Универсальные осциллографы

Рассмотрим упрощенную структурную схему универсально­го осциллографа, приведенную на рис. 5.1. В схеме этого осцил­лографа кроме ЭЛТ можно выделить следующие функциональ­ные блоки: каналы вертикального и горизонтального отклонений, устройство синхронизации и запуска развертки, канал модуляции луча, вспомогательные устройства, источник питания. В осцил­лографе исследуемый электрический сигнал подают через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систе­му ЭЛТ, а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляют напряжением горизонтальной развертки.

Электронно-лучевая трубка представляет собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой размещены электронная пуш­ка, отклоняющие пластины и люминесцентный экран. Электрон­ная пушка состоит из подогреваемого катода К, модулятора (сет­ки) яркости светового пятна М, электродов фокусировки и ускорения электронного луча— фокусирующего анода А₁ уско­ряющего анода А₂ и основного анода А₃.

С труктурная схема универсального осциллографа

Яркость свечения люми­нофора ЭЛТ регулируют путем изменения отрицательного на­пряжения на модуляторе М. Напряжение на первом аноде А₁ фокусирует электронный поток в узкий луч. Чтобы придать элек­тронам скорость, необходимую для свечения люминофора, на второй анод А₂ подают достаточно большое (до 2000 В) положи­тельное напряжение. Для дополнительного ускорения электронов используют анод А₃, к которому приложено высокое положитель­ное напряжение (до 10... 15 кВ).

Основным назна­чением электронной пушки является формирование узкого электронного пучка, при попадании которого на люминесцентный экран на экране возни­кает светящееся пятно.

Работа отклоняющих систем ЭЛТ: электронный пучок (луч), проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих Y и горизон­тально отклоняющих X. Если к отклоняющим пластинам прило­жить напряжение, то между ними будет существовать электриче­ское поле, которое будет вызывать отклонение электронного луча в ту или иную сторону. Когда напряжение приложено к верти­кально отклоняющим пластинам, то пятно будет перемещаться по оси Y; если же напряжение приложено к горизонтально откло­няющим пластинам, то световое пятно на экране трубки будет отклоняться вдоль оси X. Если сфокусировать электрон­ный луч так, чтобы световое пятно расположилось в центре экра­на ЭЛТ, а затем к пластинам Y приложить исследуемый сигнал, а к пластинам X — пилообразное напряжение, то под совместным воздействием двух напряжений луч вычертит на экране трубки осциллограмму, отражающую зависимость входного напряжения от времени.

Канал вертикального отклонения луча служит для передачи на пластины Y ЭЛТ исследуемого сигнала u_c(t), под­водимого к входу Y. Канал вертикального отклонения луча со­держит аттенюатор, линию задержки и усилитель Y. Аттенюатор позволяет ослабить сигнал u_c(t) в определенное число раз, а регулируемая линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала на пластинах Y ЭЛТ относительно начала развер­тывающего напряжения U_x, что важно для ждущего режима. Уси­литель Y обеспечивает амплитуду сигнала на пластинах Y, доста­точную для значительного отклонения луча на экране даже малым исследуемым сигналом u_c(t). Этот усилитель содержит входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления и парафазный (с противофазными выходными сигналами одинаковой амплитуды) усилитель, обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. Сигнал от калибратора поступает на вход перво­го усилителя для установки заданного коэффициента усиления. Основные характеристики канала вертикального отклонения:

• верхняя граничная частота (порядка 100 МГц и более);

• чувствительность;

• входные сопротивление (1... 3 МОм) и емкость (1... 5 пФ);

• погрешность измерения амплитуды напряжения и интервалов времени — около 5-7 %.

Во входную цепь канала вертикального отклонения включа­ют также коммутируемый разделительный конденсатор, позво­ляющий при необходимости исключить подачу на вход осцилло­графа постоянной составляющей исследуемого сигнала (так называемый «закрытый» вход).

Канал горизонтального отклонения луча служит для создания горизонтально отклоняющего — развертывающего — напряжения U_x с помощью напряжения генератора развертки или для передачи (через аттенюатор и усилитель) на пластины X исследуемого сигнала, подводимого к входу X.

Схема синхронизации (и запуска развертки) управляет ге­нератором развертки и обеспечивает кратность периодов иссле­дуемого сигнала и развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом ам­плитуды и т.д.). Это достигают синхронизацией напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала:

Т_разв = пТ_с, где п = 1, 2, 3, 4, ... .

Развертка — линия, которую прочерчивает луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала в результате действия только одного развертывающего напряжения. Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхрониза­цией в автоколебательном режиме работы генератора и запуском — в ждущем. Синхронизацию и запуск развертки производят спе­циальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устрой­ства синхронизации.

В осциллографе установлены два режима синхронизации: внутренняя (Внут.) и внешняя. При внутренней синхронизации (переключатели П1 иП2 — в положении 1) синхроимпульсы вы­рабатывают из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней синхронизации (переключатели П1 и П2 — в по­ложении 2) сигнал синхронизации подают от внешнего источни­ка на специальный вход X осциллографа.

Канал горизонтального отклонения характеризуют чувстви­тельностью и полосой пропускания, показатели которых практи­чески раза в два меньше, чем в канале вертикального отклонения. Основным блоком в канале горизонтального отклонения является генератор развертки, работающий в непрерывном или ждущем режиме. К форме пилообразного напряжения генератора предъ­являют ряд специфических требований:

• время обратного хода луча должно быть много меньше вре­мени прямого хода, т.е.

Т_обр << Т_пр; иначе часть изображения сиг­нала будет отсутствовать;

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

Канал управления яркостью (модуляции луча по яркости) предназначен для подсветки прямого хода луча. Подсветку осу­ществляют передачей с входа Z на управляющий электрод (моду­лятор М) ЭЛТ сигнала, модулирующего поток луча и, следо­вательно, яркость свечения люминофора. В схему этого канала входят: аттенюатор, схема изменения полярности и усилитель Z. Для формирования требуемого уровня напряжения модулятора, служит усилитель Z. Усилитель может иметь дополнительный вход, что дает возможность модуляции изображения по яркости внешним сигналом. Канал Z используют и для создания яркостных меток для измерения частоты и фазы.

Калибратор — генератор напряжений, формирующий перио­дический импульсный сигнал с известными амплитудой, длитель­ностью и частотой для калибровки осциллографа, т.е. для обес­печения правильных измерений параметров исследуемого сигнала.