Устройство электронного осциллографа и некоторые примеры его применения

Лабораторная работа

Цель работы:Ознакомиться с устройством и принципом действия универсального электронно-лучевого осциллографа и освоить практические навыки по измерению параметров сигналов.

Оборудование: 1.Двухлучевой четырехканальный универсальный электронно-лучевой осциллограф С1-17. 2. Генератор сигналов синусоидальной формы Г3-35.

Теоретическая часть

Класс приборов, позволяющих исследовать форму сигнала, очень обширен. К ним могут быть отнесены и электромеханические осциллографы (так называемые «шлейфовые») и разного рода самописцы и большая группа приборов с электронно-лучевой трубкой — электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО). Рассмотрению последних и посвящен настоящий раздел.

Электронно-лучевой осциллограф - один из наиболее универсальных измерительных приборов для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Разработаны и используются различные типы электронно-лучевых осциллографов: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. Возможность наблюдения формы исследуемого сигнала и одновременное измерение его параметров выдвигают электронно-лучевой осциллограф в разряд универсальных приборов.

По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов различают одноканальные и многоканальные осциллографы. Совмещение на экране изображений нескольких входных сигналов реализуют или использованием специальной многолучевой трубки, или путем периодического переключения осциллографа на разные входы с помощью электронного коммутатора.

Универсальным осциллографом называется измерительный прибор, в котором исследуемый электрический сигнал подается через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систему электроннолучевой трубки (ЭЛТ), а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляется напряжением горизонтальной развертки (ГОСТ 22737-77).

Упрощенная структурная схема универсального осциллографа изображена на рис. 1. В осциллографе кроме ЭЛТ и каналов вертикального и горизонтального' отклонений можно выделить следующие функциональные блоки: устройство синхронизации и запуска развертки, какал модуляции луча, вспомогательные устройства, источник питания. В стеклянном баллоне ЭЛТ расположены подогревный катод К, модулятор (сетка) М, фокусирующий анод A1 ускоряющий анод Л2 и две пары, взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин: X—горизонтальные, Y—вертикальные.

Канал вертикального отклонения луча. На рис. 1 показан канал вертикального отклонения луча, состоящий из аттенюатора, линии задержки и усилителя. Канал Y служит для передачи на пластины Y исследуемого сигнала uc(t), подводимого к входу Y. Аттенюатор канала позлет ослабить сигнал uc(t) в определенное число раз, а линия задержки (она регулируемая) обеспечить его подачу на пластины Y с задержкой относительно начала горизонтально развертывающего напряжения Ux. Усилитель обеспечивает амплитуду на пластинах Y, достаточную для значительного отклонения луча на экране даже малым исследуемым сигналом uc(t).

В свою очередь, усилитель Y канала вертикального отклонения включает следующие звенья (на рис.1 не показан): входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления Кус, линию задержки и парафазный (с противофазными выходными сигналами) усилитель, обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. В канал вертикального отклонения луча, может также входить калибратор амплитуды (на рис-1 не показан). Сигнал от калибратора поступает на вход первого усилителя для установки заданного коэффициента усиления Кус].При этом цена деления (В/дел) масштабной сетки на экране

осциллографа определится формулой: т =

напряжение калибратора; Кус1- коэффициент усиления усилителя при одном положении регулировки; nk - число делений сетки, занятое изображением калибровочного сигнала.

Цена деления масштабной сетки с учетом коэффициента делении кd аттенюатора сd - скd. Если в процессе работы параметр c остается постоянным:, то величина сd может быть указана на дискретном переключателе аттенюатора, что и делается на практике.

Канал горизонтального отклонения луча - канал X - служит для создания горизонтально отклоняющего - развертывающего - напряжения Ux с помощью напряжения генератора развертки или для передачи (через аттенюатор и усилитель) на пластины X исследуемого сигнала, подводимого к входу X осциллографа. Схема синхронизации вырабатывает сигнал синхронизации, поступающий на генератор развертки (для получения четкой неподвижной осциллограммы). Усилитель канала Xусиливает и преобразует сигнал развертки Up в Ux.

Основной блок в канале — генератор развертки, работающий в непрерывном или ждущем режиме. К форме пилообразного напряжения генератора предъявляется ряд требований:

- время обратного хода луча должно быть много меньше времени прямого хода Тобр<<Тпр. В противном случае часть изображения сигнала будет отсутствовать;

- для того чтобы изображение на экране было неподвижным, осциллограмма должна начинаться всегда с одной и той же точки экрана и фазы сигнала. Это достигается синхронизацией напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала: Тразв = пТс, где п— 1, 2,3, 4...;

- напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе луч будет двигаться по экрану с различной скоростью и нарушится равномерность временного масштаба по оси X. Это может привести к искажению сигнала.

Канал Z (канал управления яркости) осциллографа служит для передачи с входа Z на управляющий вход ЭЛТ сигнала, модулирующего ток ее луча и, следовательно, яркость свечения. В схему этого канала входят: Аттенюатор, схема изменения и усилитель Z.

Виды разверток в осциллографе

Одним из основных блоков осциллографа является электроннолучевая трубка, выходными элементами которой служат две пары пластин, с помощью специальной развертки отклоняющие луч горизонтально и вертикально.

Развертка - это линия, которую чертит луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала в результате действия только одного развертывающего напряжения. Если развертывающее напряжение приложено к одной паре отклоняющих пластин (обычно к пластинам X), то развертку называют по форме развертывающего напряжения (например, линейной или синусоидальной).

Если развертывающие напряжения приложены к отклоняющим пластинам X, Y трубки осциллографа одновременно, то название развертке дается по ее форме (например, круговая или эллиптическая).

Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая пилообразным напряжением Up генератора развертки. В зависимости от режима работы генератора развертки такую развертку подразделяют на несколько видов. Рассмотрим некоторые из них.

Автоколебательная развертка — это развертка, при которой генератор развертки периодически запускается при отсутствии сигнала запуска на его входе.

Ждущая развертка — развертка, при которой генератор развертки запускается только с помощью сигнала запуска.

Однократная развертка — развертка, с помощью которой генератор развертки запускается только один раз с последующейблокировкой.

При подаче на горизонтально отклоняющие пластины напряжения Ux пилообразной формы (рис.2), электронный сфокусированный луч под воздействием этого напряжения перемещается слева направо в интервале Тпр(точки 0-1-2 - длительность прямого хода луча) и справа налево на интервале Тобр (точки 2-3 - длительность обратного хода луча). Причем скорость движения луча в обратном направлении много больше (обычно луч при этом гасится), чем в прямом.

С помощью напряжения развертки, подаваемого на горизонтальные пластины электронно-лучевой трубки (пластины X) осциллографа, на экране можно наблюдать исследуемый сигнал, поступающий на пластины Y и изменяющейся во времени (развернутый).

Рис. 2. Диаграмма, поясняющая создание временного масштаба по горизонтально» оси экрана;

——► —■ прямой ход луча, ---------------------------► — возвратный ход луча;

Автоколебательная развертка применяется для исследования пе-риодических сигналов, а также импульсных с небольшой скважностью Q= Т/t. Она применяется при внутренней синхронизации. На рис.З представлены исследуемый сигнал Uc, развертывающее синхронное напряжение Ux и наблюдаемая осциллограмма.

Автоколебательная развертка не позволяет наблюдать непериодические сигналы и практически бесполезна при наблюдении периодических импульсных сигналов с большой скважностью Q (это связано с тем, что передний и задний фронты импульса почти сливаются). В этих случаях используют ждущую развертку.

Рис. 3. Пример применения автоколебательной развертки.

Рис. 4. Пример применения ждущей развертки

Пример использования ждущей развертки показан на рис.4. Генератор развертки запускается только при поступлении импульсов Uc. Если длительность развертки, равная t2-t1, сопоставима с длительностью исследуемого импульса, то его изображение на экране достаточно детально.

В осциллографе начало ждущей развертки несколько задержано относительно фронта (переднего скачка) импульса Uc. Поэтому если фронт импульса очень короткий, то он может не отобразиться на осциллограмме. Для наблюдения короткого фронта сигнал Uc задерживают во времени в канале Y с помощью линии задержки (штриховые импульсы Uc рис.4). Осциллограмма этой развертки дана на рис.4 штриховой линией.

Рассмотрим получение на экране ЭЛТ круговой развертки. Для этого на пластины Y надо подать синусоидальный сигнал Uy=Usin(wt) = Usin(2пt/T), а на пластины X— аналогичный по форме сигнал, но задержанный по времени на четверть периода (по фазе на ф = 90°), т.е. сигнал Ux=Usin(w (t-T/4))=-Ucos(wt). Осциллограмма круговой развертки представлена на рис.5.

Под действием напряжений развертки Uy и Ux луч прочерчивает на экране окружность за время, равное периоду Т.

Рис. 5. Получение круговой развертки в осциллографе

Положение луча на экране в момент времени t = 0 отмечено точкой 0, в момент t\-точкой 1 и т.д. Если амплитуда сигналов Uy и Ux не равны, то получим эллиптическую развертку, т.е. на экране увидим эллипс.

Электронно-лучевая трубка

Способ получения сфокусированного луча и схему управления лучом молено пояснить с помощью схемы, представленной на рис.6. Как уже отмечалось, простейшая однолучевая трубка представляет собой вакуумный стеклянный баллон, в котором расположены: подогревный катод К, модулятор (сетка) М, фокусирующий анод А1 ускоряющий анод Л2 и две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин: X - горизонтальные, Y - вертикальные. Внутренняя поверхность дна баллона (экран) покрыта люминофором, светящимся под действием бомбардировки

электронами. Совокупность электродов К, М, A1, А2 называется электронной пушкой, которая излучает узкий пучок электронов. Для этого на электроды подаются напряжения, примерные величины которых показаны на рис. 6.

Рис. 6. Схема управления лучом ЭЛТ

Электронное облако, имеющееся около нагретого катода, под воздействием высокого потенциала ускоряющего анода А2ускоряется и устремляется к экрану. Интенсивность луча регулируется потенциалом сетки М, фокусировка - первым анодом А2.

Основные характеристики электронно-лучевой трубки - чувствительность, полоса пропускания, длительность послесвечения, площадь экрана.

Чувствительность трубки ST=LТ/UТ, где LT — отклонение луча на экране трубки под воздействием напряжения Ut приложенного к паре отклоняющих пластин. Обычно ST порядка 1 мм/В.

С увеличением частоты исследуемого сигнала чувствительность трубки падает. Верхняя граница полосы пропускания ЭЛТ устанавливается на уровне, где чувствительность составляет примерно 0,7 от номинального значения. Для универсальных осциллографов широкого использования эта частота достигает 100 МГц. В современных осциллографах часто применяются многолучевые трубки, что достигается увеличением количества электродов. Более экономичным оказывается использование однолучевого осциллографа в режиме поочередной подачи двух сигналов на отклоняющие пластины (двухканальные осциллографы). За счет эффекта послесвечения трубки и свойств глаза на экране наблюдается одновременное изображение двух сигналов, хотя они подаются поочередно.

Один из важных параметров ЭЛТ - площадь рабочей части экрана, в пределах которой искажения осциллограммы минимальны. Для улучшения использования площади экрана современные ЭЛТ имеют экран прямоугольной формы.

К световым параметрам ЭЛТ относятся:

- диаметр светового пятна, который при оптимальной яркости определяет разрешающую способность ЭЛТ;

- максимальная яркость свечения экрана зависит от плотности электронного пучка и регулируется путем изменения отрицательного напряжения на модуляторе;

- цвет свечения экрана - чаще всего используют зеленый и желтые цвета, обеспечивающие наименьшую утомляемость глаз; для фотографирования с экрана применяют ЭЛТ с голубым свечением, к которому более чувствительны фотоматериалы;

- время послесвечения — для улучшения визуального восприятия осциллограммы время свечения экрана должно превышать время воздействия на него электронов. Если требуется наблюдать процессы с частотой более 10 Гц используют экраны с послесвечением средней продолжительности до 100 м.с. Для фоторегистрации более предпочтителен люминофор с малым (0,01с) послесвечением. При исследовании медленно меняющихся процессов применяют экраны, имеющие послесвечение более 0,1с.

а) б)

Рис. 7. Искажения осциллограммы сигнала: а — вследствие нелинейности развертки; б — иллюстрация к понятию коэффициента нелинейности; н — начало развертки; к — конец развертки

Как уже отмечалось, напряжение развертки при прямом ходе луча быть линейным, иначе появятся искажения исследуемого сигнала (рис. 7).

Нелинейность рабочего участка развертки прямого характеризуется коэффициентом нелинейности

физический смысл которого виден из рис.7,б. Коэффициент нелинейности выражает относительное изменение скорости нарастания напряжения в начале и конце рабочего хода развертки. Величина коэффициента нелинейности рабочего участка развертки должна быть не более 1%.

Основным требованием, предъявляемым к каждому измерительному прибору, является минимальная погрешность измерения. При выборе осциллографа следует в первую очередь обратить внимание на его технические характеристики: частотный диапазон, чувствительность, размер экрана. При этом изображение должно занимать центральную часть экрана и составлять 70%-80% его площади. В цифровых приборах это требование обычно выполняется автоматически. Ширина луча должна быть минимальной при достаточной яркости. Следует также обращать внимание на входные параметры осциллографа. Так, у некоторых осциллографов входное сопротивление порядка 1 Мом, что может оказывать шунтирующее действие на высокоомную исследуемую схему. То же неблагоприятное действие оказывает и входная емкость, которая вместе с емкостью соединительных проводов может составить несколько десятков пикофарад. При измерении импульсов и напряжений высоких частот при соединении должны использоваться специальные высокочастотные кабели.

При измерении амплитудных значений напряжения в универсальных осциллографах используется метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране осциллографа. Цена деления сетки устанавливается заранее с помощью калибратора амплитуды. Иллюстрация данного метода представлена на рисунке 8 , где показаны периодические сигналы.

Рис. 8 Определение параметров сигнала с помощью масштабной сетки.

Параметры импульсов определяются следующим образом:

Размах или амплитуда импульса Up (В) определяется

Up - СуIу, где

Су- цена деления сетки по вертикали, (В/дел),

Iу - количество делений сетки по вертикали.

Период следования импульсов Т определяется Т =CXLX, где

Сх - цена деления сетки по горизонтали (с/дел),

Lx - количество делений сетки по горизонтали.

Длительность импульса определяется т = СхLx,

Lx - количество делений сетки по горизонтали (в рамках одного импульса).

Погрешность измерения амплитуды сигнала при этом методе измерения составляет 4% - 7%.

Существует ряд способов повысить точность измерения амплитуды исследуемого сигнала, например компенсационные методы. Эти методы чаще всего применяют только в цифровых осциллографах, что позволяет получить численные значения параметров с погрешностью 1%~2%.

Что касается измерения временных параметров сигнала в отличие от частотомеров и измерителей временных интервалов с помощью осциллографа можно измерять параметры сигналов сложной временной структуры например ступенчатых сигналов или сигналов кодовой последовательности. Можно также измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом измерения является метод калиброванной развертки (калиброванных меток) который показан на рис. 9.

Рис. 9. Определение временных интервалов с помощью калибровочных меток:

Ис—напряжение исследуемого сигнала: Ик — напряжение калибровочного сигнала

Реальная погрешность этого метода составляет порядка 10% и зависит от количества меток.

Калибровочные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала путем модуляции яркости луча, т.е. подачи на сетку ЭЛТ напряжения известной частоты f0, Т0 = 1/ f0. При этом Тсигн = п Т0, где п - количество калибровочных меток.

Существующие способы повышения точности этого метода также используются в цифровых осциллографах. В некоторых случаях это позволяет получить погрешность менее 1 %.

Измерение фазового сдвига

Понятие «фаза» характеризует гармоническое (синусоидальное) колебание в любой конкретный момент времени. Для гармонического колебания u1(t)=Um1sin(ɷ t+1) с амплитудой Um1 и круговой частотой wтекущая (мгновенная) фаза в момент времени t равнаɷ (t)= ɷ t+ ɷ1 где ɷ 1 - начальная фаза.

Фазовым сдвигом ф двух гармонических сигналов одинаковой частоты u1(t):=Um1sin(ɷ1+) и u2(t)= Um2sin(ɷ t +2) называется модуль равности их начальных фаз: ф = |фф2|.

Собственно же величина ф = ф] ф2 называется разностью фаз сигналов. Фазовый сдвиг ф не зависит от времени, если остаются неизменными начальные фазы ф1 и ф2.

Отметим, что на практике обычно решают задачу измерения разности фаз двух гармонических (синусоидальных) колебаний с равными частотами. Фазовый сдвиг удобнее представить как зависимость сдвига сигналов во времени - Д1:, соответствующего их идентичным фазам. Так, например, для синусоидальных сигналов u1(t) = Umsinɷ t и u2(t)= Um2sinɷ (t- t), имеющих одинаковый периодТ = 2π/ɷ сдвиг фазы (рис.10):

Рис.10. Графики сигналов:

ф=ɷ t=(2π t/Т)

Два сигнала называются синфазными, противофазными и находящимися в квадратуре, если фазовый сдвиг между ними равен О,π и π /2 соответственно. Применительно к периодическим синусоидальному и несинусоидальному сигналам (рис. 10, б) и к двум несинусоидальным сигналам с одинаковым периодом Т используется понятие об их сдвиге (задержке) во времени t.

Рис 10. Графики сигналов:

б — синусоидального и несинусоидального с одинаковым периодом

Для измерения фазового сдвига с помощью осциллографа применяются методы линейной, синусоидальной и круговой разверток, а также метод полуокружности.

Метод линейкой развертки реализуется при наблюдении на экране одновременно двух сигналов (см. рис. 10), Для этого можно использовать двулучевой осциллограф, подавая сигналы на входы вертикального отклонения лучей (входы Y). Можно также применить однолучевой осциллограф, если на его вход Y подавать исследуемые сигналы поочередно через электронный коммутатор. В том и другом вариантах горизонтальные развертки осциллографов должны быть синхронизированы одним из сигналов. Измерив временные отрезки t.и Т, вычисляют фазовый сдвиг сигналов в радианах или в градусах по следующему выражению:

ф =360° t./Т

При данном методе погрешность измерения фазового сдвига ф близка к ±(5...7)° и вызвана нелинейностью развертки, неточностью замера интервалов t и Т, а также ошибками определения положения оси времени.