Осциллографы. Назначение, область применения. Электронный осциллограф - устройство, принцип работы Как получить неподвижное изображение на экране осциллографа

Измерить простые электрические величины, такие как ток, сопротивление, напряжение можно используя мультиметр. Но исследовать форму сигнала или поведение его во времени им не удастся. Поэтому для измерений, проверки и точной настройки приборов нужен осциллограф. Это универсальное устройство ранее применялось только в лабораториях и сервисных центрах, но сегодня стало вполне доступным для использования и радиолюбителями.

Виды и характеристики

Различные исследования в области электричества требовали прибора, позволяющего выполнять ряд измерений поведения того или иного параметра в течение промежутка времени. Родоначальником такого устройства стал Андре Блондель, родившийся в 1863 году во Франции. Изучая электротехнику, он основал в городе Леваллупе лабораторию. В ней, основываясь на теории Альфреда Корню, учёный придумал и сконструировал магнитоэлектрический прибор с бифилярным подвесом. Произошло это в 1893 году.

Это устройство позволяло регистрировать интенсивность переменных токов путём записи колебаний маятника с чернилами, соединённого с катушкой индуктивности. Измеритель отличался низкой точностью из-за механических частей. А полоса пропускания его лежала в диапазоне 10−19 кГц.

Дальнейшая эволюция прибора привела к появлению в 1897 году осциллографа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Его конструктором стал физик из Германии Карл Браун. Но первый промышленный экземпляр был выпущен только в 1932 году британской компанией A. C. Cossor Ltd. В ноябре американская фирма Allen B. DuMont Laboratories представила осциллограф, состоящий из двух частей: ЭЛТ и кожуха. В последнем размещались блоки фокусировки луча, источник питания и узел развёртки. Но технология производства экрана позволяла его использовать не более одной тысячи часов.

Вторая мировая война остановила развитие прибора, но по её окончании инженеры Воллюм и Мердок, основатели компании Tektronix, внедряют в устройство прибора ждущую развёртку, то есть ту, которая запускается только во время возникновения электромагнитного сигнала. Этот прибор работал с полосой пропускания 10 МГц.

Развитие полупроводниковой техники привело к разработке цифрового устройства фирмой LeCroy в 1980 году. После чего цифровые аппараты стали массово производиться в Европе, не только профессионального уровня, но и радиолюбительского. На рынках появились всевозможные устройства, отличающиеся классом точности и функциональностью.

На начало 2000 годов цифровая техника почти полностью вытеснила аналоговые приборы, этому поспособствовало развитие персональных компьютеров и возможность сопряжения с ними измерителя. Но при этом, какой бы способ обработки сигналов ни использовался, принцип работы различных осциллографов остаётся одинаковым.

Аналоговое устройство

Сегодня всё реже можно встретить аналоговые осциллографы в исследовательских лабораториях или сервисных центрах. Но у радиолюбителей всё ещё достаточно морально устаревших, но ещё вполне работоспособных таких приборов. Любое аналоговое устройство состоит из одного или нескольких вертикальных каналов, горизонтального канала, схемы запуска и электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

ЭЛТ является основной частью устройства. На ней отображается форма исследуемого сигнала. Выполняется она из вакуумной колбы, в которую впаиваются электроды различного назначения. Первая группа формирует электронную пушку, образующую луч. На неё подаётся исследуемый сигнал. А вторая - состоит из контактов вертикально и горизонтально отклоняющих пластин и к ней подводится напряжение генератора развёртки.

Таким образом, устройство состоит из следующих частей:

• аттенюатора - входной делитель напряжения;
• предварительный усилитель;
• блок задержки;
• схема синхронизации и запуска развёртки;
• генератор;
• оконечный усилитель.

Измеряемый сигнал поступает на вертикальные пластины, а далее на аттенюатор, который позволяет настраивать чувствительность прибора. Выполняется регулирующее устройство в виде поворотной ручки. Шкала переключения указывается в вольтах на одно деление. При измерениях мощного сигнала используются делители. Это специальные устройства, работающие по принципу аттенюаторов, но при этом они уменьшают сигнал до безопасного уровня для входных цепей осциллографа.

Сигнал с делителя или аттенюатора разветвляется на предварительном усилителе и попадает в блок задержки и синхронизации. Последний узел создаёт условия для запуска генератора при появлении электромагнитных колебаний. Пилообразный сигнал с генератора поступает в горизонтальный канал X, где усиливается и подаётся на экран.

Вторая же часть сигнала через линию задержки поступает в канал Y, а затем на ЭЛТ. В результате на экране в системе координат XY выводится положение импульса. Нижний частотный предел находится в районе 10 Гц, а верхний зависит от ёмкости пластин и качества усилителей.

Поэтому если на пластины подаётся измеряемое напряжение, то луч начинает отклоняться по вертикали и горизонтали. Эти перемещения происходят синхронизировано, и в результате сигнал «разворачивается» во времени. Получившееся изображение на экране называют осциллограммой.

Цифровой прибор

Цифровое устройство сочетает в себе аналоговый осциллограф и мини-компьютер. Используя его можно не только визуально увидеть форму, но и выполнить ряд операций, таких как сложение и вычитание сигналов, преобразование Фурье, определение спектра. В состав прибора входит:

Сигнал поступает на вход масштабирующего узла, где снижается до безопасной величины для внутренних схем прибора. Далее он подаётся через усилитель на АЦП. В нём происходит преобразование аналоговой формы в ряд дискретной последовательности логического кода. Для этого используется микроконтроллер, работающий на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Код записывается в ОЗУ, из которого после выполнения определённого условия передаётся в запоминающие ячейки. Каждому блоку соответствует пиксель, который засвечивается. Координата Х определяется номером ячейки, а координата Y кодом, записанным в неё. В запоминающей ячейке может содержаться несколько символов кода, которые и формируют линию из непрерывно горящих пикселей.

Цифровые осциллографы разделяются на несколько подтипов и могут быть:

Использование ЖК экрана повышает удобство в работе с осциллографом. На нём становится возможным визуально отображать любые данные, а использование памяти в устройстве позволяет сравнивать любые изменения формы сигнала во времени.

Осциллограф, как и любой электрический прибор, имеет ряд технических параметров. Именно они определяют его функциональность и степень использования. К его работе предъявляются требования по классу точности, стабильности работы, шумовым характеристикам.

Важнейшими параметрами прибора являются:

Осциллограф предназначен для изучения различных взаимосвязей между несколькими величинами. Отображаемая на экране осциллограмма показывает как изменяется форма напряжения во времени. Так, по ней можно легко определить полярность, амплитуду, длительность, скважность и частоту сигнала.

В грубом приближении осциллограф работает как графический вольтметр. Он измеряет сигнал и выводит его форму на дисплей. Устройством можно измерить даже напряжение высокой частоты. Его основное назначение заключается использование поиска неисправностей в сложных радиоэлектронных схемах или исследовательских измерениях. Например, с помощью него возможно:

• определять временные параметры;
• изучать фазовый сдвиг;
• фиксировать частоту сигнала;
• наблюдать переменную и постоянную составляющую напряжения;
• отмечать присутствие гармоник и их параметров;
• выяснять процессы, происходящие во времени.

Таким образом, осциллограф нужен для того, чтобы можно было наглядно наблюдать колебания электротехнического сигнала, а также видеть помехи и искажения, тем самым определяя неисправный элемент в различных узлах по форме входного и выходного импульса. Кроме этого, осциллограф широко применяется при диагностике электродвигателей. Изучая генерации, возникающие при работе мотора, можно вычислить неисправность катализатора, выявить увеличенный подсос воздуха, отследить сигналы с различных датчиков.

Работа с измерителем

Перед тем как воспользоваться осциллографом, выполняется калибровка. Для этого измерительные щупы подключаются к входу усилителя (отклонение луча в вертикальной плоскости) и общему выводу, обозначаемому как земля. В случае если используется ЭЛТ, после включения необходимо подождать некоторое время для прогрева экрана. Затем понадобится пройти следующие этапы:

Таким образом, использование осциллографа, позволяет осуществлять операции по настройке и ремонту сложных приборов, которые с помощью тестера выполнить невозможно. Работа на современном устройстве не намного сложнее измерений, проводимых мультиметром.

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

В электронных осциллографах можно на экране наблюдать кривые различных электрических и импульсных процессов, изменяющихся с частотой от нескольких герц до десятков мегагерц.

С помощью электронных осциллографов можно выполнять измерения различных электрических величин, получать семейство характеристик полупроводниковых приборов, определять параметры электронных устройств, а также проводить многие другие исследования.

Электронные осциллографы присоединяют к сети переменного напряжения 127 или 220 В, частотой 50 Гц, а некоторые из них, кроме того, могут получать питание от источника переменного напряжения 115 или 220 В, частотой 400 Гц либо от источника постоянного напряжения 24 В, включаемых нажатием кнопки «СЕТЬ» (рис. 1).

Рис. 1. Передняя панель электронного осциллографа С1-72

Поворотом двух соответствующих ручек, расположенных в нижней левой части передней панели прибора, можно регулированием яркости и фокусировки получить на экране светящееся пятно малых размеров с резко очерченным контуром, которое нельзя долгое время оставлять неподвижным во избежание порчи экрана электронно-лучевой трубки.

Это пятно легко сместить в любое место экрана поворотом ручек, возле которых нанесены двусторонние стрелки. Однако лучше до присоединения осциллографа к источнику питания органы его управления расположить так, чтобы на экране вместо точки сразу получить светящуюся горизонтальную линию развертки, яркость, фокусировку и расположение которой на экране отрегулировать в соответствии с требованиями эксперимента поворотом соответствующих ручек.

Исследуемое напряжение u (t ) подают соединительным кабелем к гнезду «ВХОД Y », что обеспечивает поступление его па входной делитель напряжения, управляемый ручкой «УСИЛИТЕЛЬ Y », а затем к усилителю вертикального отклонения луча. Если до этого на экране светилась неподвижная точка, то теперь на нем появится вертикальная полоса, длина которой прямо пропорциональна амплитуде исследуемого напряжения.

Включение встроенного в осциллограф генератора пилообразного напряжения, присоединенного к электронно-лучевой трубке через усилитель горизонтального отклонения луча с коэффициентом усиления, регулируемым поворотом ручки переключателя, расположенного в верхнем нравом углу передней панели прибора, изменяет длительность развертки и обеспечивает появление на экране изображения кривой u (t ).

В том случае, если до включения осциллографа органы его управления были установлены в положения, обеспечивающие появление горизонтальной линии развертки, подача исследуемого напряжения на «ВХОД Y » сопровождается появлением на экране той же кривой и u (t ). Неподвижность кривой исследуемого напряжения достигается нажатием одной из кнопок блока синхронизации и соответствующим поворотом ручек «СТАБИЛЬНОСТЬ» и «УРОВЕНЬ». Прозрачная шкала, прикрывающая экран электронно-лучевой трубки, облегчает необходимые измерения по вертикали и горизонтали.

Большинство электронных осциллографов позволяет одновременно подавать два исследуемых напряжения соответственно на входы Y и X, если предварительно нажать кнопку «ВХОД X».

При двух синусоидальных напряжениях одинаковых частот и амплитуд, сдвинутых по фазе относительно друг друга на а, на экране появляются фигуры Лиссажу (рис. 2 ), форма которых зависит от сдвига фаз α = arcsin B/A ,

где В - ордината точки пересечения фигуры Лиссажу с вертикальной осью; А - ордината верхней точки фигуры Лиссажу.

Рис. 2. Фигуры Лиссажу при двух синусоидальных напряжениях одинаковых частот и равных амплитуд, сдвинутых по фазе на α .

Наличие одного луча в электроннолучевой трубке является существенным недостатком осциллографа, исключающим одновременное наблюдение нескольких процессов на экране, что устранимо применением электронного коммутатора.

В двухканальных электронных коммутаторах имеются два входа с одним общим зажимом и один выход, присоединяемый К входу У электронного осциллографа. При работе коммутатора его входы поочередно автоматически подключаются к входу У, в результате чего на экране осциллографа одновременно наблюдают обе кривые напряжений, подведенных ко входам коммутатора. В зависимости от частоты переключения входов изображение кривых на экране получается в виде пунктирных или сплошных линий. Для получения желаемых масштабов кривых на входах коммутаторов установлены делители напряжения.

В четырехканальных электронных коммутаторах имеются четыре двухзажимных входа с делителями напряжения и один выход, подключаемый к входу Y электронного осциллографа, что позволяет одновременно видеть па экране четыре кривые. Обычно электронные коммутаторы имеют ручки для смещения кривых на экране осциллографа вверх и вниз, что позволяет располагать их в соответствии с требованиями эксперимента.

Одновременное наблюдение нескольких кривых возможно также в многолучевых осциллографах, у которых электронно-лучевая трубка имеет несколько систем электродов, создающих лучи и управляющих ими.

Электронные осциллографы позволяют не только наблюдать на экране различные установившиеся периодические процессы, но и фотографировать осциллограммы различных быстропротекающих процессов.

В настоящее время на смену аналоговым осциллографам приходят цифровые запоминающие осциллографы , которые обладают более серьезными функциональными и метрологическими возможностями.

Цифровые запоминающие осциллографы подключаются к персональному компьютеру или ноутбуку через параллельный порт LPT или USB -порт и используют возможности компьютера для отображения электрических сигналов. У большинства моделей дополнительного питания не требуется.

Все стандартные функции осциллографа реализуются с помощью специальных программ, запускающихся на компьютере, т.е. дисплей компьютера используется как экран осциллографа. Такие осциллографы отличаются очень высокой чувствительностью и полосой пропускания.

Рис. 3. Запоминающий цифровой осциллограф ZET 302

Рис. 4. Программа для работы с цифровым осциллографом

Запоминающие цифровой осциллограф фактически является специальной приставкой компьютеру, занимает намного меньше рабочего пространства по сравнению с аналоговыми моделями, так как функции обработки сигналов и их отображения переложены на обычный компьютер. Производительность цифрового запоминающего осциллографа ограничена только производительностью компьютера.

Общее управление последовательностью работы узлов цифрового осциллографа осуществляется микропроцессором. Функциональная схема цифрового осциллографа содержит ряд узлов характерных для компьютера. Это, прежде всего, микропроцессор, цифровые схемы управления и память.

Программное обеспечение цифрового осциллографа может выполнять множество функций, не свойственных светолучевому осциллографу, например, усреднение сигнала с целью его очистки от шумов, быстрое преобразование Фурье для получения спектрограмм сигнала и т. д.

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА И ОЗНАКОМЛЕНИЕ С НЕКОТОРЫМИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯМИ

Уфа 2009

Ответственный за выпуск: проф. Альмухаметов Р.Ф.

Цель работы : ознакомление с устройством электронного осциллографа и принципом его работы, определение основных характеристик осциллографа, применение осциллографа в качестве измерительного прибора и для изучения некоторых процессов.

Оборудование : электронный осциллограф, звуковой генератор, генератор прямоугольных импульсов, магазин ёмкостей, магазин сопротивлений.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА

Осциллографом называется прибор, предназначенный для изучения электрических сигналов и измерения их параметров. С помощью осциллографа можно наблюдать на экране и изучить форму электрических сигналов, измерить напряжение и ток, определить частоту, измерить промежуток времени и т.д. Существует большое количество различных типов осциллографов. Все осциллографы содержат следующие основные блоки и узлы (рис.1):

1. электронно-лучевую трубку;

2. усилитель вертикального отклонения;

3. усилитель горизонтального отклонения;

4. блок развертки;

5. блок синхронизации;

6. блок питания.

Электронно-лучевая трубка предназначена для визуализации исследуемых сигналов с помощью электронного луча на люминесцирующем экране. Она представляет собой большую стеклянную колбу цилиндрической формы с расширением на одном конце (рис.2). Внутри электронно-лучевой трубки создается высокий вакуум для того, чтобы электроны, движущиеся внутри неё, не рассеивались на молекулах воздуха.

Электронно-лучевая трубка имеет экран Э, покрытый изнутри слоем люминофором. На хвостовой части имеется катод К, который нагревается с помощью нити накала НН путем пропускания через неё электрического тока. В результате нагрева электроны материала катода приобретают большую тепловую энергию и могут легко его покинуть. Это явление называется термо-электронной эмиссией. Для того, что направить электронный пучок в сторону экрана в трубке имеются два анода А 1 и А 2 . К анодам прикладывается положительное напряжение от источника питания относительно катода. Для получения узкого пучка электронов служить модулятор М . Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поэтому электроны, вылетевшие из катода под разными углами к его активной поверхности, сжимаются полем и направляется в отверстие модулятора. Так формируется электронный пучок. Интенсивность пучка, а следовательно, и яркость светящегося пятна на экране электронно-лучевой трубки можно регулировать изменением потенциала модулятора с помощью потенциометра R 1 , так как поле модулятора помимо сжимающего действий на поток оказывает еще и тормозящее действие на электроны.

После модулятора электронный поток попадает в электрическое поле первого анода А 1 . Первый анод выполнен в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью трубки. Внутри цилиндра имеются несколько перегородок-диафрагм с отверстиями в центре, которые служат для ограничения поперечного сечения электронного пучка. На первый анод подается положительное относительно катода напряжение порядка нескольких сот вольт. Это поле ускоряет электроны и благодаря своей конфигурации сжимает электронный пучок. Второй анод А 2 располагаются непосредственно за первым анодом и представляет собой короткий цилиндр, закрытый на конце, обращенном к экрану, диафрагмой с отверстием в центре. На второй анод подаются более высокое положительное напряжение, чем на первый анод (1-5 кВ). Основная фокусировка пучка производится изменением потенциала первого анода с помощью потенциометра R 2 .

Внутреннюю поверхность стеклянного баллона трубки почти вплоть до экрана покрывают проводящим слоем и называют ее третьим анодом (Аз). Третий анод соединяют со вторым. При помощи электрических полей анодов электроны фокусируются на экране трубки и им сообщается необходимая скорость. Система электродов катод-модулятop-первый анод-второй анод образует так называемую электронную пушку .

Для отклонения электронного луча в горизонтальном и вертикальном направлениях служат пластины X и Y. При отсутствии отклоняющих напряжений на пластинах X и Y электронный луч попадает в центр экрана трубки. Если к пластинам Y или Х приложить разность потенциалов, то электронный луч будет отклоняться в вертикальном или горизонтальном направлении. Величина этого отклонения пропорциональна напряжению между пластинами. Если на пару горизонтально расположенных пластин Y 1 Y 2 подать периодически меняющееся напряжение, то электронный луч будет периодически перемещаться на экране в вертикальном направлении и описывать вертикальную линию. Напряжение, поданное между вертикально расположенными пластинами Х 1 Х 2 , заставляет двигаться электронный луч в горизонтальном направлении. При одновременной подаче напряжения между горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами электронный луч претерпевает отклонение под действием обоих полей и описывает на экране сложную фигуру.

Усилители горизонтального и вертикального отклонения служат для предварительного усиления напряжений, подаваемых на пластины X и Y. Это связано с тем, что для заметного отклонения электронного луча на экране на пластины X и Y нужно подавать напряжение порядка нескольких сот вольт. Поэтому слабые сигналы необходимо усиливать до нужного уровня. В случае исследований сигналов с высоким напряжением для предотвращения выхода осциллографа из строя предусматривают схемы ослабления в кратное число раз- аттенюаторы. Часто эти схемы входят в единый блок с усилителем вертикального и горизонтального отклонения.

Блок развертки . Часто осциллограф используется для изучения временной зависимости различных сигналов. В этом случае необходимо, чтобы электронный луч равномерно перемещался вдоль оси Х от левого края экрана до правого, а затем быстро возвращался в исходное положение. Для этого напряжение, подаваемое на пластины Х , должно линейно нарастать в течение некоторого времени t 1 , а затем достаточно быстро (за время t 2) должно падать до первоначального значения. Такое напряжение называется пилообразным и оно вырабатывается генератором пилообразного напряжения (рис.3). Движение электронного луча во времени по оси Х называется разверткой . Схема, которая вырабатывает напряжение развертки, называется блоком развертки . Если напряжение развертки линейно растет со временем, то развертка называется линейной . Развертка бывает также циклической и более сложной.

Подадим на вертикально отклоняющие пластины переменное напряжение U y с периодом T c :

а на горизонтально отклоняющие пластины - напряжение развертки с периодом Т р . В этом случае луч будет одновременно участвовать в двух движениях. В зависимости от соотношения частот исследуемого сигнала и развертки на экране осциллографа можно получить различное число периодов изучаемого напряжения. При равенстве периодов Т р =Т с за время равномерного движения луча от левого края экрана до правого луч успевает совершить одно полное колебание также в вертикальном направлении и на экране получится один период исследуемого напряжения. Через время T p луч вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать синусоиду, которая точно ляжет на первую, и на экране возникнет неподвижная осциллограмма. При T р =nT с (где n – целое число) осциллограмма будет представлять собой кривую из n периодов исследуемого напряжения.

При незначительном нарушении указанного выше условия осциллограмма начнет двигаться либо вправо, либо влево. Для достижения неподвижности осциллограммы на экране необходимо синхронизировать напряжение развертки с исследуемым сигналом. Для этих целей служит блок синхронизации . Синхронизация заключается в том, что начало каждого периода пилообразного напряжения принудительно совмещается с одной и той же фазой исследуемого сигнала. Тогда развертка начинается всегда в одной и той же точке на кривой временной зависимости исследуемого сигнала. Если в качестве напряжения синхронизации в осциллографе используется сам исследуемый сигнал, то говорят о внутренней синхронизации . Если для синхронизации используется какое-либо внешнее напряжение, не связанное с исследуемым сигналом, то говорят о внешней синхронизации . В осциллографах также предусматривается синхронизация от напряжения сети. В современных осциллографах генератор развертки может работать в двух режимах – в режиме непрерывной развертки и в режиме ждущей развертки. В режиме непрерывной развертки генератор развертки работает независимо от наличия сигнала на входе Y. В режиме ждущей развертки генератор развертки приводится в действие только при подаче исследуемого напряжения.

Блок питания предназначен для обеспечения необходимыми напряжениями электроды электронно-лучевой трубки, усилители, генераторы и другие схемы осциллографа.

Чувствительность трубки . Электронно-лучевая трубка характеризуется чувствительностью. Чувствительностью трубки к напряжению называется отклонение луча на экране, вызванное разностью потенциалов в 1 В на отклоняющих пластинах:

где k - чувствительность трубки; Z – отклонение луча на экране трубки; U - разность потенциалов между отклоняющими пласти­нами.

Электронный осциллограф используют для исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с помощью осциллографа можно измерить силу тока и напряжение, рассмотреть их изменение во времени. Можно измерять и сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, периоды колебаний и т. д. Достоинствами электроннолучевого осциллографа является его высокая чувствительность и безинерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длительность которых порядка 10 –6  10 –8 с.

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Схематическое устройство такой трубки показано на рис . 3. Электронно-лучевая трубка состоит из ряда металлических электродов, помещенных в стеклянный баллон. Из баллона выкачан воздух до давления порядка 10 –6 мм рт. ст. На передней части баллона нанесен тонкий слой флуоресцирующего. Под воздействием электронного луча флуоресцирующий экран (8) начинает светиться.

Рассмотрим электроды электронно-лучевой трубки в порядке их следования. Нить накала (1), по которой идет переменный ток, разогревает катод (2). Из катода, вследствие термоэлектронной эмиссии, вылетают электроны.

Термоэлектронная эмиссия - это явление испускания электронов нагретыми телами.

За катодом расположен управляющий электрод (3) в виде сетки или цилиндра с отверстиями. Работа его аналогична работе управляющей сетки в электронной лампе. При изменении потенциала управляющего электрода относительно катода изменяется интенсивность электронного потока, тем самым проводится изменение яркости светового пятна на экране трубки.

Первый и второй аноды (4 и 5), в виде цилиндров с диафрагмами, обеспечивают необходимую скорость движения электронов и создают электрическое поле определенной конфигурации, фокусирующее электронный поток в узкий пучок (луч).

Затем сфокусированный электронный луч проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин. При разных потенциалах на одной из пар отклоняющих пластин луч отклоняется в сторону пластины с большим потенциалом. Отклонение луча пропорционально приложенному напряжению. Вертикальные пластины (7) обеспечивают горизонтальное перемещение электронного луча по экрану, а горизонтальные (6) дают вертикальное перемещение луча.

1 - нить накала, 2 - катод, 3 - управляющий электрод, 4 - первый анод, 5 - второй анод, 6- пластины вертикального отклонения, 7 - пластины горизонтального отклонения, 8 - флуоресцирующий экран

Блок-схема осциллографа представлена на рис. 4. Осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), генератора напряжения развертки и двух усилителей. Один из усилителей, предназначенный для усиления исследуемого напряжения, обычно называют вертикальным усилителем, так как напряжение с него подается на горизонтально расположенные пластины электронно-лучевой трубки, которые обеспечивали вертикальное отклонение луча по экрану. Напряжение от второго усилителя подается на вертикальные пластины, обеспечивающие горизонтальное перемещение луча. Этот усилитель называется горизонтальным. Напряжение генератора развертки подается на пластины через горизонтальный усилитель.

Для исследования характера изменения электрических сигналов во времени используют специально вмонтированное в осциллограф устройство, называемое генератором развертки . Этот генератор вырабатывает пилообразное напряжение (рис .4), которое за время
линейно нарастает от нуля до максимального значения
, а затем за очень малое время
падает до нуля. Частоту пилообразного напряжения можно изменять с помощью рукоятки "частота развертки ". Пилообразное напряжение подается обычно на вертикальные пластины. При этом луч откланяется по горизонтали на величину пропорциональную значению пилообразного напряжения в данный момент. Так как это напряжение линейно возрастает со временем, то по горизонтали луч движется равномерно, что соответствует ходу времени, и, значит, смещение луча по горизонтали пропорционально времени. Поэтому при включенном генераторе развертки горизонталь считают осью времени.

При малых частотах развертки можно увидеть поступательное равномерное движение точки по горизонтали. Если частота развертки большая, то на экране видна только горизонтальная линия. Это происходит в силу инерции зрительного восприятия и послесвечения трубки, т.е. зрительно при больших частотах мы не успеваем отметить последовательное перемещение луча по экрану слева направо при увеличении напряжения. От нуля до максимума и почти мгновенное возвращения луча в исходное положение. На каждом следующем "зубце пилы" луч движется по одному и тому же следу слева направо по горизонтали и обратно, и повторяется это с частотой равной частоте развертки.

Чтобы увидеть, как меняется со временем исследуемое напряжение, надо одновременно подать на"Вход х " напряжение развертки, а на "Вход у " исследуемый сигнал
. Пусть к моменту времениисследуемый сигнал достигает значения
, а напряжение развертки значения
. Луч, участвуя одновременно в двух взаимно перпендикулярных движениях: по горизонтали (под действием напряжения развертки) и по вертикали (под действием исследуемого напряжения
), переместится в точку(рис.5 ). Если исследуемое напряжение меняется по гармоническому закону и его период совпадает с периодом развертки
, то в течение времени
на экране луч "выпишет" один период синусоиды. На каждом следующем зубце пилы при достижении напряжением значений
,
,
и т.д. электронный луч будет попадать соответственно в те же точки,,и т.д. синусоиды, что и на первом "зубце".

Изображение на экране осциллографа будет неподвижным, если период развертки равен или в целое число раз больше периода исследуемого сигнала. При невыполнении этого условия (часто случающегося из-за нестабильности частоты генератора развертки) изображение будет "плыть" по экрану.

Для измерения периода надо на горизонтальные пластины подать исследуемое напряжение и включить генератор развертки "Вход х ", подающий пилообразное напряжение на вертикальные пластины. Вращая ручку "генератор развертки ", получить на экране устойчивую картину – синусоиду. Посчитать количество клеток периода синусоиды и, помножив на цену деления генератора развертки, получить период колебаний.