2.11.  Электронные осциллографы

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.

Для исследования зависимости электрического напряжения от времени исследуемое напряжение подается на вход "Y" осциллографа и включается генератор развертки, вырабатывающий линейно изменяющееся напряжение.

Для исследования зависимости одного напряжения (тока) от другого первое из указанных напряжений подается на вход "Y", а второе – на вход "Х", генератор развертки в этом случае отключается.

Существуют многолучевые и многоканальные осциллографы. В многолучевых осциллографах применяются специальные многолучевые электронные трубки, а в многоканальных – специальные коммутаторы электрических сигналов, позволяющие наблюдать несколько сигналов на экране однолучевой ЭЛТ.

Понять принцип работы электронного осциллографа поможет рисунок 2.16, на котором приведена структурная схема осциллографа.

Структурная схема осциллографа включает:

·  электронно-лучевую трубку  (ЭЛТ);

·  канал "Y" (канал вертикального отклонения луча), содержащий входное устройство, предварительный усилитель Y, линию задержки сигнала, оконечный усилитель Y;

·  канал "Х" (канал горизонтального отклонения луча), содержащий генератор развертки по оси Х, устройство синхронизации, предварительный и оконечный усилители Х;

·  канал  Z (канал управления яркостью луча); 

·  калибровочное устройство.

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. Длительность послесвечения ЭЛТ можно оценить экспериментально, не подключая ЭЛТ. С этой целью освещают в течение нескольких секунд экран ЭЛТ карманным фонариком и, выключив фонарик, наблюдают в темноте уменьшение с течением времени яркости свечения экрана. 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.

Коаксиальный кабель (рис. 2.17) имеет внутренний проводник 1, который цилиндрическим изолятором 2 отделен от внешней проводящей оболочки 3 (оплетки). Эта оболочка обычно также покрывается защитной изоляцией 4. Оплетка изготавливается из большого числа тонких медных проводников. Один конец коаксиального кабеля обычно имеет разъем для подключения к прибору, а ко второму присоединяются два проводника. Проводник, соединенный с оплеткой, выбирается, как правило, с изоляцией черного цвета. Проводник, подключаемый к центральной жиле кабеля, называют сигнальным. Проводящая оболочка кабеля подключается к корпусу измерительного прибора.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. Схема одного из вариантов простого частотно-компенсированного делителя напряжения приведена на рисунке 2.18. 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 (линейно изменяющееся 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. Проведем эксперимент с осциллографами ОМЛ-3М и ОМШ-3М.

Электронный осциллограф ОМЛ-3М имеет полосу пропускания канала “У” от 0 до 5 МГц,  а осциллограф ОМШ-3М  -  от 0 до 25 кГц. На входы вертикального отклонения обоих осциллографов подадим одновременно прямоугольные импульсы длительностью 2-3 микросекунды со скважностью равной двум. На экране осциллографа ОМЛ-3М форма импульсов прямоугольная, а на экране осциллографа ОМШ-3М импульсы имеют форму, аналогичную форме импульсов на выходе интегрирующей RC - цепи при подаче на ее вход прямоугольных импульсов напряжения (рис. 2.19). При изменении в широких пределах частоты следования прямоугольных импульсов, подаваемых на вертикальные входы осциллографов, наблюдаем изменение формы сигнала на экранах. Полученные результаты можно объяснить, анализируя спектральный состав прямоугольных импульсов. Результаты проведенного эксперимента убеждают в необходимости  учета  полосы пропускания канала вертикального отклонения осциллографа для наблюдения без искажений прямоугольных импульсов.