины вертикального отклонения (расположенные горизонтально) подать исследуемое напряжение, то луч начнет отклоняться и по вертикали: при положительном напряжении вверх, а при отрицательном - вниз. Движения по вертикали и по горизонтали происходят одновременно и в результате исследуемый сигнал «разворачивается» во времени. Получившееся изображение называется осциллограммой.

На самом деле кроме линейной существует еще круговая и спиральная развертки, а также фигуры Лиссажу, когда один из сигналов является разверткой для второго. Но это уже совсем другая история…

Важным моментом является соотношение частот развертки и сигнала. Если эти частоты в точности равны, то на экране отображается ровно один период исследуемого сигнала. Если частота сигнала вдвое больше частоты развертки, то мы увидим два периода, если втрое - то три. Если частота сигнала вдвое меньше частоты развертки, то мы увидим только половину периода сигнала. Частоту (скорость) развертки можно регулировать в широких пределах. Но изображение будет стабильным только в том случае, если частоты развертки и сигнала точь-в-точь совпадают. При малейшем несовпадении частот, каждое начало движения луча по экрану будет соответствовать новой точке функции входного сигнала, и ее график каждый раз будет рисоваться в новом положении. При небольшом несовпадении частот (доли герца) это будет выглядеть как график, «плывущий» влево или вправо. При несовпадении частот в несколько герц и более, осциллограмма становится нечитаемой (рис. 4).

Рис. 4. Осциллограмма при отсутствии синхронизации.

А ведь добиться абсолютно точного совпадения частот (особенно в десятки-сотни килогерц) практически невозможно. Поэтому разверткой в осциллографе управляет специальная схема синхронизации. Она задерживает начало движения луча по экрану так, чтобы луч начинал двигаться в тот момент, когда входное напряжение достигло определенного значения. В этом случае луч начинает движение (и рисование осциллограммы) каждый раз с одной и той же точки графика входного сигнала. В результате каждое следующее движение луча рисует картинку в одном и том же положении, даже если частоты сигнала и развертки заметно не совпадают. Изображение получается стабильным и устойчивым. Напряжение сигнала, при котором происходит синхронизация (уровень синхронизации), задается органами управления осциллографа. Визуально изменение этого напряжения вызывает смещение начала изображаемого графика относительно начала периода сигнала, рис. 5.

Рис. 5. Осциллограммы при разных уровнях синхронизации.

Для того чтобы можно было наблюдать несколько сигналов одновременно, выпускают многолучевые и многоканальные осциллографы. Обычно число каналов равно двум (иначе получается очень сложно и дорого). ЭЛТ двухлучевых осциллографов работает одновременно с двумя лучами на общем экране, которые позволяют наблюдать два сигнала абсолютно независимо. Но такие приборы сложны и дороги. Поэтому больше распространены двухканальные осциллографы. Их ЭЛТ самая обычная, но они имеют два отдельных входа и два независимых усилителя вертикального отклонения, которые обслуживают входные сигналы. Кроме того, они имеют встроенный высокоскоростной коммутатор, очень быстро переключающий ЭЛТ (пластины вертикального отклонения) от одного канала к другому. Изображения сигналов при этом не являются непрерывными линиями, а состоят из множества штрихов. Но на экране штрихи сливаются, и в результате получается два графика входных сигналов. Лишь при наблюдении высокочастотных сигналов и неудачной частоте развертки изображение может стать пунктирным.

2. Подключение осциллографа

Поскольку напряжение измеряется между двумя точками, то вход осциллографа имеет две клеммы. Причем они не равнозначны. Одна клемма, называемая «фаза», подключена ко входу усилителя вертикального отклонения луча. Вторая клемма - «земля» или «корпус». Она называется так потому, что электрически соединена с корпусом прибора (это общая точка всех его электронных схем). Осциллограф показывает напряжение фазы по отношению к земле .

Очень важно знать, какой из входных проводников является фазой. В импортных приборах обычно используются специализированные щупы, земля которых имеет зажим типа «крокодил» так как часто подключается к корпусу исследуемого устройства, а фаза оканчивается либо «иголкой», которой можно удобно и надежно «воткнуться» даже в контакт маленького размера, либо зажимом (рис. 6). В этом случае перепутать фазу и корпус в принципе невозможно.

Рис. 6. Щуп импортного осциллографа, слева «игла», справа зажим.

Осциллографы отечественного производства чаще всего комплектуются шнурами, имеющими стандартные для России 4-мм штекеры (к ним иногда применяется название «банан», пришедшее из аудиотехники), рис. 7. В этом случае оба штекера одинаковы, и для того, чтобы их различать используются дополнительные признаки. Этих признаков несколько, и они могут встречаться в любом сочетании:

Однако, к сожалению, эти правила выполняются не всегда. Особенно это относится к кабелям, прошедшим ремонт: туда могут поставить любой проводник, имеющийся в наличии и первый попавшийся штекер. Поэтому есть еще один способ определения фазы и корпуса, дающий стопроцентную гарантию.

Рис. 7. Штекер отечественного осциллографа.

Для определения какой из проводников является фазой, а какой корпусом, надо при никуда не подключенном осциллографе взяться рукой за контакт одного из входных проводников, при этом другой рукой ни до чего не дотрагиваться. Если этот проводник - корпус, то на экране будет только лишь горизонтальная линия развертки. Если этот проводник - фаза, то на экране возникнут довольно значительные помехи, представляющие собой сильно искаженную синусоиду частотой 50 Гц (рис. 8).

Рис. 8. Помехи на экране осциллографа при касании рукой фазы входного кабеля.

Эти помехи возникают из-за того, что существует емкость между телом человека и проводами сети, проложенной в помещении. И возникает ток, протекающий по такой цепи: фаза осветительной сети переменного тока 220 В 50 Гц - емкость между проводами сети и телом человека - рука человека - вход усилителя (фаза входного кабеля) - электронная схема усилителя - корпус осциллографа - емкость между корпусом и Землей - нейтральный провод сети (он всегда заземлен). Цепь замкнута, ток течет. Величина этого тока составляет 10^-8…10^-6 ампера, но вход осциллографа имеет очень высокое сопротивление (порядка 10^6 Ом), поэтому на нем возникает достаточно большое напряжение. Синусоида выглядит искаженной оттого, что емкостное сопротивление участка сеть - тело человека зависит от частоты: чем частота выше, тем сопротивление меньше. Поэтому высокочастотные составляющие (гармоники сети и проникшие в нее помехи) создают больший ток и большее напряжение на входе осциллографа.

Определив фазу и корпус входного кабеля, можно подключать осциллограф к исследуемой цепи. Если в ней нет четко выраженного общего провода, то корпус подключается к любой из точек, напряжение между которыми требуется исследовать. Если в цепи присутствует общий провод - точка, условно принимаемая за нулевой потенциал, соединенная с корпусом устройства или реально заземленная, то корпус осциллографа лучше подключать к этой точке. Невыполнение этого правила может привести к значительным погрешностям измерений (иногда настолько большим, что измерениям и вовсе нельзя доверять).

По своей сути осциллограф является вольтметром, показывающим график напряжения. Однако с его помощью можно наблюдать и форму тока. Для этого последовательно с исследуемой цепью включают резистор Rт (здесь индекс «т» означает токовый), рис. 9. Сопротивление резистора Rт выбирают намного меньшим, чем сопротивление цепи, тогда резистор не влияет на ее работу и его включение не приводит к изменениям режима работы цепи. На резисторе по закону Ома возникает напряжение:

Это напряжение и измеряется осциллографом. А зная величину Rт можно перевести напряжение, показываемое осциллографом в ток.

Рис. 9. Измерение тока осциллографом.

Двухканальный (и двухлучевой) осциллограф может показывать осциллограммы двух сигналов одновременно. Для этого у него имеется два входа (канала), обычно обозначаемых I и II. Следует помнить, что одна из входных клемм каждого канала соединена с корпусом осциллографа, следовательно, клеммы «корпус» обоих каналов соединены между собой. Поэтому эти клеммы должны подключаться к одной и той же точке цепи, иначе в цепи произойдет замыкание (рис. 10).

Рис. 10. Подключение двухканального осциллографа. «Земли» входов могут создать замыкание в цепи.

На рис. 10а точки цепи В и D оказались замкнутыми между собой через корпус осциллографа (замыкающий проводник показан пунктиром). В результате конфигурация цепи изменилась.

Возможность наблюдать не любые два напряжения, а только имеющие общую точку, является недостатком, но небольшим - в электронике один из полюсов источника питания всегда является общим проводом, и все напряжения измеряются относительно него.

Используя двухканальный осциллограф можно одновременно наблюдать и напряжение, и ток в цепи. И таким образом измерять сдвиг фаз между током и напряжением. Схема подключения осциллографа в этом случае показана на рис. 11.

Рис. 11. Подключение осциллографа для измерения сдвига фаз.

Канал I измеряет напряжение, а канал II измеряет ток. Такое включение наиболее оптимально, т.к. напряжение, падающее на резисторе Rт и подаваемое в канал II, в 30…100 раз меньше, чем в канале I, следовательно, оно больше подвержено помехам и синхронизация от низкого напряжения не такая хорошая. Кроме того, конструкция большинства осциллографов несколько «несимметричная» - синхронизация от сигнала канала I обычно более качественная и стабильная. Таким образом, подключение канала I к напряжению обеспечивает более стабильное изображение осциллограммы.

Ошибка подключения на рис. 11б состоит в том, что клеммы корпуса обоих входов не соединены в одной точке. В результате резистор Rт оказывается замкнут накоротко через корпус осциллографа. Самое неприятное, что при этом напряжение на резисторе Rт не равно нулю - из-за того, что сопротивление проводов входных кабелей (через которые этот резистор замыкается) не нулевое. Поэтому при таком подключении можно не заметить эту ошибку (ведь осциллограф что-то показывает), а результат измерения тока при этом будет неверным.

Включение, показанное на рис. 11в неудачно тем, что канал I осциллографа измеряет не напряжение в исследуемой цепи, а сумму напряжений в цепи и на резисторе Rт (напряжение измеряется не на нагрузке, а на источнике). Напряжение на Rт хоть и небольшое по величине, но все равно вносит погрешность в измерение напряжения.

Подключение осциллографа, показанное на рис. 11а не только обеспечивает наибольшую точность измерений, но и позволяет в ряде случаев использовать резистор Rт с довольно большим сопротивлением. Это важно при измерении малых токов: если и ток в цепи и сопротивление Rт малы, то возникающее на Rт напряжение может быть настолько маленьким, что чувствительности осциллографа не хватит для его отображения.

При измерении сдвига фаз необходимо инвертировать сигнал в канале II, поскольку канал II включен встречно по отношению к каналу I.

Рассмотрим переднюю панель двухканального осциллографа С1-83 (рис. 12).

Рис. 12. Передняя панель осциллографа С1-83.

А - управление каналом I.
Б - управление отображением каналов.
В - управление каналом II.
Г - регулировка яркости луча, фокусировки и подсветки экрана.
Д - управление разверткой.
Е - управление синхронизацией.

Хорошо видно, что экран осциллографа разбит на клетки. Эти клетки называются делениями, и используются при измерениях: к ним привязываются все масштабы по вертикали и горизонтали. Масштаб по вертикали - вольты на деление (В/дел или V/дел), масштаб по горизонтали секунды (милли- и микросекунды) на деление. Обычно осциллограф имеет 6…10 делений по горизонтали и 4…8 делений по вертикали. Центральные вертикальная и горизонтальная линии имеют дополнительные риски, делящие деление на 5 или 10 частей (рис. 13, на рис. 12 тоже видно). Риски служат для более точных измерений, они являются долями деления.

Рис. 13. Деления экрана осциллографа.

Управление обоими каналами одинаковое. Рассмотрим его на примере канала I (рис. 14).

Рис. 14. Органы управления канала I.

1. Переключатель режима входа. В верхнем положении «» на вход поступает и постоянное и переменное напряжение. Это называется «открытый вход» - то есть открытый для постоянного тока. В нижнем положении «~» на вход проходит только переменное напряжение, это позволяет измерять маленькое переменное напряжение на фоне большого постоянного, например в усилителях. Реализуется это очень просто: вход усилителя подключается через конденсатор. Это называется «закрытый вход». Учтите, что при закрытом входе очень низкие частоты (ниже 1...5 Гц) сильно ослабляются, поэтому измерять их можно только при открытом входе. В среднем положении переключателя 1 вход усилителя осциллографа отключается от входного разъема и замыкается на землю. Это позволяет при помощи ручки 7 выставить линию развертки в нужное место.

2. Входной разъем канала.

3, 4, 5, 6. Регулятор чувствительности канала вертикального отклонения (масштаба по вертикали). Переключатель 4 задает масштаб ступенчато. Задаваемые им значения нанесены рядом с ним. На выбранное значение указывает риска 5 на переключателе. На рисунке она указывает на значение 0,2 вольта/деление. Ручка 3, расположенная соосно с переключателем, позволяет плавно уменьшать масштаб в 2…3 раза. В крайнем правом положении (на рис. 14 ручка «плавно» находится именно в нем) эта ручка имеет фиксацию, тогда масштаб по вертикали в точности равен заданному переключателем 4. Значения масштабов, выделенные скобкой 6, указаны в милливольтах на деление - об этом говорит надпись «mV» внутри скобки.

7. Ручка выполняет две функции. При вращении она перемещает график канала по вертикали вверх или вниз . При «вытягивании» задает множитель масштаба по вертикали: вытянутая ручка (рис. 15) задает множитель х1, а утопленная множитель х10. Утопленное и вытянутое положения символически показаны над и под ручкой.

Рис. 15. Ручка множителя масштаба по вертикали вытянута в положение «х1».

Канал II (рис. 16) аналогичен каналу I:

1 - переключатель режима входа;
2 - входной разъем;
3 - масштаб плавно;
4 - масштаб ступенчато;
5 - перемещение луча по вертикали и множитель масштаба.

Рис. 16. Органы управления канала II.

Но второй канал имеет дополнительный переключатель 6, позволяющий инвертировать его входной сигнал. В нажатом положении канал работает как обычно, а в вытянутом - инвертируется, то есть при отрицательном входном сигнале луч движется вверх, а при положительном - вниз. Это необходимо при измерении, например, сдвига фаз.

На рис. 17 показано управление отображением каналов, которое определяется нажатием на одну из кнопок.

Рис. 17. Управление отображением каналов.

1 - Работает только канал I, канал II отключен.

2 - Оба канала отображаются одновременно (луч очень быстро переключается между каналами) и взаимное положение осциллограмм обоих каналов верное. В этом режиме можно измерять сдвиг фаз.

3 - Осциллограф показывает сумму или разность сигналов в каналах (знак второго канала определяется положением ручки 6 на рис. 16).

4 - Отображаются сигналы обоих каналов, но они независимы во времени, поэтому никакое сравнение сигналов относительно времени и сдвига фаз производить нельзя.

5 - Работает только канал II, канал I отключен.

Панель управления разверткой (рис. 18) похожа на панель управления каналом вертикального отклонения луча. Она содержит ручку 4, позволяющую сдвигать изображение влево-вправо и комбинированный регулятор (1 - ступенчато, 3 - плавно) скорости развертки (масштаба по горизонтали). Риска 2 на переключателе показывает установленное значение. Как и в каналах вертикального отклонения, переключатель скорости развертки имеет разные единицы измерения: секунды s , миллисекунды ms , микросекунды µs . Вытянутая/утопленная ручка 4 «» задает множитель скорости развертки х0,2 и х1 соответственно. Обратите внимание: на рис. 18 ручка 3 регулирования скорости развертки «плавно» установлена не в крайнее правое положение. Значит скорость развертки не равна значению, заданному переключателем 1, а меньше него (скорость движения луча меньше, а значение время/деление больше!).

Рис. 18. Органы управления разверткой

На панели управления синхронизацией (рис. 19) задается:

Рис. 19. Органы управления синхронизацией.

1 - Источник внутренней синхронизации: напряжением какого канала синхронизируется движение луча. Эта синхронизация производится входным сигналом, поэтому называется внутренней. Такой режим используется для большинства измерений. Варианты здесь такие: либо синхронизация только сигналом канала I. Либо попытка синхронизации от канала I, а если не получается, то синхронизация производится сигналом канала II. Первый вариант иногда работает немного лучше, поэтому надо стараться, чтобы сигнал первого канала был достаточно большой для стабильной синхронизации. В подавляющем большинстве случаев для нормальной работы следует выбирать именно этот режим синхронизации, включив кнопку «I».

2 - Внешняя синхронизация. Движение луча синхронизируется импульсами, подаваемыми со специального внешнего источника на вход синхронизации осциллографа. Такой режим иногда требуется для исследования специфических сигналов. Если внешнего источника синхронизации нет, то получить устойчивое изображение невозможно. Кнопки «0,5-5» и «5-50» задают диапазон входных напряжений от внешнего источника синхронизации. Кнопка «X-Y» совместно с кнопкой «II X-Y» управления отображением каналов (рис. 17) подает сигнал канала II на пластины горизонтальной развертки. В этом режиме можно наблюдать фигуры Лиссажу.
3 - Ручка «Уровень синхронизации». Задает напряжение синхронизации (рис. 5). В нажатом положении этой ручки (как на рисунке) развертка автоматическая. При этом движение луча будет происходить даже если синхронизации не произойдет. Луч задерживается в начале движения на некоторое время до момента синхронизации, но через некоторое время все равно начинает движение. Это «мягкий» режим, более удобный для работы, так как луч всегда остается видимым. В вытянутом положении ручки включается ждущая развертка. В этом режиме луч не начнет движения до тех пор, пока не произойдет синхронизации. Если синхронизации не происходит, луч не движется. Такой режим хорошо подходит для наблюдения непериодических сигналов. Влияние этой ручки на изображение показано на рис. 4 и 5.

4 - «Полярность» синхронизации. На самом деле знаки «+» и «-» означают несколько другое. В положении «+» синхронизация происходит по фронту, т.е. в тот момент, когда входное напряжение достигает заданного (ручкой «Уровень синхронизации») значения при нарастании входного напряжения (изменении от «-» к «+»), рис. 20. В положении «-» синхронизация происходит по спаду - при убывании входного напряжения (изменении от «+» к «-»). В осциллографе в цепи синхронизации используются две различные схемы: одна определяет равно ли входное напряжение заданному и если равно - запускает движение луча. Это напряжение задается ручкой «Уровень синхронизации». Вторая схема определяет, как при этом изменяется входное напряжение - возрастает или убывает. И соответственно разрешает первой схеме сработать.

5 - Режим входа синхронизации. Относится как к внешней, так и ко внутренней синхронизации. В положении «~» вход закрытый, и синхронизация происходит только от переменного напряжения. В положении «» вход открытый, и на срабатывание схемы синхронизации действует и переменное напряжение, и постоянное. Режим «НЧ» то же самое, но сигнал попадает на цепь синхронизации через фильтр низких частот, обрезающий высокочастотные помехи. Это режим есть не во всех осциллографах.

6 - Вход для подачи сигнала внешней синхронизации.

Рис. 20. «Полярность» синхронизации.

4. Измерения осциллографом

Измерения производятся визуально и их погрешность получается довольно высокой. Кроме того, напряжение развертки имеет невысокую линейность, поэтому погрешность измерения частоты и сдвига фаз может достигать 5%. Для минимизации погрешности, изображение должно иметь размер 80…90% от размеров экрана. При измерении напряжения и частоты (временных интервалов) необходимо ручки плавной регулировки усиления входного сигнала и скорости развертки необходимо установить в крайнее правое положение.

4.1. Измерение напряжения

Для измерения напряжения используется известное значение масштаба по вертикали. Перед началом измерения необходимо замкнуть накоротко входные клеммы осциллографа (или установить переключатель режима входа в положение ) и ручкой установить линию развертки на горизонтальную линию сетки экрана, чтобы была возможность правильно определить высоту осциллограммы, рис. 21а.

После этого на вход подается исследуемый сигнал (или переключатель режима входа устанавливается в одно из рабочих положений). На экране появляется график функции сигнала, рис. 21б.

Рис. 21. Измерение напряжения (скриншот цифрового осциллографа): а - подготовка; б - измерение.

Для того чтобы точнее измерить высоту графика, осциллограмма сдвигается ручкой так, чтобы точка, в которой измеряется амплитуда попала на центральную вертикальную линию, имеющую градуировку в долях деления (рис. 22). Получаем: чувствительность канала вертикального отклонения = 1 В/дел, размер осциллограммы 2,6 деления, следовательно амплитуда сигнала 2,6 вольт.

Рис. 22. Определение амплитуды сигнала.

Продемонстрируем измерение напряжения на самом осциллографе. Максимум напряжения имеет величину 3,4 деления (рис. 23). Определение масштаба по вертикали показано на рис. 24. Ручка «плавно» установлена в крайнее правое положение. Риска на переключателе чувствительности показывает 0,5 вольт/деление. Множитель масштаба установлен в положение х10 (утоплен). Следовательно измеряемое напряжение равно:

Рис. 23. Определение амплитуды на осциллографе С1-83.

Рис. 24. Определение масштаба по вертикали на осциллографе С1-83.

4.2. Измерение частоты

Осциллограф позволяет измерять временные интервалы, в том числе и период сигнала. Частота сигнала обратно пропорциональна его периоду. Период сигнала можно измерять в различных частях осциллограммы, но наиболее удобно и точно измерять его в точках пересечения графиком оси времени. Поэтому перед измерением линию развертки необходимо установить на центральную горизонтальную линию сетки экрана (рис. 21а).

Рис. 25. Измерение периода сигнала.

При помощи ручки начало периода совмещается с вертикальной линией сетки, рис. 25 (лучше всего начало периода совмещать с самой левой вертикальной линией экрана, тогда точность будет максимальна). Период сигнала, показанного на рис. 25 равен 6,8 делений. Скорость развертки - 100 мкс/деление (поскольку греческая буква µ, означающая «микро», не всегда доступна для отображения, ее часто заменяют латинской буквой u , сходной по начертанию). Тогда период сигнала

и его частота:

Обратите внимание, что на рисунках 22 и 25 показан один и тот же сигнал, но при различных значениях скорости развертки. Определение частоты по рис. 22 дает большее значение погрешности (точное значение частоты 1,459 кГц). Поэтому наиболее точные измерения получаются, если максимально растянуть изображение по горизонтали. И еще. На рис. 25 длительность периода сигнала чуть-чуть больше, чем 6,8 делений. Раз период больше, частота сигнала на самом деле чуть-чуть меньше, чем та, которую мы получили: реально 1,459 кГц, а у нас 1,47 кГц. На самом деле погрешность измерения меньше одного процента - это высокая точность. Такую точность обеспечивает цифровой осциллограф, у которого развертка линейна. В аналоговом осциллографе погрешность измерения частоты, скорее всего, была бы выше.

4.3. Измерение сдвига фаз

Сдвиг фаз показывает взаимное расположение двух колебательных процессов во времени. Но его измеряют не в единицах времени (которые откладываются по горизонтальной оси), а в долях периода сигнала (т.е. в единицах угла). В этом случае одинаковому взаимному расположению сигналов будет соответствовать одинаковый фазовый сдвиг, независимо от периода и частоты сигналов (т.е. независимо от реального масштаба графиков по оси времени). Поэтому наибольшая точность измерений получается, если растянуть период сигнала на весь экран.

Поскольку в аналоговом осциллографе графики сигнала обоих каналов имеют одинаковый цвет и одинаковую яркость, то для того, чтобы их различать между собой, рекомендуется сделать их разной амплитуды. При этом напряжение, измеряемое каналом I прибора, лучше делать большим - в этом случае синхронизация будет лучше «держать» изображение. Подготовка к измерениям производится так (см. рис.26, на нем для большей наглядности напряжение и ток показаны разными цветами):

Ручками обоих каналов их линии развертки устанавливаются на среднюю линию сетки экрана (при отсутствии сигналов на входах). Ручками регулировки усиления каналов вертикального отклонения (ступенчато и плавно) сигнал 1-го канала устанавливается большой амплитуды, а 2-го канала - меньшей амплитуды. Ручками регулировки скорости развертки устанавливается такая ее скорость, чтобы на экране отображался примерно один период сигнала. Ручкой «Уровень синхронизации» добиваются того, чтобы график напряжения начинался с оси времени (с линии развертки) - точка А. Ручкой добиваются того, чтобы график напряжения начинался с крайней левой вертикальной линии сетки экрана - точка А. Ручками «Скорость развертки» (ступенчато и плавно) добиваются того, чтобы период графика напряжения заканчивался на крайней правой вертикальной линии сетки экрана. Повторяют пункты 4…6 до тех пор, пока период графика напряжения не будет растянут на весь экран, причем его начало и конец должны совпадать с линией развертки (рис. 26).

Прежде, чем измерять величину сдвига фаз, необходимо определить, какой из сигналов (напряжение или ток) опережает, а какой отстает. От этого зависит знак угла сдвига фаз φ. На рис. 26а ток отстает от напряжения - начало его периода расположено во времени позже, чем начало периода напряжения (начало периода напряжения в точке А, а периода тока - в точке Б). Ток начинается позже, следовательно, он отстает, а напряжение опережает. Этой ситуации соответствуют положительные значения угла сдвига фаз. На рис. 26б ток опережает, а напряжение отстает. Поскольку начало периода тока на экране не отображается, то сравниваются окончания первого полупериода: первым к нулю вернется тот график, который начался раньше (точка Г наступает раньше во времени, чем точка В). Угол сдвига фаз при этом отрицателен.

Рис. 26. Ток отстает от напряжения, φ>0 (а); ток опережает напряжение, φ<0 (б).

Модуль угла сдвига фаз φ это расстояние между началами или между концами периода (положительного полупериода) сигналов в делениях сетки экрана (рис. 27). Далее значение модуля φ находится из пропорции, учитывая, что один полный период любого колебания равен 360 градусов:

здесь N - число делений сетки, занимаемых одним периодом сигнала,
α - число делений сетки между началами периодов (концами положительного полупериода).
В примере на рис. 18 модуль φ в обоих случаях равен:

Следует учитывать, что

Рис. 27. Измерение угла сдвига фаз.

В принципе, величину сдвига фаз можно измерить и в конце периода (точки Д и Е на рис. 26), но в правой части экрана линейность напряжения развертки наихудшая, поэтому погрешность измерения будет максимальна.
Если сдвиг фаз равен нулю (в цепи только активная нагрузка или происходит резонанс), то напряжение и ток будут начинаться и заканчиваться одновременно, рис. 28.

Рис. 28. Осциллограмма при сдвиге фаз, равном нулю.

Электронно-лучевые (электронные) осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение.

В настоящее время выпускается множество осциллографов, различающихся назначением и характеристиками. Осциллографы могут быть предназначены для наблюдения и измерения непрерывных или импульсных процессов; большое распространение получили универсальные осциллографы для периодических и непериодических сигналов непрерывного и импульсного характера в широком (до 100 МГц) диапазоне частот. Выпускаются также осциллографы специального назначения: многофункциональные со сменными входными блоками, запоминающие для регистрации одиночных импульсов, стробоскопические для исследования высокочастотных процессов и другие. По количеству одновременно исследуемых сигналов осциллографы могут быть одноканальными и многоканальными (в основном двухканальными). В последнее время получили распространение цифровые электронные осциллографы.

Осциллографы могут различаться чувствительностью, полосой пропускания, погрешностью воспроизведения формы кривой и другими характеристиками.

Рассмотрим устройство и принцип действия наиболее распространенных универсальных электронно-лучевых осциллографов.

В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевые трубки.

Простейшая однолучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и в котором расположены (рис. 6-22) подогреваемый катод модулятор (сетка) М, фокусирующий анод ускоряющий анод две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин (горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины). Внутренняя поверхность дна баллона (экран Э) покрыта люминофором, способным светиться под действием бомбардировки электронами. Совокупность электродов К,

Рис. 6-22. Схема управления лучом электронно-лучевой трубки

Называют электронной пушкой. Конструктивно эти электроды выполнены в виде цилиндров, расположенных по оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов - электронный луч. Для этого на электроды пушки подают напряжение, как показано на рис. 6-22, где - цепи управления электронным лучом. Интенсивность электронного луча регулируют путем изменения отрицательного относительно катода напряжения на модуляторе, что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Напряжение на первом аноде фокусирует поток электронов в узкий луч, позволяющий получить на экране трубки светящееся пятно малого размера. Для ускорения электронов до скорости, необходимой для свечения люминофора, на второй анод подается высокое положительное напряжение. Сформированный электронный луч проходит между парами отклоняющихся пластин и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется, соответственно, по осям координат , вызывая смещение светящегося пятна на экране трубки. На рис. 6-22 также показана упрощенная схема управления начальной установки луча по оси (по оси X управление аналогичное). Меняя положение подвижного контакта переменного резистора («Смещение К»), можно изменять напряжение на пластинах и тем самым смещать луч по экрану.

При исследовании быстропротекающих процессов с малой частотой повторения или однократных импульсов электронный луч не успевает возбудить в достаточной мере люминофор и яркость свечения может оказаться недостаточной. Поэтому в современных электронно-лучевых трубках применяют дополнительное ускорение электронов при помощи третьего анода подавая на него большое положительное напряжение.

Рис. 6-23. Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа

Осциллографические электронно-лучевые трубки характеризуются чувствительностью, полосой пропускания, длительностью послесвечения, рабочей площадью экрана, цветом свечения люминофора и другими характеристиками.

Чувствительность трубки где - отклонение луча на экране трубки, вызванное напряжением приложенным к отклоняющим пластинам. Обычно С увеличением частоты напряжения чувствительность трубки падает. Верхняя частота полосы пропускания трубки равна такой частоте, при которой ее чувствительность уменьшается до значения (на 3 дБ), где - чувствительность на малых частотах. У рассматриваемых электронно-лучевых трубок верхняя частота примерно 100 МГц.

Длительность послесвечения экрана характеризуют временем от момента прекращения действия электронного луча до момента, когда яркость изображения составит 1 % первоначальной. Трубки с длительным послесвечением (более 0,1 с) облегчают наблюдение непериодических и медленно изменяющихся сигналов. Специальные запоминающие трубки позволяют сохранить изображение сигнала на интервалы времени от нескольких минут до нескольких суток.

Рабочая площадь экрана определяется диаметром трубки. Выпускают трубки с диаметром 70 мм и более. Тип люминофора определяет цвет свечения экрана. Обычно находят применение трубки с зеленым цветом свечения. Для фотографирования изображения с экрана осциллографа используют трубки с голубым свечением экрана.

В современных осциллографах применяют также и более сложные, в частности, многолучевые трубки для наблюдения сразу двух и более сигналов, трубки с линией бегущей волны для наблюдения за сверхвысокочастотными колебаниями и др.

Рис. 6-24. Форма напряжения линейной развертки

Устройство и принцип действия осциллографа.

Упрощенная функциональная схема осциллографа (рис. 6-23) включает в себя электронно-лучевую трубку ЭЛТ, входной делитель напряжения ВДУ усилитель вертикального отклонения УВО, состоящий из предварительного усилителя ПУ, линии задержки и выходного усилителя ВУ, блок синхронизации БС, генератор развертки ГРУ усилитель горизонтального отклонения УГО и калибраторы амплитуды и длительности КД.

Исследуемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения, включающего в себя входной делитель и усилитель вертикального отклонения. Выходное напряжение УВО, поступая на вертикальные отклоняющие пластины, управляет отклонением электронного луча в трубке по оси Для получения требуемого размера изображения на экране входной сигнал усиливается (или ослабевает) в канале вертикального отклонения до необходимого значения, определяемого чувствительностью трубки. Последовательное включение делителя напряжения и усилителя вертикального отклонения обеспечивает значительный диапазон исследуемых напряжений. Основное усиление УВО обеспечивается предварительным усилителем ПУ, а выходной усилитель ВУ в основном служит для преобразования усиливаемого сигнала в управляющее напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины.

При подане переменного напряжения на вход электронный луч вычерчивает на экране осциллографа вертикальную линию. Для получения изображения исследуемого сигнала, развернутого во времени, необходимо смещать (развертывать) луч по оси X с равномерной скоростью. Это осуществляется подачей на отклоняющие пластины линейно изменяющегося пилообразного напряжения (рис. 6-24). Принцип развертки изображения иллюстрируется рис. 6-25, где даны кривые изменения напряжения их и подаваемые на пластины и получающееся при этом изображение на экране осциллографа. Цифрами 1-4, 1-4 обозначены точки кривых в соответствующие моменты времени. Из рисунка видно, что при равенстве периодов напряжений их и на экране получается неподвижное

Рис. 6-25. Временные диаграммы, поясняющие получение осциллограмм при линейной развертке

изображение одного периода исследуемого сигнала. При увеличении периода пилообразного напряжения их в раз на экране появится изображение периодов исследуемого сигнала.

Напряжение развертки вырабатывает генератор развертки Реальная кривая напряжения развертки (см. рис. 6-24) имеет время прямого и время обратного хода - время возвращения луча в исходное положение. Для того чтобы во время обратного хода электронный луч не вычерчивал линии на экране осциллографа, его гасят на это время путем подачи отрицательного импульса на модулятор. Исследование сигналов в широком диапазоне частот обеспечивается переключением частоты пилообразного напряжения, предусмотренном в генераторе развертки. Это позволяет проводить наблюдения исследуемых сигналов в нужном масштабе времени. Выходное напряжение генератора усиливается в до значения, необходимого для управления электронным лучом в и получения изображения требуемого размера.

Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа частота пилообразного напряжения развертки должна быть кратна частоте исследуемого сигнала. Выдержать точно кратность частот напряжений их и на практике оказывается достаточно сложно вследствие «ухода» частоты генератора и изменения частоты исследуемого сигнала. Это приводит к неустойчивости изображения сигнала. Для обеспечения

Рис. 6-26. Временные диаграммы, поясняющие получение изображения сигналов при ждущей развертке

устойчивости изображения в осциллографе имеется блок синхронизации (см. рис. 6-23), который осуществляет изменение частоты генератора (в некоторых пределах) в соответствии с частотой исследуемого процесса. Для этого сигнал из канала вертикального отклонения подается на блок синхронизации, на выходе которого вырабатываются импульсы синхронно с изменением исследуемого сигнала для управления генератором развертки, принудительно заставляя его работать с частотой, кратной частоте входного сигнала. Такой режим работы генератора развертки называется непрерывным. Он применяется при наблюдении периодических сигналов. При исследовании непериодической последовательности импульсов или одиночных импульсов непрерывный режим работы приводит к тому, что положение изображения импульсов на экране по оси времени становится неопределенным. В этом случае применяют ждущий режим работы генератора, при котором вырабатывает пилообразный импульс только с приходом исследуемого импульса. При таком режиме обеспечивается устойчивое положение изображения этих импульсов на экране. Рисунок 6-26 иллюстрирует ждущий режим работы где показаны входные импульсы (рис. 6-26, а), пилообразные импульсы иГР (рис. 6-26, б) генератора развертки и изображение на экране осциллографа (рис. 6-26, в).

В осциллографах предусматривается также возможность запуска генератора от внешнего источника (внешняя синхронизация). Для этого имеется специальный вход «Вход синхронизации» и переключатель

Исследование импульсных и особенно непериодических сигналов имеет ряд особенностей. В частности, генератор развертки вследствие своей инерционности вырабатывает пилообразное напряжение с некоторым запаздыванием отношению к запускающему импульсу. Это может привести к тому, что начальная часть импульса не будет развернута во времени на экране (рис. 6-27, а). Для устранения таких искажений в канале

Рис. 6-27. Временные диаграммы, поясняющие назначение линии задержки

вертикального отклонения имеется линия задержки осуществляющая временной сдвиг (задержку) на некоторое время сигнала, подаваемого на пластины (рис. 6-27, б, где - напряжение на выходе Такая задержка позволяет получить изображение всего импульса, включая его начальную часть, на экране осциллографа. В низкочастотных осциллографах, предназначенных для исследования периодических процессов, линия задержки может отсутствовать.

Для расширения функциональных возможностей осциллографа имеются дополнительные входы, позволяющие осуществить управление электронным лучом. Во многих осциллографах предусмотрена возможность управления отклонением луча по оси X внешним напряжением. Для этого у осциллографа есть «Вход X» (см. рис. 6-23), на который подается внешнее управляющее напряжение, и переключатель устанавливаемый в этом случае в нижнее (по схеме) положение. В осциллографах имеются также зажимы «Вход пластин X» и «Вход пластин У», позволяющие подавать внешнее напряжение непосредственно на пластины электронно-лучевой трубки. В некоторых осциллографах имеется вход который через разделительный конденсатор (или специальный усилитель) соединен с модулятором М электронно-лучевой трубки. Подавая импульсы напряжения на этот вход, можно модулировать (изменять) яркость свечения изображения на

экране. Это позволяет, например, отмечать характерные точки на изображении, подавая импульсы на вход в необходимые моменты времени.

При измерении амплитудных и временных параметров исследуемых сигналов обычно измеряют соответствующие геометрические размеры изображения сигнала на экране и с помощью коэффициентов отклонения и коэффициентов развертки (см. далее), характеризующих чувствительность каналов, определяют значения этих параметров. Для повышения точности измерений осциллографы имеют калибраторы амплитуды и длительности позволяющие контролировать и устанавливать номинальные значения коэффициентов отклонения и коэффициентов развертки. Калибраторы часто представляют собой генераторы прямоугольных импульсов с известными значениями амплитуды и частоты. Для проверки коэффициентов отклонения переключатель (см. рис. 6-23) ставится в положение «Калибровка». Меняя усиление УВО, добиваются нормированного отклонения луча на экране, что приводит к установке соответствующего коэффициента отклонения. По периоду калибровочного импульса можно проверить или установить нормированное значение коэффициента развертки. В некоторых осциллографах КД представляет собой стабильный по частоте генератор, выход которого при измерении подключается к модулятору ЭЛТ. Сигнал генератора вызывает появление на экране чередующихся светлых и темных участков. По их числу, зная частоту генератора КД, можно определить временные параметры исследуемых сигналов.

Основные характеристики осциллографов.

Коэффициент отклонения - отношение напряжения входного сигнала к отклонению луча (в делениях шкалы), вызванному этим напряжением. У наиболее распространенных осциллографов коэффициент отклонения находится в диапазоне . Коэффициент отклонения - параметр, обратный чувствительности осциллографа к напряжению:

Полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого коэффициент отклонения изменяется не более чем на 3 дБ (примерно относительно его значения на некоторой средней (опорной) частоте. Для низкочастотных осциллографов полоса пропускания находится в диапазоне от 0 до 1-5 МГц; для универсальных осциллографов верхняя частота достигает десятков мегагерц, для высокочастотных - сотен мегагерц.

Для измерения импульсных сигналов важными являются параметры переходной характеристики - время нарастания переходной характеристики и максимальный выброс.

Коэффициент развертки - отношение времени к отклонению луча, вызванному напряжением развертки за это время.

Обычно осциллографы имеют широкий диапазон изменения коэффициента развертки. Например, у осциллографа коэффициент развертки находится в диапазоне . Коэффициент развертки - параметр, обратный скорости перемещения луча по оси X.

Основная погрешность измерения напряжения и основная погрешность измерения временных интервалов определяются максимально допускаемыми погрешностями измерения соответствующих параметров при подаче на вход осциллографа стандартного сигнала синусоидальной или прямоугольной формы. В зависимости от значений этих погрешностей выпускают осциллографы четырех классов точности имеющих, соответственно, основные погрешности измерений, не превышающие Часто вместо основных погрешностей измерений нормируют основные погрешности коэффициента отклонений и коэффициента развертки, а также нелинейность отклонения и развертки.

Параметры входов осциллографа определяются входным активным сопротивлением и входной емкостью Обычно , а составляет десятки пикофарад. Для высокочастотных осциллографов составляет единицы пикофарад.

Осциллографы характеризуются и другими параметрами, например: максимально допустимым входным напряжением, размерами рабочей части экрана, потребляемой мощностью, габаритами, массой и др.

Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы универсального электронного осциллографа, изучение формы электрических сигналов, а также измерение их амплитудных и временных характеристик.

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф С1-117/1, генератор сигналов низкочастотный Г3-112/1, кабели и соединительные провода.

1. Устройство и принцип работы электронного осциллографа

Электронный осциллограф является современным прибором, предназначенным для исследования быстропеременных электрических процессов. Осциллограф обладает высокой чувствительностью, сравнительно большой точностью измерений и является практически безинерционным прибором.

Основные узлы (блоки) электронного осциллографа:

электронно-лучевая трубка

усилители вертикального и горизонтального отклонения луча

блок развертки

блок синхронизации

блок питания

1. Электронно-лучевая трубка.

Электронно-лучевые трубки делятся на два типа с электростатическим и электромагнитным управлением электронным лучом. В первом случае управление электронным лучом осуществляется электрическим полем, во второммагнитным. Ниже рассматривается устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением.

Электронно-лучевая трубка (рис.1) представляет собой вакуумированный стеклянный баллон, давление около 10 -6 мм.рт.ст., внутри которого находятся электронная пушка, отклоняющие пластины и экран.

Рис. 1. Электронно-лучевая трубка

Электронная пушка предназначена для получения и фокусировки на экране электронного луча. Она состоит из катода (2), нити накала (1), управляющего электрода– сетки (3) и двух анодов (4,5). Управляющий электрод предназначен для регулировки яркости (интенсивности) электронного луча. С помощью анодов производится фокусировка и ускорение электронного пучка.

Электроны, испускаемые нагретым катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются электрическим полем, создаваемым системой анодов. Первый анод (4) – цилиндрический с двумя или тремя диафрагмами, которые служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условию фокусировки. Второй анод (5) – также цилиндрический, но большего диаметра. Оба анода имеют положительные потенциалы относительно катода, потенциал первого анодаU a 1 1 кВ, потенциал второго анодаU a 2 4 кВ. Работа электрического поля, создаваемого системой анодов, идет на увеличение кинетической энергии электронов в электронном луче:

(1.1)

Под действием электрического поля анодов электроны развивают скорость порядка 10 3 10 4 м/с и быстро достигают экрана. Экран покрыт специальным люминесцирующим составом, который светится под действием ударов электронов. Таким образом, электронный луч прочерчивает видимый глазом след на экране осциллографа.

Управляющий электрод-сетка (3), выполненный в виде цилиндра с отверстием, имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поле этого электрода сжимает электронный пучок, отклоняя его к оси трубки. При увеличении отрицательного потенциала управляющего электрода часть электронов настолько сильно отклонится от оси пучка, что не пройдет через его отверстие. При этом интенсивность электронного пучка, а, следовательно, и яркость луча на экране осциллографа уменьшается.

Электронный луч можно направить в любую точку экрана (8) с помощью двух пар управляющих пластин (6) и (7), на которые подается соответствующее напряжение. Под действием электрического поля отклоняющих пластин пучок электронов смещается в горизонтальном или в вертикальном направлении. Малая масса электронов обеспечивает малую инерционность электронного луча, поэтому электронный луч практически мгновенно реагирует на изменения напряжения на отклоняющих пластинах.

Более подробно с принципом фокусировки электронного пучка и действием отклоняющих пластин на электронный луч можно ознакомиться в приложениях 1 и 2.