Электронные осциллографы – Как выбрать цифровой осциллограф. Преимущества цифрового осциллографа

Содержание

Электронные осциллографы

Электронный
осциллограф – это прибор для визуального
наблюдения и регистрации разнообразных
электрических сигналов, а также для
измерения разнообразных параметров
сигналов, определяющих их форму,
временные, частотно-фазовые соотношения.

Классификация эо и их структур

Существует
несколько классификационных признаков.

  1. По
    количеству одновременно исследуемых
    сигнал – для исследования одного
    сигнала и нескольких.

  2. По
    ширине полосы пропускания.

  3. По
    характеру исследуемого сигнала – для
    наблюдения непрерывных сигналов,
    импульсных многократных и импульсных
    однократных.

  4. По
    точности воспроизведения формы сигнала,
    точности измерения временных интервалов
    и амплитуд: на ЭО 1, 2, 3, 4 классов.

Несмотря
на многообразие существующих типа ЭО,
их обобщённые структурные схемы можно
свести к двум типам, взяв за основу
классификацию по характеру исследуемого
сигнала – для наблюдения непрерывных
сигналов и импульсов.

В первом
случае схема имеет следующий вид. Её
основным элементом служит электронно
– лучевая трубка, во второю вмонтированы
электронная пушка и отклоняющие пластины.

м

K
1 2

+
— вх z

+

яркость
фокус

A
– Входной каскад;

B
– Усилитель напряжения;

С
– Парафазный усилитель;

D
– Узел синхронизации;

Е
– Генератор;

F
— Парафазный усилитель;

G
— Усилитель напряжения;

Н
— узел питания.

Электронная
пушка состоит из катода «К», модулятора
яркости М, фокусирующее – ускоряющие
аноды
Все электроды выполняются в виде
цилиндров, оси которые совпадают с осью
трубки. Внутри цилиндров расположены
перегородки – диафрагмы с отверстиями
в центре.

Катод
создаёт электронный луч, М – концентрирует
луч в узкий пучок и позволяет регулировать
яркость путём подачи отрицательного
относительно катода напряжения.

На
первый анод
и второйподаётся высокое положительное напряжение
(несколько киловольт).фокусирует электронный луч, а— сообщает лучу необходимую энергию.

Экран
покрыт слоем люминесцирующего вещества.
Внутреннюю поверхность трубки покрывают
проводящим слоем металла или графита
(акводач), который соединяют со вторым
анодом.

Это
уменьшает влияние электрических полей
на работу прибора. Для защиты от магнитных
полей трубку помещают в кожух из
пермаллоя.

Измерительный
механизм – отклоняющее устройство ЭЛТ
состоит из двух пар 1 и 2 отклоняющих
пластин.

Если
на пластины подать переменное напряжение,
то отклонение светового пятна будет
практически без инерционно следовать
за мгновенными значениями
вплоть до сотен МГц, и на экране будет
наблюдаться светящаяся полоска, длина
которой соответствует двойной амплитуде.
В таком режиме ЭО может использоваться
для измерения амплитуд ~ напряжений и
в нулевых указателях.

Чувствительность:

где
— напряжение 2-го анода.

Т.е.
для увеличения необходимо
уменьшить
,но это приводит к
уменьшению яркости, которая зависит от
кинетической энергии электронов, т.е.
от
.Поэтому уменьшают, а после
отклоняющих пластин применяют
дополнительные ускорения с помощью
дополнительной секции аквадага, на
которую относительно второго анода
подается напряжение
.
Это мероприятие позволяет значительно
увеличить яркость.

Чувствительность
ЭЛТ мала, она составляет 0,10,5
мм/в. Поэтому во всех осциллографах
входной сигнал
предварительно усиливается. Для
согласования ЭЛТ с усилителем служит
выходной парафазный усилитель, применение
которого необходимо для уменьшения
специфических искажений сигнала,
появляющихся в связи с наличием ёмкости
отклоняющих пластин.

Для
наблюдения исследуемого напряжения на
экране необходимо движение луча в
горизонтальном направлении. Для этого
напряжение от генератора развёртки Е
подаётся на пластины «Х».

должно
линейно нарастать во времени. Наилучшей
формой такого напряжения является
пилообразное напряжение. Если период
развертки равен периоду напряжение.

Если
период развертки равен периоду напряжения

,
то на экране будет наблюдаться одна
волна.
Та ее часть, которая приходится на
обратный ход луча, видна, не будет.

t

Поэтому
обычно Tpaзв=(3÷4)Ту.
Благодаря этому, потеря даже значительной
части последнего периода
уже не играет роли.Tpaзв
должно быть равно целому числу Ту, чтобы
каждый новый период развертки начинался
с одной и той же точки.
Только в этом случае изображение на
экране будет неподвижным, в противном
случае будет наблюдаться мелькание
полос.

Это
соотношение должно поддерживаться с
большой степенью точности в течении
длительного времени. Однако, регулировка
частоты Гр с необходимой точностью
затруднительна. Поэтому Гр снабжен
устройством синхронизации. Синхронизация
может идти как от исследуемого напряжения
(переключатель
в положении 1), так и от любого внешнего
источника (положения 2). Продифференцированное
напряжение с Гр обычно подается на «М»,
что позволяет исключить засветку экрана
при обратном ходе луча (входZ).

В ряде
случае, например, при измерении сдвига
фаз, частоты и т. п. На пластины «Х»
следует подавать не пилообразное
напряжение, а например, синусоидальное.

В
этом случае Гр отключается с помощью
П2, и пластины 2 присоединяют к выходу
усилителя
,
на которое подано напряжение от любого
внешнего источника
.

Обобщенная
структура осциллографа, предназначенного
для наблюдения импульсных однократных
или многократных сигналов, показано на
рисунке.

Вход Y1

2
1

2

Внешн.

синхр.

Вход х

Вход Z

А-узел
питания и регулирования, В-калибратор
напряжения, С-генератор импульсной
подсветки, D-калибратор
меток в рем., Е-формирование импульсного
запуска.

Здесь
появились дополнительные узлы.

Линия
задержки в канале «Y», генератор ждущей
развёртки, генератор импульсов подсветки
и вспомогательные элементы – калибратор
меток времени и калибратор напряжения.
С помощью генератора непрерывной
развёртки можно получить устойчивое
изображение лишь в случае периодических
сигналов в основном с малой скважностью.
А при большой скважности возникают
затруднения, так как устойчивая
синхронизация бывает лишь в том случае,
когда частота генератора развёртки
меньше частоты, так как генератор
работает в режиме деления частоты.

Труднее
с непериодической последовательностью
импульсов. Здесь синхронность означает,
что генератор должен быть подготовлен
к началу процесса развёртки, пока
импульса нет, и должен выдать единичный
сигнал развёртки, когда импульс поступает
на вход осциллографа. Поэтому должно
быть два режима работы Гр – «непрерывный»
и «ждущий», когда Гр ждет импульс.

Для
того, чтобы начало ждущей развёртки не
запаздывало относительно момента
поступления импульса, т. к. в этом случае
на экране будет не полное изображение
импульса, при исследовании в микросекундах
и наносекундных импульсов необходима
задержка сигнала в канале вертикального
отклонения луча на время задержки Гр.
Это достигается включение линии задержки,
которая выполняется в виде цепной схемы
из LиCэлементов.

При
большой скорости движения луча изображение
сигнала будет неярким. Для устранения
этого явления формируют режим работы
ЭЛТ введением генератора подсветки,
который резко увеличивает энергию луча
при прямом ходе.

Для
улучшения метрологических характеристик
ЭО вводится калибратор меток времени
и калибратор напряжения. Калибратор
меток времени – это стабильный генератор,
дающий сигнал на «М», который периодически
запирает трубку, вызывает чередование
тёмных и светлых участков на изображении
сигнала, по количеству которых можно
судить о его временных характеристиках.

Калибратор
напряжения выдает периодический сигнал
определённой частоты, амплитуда которого
постоянна и известна, что позволяет
отградуировать ось «Y»
в единицах напряжения.

Основные
узлы ЭО

Основными
узлами ЭО кроме ЭЛТ, являются генераторы
развёртки.

Генераторы
развёртки. Гр должны давать напряжение,
линейно изменяющееся во времени.

U

Um

t

t
в

tпр

tобр

Это
напряжение должно иметь .
время восстановления амплитуды. Гр
должен генерировать напряжение с высокой
линейностью прямого хода, должен иметь
малое время восстановления, допускать
возможность синхронизации. Гр ЭО делятся
на ГЛИН медленной развертки ;средней скорости
развертки и быстрой развертки
.Гр может быть
построены по двум блок схемам.

Е

Е

Выход

Выход

с

с

В
первой схеме «С» заряжается во время
прямого хода от источника «Е», а в течение
обратного хода разряжается через
коммутирующую цепь.

В второй
схеме «С» во время прямого хода разряжается
через разрядную цепь, а во время обратного
хода быстро заряжается через коммутирующий
элемент.

Характерным
для этих схем является наличие ёмкостной
интегрирующей цепи.

i-
ток заряда емкости

Если
i=const,
то
.

Для
обеспечения постоянства тока пользуются
разными способами.

1)
Применением высокого по сравнению
снапряжения
заряда емкости, т.е.

используется
только начальный участок экспоненциального
напряжения заряда ёмкости.

2)
Применением токостабилизирующих
устройств (диоды в режиме насыщения,
пентоды).

3)
Применением компенсационных схем с
положительной и отрицательной обратной
связью.

Синхронизация
Гр
.
Как
указывалось, для получения неподвижной
кривой на экране, нужно, чтобы частоты
исследуемого напряжения и напряжения
развёртки относились как простые целые
числа m:n.
Практически и

непостоянны во времени. Поэтому необходимо
синхронизировать Гр исследуемым
напряжением.

В ждущем
режиме Гр запускается исследуемым
напряжением. Гр делает одно колебание
и ожидает нового импульса. В этом случае
автоматически решается вопрос
синхронизации.

Если
же Гр выдаёт
непрерывно, то и синхронизация должна
осуществляться.

studfiles.net

Осциллографы.Виды и особенности.Устройство и работа.Применение

Для любого профессионального настройщика электронных устройств или для инженера по радиоэлектронным устройствам основным рабочим устройством является осциллограф. Без него нельзя обойтись при настройке телевизора, передатчика. Осциллографы служат для контроля и наблюдения за периодическими сигналами различных форм, в том числе синусоидальной. Благодаря широкому интервалу развертки он дает возможность развернуть импульс даже для контроля наносекундных промежутков времени. Осциллограф подобен работе телевизора, который изображает электрические сигналы.

Устройство и принцип действия

Для лучшего понимания действия прибора, разберем блок-схему типового осциллографа, так как все их основные виды имеют аналогичное устройство.

На этой схеме не изображены блоки питания: низковольтный блок, подающий питание для работы узлов, и источник повышенного напряжения, применяющийся для генерирования высокого напряжения, приходящего на электронно-лучевую трубку. Также на схеме нет калибратора для настройки и подготовки прибора к работе.

Тестируемый сигнал поступает на канал вертикального отклонения «Y», далее на аттенюатор, выполненный в виде многопозиционного переключателя, настраивающего чувствительность осциллографа. Его шкала размечена в вольтах на сантиметр или в вольтах на одно деление. Это обозначает одно деление сетки координат на экране лучевой трубки. Там же изображены сами величины. Если амплитуда сигнала неизвестна, то устанавливается наименьшая чувствительность. В этом случае даже большой сигнал на 300 В не повредит прибору.

Обычно в комплекте с осциллографом есть делители, в виде специальных насадок с разъемами. Они работают так же, как аттенюатор. Эти насадки компенсируют емкость кабеля при работе с малыми импульсами. На фото показан делитель. Коэффициент деления равен 1:10.

С помощью делителя возможности прибора расширяются, можно исследовать сигналы в несколько сотен вольт. После делителя сигнал проходит на предварительный усилитель, раздваивается и приходит на переключатель синхронизации и линию задержки, которая служит для компенсации времени сработки генератора развертки. Оконечный усилитель создает напряжение, поступающее на «Y» -пластины, и отклоняет луч в вертикальной плоскости.

Генератор развертки создает пилообразное напряжение, поступающее на пластины «Х» и горизонтальный усилитель, при этом луч отклоняется в горизонтальной плоскости.

Устройство синхронизации создает условия для работы генератора развертки в одно время с появлением сигнала. В итоге на дисплей осциллографа выводится изображение импульса.

Переключатель синхронизации работает в положениях синхронизации от:

  • Исследуемого сигнала.
  • Сети.
  • Внешнего источника.

Первое положение применяется чаще, так как оно более удобно.

Классификация

Осциллографы являются распространенным видом измерительных приборов. Существует несколько видов осциллографов, имеющих разные характеристики, устройство и работу.

Аналоговые осциллографы

Такие осциллографы являются классическими моделями этого типа измерительных приборов. Любые аналоговые осциллографы имеют делитель, вертикальный усилитель, синхронизацию и отклонение, блок питания и лучевую трубку.

Такие трубки имеют больший диапазон частоты. Отклонение луча на экране прямо зависит от напряжения пластин. Горизонтальная развертка работает по линейной зависимости от напряжения горизонтальных пластин.

Нижний предел частоты равен 10 герцам. Верхняя граница определяется емкостью пластин и усилителем. Сегодня аналоговые устройства вытесняются цифровыми приборами со своими достоинствами. Но аналоговые приборы пока не исчезают ввиду их малой стоимости.

Цифровые запоминающие

Если цифровые приборы сравнивать с аналоговыми, у них больше возможностей. Стоимость их постепенно снижается. Цифровой осциллограф включает в себя делитель, усилитель, преобразователь аналогового сигнала, памяти, блока управления и выведения на ЖК панель.

Принцип действия такого вида осциллографов придает им большие возможности. Входящий аналоговый сигнал модифицируется в цифровую форму, и сохраняется. Скорость сохранения определяется управляющим устройством. Ее верхняя граница задается скоростью преобразователя, а нижняя граница не имеет ограничений.

Преобразование сигнала в цифровой код дает возможность увеличить устойчивость отображения, сохранять данные в память, сделать растяжку и масштаб проще. Применение дисплея вместо электронной трубки позволяет отображать любые данные и осуществлять управление прибором. Дорогостоящие приборы оснащаются цветным экраном, что позволяет различать сигналы других каналов, курсоры, выделять цветом разные места.

Параметры цифровых осциллографов намного выше аналоговых моделей, в больших пределах находится растяжка сигнала. Кроме простых схем включения синхронизации, может использоваться синхронизация при некоторых событиях или параметрах сигнала. Синхронизацию можно увидеть непосредственно перед включением развертки.

Применяемые процессоры обработки сигнала дают возможность обработки спектра сигнала с помощью анализа преобразованием Фурье. Информация в цифровом виде позволяет записать в память экран с итогами измерения, а также распечатать на принтере. Многие приборы оснащены накопителями для записи изображения в архив и последующей обработки.

Цифровые люминофорные

Такой тип осциллографов работает на новой структуре построения, основанной на цифровом люминофоре. Он имитирует по подобию с аналоговыми приборами изменение изображения на экране. Люминофорные цифровые типы осциллографов дают возможность наблюдать на дисплее все подробности модулированных сигналов, как и аналоговые типы. При этом обеспечивается их анализ и хранение в памяти.

Люминофорные приборы, как и предыдущая рассмотренная модель, имеет свою память для хранения различной информации, в том числе хранится разница задержки времени между разными пробниками. Возможность люминофорных осциллографов выводить данные с изменяемой интенсивностью значительным образом упрощает поиск повреждений в импульсных блоках. Это выражено при вычислении глубины модуляции сигнала при регулировке напряжения на выходе, приводящее к нестабильному функционированию блоков.

В люминофорных цифровых осциллографах объединены достоинства цифровых и аналоговых устройств, а во многом превосходят их. Люминофорные приборы обладают всеми преимуществами запоминающих осциллографов, обеспечивая возможности аналоговых приборов: быструю реакцию на смену сигнала и его отображение с разной яркостью.

Цифровые стробоскопические

В этом виде осциллографов применяется эффект последовательного стробирования сигнала. При повторении сигнала выбирается мгновенное значение в определенной точке. При поступлении нового сигнала точка выбора смещается по сигналу. Так продолжается до полного стробирования сигнала. Модифицированный таким образом сигнал в виде огибающей линии мгновенных величин сигнала входа, повторяет форму сигнала.

Продолжительность модифицированного сигнала на много больше продолжительности тестируемого сигнала, а значит, имеется сжатие спектра. Это соответствует увеличению полосы пропускания. Стробоскопические виды осциллографов имеют большие полосы пропускания, и дают возможность производить исследования периодических сигналов с наименьшей продолжительностью. Стоимость стробоскопических осциллографов очень высока, поэтому их применяют чаще всего для сложных задач.

Виртуальные осциллографы

Новый вид приборов может быть отдельным устройством с параллельным портом для вывода или ввода информации, а также с портом USB, а также встроенным вспомогательным прибором на базе карт ISA. Программная оболочка виртуальных осциллографов позволяет полностью управлять устройством, и имеет несколько возможностей сервиса: импорт и экспорт информации, цифровая фильтрация, разнообразные измерения, обработка информации математическим способом и т.д.

Осциллографы с применением персонального компьютера могут применяться для широких возможностей измерения. Например, для обслуживания и разработки радиотехнической и электронной аппаратуры, в телекоммуникационной связи, при изготовлении компьютеризированного оборудования, при выполнении диагностических мероприятий средств автотранспорта на станциях технического обслуживания и для многих других случаев, где требуется оценка и тестирование неустойчивых переходных процессов.

Виртуальные модели осциллографов являются хорошим альтернативным вариантом для стандартных запоминающих цифровых осциллографов, так как они обладают достоинствами в виде малой стоимости, простоте применения, компактных размеров и высокого быстродействия. К недостаткам виртуальных осциллографов относится невозможность измерения и отображения постоянной величины сигналов.

Портативные осциллографы

Цифровые технологии быстро развиваются, в результате чего цифровые стационарные приборы модифицируют в портативные устройства с хорошими параметрами габаритных размеров и массы, а также низким расходом электрической энергии.

При этом портативные осциллографы с питанием от гальванических элементов не уступают по характеристикам стационарным приборам по количеству функций, имеют большие возможности использования в разных областях научных исследований, промышленном производстве.

Похожие темы:

 

electrosam.ru

§ 18.8. Электронный осциллограф

Осциллограф

это измерительное устройство для
визуально­го наблюдения или записи
функциональной зависимости двух ве­тчин,
преобразованных в электрический сигнал.
Осциллографы (широко
используют для наблюдения временной
зависимости пе­ременной величины.

Главной
частью электронного осциллографа
является электрон­но-лучевая
трубка (ЭЛТ), показанная на рис. 18.17. Ее
элементы расположены
в вакуумированном баллоне Б. Они включают
в себя люминесцирующий
экран Э, отклоняющую систему О из двух
пар отклоняющих
пластин и электронную пушку П (выделена
штри­ховой
линией), состоящую из подогревного
катода, подобного ка­тоду
диода, и специальных электродов, которые
ускоряют и фоку­сируют
электроны. На пластины вертикального
и горизонтального отклонения
подается разность потенциалов. В
зависимости от ее знака
и значения пучок электронов отклоняется
в вертикальном или
горизонтальном направлении. Сформированный
и определен­ным
образом направленный электронный пучок
попадает на лю­минесцирующий
экран — переднюю стенку электронно-лучевой
трубки,
покрытую люминофорами, которые способны
светиться под воздействием ударов
электронов (катодолюминесценция).

Пучок
электронов на экране изобразится
светящейся точкой. Плавно
изменяя напряжение на отклоняющих
пластинах, светя­щуюся
точку можно перемещать по экрану.
Люминофоры обладают свойством
послесвечения, они светятся в данном
месте некоторое время
после того, как электронный пучок
сместился с данного места. Поэтому
перемещение пучка наблюдается на экране
в виде линии.

Структурная
схема осциллографа дана на рис. 18.18: Ух
и Уу
— усилители, БП — блок питания, ГР —
генератор разверт­ки,
ЭЛТ — электронно-лучевая трубка. Имеется
также блок синхронизации.
На рис. 18.19 изоб­ражена
передняя панель осциллог­рафа.

Поданный
на клеммы «ВходY»
и
«Земля» сигнал усиливается и по­дается
на вертикально отклоняю­щие
пластины. На экране осциллог­рафа
такой сигнал изобразится от­резком
вертикальной прямой.

Для
наблюдения зависимости сигнала от
времени следует светя­щейся
точке сообщить одновремен­но
равномерное движение в горизон­тальном
направлении. Чтобы запи­сать
периодический процесс, точка должна
за некоторый конечный промежуток времени
переместить­ся
слева направо по экрану и в воз­можно
короткий промежуток време­ни
вернуться обратно. Поэтому напряжение,
подаваемое на горизонтально отклоняющие
пластины, должно
иметь пилообразный вид (см., например,
рис. 18.8, причем T1
>> Т2).
Принцип
устройства, служащего для этой цели, —
гене­ратора
развертки — был рассмотрен в § 18.5.

Для
того чтобы периодический процесс
отображался на экране неподвижным
изображением, необходимо подобрать
достаточно точно частоту развертки: на
один период времени развертки дол­жно
приходиться целое число периодов
исследуемого сигнала. Это
условие выполняется блоком синхронизации
развертки. Руч­ки
«Диапазон частот» и «Частота плавно»
позволяют задавать нужную
частоту развертки.

Если
исследуемый процесс однократный или
непериодиче­ский,
то может быть использован ждущий режим
развертки, предусмотренный
в некоторых осциллографах. Этот режим
раз­вертки действует каждый раз и
только тогда, когда возникает
ре­гистрируемый
процесс.

Вращая
ручки «Яркость» и «Фокус», изменяют
разность по­тенциалов между ускоряющими
электродами, благодаря чему достигаются
различная интенсивность и площадь
сечения электрон­ного пучка. При этом
происходит изменение яркости и
фокуси­ровки
светящейся точки. Ручки «Ось У» и «Ось

служат для смещения
всей изображаемой картины в вертикальном
или гори­зонтальном
направлении.

Для
наблюдения зависимости каких-либо двух
величин пода­ют
электрические сигналы, отвечающие этим
величинам, на клеммы
«Вход У» и «Вход X».
Генератор развертки при этом не
включается.
Так, в частности, можно получить фигуры
Лиссажу (см. § 5.3) вектор-кардиограмму
(см. § 12.5).

С
помощью ручки «Усиление» изменяют
усиление поданного сигнала. При этом
на экране осциллографа изображение
растяги­вается
или сжимается по соответствующему
направлению.

Для
калибровки масштаба времени в некоторых
осциллогра­фах
предусмотрен генератор меток времени
для периодического изменения
яркости пятна на экране. Благодаря этому
можно оп­ределять
длительность изображаемого процесса
или его отдель­ных частей.

Изображение,
полученное на экране электронного
осциллогра­фа, может быть сфотографировано.

 

studfiles.net

Устройство осциллографа, его настройка, подключение и сферы применения

Для ремонта электроники необходимы измерительные приборы. В основном используют мультиметр или старый добрый тестер, но для сложной диагностики неисправностей радиоэлектронной аппаратуры требуется более точный и чувствительный прибор — осциллограф. Им пользуются в основном профессиональные мастера электроники. Обывателю достаточно сложно разобраться в тонкостях его работы. Статья поможет понять принцип работы и полезные качества этого аппарата для диагностики электронной техники.

Что такое осциллограф и зачем он нужен


Осциллограф позволяет визуализировать электрические сигналы, импульсы и колебания. При диагностике неисправностей электронной аппаратуры очень важно видеть процессы, происходящие в электронной схеме, даже если они кратковременны и происходят в случайный момент. По осциллограмме можно видеть амплитуду электронного колебания и время любого его участка. С помощью осциллографа измеряют: фазы, частоты, коэффициенты модуляции электронных колебаний и многие иные необходимые измерения. Большой диапазон измеряемых частот, возможность отделения необходимого сигнала от помех делает его незаменимым прибором при ремонте сложной электронной техники. В общих чертах и понятным новичку языком принцип работы можно описать следующим образом.

Устройство осциллографа


Основной элемент прибора — экран, разделённый на клетки. На него выводится визуализация электрического колебания. Масштаб клеток задаётся регулировками на корпусе осциллографа. Вертикальные клетки показывают напряжение подаваемого сигнала, а горизонтальные замеряют время. Градация клеток как по напряжению, так и по времени выставляется регуляторами на корпусе. Зная время одного импульса сигнала несложно рассчитать его частоту.

Усилитель сигнала

Прибор оснащён регулятором усиления электрического сигнала. По сути, функция изменяет масштабирование синусоиды на экране. Например, по вертикали экран размечен на 10 клеток, и предел усиления установлен на 1 вольт на клетку. В этом случае импульс напряжением в двадцать вольт будет не виден на экране. Нужно установить параметр усиления на большее количество вольт, отображаемое в одной клетке. Точно так же при низком напряжении увеличением усиления добиваются отчётливой визуализации осциллограммы.

Развёртка и её регулировка

Принцип настройки осциллографа по параметру развёртки идентичен настройке усиления, только производится она по горизонтальной оси. Клетки соответствуют миллисекундам. Изменяя их количество, соответствующее одной клетке, получаем нужное отображение синусоиды в необходимом масштабе. При необходимости изучить малый отрезок сигнала, значение развёртки уменьшают. Для изучения частотности и типа электронного импульса, оценки цикличности и других характеристик значение увеличивают.

Блок синхронизации

Синусоида графика прорисовывается на экране слева направо, до его окончания. Далее, прорисовка повторяется. Скорость построения графика высока и приводит к «бегущей» прорисовке или вообще к непонятной кривой. Это происходит по причине наслоения нового изображения на старый график с однозначным смещением. Регулировкой синхронизации осуществляется включение развёртки при достижении входным сигналом установленных значений.

Например, установив значение синхронизации в ноль вольт, при обработке синусоиды сигнала отображение начнётся после достижения напряжения на входе заданного показателя, а завершится в конце экрана. Потом визуализация начнётся с очередного нулевого показателя, и цикл будет повторяться. В результате становится видна стабильная картина, и все скачки сигнала становятся наглядно видны. Простейший блок синхронизации оснащён двумя настройками:

  • Регулятор «Фронт» — позволяет установить напряжение старта. Если, допустим, установить ноль, то прорисовка начнётся, когда синусоида будет падать до значения ноль.
  • Регулятор «Спад» — При установленном на ноль регуляторе прорисовка стартует, когда синусоида будет подниматься до значения ноль снизу.

В сложных моделях осциллографов существуют ещё ряд настроек синхронизации для более специфических измерений.

Блок питания

Служит для подачи необходимого напряжения на электронные схемы самого осциллографа от сети 220 вольт.

Прибор может быть оснащён одним или несколькими сигнальными входами. Это зависит от модели. Несколько выходов необходимы для замера анализа и сравнения сразу нескольких электрических сигналов. Простейший осциллограф оснащён лишь одним сигнальным выходом и щупом заземления. Если к входу прибора ничего не подключено, то на экране посередине моделируется горизонтальная линия, называемая нулевой прямой. Если, к примеру, подключить сигнальный щуп к плюсу батарейки, а заземление к минусу, прямая линия подскочит вверх на количество клеток, соответствующее напряжению по шкале градации, выставленной на корпусе прибора. Поменяв щупы местами, линия опустится на то же количество клеток.

Зачем необходим осциллограф

Областей использования осциллографа очень много. Визуализация поведения электронного сигнала значительно упрощает определение неисправности, следовательно, ускоряет время, затрачиваемое на ремонт любого, даже очень сложного прибора. Осциллограф позволяет:

  1. Измерить напряжение и временной параметр электронного сигнала, определить частоту.
  2. Видеть амплитуду сигнала, понять его природу.
  3. Измерить сдвиг фаз.
  4. Выяснить соотношение полезного сигнала и помех, наводок, а также понять характеристики шумов.

При помощи осциллографа легче определить неисправность в приборе, а некоторые поломки диагностировать без него невозможно. Он делает огромное количество замеров в секунду, способен выявлять очень кратковременные сбои сигнала и фиксировать их, что невозможно сделать мультиметром.

Виды осциллографов

Приборы разделяются на два больших вида: аналоговые, собранные по схемам с использованием электронно-лучевых трубок, и цифровые собранные с использованием жидкокристаллических дисплеев. А также существует разделение по количеству сигнальных входов. Это нужно для замера сразу нескольких показаний и их сравнения.

Аналоговые осциллографы

Это собранные по классической схеме осциллографы с применением лучевой трубки. Такие модели оснащены делителем, вертикальным усилителем, имеют синхронизацию и отклонение, и блок питания. Нижний порог измеряемой частоты 10 герц, верхний зависит установленного усилителя. В наше время аналоговые приборы вытесняются цифровыми моделями этого нужного агрегата.

Цифровые осциллографы

Эти приборы, собранные на основе микропроцессорных компонентов. Такие схемы осциллографов обладают значительно большим спектром технических возможностей. Состоят из делителя, усилителя, дешифратора аналогового сигнала в цифровой код, блока управления, памяти, а также из блока питания и ж. к. дисплея для визуализации измерений. Цифровые приборы компактны и могут быть нескольких типов:

  • Цифровые запоминающие приборы. Принцип действия несколько отличается от аналогового варианта. Входящий сигнал преобразовывается в цифровой вид и при необходимости запоминается. Скорость запоминания задаётся управляющим блоком. Оцифровка сигнала позволяет повысить стабильность отображения и запомнить информацию, сделать проще растяжение и масштабирование синусоиды. Ж. к. дисплей даёт возможность отображать дополнительные данные и управлять прибором. Существуют модели с цветным дисплеем, дающим возможность отличать сигналы от помех, шумов и других каналов, обозначать цветом интересующие места осциллограммы. Запомненные результаты измерений можно перенести в файле на компьютер или распечатать для дальнейшей обработки.
  • Цифровые люминофорные устройства. Приборы совмещают в себе все достоинства аналоговых и цифровых осциллографов, благодаря новейшей технологии построения графика сигнала на цифровом люминофоре. Это позволяет видеть на экране все нюансы модуляции сигнала, как на аналоговых типах прибора. При этом даёт возможность сохранения измерений в памяти и их анализа. А также возможно выводить графики с изменяемой интенсивностью, что очень облегчает определение неисправностей в импульсных электронных схемах и модулях. Например, становиться возможным расчёт глубины модуляции электрического сигнала при настройке напряжения на выходе импульсного блока питания, что приводит к нестабильной работе схемы или модуля. Люминофорные приборы мгновенно реагируют на изменения входного сигнала, отображают его с разной яркостью, имеют возможность сохранения и анализа измерений. Отлично совмещает в себе все преимущества цифровых и аналоговых устройств, а во многом и превосходят их.
  • Цифровые стробоскопические устройства. В таких типах приборов используется эффект последовательного стробирования сигнала. Приборы точены и чувствительны, позволяют исследовать периодические сигналы минимальной интенсивности, имеют широкую полосу пропускания. Позволяют выявлять дефекты очень сложных схем. Цена приборов очень высока, поэтому используется только профессионалами.

Портативные осциллографы

Технологии идут вперёд, стационарные цифровые приборы приобретают меньшие габариты и размеры, осциллографы не исключение. Портативные модели этих приборов имеют небольшие размеры и массу, питаются от батареек или встроенного аккумулятора. При этом не уступают стационарным устройствам по функциональности и точности, имеют большое количество функций и возможностей применения в различных областях.

Виртуальные осциллографы

Виртуальные варианты прибора являются неплохой заменой обычных цифровых осциллографов. Их преимущества в низкой стоимости, лёгкости применения, небольших размерах, хорошем быстродействии. Недостатки: невозможность замера и постоянной визуализации величины сигнала. Могут применяться в любой радиотехнической сфере. Например, для обслуживания телекоммуникационных сетей, ремонта электронной техники и компьютеризированного оборудования, при диагностике любых схем и блоков, где необходимо тестирование и анализ неустойчивых, переходных электронных процессов.

Виртуальные приборы могут быть двух типов: ·

  • Собранный в отдельном блоке аппаратный модуль, подключаемый к компьютеру через USB порт.
  • Программное приложение для компьютера, работающее при помощи звуковой карты, к линейному входу которой подключается сигнальный щуп. Визуализация сигнала происходит на мониторе П. К. или ноутбука.

При выборе модели прибора нужно обязательно представлять, какие измерения будут им производиться.

Проверка осциллографа

В инструкции по эксплуатации обязательно описан процесс калибровки (проверки) устройства. Практически любой осциллограф имеет сзади или сбоку корпуса специальный выход генератора прямоугольных импульсов. Его используют для калибровки прибора. При подключении сигнального щупа к калибровочному выходу на экране должна появиться пилообразная линия. Поставив воспроизведение луча в режим «Авто», нужно проверить работу всех функций, покрутив ручки. Яркость должна регулироваться, фокусировка — фокусировать, луч должен двигаться вверх, вниз при масштабировании. При настройке синхронизации осциллограмма должна останавливаться.

Самый же простой способ убедиться в работоспособности прибора — это коснуться пальцами щупа. Луч должен реагировать на прикосновение.

Основные функции работы и возможности осциллографа, описанные выше? наверняка помогут начинающим. Многие вопросы, возникающие в процессе использования агрегата, можно понять лишь с опытом. Прибор достаточно сложен, но изучив его, легко решаются задачи диагностики и ремонта фактически любых электронных схем.

instrument.guru

Электронные осциллографы

Контрольная работа

Электронные осциллографы

Содержание

1.Классификация и обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа

2. Виды разверток осциллографа

3. Осциллографические методы измерения параметров сигналов

4. Калибровка осциллографа и рекомендации по выбору полосы пропускания КВО

5. Некоторые разновидности электронных осциллографов

Литература

1. Классификация и обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа

Электронные осциллографы предназначены для визуального наблюдения формы сигнала, а так же для измерения параметров сигнала,  они относятся к  приборам группы С:

С1 – универсальные электронные аналоговые осциллографы

С2 – измеритель коэффициента амплитудной модуляции

С3 – измеритель девиации частоты

С4 – анализаторы спектра

С5 – анализаторы гармоник

С6 – измеритель нелинейных  искажений

С7 – скоростные осциллографы

С8 – запоминающие осциллографы

С9 – специальные осциллографы (в том числе цифровые)

Обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа (в дальнейшем осциллограф) представлена рис.5.1 и включает в себя следующие блоки:

— входные устройства — ВУ1, ВУ2, ВУ3;

— предварительный усилитель — ПУ;

— широкополосная линия задержки — ЛЗ;

— усилитель вертикального отклонения — УВО;

— схема синхронизации — Сх.сихнр.;

— генератор развертки – ГР;

— усилитель горизонтального отклонения – УГО;

— электронно-лучевая трубка – ЭЛТ;

— калибратор – Калибр.;

— источник питания – ИП.

Блоком представления информации в осциллографе является ЭЛТ с электростатическим управлением лучом.

       

                      

Рисунок 1

В общем случае электронный осциллограф содержит три канала, обеспечивающих подачу сигнала на соответствующие электроды ЭЛТ.

1.1. Канал вертикального отклонения (КВО) или канал Y. Служит для согласования уровня  исследуемого сигнала с чувствительностью ЭЛТ  по пластинам вертикального       отклонения. Его входом служит вход Y осциллографа, а выход нагружен на пластины       вертикального отклонения ЭЛТ. КВО содержит:

  •  блок входных устройств (ВУ1) обеспечивающий необходимое входное сопротивление канала. Коэффициент передачи ВУ1 может быть изменен оператором дискретно и плавно.
  •  предварительный усилитель (ПУ). Служит для усиления входного (исследуемого) сигнала по напряжению.
  •  широкополосная линия задержки (ЛЗ) позволяет наблюдать начальные фазы сигналов в момент запуска генератора развертки в режиме синхронизации »внутренний»

– усилитель вертикального отклонения (УВО) предназначен для усиления исследуемого сигнала по мощности. Его выходной, парафазный сигнал обеспечивает перемещение луча ЭЛТ в вертикальной плоскости.

Основными параметрами КВО являются чувствительность, определяемая величиной коэффициента передачи, и полоса пропускания, определяющая полосу частот исследуемого сигнала. Необходимыми требованиями являются:

  •  стабильность коэффициента передачи (временная, температурная и т. д.)
  •  равномерность АЧХ  в полосе пропускания КВО.

Важным параметром КВО, используемым при измерениях,  является коэффициент отклонения по вертикали:

my -[В/дел]

Его величина может быть изменена оператором и определяется положением дискретного переключателя чувствительности ВУ1 при фиксированном  положении плавного регулятора чувствительности.

1.2. Канал горизонтального отклонения (КГО) или канал Х. Служит для  формирования разворачивающего напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения  ЭЛТ (пластины Х). Канал включает в себя следующие блоки.

1.2.1. Сх. Синхр. — схема синхронизации. Обеспечивает запуск генератора развертки.

1.2.2. ГР — генератор развертки. Служит для формирования специального, изменяющегося линейно во времени напряжения развертки (рис.2). В этом напряжении принято различать: период развертки (Tp), который складывается из времени прямого хода  (Тпр.х) и времени обратного хода луча (Тобр.х). В подавляющем большинстве случаев  Tпр.х >> Tобр.х

                                             Рисунок 2

Математической моделью данного сигнала является функция вида

                 (1)

Где — крутизна пилообразного напряжения развертки.

В ЭЛТ обеспечивается линейная связь между смещением луча по горизонтали Lx(t) и напряжением, поданным на пластины горизонтального отклонения Ux (t). Следовательно

     (2)

Где — чувствительность ЭЛТ по пластинам Х.

Таким образом, при подаче напряжения ГР на пластины Х будет выполняться условие

,      (3)

т.е. смещение луча по горизонтали пропорционально времени («временная» развертка).

В этом случае на экране ЭЛТ наблюдается осциллограмма, представляющая собой зависимость мгновенного значения сигнала поданного на вход Y осциллографа от времени.

Требования к сигналу ГР:  

  •  высокая линейность,
  •  стабильность амплитудных и временных характеристик.

ГР может работать в трех основных  режимах: непрерывный (автоколебательный), ждущий и разовый запуск. Непрерывный режим используются при  исследовании гармоничных сигналов, а также сигналов с малой скважностью. Ждущий режим используется при исследовании сигналов с большой скважностью. Режим разового пуска используется для исследования случайных или однократных сигналов.

Для получения неподвижного изображения частоту развертки необходимо синхронизировать с частотой исследуемого сигнала. Условиями получения неподвижного изображения, называемыми «условием синхронизации», являются:

  1.  , где п — натуральное число.

б) Момент запуска генератора должен соответствовать одной и той же фазе                   исследуемого сигнала.

На рис. 3 представлены осциллограммы одного и того же сигнала для случая:

а)  условие   выполняется при (n=2; )  

б) условие кратности частоты развертки частоте сигнала не выполнено (п=1,5; )  

 

                                                     Рисунок  3

В осциллографе предусматривается три вида синхронизации в зависимости от источника синхронизирующего сигнала:

а)  “Внутренний” – синхронизация осуществляется от исследуемого сигнала.

б) “Внешний” – источник синхронизирующего сигнала – внешний (дополнительный) генератор. Как правило, этот вид синхронизации применяют при исследовании импульсных сигналов с большой скважностью. Генератор развертки работает в ждущем режиме.

в) “От сети”. Источником синхронизации сигнала является сигнал, кратный частоте питающей сети. Этот вид используется при исследовании влияния сетевых помех.

1.2.3. УГО предназначен для усиления разворачивающего напряжения и подачи его на          пластины горизонтального отклонения ЭЛТ.

На входе УГО установлен переключатель П1, два положения которого определяют  два  основных режима работы осциллографа. Если П1 находится в положении 1, то на  пластины Х подается напряжение ГР, что соответствует первому основному режиму работы – режиму линейной развертки.

Второй основной режим работы осциллографа – режим усиления (сравнения, фигур  Лиссажу). Он реализуется в положении 2 переключателя П1. При этом,  на пластину Х  ЭЛТ подается внешний сигнал, который подключается к входу Х осциллографа.

Основным параметром КГО, используемым при измерениях, является коэффициент отклонения по горизонтали   или  , измеряемый в единицах [время/деление]. Его численное значение определяется положением дискретного переключателя частоты развертки.

1.3. Канал Z – канал управления яркостью.

Сигнал, поданный на вход Z осциллографа от дополнительного (внешнего) источника поступает на модулятор ЭЛТ. В этом случае происходит модуляция яркости осциллограммы с частотой поданного сигнала.

Кроме того, в структурную схему осциллографа входят блок питания и блок       калибровки. Калибратор предназначен для формирования сигналов, параметры которых     (напряжение и частота) известны с высокой точностью. С их помощью осуществляется      поверка коэффициентов отклонения по вертикали  и горизонтали (калибровка КВО  и КГО).

2. Виды разверток осциллографа

1. Линейная – на пластины X ЭЛТ подается сигнал от внутреннего генератора развертки  (ГР).  Переключатель П1 переводится в положение 1. На экране ЭЛТ формируется     временная развертка сигнала поданного на вход Y осциллографа.

2. Синусоидальная – на пластины X ЭЛТ подается гармонический сигнал от внешнего  источника, подключенного к входу X осциллографа. Переключатель П1 переводится в       положение 2. При подаче на вход Y осциллографа гармонического сигнала на экране     наблюдается фигура Лиссажу.

3. Круговая (частный случай синусоидальной) – в этом случае используются вход Y и X осциллографа, на которые подаются  сигналы

    (4)

Переключатель П1 в положении 2. На экране ЭЛТ формируется развертка в виде окружности (эллипса).

4. Спиральная – применяется, когда необходимо увеличить длительность развертки при   заданной скорости. Используются входы Y и X осциллографа, на которые подаются сигналы

    (5)

На экране ЭЛТ формируется развертка в виде спирали Архимеда.

3. Осциллографические методы измерения параметров сигналов

1. Измерение напряжения

Измерение напряжения   производится в режиме линейной развертки (первый основной режим работы осциллографа)

                                                              Рисунок 4

Схема подключения источника сигнала (генератора) к осциллографу приведена на рис. 4

                                                                 Рисунок 5.

Рисунок 6

    (6)

Измеряемое напряжение uc(t) подается на вход Y осциллографа. На пластины X ЭЛТ поступает сигнал ГР uГР(t). В этом случае порядок функционирования блоков осциллографа определяет структурная схема, представленная на рис. 4. На экране наблюдается осциллограмма, как зависимость поданного на вход Y сигнала от времени (для sin сигнала), рис. 5. “Размах” осциллограммы  определяется как разность максимального и минимального отклонения луча. При симметричном двухполярном сигнале его амплитуда определяется из соотношения

     (7)

где — количество делений сетки осциллографа, соответствующее “размаху”      

              осциллограммы [дел].

      — коэффициент отклонения по шкале Y (цена деления по шкале Y) [В/дел]. Его численное значение определяется положением дискретного переключателя чувствительности КВО.

Данное измерение является косвенным. В этом случае погрешность определяется из соотношений:

  •  систематическая абсолютная составляющая погрешности

                     [В]   (8)

  •  СКО случайной составляющей погрешности

                  [В]  (9)

Где  — абсолютная погрешность измерения геометрического размера [дел]

       — абсолютная погрешность задания коэффициента отклонения [В/дел]

       — СКО погрешности измерения величины     [дел]

       — СКО погрешности задания коэффициента отклонения  [В/дел]

2. Измерение частоты

Измерение частоты с помощью осциллографа производиться следующими методами:

  •  методом линейной калиброванной развертки;

 —      методом линейной развертки с внешним генератором образцовой частоты;

  •  методом синусоидальной развертки;
  •  методом круговой развертки.

3. Измерение угла сдвига фаз

Измерение угла сдвига фаз с помощью осциллографа производиться следующими методами:

  •  методом синусоидальной развертки;
  •  методом линейной развертки.

4. Калибровка осциллографа и рекомендации по выбору полосы пропускания КВО

Калибровка осциллографа служит для проверки численных значений коэффициентов отклонения по вертикали  и горизонтали . Процесс заключается в измерении напряжения и периода эталонного сигнала калибратора с помощью осциллографа в режиме линейной калиброванной развертки. Определяется погрешность как разность параметра, поданного с выхода калибратора и измеренной величины. В случае если она превышает норму, производится подстройка чувствительности КВО или скорости развертки ГР.

В общем случае полоса пропускания КВО определяется . Для современных осциллографов, как правило, выполняется условие: нижняя граничная частота полосы  пропускания , т.е. прибор имеет “открытый” вход и позволяет исследовать сигналы с постоянной составляющей.

Верхняя (граничная) частота  определяется по АЧХ КВО как точка по оси частот, соответствующая уменьшению уровня АЧХ в раз по сравнению с ее значением на низких частотах/1/.

Величина может быть также определена как диапазон частот, в пределах которого спад АЧХ не превышает 3 дБ /2/.

 дБ.

Где А — спад АЧХ [дБ]

      и   — размах осциллограмм на опорной  и измеряемой частотах соответственно.

Известно /2/, что искажения фронта колоколообразного импульса не превысят (1-2)%, если время нарастания  переходной характеристики КВО окажется в 5 раз меньше длительности фронта импульса , т.е.

  •  для треугольных импульсов
  •  для трапецеидальных импульсов

С учетом, что для колоколообразного импульса получим  . Где  – полоса пропускания КВО

5. Некоторые разновидности электронных осциллографов

5.1. Двух – и многоканальные; двухлучевые осциллографы – приборы относящиеся к группе С1. Применяются при наблюдении одновременно двух и более сигналов, при анализе искажений формы сигналов, исследовании и настройке цифровых систем передачи.

Принцип построения многоканальных осциллографов рассмотрим на примере двухканального прибора, обобщенная структурная схема которого имеет вид (рис.7):

   

Обобщенная структурная схема двухканального осциллографа

Рисунок 7    

Отличительной особенностью схемы является наличие электронного коммутатора, который подает исследуемые сигналы каждого канала на одни и те же отклоняющие пластины ЭЛТ. Обычно предусматривают 4 режима работы 2 каналов:

  •  одноканальный (коммутатор подключен к первому либо ко второму каналу)
  •  чередования каналов (коммутатор поочередно подключает каналы после каждого хода развертки)
  •  прерывания (работают оба канала, но переключения производятся с высокой частотой [как правило более Гц])
  •  алгебраического сложения (оба канала одновременно работают на одну нагрузку; в этом режиме можно исследовать сумму или разность двух сигналов)

На основе двухканального принципа строятся многоканальные (до 8 каналов) электронные осциллографы.

Основой для построения структурной схемы двухлучевого осциллографа является ЭЛТ, снабженная двумя электронными прожекторами и двумя парами пластин вертикального отклонения. К каждой паре пластин подключен отдельный КВО; развертка, как правило, одна на оба луча. По частотным характеристикам двухлучевые осциллографы аналогичны однолучевым, однако из-за усложнения схемы и конструкции ЭЛТ, как правило, дороже и менее надежны.

5.2. Цифровые осциллографы

Обобщенная структурная схема одноканального цифрового осциллографа  приведена на рис.

Рисунок 8    

Исследуемый сигнал через блок входных устройств (ВУ) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В АЦП происходит дискретизация сигнала по времени и квантование по уровню. На его выходе формируются коды, соответствующие мгновенным значениям сигнала, отстоящим друг от друга на интервал дискретизации. Эта информация запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Там же хранится информация о номере точки дискретизации. Управление работой АЦП и ОЗУ осуществляется внутренним контроллером в соответствии с программами, хранящимися в постоянной памяти (ПЗУ). В ПЗУ хранятся также программы обслуживания органов управления, поддержки осциллографического дисплея и т. д.  Обратное преобразование сигнала из дискретной формы в аналоговую происходит в блоке цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с последующей подачей напряжений на пластины X и Y ЭЛТ. Входными сигналами для блока ЦАП являются коды мгновенных значений сигнала и номеров точек дискретизации.

В описанной схеме предусматривается преобразование исследуемого сигнала (аналог-цифра) и его дальнейшая обработка с помощью внутреннего контроллера. Это определяет основные свойства цифровых осциллографов данного типа.

Достоинства

  •  возможность реализации функций запоминающего осциллографа с неограниченным временем хранения информации;
  •  возможность замедленного воспроизведения всей или отдельных участков осциллограммы;
  •  возможность измерения параметров сигналов с помощью внутреннего контроллера, а также простота сопряжения с цифровыми системами более высокого уровня иерархии.

Среди недостатков следует отметить наличие методических погрешностей АЦП (погрешности дискретизации и квантования), величины которых зависят от соотношения полосы частот исследуемого сигнала, быстродействия АЦП и от разрядности выходного кода АЦП соответственно.

Данный принцип преобразования широко применяется при построении »виртуальных» приборов, представляющих собой измерительную систему на базе РС, снабженного специализированной программной поддержкой и блоками сопряжения с измеряемыми объектами. Примером может служить универсальная программа Lab VIEW, разработанная фирмой NATIONAL INSTRUMENTS, позволяющая реализовать функции мультиметра,  измерительного генератора, анализатора спектра и цифрового осциллографа.

Известен ряд вариантов построения структурных схем цифровых осциллографов /1,2/, в которых микропроцессорная система может выполнять следующие функции:

  •  управление работой осциллографа;
  •  выполнение измерительных операций, обработка сигналов и результатов измерения;
  •  регулировка и контроль рабочих режимов структурной схемы, а также калибровку отдельных блоков и каналов    

5.3. Скоростные и стробоскопические осциллографы

Приборы данной группы применяются при исследовании коротких импульсов и сигналов СВЧ-диапазона. Универсальные аналоговые осциллографы не могут быть использованы для этих целей в силу следующих причин:

  •  Резонансная частота системы емкость отклоняющих пластин – индуктивность подводящих проводов должна быть значительно больше высшей гармоники исследуемого сигнала. Полоса пропускания КВО, например, для передачи прямоугольного импульса длительностью должна составлять
  •  Изображение на экране оказывается очень бледным из-за высокой скорости перемещения луча по экрану. Например, при длительности импульса  и ширине экрана ЭЛТ 100 мм скорость луча оказывается равной
  •  Для точной передачи формы сигнала время пролета электронов между пластинами отклонения должно быть меньше длительности импульса. По этой причине, в скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяют специальные ЭЛТ  »бегущей волны».  Их отличительной особенностью является низкая чувствительность  прибора по входу Y ().

При исследовании быстропротекающих  процессов с малой амплитудой напряжения применяют стробоскопический метод осциллографирования. На экране такого осциллографа формируется изображение по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличенном временном масштабе. Это обеспечивается следующим образом. Входной сигнал подается на амплитудно-импульсный модулятор (АИМ), в котором происходит выборка мгновенного значения исследуемого сигнала в момент прихода дополнительно сформированного »стробирующего» импульса. Математическая модель выходного сигнала АИМ может быть представлена в виде

    (10)

Где  — дельта функция

— математическая модель входного сигнала

— момент стробирования

Период следования стробирующих импульсов () выбирается несколько больше периода исследуемого сигнала

      (11)

В этом случае на выходе АИМ формируется периодическая последовательность »строб»- импульсов, промодулированных по  амплитуде входным сигналом.  Период следования указанных последовательностей определится как

      (12)

Где  — коэффициент трансформации масштаба времени современных осциллографов

Выходной сигнал АИМ подается на вход КВО универсального осциллографа, обладающего ограниченной полосой пропускания. В нем осуществляется кусочно-линейная аппроксимация импульсного сигнала промодулированного по амплитуде, что позволяет восстановить форму исследуемого импульса. Таким образом, удается исследовать сигналы с полосой частот до  при фактической полосе пропускания КВОпри соответствующем уменьшении скорости развертки без применения специальных ЭЛТ.

На рис. 9 представлены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип стробоскопического временного преобразования

Рисунок 9    5.9

Литература

Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация:Учебник для вузов. 3-е изд.—СПб.:Питер, 2010

Сергеев А.Г. Метрология. — М.: ЛОГОС, 2009

Сергеев А.Г. Метрология и метрологическое обеспечение:Учебник для вузов — М.: «Высшее образование», 2008

Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегерея В.В. Метрология. Стандартизация.

Сертификация: Учебн. пособие для вузов по направлению «Метрология,

стандартизация и сертификация» и спец. «Метрология и метрологическое

обеспечение»/2-е изд. перераб. и доп. — М.: ЛОГОС, 2005

Никифоров А.Д., Бакиев Т.А. Метрология, сертификация и стандартизация, — М.: Инфра-М,2005

Радкевич Я.М., Схиртладзе А.Г., Лактионов Б.И. Метрология, стандартизация и сертификация: Учеб. для вузов/ М.: Высш. шк.,2004

Малинский В.Д. Основы сертификации. Учебное пособие – МГИЭМ, М.: 2001 – 370 с.

Лифшиц И.М. Стандартизация, метрология и сертификация: Учебник. — М.: Юрай- Издат, 2002. – 296 с.

Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. М.: Аудит, ЮНИТИ, 1998. – 479 с.

ГОСТ 8.009 «ГСИ. Нормирование и использование метрологических

характеристик средств измерений. «- М.: Изд-во стандартов.

Федеральный закон от 27.12.2002 N 184-ФЗ (ред. от 21.07.2011) «О техническом регулировании » (принят ГД ФС РФ 15.12.2002)

Федеральный закон от 26.06.2008 N 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» (принят ГД ФС РФ 11.06.2008)

Закон Российской Федерации «О сертификации продукции и услуг» от

10.06.1993г., № 5153-1.

ГОСТ 8.438 «ГСИ. Системы информационно-измерительные. Поверка. Общие положения». — М.: Изд-во стандартов.

ГОСТ 8.061 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение.» — М.: Изд-во стандартов.

ГОСТ 8.395 «ГСИ. Нормальные условия измерений при поверке. Общие

требования». — М.: Изд-во стандартов.

ГОСТ 8.513. «ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок

проведения.» — М.: Изд-во стандартов.

ГОСТ 8.401 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования». — М. — Изд-во стандартов.

ГОСТ 8.417 «ГСИ. Единицы физических величин». — М.: Изд-во стандартов.

МИ 1317 «ГСИ. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления». — М.: Изд-во стандартов

»Внутренний»

Канал яркости      

ВУ3

Z

М

ЭЛТ ХУ

Калибр.

ИП

ГО

Сх. синхр

ГР

ВУ2

1    П1      

    2

X

КГО

УВО

ЛЗ

ВУ1

ПУ

Y

КВО

X

Z

“Синхр”

Y1

Y2

к пластинам Y  ЭЛТ

к пластинам Х  ЭЛТ

к модулятору ЭЛТ

КВО1

КВО2

КГО

ВУ

Коммутатор

ВУ

АЦП

ОЗУ

ПЗУ

        Внутренний    приборный    интерфейс

Контроллер

Блок ЦАП

Внешний интерфейс

Осциллографический индикатор

t

t

t

refleader.ru

3.4. Универсальные электронные осциллографы

Самым распространённым
и универсальным прибором служит
электронный осциллограф. Электронные
осциллографы подразделяются.

1. Универсальные
однолучевые осциллографы.

2. Универсальные
многолучевые и двухканальные осциллографы.

3. Высокочастотные
и стробоскопические осциллографы.

4. Цифровые
осциллографы.

Основной частью
электронного осциллографа является
электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Не
останавливаясь на устройстве ЭЛТ
осциллографа, которое описано в учебниках
по электронным приборам, рассмотрим
принцип его работы (рис. 3.3.).Структурная
схема осциллографа включает канал
вертикального отклонения, канал
горизонтального отклонения и синхронизации,
электроннолучевую трубку и блок питания.
Дополняют ее калибраторы амплитуды и
длительности, которые могут иметь
различное конструктивное и схемное
исполнение.

Основные требования
к каналу вертикального отклонения:
широкополосность, высокая чувствительность,
симметричность выходного усилителя; к
каналу горизонтального отклонения:
линейность генератора развёртки, широкий
частотный диапазон регулировки генератора
по частоте и симметричность выходного
усилителя. Симметричность выходных
усилителей каналов осциллографов
обеспечивает стабильность скорости
электронов луча ЭЛТ, что создаёт
постоянную чувствительность ЭЛТ и
высокое качество фокусировки.

Рис. 3.3. Структурная схема электронного
осциллографа

Исследуемый сигнал
включается на вход У вертикальных
пластин ЭЛТ или непосредственно, или
через усилитель, входное сопротивление
осциллографа достаточно велико и
измеряется напряжение сигнала, а не
токи, как в светолучевом осциллографе
.

Для того, чтобы
развернуть кривую исследуемого напряжения
во времени, на горизонтальные пластины
подается развертывающее напряжение,
имеющее пилообразную форму. Под действием
этого напряжения во время линейного
участка «пилы» электронный луч
перемещается на экране слева направо
с равномерной скоростью, определяемой
крутизной линейного участка. Во время
обратного хода пилы электронный луч
быстро возвращается в исходное положение
и вновь начинает развертку. Если период
исследуемого напряжения кратен периоду
развертывающего напряжения, то на экране
будет наблюдаться неподвижное изображение
кривой исследуемого напряжения (условие
синхронизации) (рис. 3.4). При этом каждое
последующее изображение сигнала будет
точно накладываться на предыдущее. Во
время обратного хода электронный луч
гасится. Искажение осциллограммы
показано на рис. 3.4б. Генератор развертки
может работать как в автоколебательном,
так и в ждущем режиме. В ждущем режиме
генератор запускается исследуемым
сигналом, поступающим по цепи синхронизации
через блок синхронизации. Производится
однократная развёртка при каждом периоде
генератора развёртки и начало развёртки
привязано к определённой точке сигнала,
выбираемой уровнем запуска в блоке
синхронизации. Перевод генератора в
ждущий режим производятся регулировкой
ручки «стабильность». Ждущим режимом
необходимо пользоваться при отсутствии
плавной регулировки частоты развёртки
в генераторе развёртки. Таким образом
устанавливается кратность частоты
развёртки и сигнала.

Рис. 3.4. Получение осциллограмм при
линейной развертке

а- при идеализированной; б- при реальной;

Исследование формы
сигнала производится по временным
диаграммам, получаемым при линейной
развертке сигнала.

Измерение
параметров колебания по осциллограмме
при линейной развертке во времени
производится аналогично измерению по
осциллограмме светолучевого осциллографа.
Перед измерением амплитуды электронным
осциллографом производят калибровку
его чувствительности с помощью эталонного
генератора, имеющего известную амплитуду
напряжения, перед измерением временных
параметров
— калибровку
с помощью эталонного генератора, имеющего
известный период колебания. В современных
конструкциях осциллографа эталонные
генераторы входят в состав прибора.
Точность таких измерений обычно не
высока и характеризуется погрешностью
3 — 5%. При калибровке канала следует
иметь в виду, что чувствительность
зависит от скорости электронов в ЭЛТ,
яркости изображения и усиления в канале
У или Х соответственно.
Поэтому чувствительность канала
необходимо определять после получения
изображения исследуемого сигнала, не
меняя этих регулировок при калибровке.

  • Пользоваться
    шкалой чувствительности канала У
    или Х, указанной на ручке регулировки
    можно только при фиксированом положении
    этой ручки плавной регулировки этого
    параметра.

Но электронный
осциллограф позволяет измерять параметры
колебаний и другими методами. Для
измерения частоты наиболее широко на
практике используются метод фигур
Лиссажу и метод пунктирной окружности.
Измерение частоты гармонического
колебания методом фигуры Лиссажу
осуществляется путем подачи двух
сравниваемых гармонических напряжений
на горизонтальные и вертикальные
пластины ЭЛТ. Плавно изменяя частоту
колебания, подаваемую от эталонного
генератора, получают неподвижную фигуру
Лиссажу, что указывает наличие
синхронизации, т.е. кратности между
частотами измеряемой и эталонной
(рисунок 3.5, а)
/нулевой метод/ .

Простейшая фигура
— эллипс получается при равенстве частот
за один период сигнала. При большей
кратности фигуры усложняются.

Рис. 3.5. Фигуры
Лиссажу при равенстве частот

а — построение
фигуры; б -фигуры при разных фазовых
сдвигах

Определение
кратности частот производят по следующему
правилу. Через фигуру Лиссажу мысленно
проводится горизонтальная и вертикальная
линии и подсчитывается число пересечений
электронным лучом с вертикальной n
и горизонтальной m
линией (рис. 3.6).

Отношение
частоты на вертикальной пластине fу
к частоте на горизонтальной пластине
fxопределяется
соотношением

(18)

Из этого уравнения,
зная значение эталонной частоты и
соотношение частот, можно определить
частоту неизвестного сигнала. Если
кратность частот выполняется не точно
(N

f
), то фигура
Лиссажу вращается, при этом период
оборота равен периоду разностной частоты
f.

Рис. 3.6. Фигуры
Лиссажу

Для частного случая
Ux=Uy
получается простое соотношение между
фазовым сдвигом 
и осями эллипса;

где а – малая
ось; b
– большая ось.

Другой метод
измерения разности фаз по эллипсу
заключается в следующем. Уравнение
эллипса в параметрических координатах
(рис. 3.5)

x = Ux
sin(
t+
)

y = Uy
sin

t

Полагая x
= 0, получим — sin

=y0/Uyпо
вертикальной оси и

полагая y
= 0, получим — соответственно по
горизонтальной оси
sin
=x0/Ux
.

Измерив величины
отрезков, отсекаемых эллипсом по
координатным осям y0,
x0
и величину амплитуды можно вычислить
величину разности фаз.

Этими методами
измеряют разность фаз в диапазоне от
0
до
180,
но знак сдвига разности определить
нельзя. Измерение разности фаз по эллипсу
производится с погрешностью до
10%, что в
основном определяется точностью линейных
измерений по осциллограмме.

При измерении
частоты методом пунктирной окружности
используется модуляция плотности
электронного луча в ЭЛТ, что приводит
к модуляции яркости изображения на
экране. Окружность на экране осциллографа
получается при условии, что эллипс имеет
Ux=Uy,
а 
=90.

Окружность получают,
используя одно из сравниваемых напряжений
более низкой частоты fн.Второе
сравниваемое напряжение fв
подают на электрод модуляции яркости
в ЭЛТ /Вход Z/.

Изменяя эталонную
частоту, получают изображение пунктирной
окружности в момент, когда частоты будут
кратны (момент синхронизации). При этом

fв
=
N
fн,

где N
— число
светлых дуг пунктирной окружности.

Метод пунктирной
окружности применяют в том случае, когда
фигура Лиссажу получается сложной и
затрудняется отсчет числа пересечений
с осями. Оба метода сравнения частоты
дают высокую точность. Погрешность
измерения определяется только
нестабильностью эталонного генератора
и неточностью установки момента
синхронизации. Осциллограф служит
индикатором кратности и погрешности
не вносит.

Двухканальные
осциллографы имеют два канала вертикального
отклонения, которые поочередно
автоматически подключаются на вход У
ЭЛТ. Благодаря послесвечению экрана
получают изображение двух сигналов,
как в двухлучевом осциллографе.
Многолучевые осциллографы имеют
специальную электроннолучевую трубку,
в которой одновременно изображение
получается от нескольких лучей. В
осциллографе С1-103, имеющем 4 канала,
совмещается принцип двухканальности
с двухлучевой трубкой, что позволяет
получать четыре графика

studfiles.net

Электронные осциллографы | Онлайн журнал электрика

В электрических осциллографах можно на дисплее следить кривые разных электронных и импульсных процессов, изменяющихся с частотой от нескольких герц до 10-ов мгц.

При помощи электрических осциллографов можно делать измерения разных электронных величин, получать семейство черт полупроводниковых устройств, петли гистерезиса магнитных материалов, определять характеристики электрических устройств, также проводить многие другие исследования.

Электрические осциллографы присоединяют к сети переменного напряжения 127 либо 220 В, частотой 50 Гц, а некие из их, не считая того, могут получать питание от источника переменного напряжения 115 либо 220 В, частотой 400 Гц или от источника неизменного напряжения 24 В, включаемых нажатием кнопки «СЕТЬ» (рис. 1).

Рис. 1. Передняя панель электрического осциллографа С1-72

Поворотом 2-ух соответственных ручек, расположенных в нижней левой части фронтальной панели прибора, можно регулированием яркости и фокусировки получить на дисплее светящееся пятно малых размеров с резко очерченным контуром, которое нельзя длительное время оставлять недвижным во избежание порчи экрана электронно-лучевой трубки.

Это пятно просто сдвинуть в хоть какое место экрана поворотом ручек, около которых нанесены двухсторонние стрелки.

Но лучше до присоединения осциллографа к источнику питания органы его управления расположить так, чтоб на дисплее заместо точки сходу получить светящуюся горизонтальную линию развертки, яркость, фокусировку и размещение которой на дисплее отрегулировать в согласовании с требованиями опыта поворотом соответственных 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 потом к усилителю вертикального отличия луча. Если ранее на дисплее светилась недвижная точка, то сейчас 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 отличия луча с коэффициентом усиления, регулируемым поворотом ручки тумблера, размещенного в верхнем характером углу фронтальной панели прибора, изменяет продолжительность развертки и обеспечивает возникновение на дисплее изображения кривой u (t).

В этом случае, если до включения осциллографа органы его управления были установлены в положения, обеспечивающие возникновение горизонтальной полосы развертки, подача исследуемого напряжения на «ВХОД Y» сопровождается возникновением на дисплее той же кривой и u (t). Неподвижность кривой исследуемого напряжения достигается нажатием одной из кнопок блока синхронизации и подходящим поворотом ручек «СТАБИЛЬНОСТЬ» и «УРОВЕНЬ». Прозрачная шкала, прикрывающая экран электронно-лучевой трубки, упрощает нужные измерения по вертикали и горизонтали.

Большая часть электрических осциллографов позволяет сразу подавать два исследуемых напряжения соответственно на входы Y и X, если за ранее надавить кнопку «ВХОД X».

При 2-ух синусоидальных напряжениях схожих частот и амплитуд, сдвинутых по фазе относительно друг дружку на а, на дисплее возникают фигуры Лиссажу (рис. 2), форма которых находится в зависимости от сдвига фаз α = arcsin B/A,

где В — ордината точки скрещения фигуры Лиссажу с вертикальной осью; А — ордината верхней точки фигуры Лиссажу.

Рис. 2. Фигуры Лиссажу при 2-ух синусоидальных напряжениях схожих частот и равных амплитуд, сдвинутых по фазе на α.

Наличие 1-го луча в электроннолучевой трубке является значимым недочетом осциллографа, исключающим одновременное наблюдение нескольких процессов на дисплее, что устранимо применением электрического коммутатора.

В двухканальных электрических коммутаторах имеются два входа с одним общим зажимом и один выход, присоединяемый К входу У электрического осциллографа. При работе коммутатора его входы попеременно автоматом подключаются мультивибратором к входу У, в итоге чего на дисплее осциллографа сразу наблюдают обе кривые напряжений, подведенных ко входам коммутатора. Зависимо от частоты переключения входов изображение кривых на дисплее выходит в виде пунктирных либо сплошных линий. Для получения хотимых масштабов кривых на входах коммутаторов установлены делители напряжения.

В четырехканальных электрических коммутаторах имеются четыре двухзажимных входа с делителями напряжения и один выход, подключаемый к входу Y электрического осциллографа, что позволяет сразу созидать па экране четыре кривые. Обычно электрические коммутаторы имеют ручки для смещения кривых на дисплее осциллографа ввысь и вниз, что позволяет располагать их в согласовании с требованиями опыта.

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

Электрические осциллографы позволяют не только лишь следить на дисплее разные установившиеся повторяющиеся процессы, да и фотографировать осциллограммы разных быстропротекающих процессов.

В текущее время на замену аналоговым осциллографам приходят цифровые запоминающие осциллографы, которые владеют более суровыми многофункциональными и метрологическими способностями.

Цифровые запоминающие осциллографы подключаются к компьютеру либо ноутбуку через параллельный порт LPT либо USB-порт и употребляют способности компьютера для отображения электронных сигналов. Практически у всех моделей дополнительного питания не требуется.

Все стандартные функции осциллографа реализуются при помощи особых программ, запускающихся на компьютере, т.е. экран компьютера употребляется как экран осциллографа. Такие осциллографы отличаются очень высочайшей чувствительностью и полосой пропускания.

Рис. 3. Запоминающий цифровой осциллограф ZET 302

Рис. 4. Программка для работы с цифровым осциллографом

Запоминающие цифровой осциллограф практически является специальной приставкой компу, занимает намного меньше рабочего места по сопоставлению с аналоговыми моделями, потому что функции обработки сигналов и их отображения переложены на обыденный компьютер. Производительность цифрового запоминающего осциллографа ограничена только производительностью компьютера.

Школа для электрика

elektrica.info