|
Электронный осциллограф – это прибор, служащий для наблюдения и измерения параметров электрических сигналов. В нем используется отклонение электронного луча для получения изображения мгновенных значений функциональных зависимостей переменных величин, одной из которых обычно является время.
Очень сложный, но зато практически универсальный прибор. При его помощи можно измерять напряжение, частоту, период, время, отношение частот, сдвиг фаз и много еще чего! Измерения при помощи осциллографа основываются на наблюдении периодического сигнала, развернутого на экране осциллографа.
 | Рис. 94 Электронный осциллограф |
|
Для исследования зависимости электрического напряжения от времени исследуемое напряжение подается на вход "Y" осциллографа и включается генератор развертки, вырабатывающий линейно изменяющееся напряжение.
Понять принцип работы электронного осциллографа поможет рисунок Структурная схема осциллографа, на котором приведена структурная схема осциллографа.
| | | | | | Структурная схема осциллографа включает: |
|
| | | | | | | | | 1. | Электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) |
|
| | | | | | | | | | 2. | Канал "Y" (канал вертикального отклонения луча), содержащий входное устройство, предварительный усилитель Y, линию задержки сигнала, оконечный усилитель Y |
|
| | | | | | | | | | 3. | Канал "Х" (канал горизонтального отклонения луча), содержащий генератор развертки по оси Х, устройство синхронизации, предварительный и оконечный усилители Х |
|
| | | | | | | | | | 4. | Канал Z (канал управления яркостью луча) |
|
| | | | | | | | | | 5. | Калибровочное устройство |
|
| | | | | | | |
 | Рис. 95 Структурная схема осциллографа |
|
Кроме этого в состав электронного осциллографа входят не показанные на структурной схеме низковольтный и высоковольтный выпрямители.
Одним из основных узлов осциллографа является электронно-лучевая трубка. Она представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом, в котором имеется система электродов и экран, покрытый люминофором. При попадании на экран электронов наблюдается свечение. В цилиндрической части трубки расположены катод, модулятор, первый и второй аноды, две пары отклоняющих пластин. Источником электронов является оксидный катод. Катод подогревается с помощью нити накала, изолированной от катода. Систему электродов (катод, цилиндрический модулятор, первый и второй аноды) называют электронной пушкой. На модулятор относительно катода подают отрицательный потенциал, величину которого регулируют переменным резистором и этим самым изменяют яркость светящегося пятна на экране ЭЛТ. Первый анод используется для фокусировки электронного луча. Второй анод служит для ускорения электронов. Некоторые трубки имеют третий анод, позволяющий повысить яркость свечения экрана. Последняя буква в условном обозначении ЭЛТ указывает тип люминесцентного покрытия экрана: А – покрытие дает голубое свечение и малую продолжительность послесвечения, В – длительное послесвечение (порядка нескольких секунд), И – покрытие дает зеленое свечение средней продолжительности. Покрытие типа И благоприятно для визуального наблюдения сигналов с частотой выше 10 Гц.
Входное устройство канала "Y" включает в себя соединительный кабель, переключатель входа и входные делители напряжения.
Соединительный кабель служит для согласования выхода источника сигнала со входом осциллографа во всем рабочем диапазоне частот (согласование характеризуют коэффициентом стоячих волн), а также защиты от влияния внешних мешающих электромагнитных полей. Соединительный кабель обычно является коаксиальным.
С помощью переключателя входа можно выбрать один из двух способов подачи сигнала к предварительному усилителю: через конденсатор (закрытый вход) или непосредственно – для сигналов постоянного тока и импульсов большой длительности (открытый вход).
Некоторые осциллографы имеют только встроенные входные делители напряжения. Выносной входной делитель напряжения называют пробником. Входные делители требуют сложной настройки при изготовлении осциллографа, чтобы они передавали сигнал без искажений независимо от амплитуды и формы во всем диапазоне частот данного прибора. Делители напряжения строят с использованием резисторов и конденсаторов. Настраивают такие делители напряжения с помощью генераторов прямоугольных импульсов напряжения и осциллографа. Делитель настраивают подстроечным конденсатором так, чтобы на выходе делителя импульсы были прямоугольными, так же, как и на его входе.
Предварительный усилитель канала вертикального отклонения предназначен для усиления исследуемого сигнала, преобразования сигнала из несимметричного в симметричный, установки изображения сигнала (совместно с аттенюатором во входном устройстве) в пределах рабочей части экрана по вертикали, обеспечения совместной работы с коммутатором в многоканальных осциллографах.
Линия задержки, включаемая в канал вертикального отклонения осциллографов, позволяет задержать сигнал на время, необходимое для запуска генератора развертки. При отсутствии линии задержки на экране осциллографа не будет виден передний фронт исследуемого сигнала. Линия задержки не должна искажать форму исследуемого сигнала.
Оконечный усилитель канала вертикального отклонения луча обеспечивает усиление исследуемого сигнала до значения, достаточного для отклонения луча ЭЛТ по вертикали в пределах рабочей части экрана.
Коммутатор сигналов (на структурной схеме осциллографа не показан) позволяет использовать усилитель канала Y в следующих режимах: только канал Y1, только канал Y2, одновременная работа обоих каналов (сложение сигналов с возможностью изменения полярности сигнала в одном из каналов), поочередная работа обоих каналов (переключение каналов обратным ходом развертки), прерывистый режим (переключение каналов с частотой несколько десятков или сотен килогерц от специального генератора прямоугольных импульсов напряжения).
Если исследуемое напряжение (при необходимости оно усиливается усилителем) подано только на пластины “У”, то на экране осциллографа будет видна вертикальная линия, длина которой равна удвоенной амплитуде колебаний. Для изучения изменения сигнала с течением времени необходимо подать напряжение на горизонтально отклоняющие пластины. Напряжение для отклонения луча в горизонтальном направлении подается с выхода канала "Х", содержащего генератор развертки, устройство синхронизации, предварительный (на структурной схеме не показан) и оконечный усилители Х.
Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение, которое предназначено для равномерного перемещения луча вдоль оси Х от левого до правого края экрана, а затем быстрого возвращения его в крайнее левое положение. Обратный ход луча на экране соответствует участкам быстрого изменения пилообразного напряжения.
Частоту напряжения, вырабатываемого генератором развертки, можно ступенчато и плавно менять в достаточно больших пределах (как правило, от 10 Гц до 1 МГц и более).
Если напряжение на входе “У” равно нулю, но включен генератор развертки, на экране будет видна горизонтальная линия. При наличии двух напряжений одновременно (входного и с генератора развертки) на экране будет видна осциллограмма исследуемого сигнала.
Генератор развертки в канале Х может иметь три режима работы: автоколебательный, т.е. периодический (для наблюдения синусоидальных и импульсных сигналов с небольшой скважностью), ждущий (для наблюдения исследуемых сигналов с большой и переменной скважностью), одиночной – разовой развертки (для фотографирования, а в запоминающих осциллографах и для непосредственного изучения одиночных сигналов). В ждущем режиме генератор развертки начинает вырабатывать пилообразное напряжение, если на вход “У” осциллографа поступает исследуемый сигнал достаточной амплитуды (в этом режиме, например, не удается обеспечить внутреннюю синхронизацию при исследовании выпрямленного напряжения с малым коэффициентом пульсаций). В некоторых осциллографах имеется режим растяжки развертки, позволяющий получить более крупный масштаб изображения по горизонтальной оси за счет увеличения усиления в конечном усилителе X.
Чтобы получить неподвижное изображение, частота генератора развертки должна быть равна или в целое число раз меньше частоты исследуемого сигнала. С этой целью осуществляют синхронизацию частоты генератора развертки (согласовывают во времени) с частотой исследуемого сигнала. Когда частота генератора развертки близка частоте исследуемого напряжения, то это напряжение изменяет частоту генератора развертки до точного совпадения с частотой исследуемого сигнала.
Согласование частоты генератора развертки с частотой исследуемого сигнала обеспечивает блок синхронизации. Существует три варианта синхронизации: внешняя, внутренняя и от сети. Синхронизацию от сети применяют для исследования сигналов, частота которых равна или кратна частоте питающей сети (50 Гц). Наиболее часто используют внутреннюю синхронизацию. В этом случае часть исследуемого напряжения подается в блок синхронизации, в котором вырабатываются импульсы, управляющие работой генератора развертки. Исследуемое напряжение как бы “навязывает” свой период генератору развертки. Если при этом период собственных колебаний генератора развертки почти равен (или почти кратен) периоду колебаний исследуемого напряжения, то колебания генератора синхронизируются и происходят в такт с исследуемым напряжением. Осциллографы снабжаются переключателем вида синхронизации и переключателем полярности синхронизирующего напряжения.
Оконечный усилитель канала Х предназначен для усиления напряжения развертки или внешнего сигнала до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана по горизонтали.
Канал Z в основном предназначен для подсветки прямого хода развертки и гашения луча во время обратного хода. Канал Z позволяет модулировать яркость изображения внешним модулирующим сигналом. Если на входы X и Y подать сигналы одной и той частоты, а на канал Z напряжение более высокой известной частоты, то по прерывистой эллиптической развертке можно определить частоту сигнала, подаваемого на входы X и Y.
Встроенные в осциллограф калибраторы повышают точность измерения частоты и амплитуды сигнала. Калибратор представляет собой генератор напряжения с известной амплитудой и частотой. Чаще всего используются постоянные напряжения и напряжения в виде меандра (прямоугольные импульсы напряжения со скважностью равной двум, т.е. длительность импульса равна длительности паузы).
Высоковольтный выпрямитель блока питания служит для питания электродов электронно-лучевой трубки, а низковольтный для питания всех узлов осциллографа.
Осциллографы, выпускаемые в последние годы, имеют, как правило, калиброванную длительность развертки по оси Х и калиброванный коэффициент усиления усилителя “У”. Это позволяет легко определять частоту и напряжение исследуемого сигнала.
При проведении исследований с помощью электронного осциллографа обязательно надо обращать внимание на полосу пропускания канала вертикального отклонения. |