Назначение, принцип действия и классификация осциллографов

1. Лекция № 10 Тема 3.1. Электронно - лучевые осциллографы 3.1.1. Назначение, принцип действия и классификация осциллографов

3.1.2. Универсальные одноканальные электронно –
лучевые осциллографы
3.1.3. Основные параметры электронно - лучевого
осциллографа
3.1.4. Многоканальные осциллографы

2. 3.1.1. Назначение, принцип действия и классификация осциллографов

25
Назначение. Электронно-лучевые (электронные) осциллографы
предназначены для визуального наблюдения, измерения и
регистрации электрических сигналов.
Достоинства осциллографов - широкий частотный диапазон,
высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все
это обусловило их широкое практическое применение.
Принцип действия. В основе работы любых электронных
осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в
видимое изображение, получаемое на экране электроннолучевой трубки.

3. Принцип действия осциллографов

24
Сфокусированный электронный
луч, проходя между вертикально
и горизонтально отклоняющими
пластинами X, У, может
отклоняться под воздействием
напряжения, приложенного к
пластинам, в направлении,
перпендикулярном плоскости
пластин
Это отклонение, наблюдаемое на экране ЭЛТ по положению
светящегося пятна, прямо пропорционально приложенному
напряжению, т. е.
X = STXUX и Y = STyUy,
где STX, STy— чувствительность трубки по горизонтальной и
вертикальной осям, мм/В, Ux, Uy — напряжение на пластинах.

4. Принцип действия осциллографов

23
При UY = 0 и UХ - напряжении
идеальной пилообразной формы
пятно от электронного луча на экране
трубки будет перемещаться в
горизонтальном направлении в
течение времени Тр (прямой ход луча),
а затем мгновенно возвратится в
первоначальное положение (обратный
ход луча). В последующие периоды
пилообразного напряжения движение
луча повторится и на экране будет
высвечена горизонтальная линия,
соответствующая прямому ходу луча.
Обратный ход происходит так быстро,
что свечения экрана не будет.
Отклонение луча в горизонтальном направлении, линейно
связанное со временем, называется разверткой.

5. Принцип действия осциллографов

22
Если кроме напряжения развертки на
пластинах X подать на Y-пластины
периодическое напряжение иу = ис(t),
то при равенстве периодов изменения
напряжений на пластинах, TР=Tс, на
экране будет однократное
неподвижное изображение траектории
пятна — исследуемого сигнала во
времени
Эта траектория пятна, отражающая форму зависимости
исследуемого колебания от времени, называют осциллограммой.
По осциллограмме могут быть измерены параметры сигнала:
амплитуда, период, частота и т. п.

6. Принцип действия осциллографов

Рис. 1
21
В случае реального пилообразного
напряжения длительность прямого
хода Тп не равна периоду развертки Тр
и отличается от него на длительность
обратного хода Tоб. На рис. 1
штриховой линией показано
изменение напряжения обратного хода
на развертке (линия bс), а также
изображение обратного хода на
осциллограмме (линия а0). Линия
обратного хода вследствие
нелинейности развертки на участке
обратного хода полезной информации
не содержит, а лишь искажает
осциллограмму.
Поэтому на ЭЛТ на время обратного хода подают запирающее
напряжение, и луч на это время гасится. Напряжение развертки
формируют таким образом, чтобы
Tр Тп (Tоб<< Тп).

7. Принцип действия осциллографов

Рис. 1
20
Для получения одноконтурного
неподвижного изображения
необходимо, чтобы Тр = Тс. В
противном случае электронный луч не
будет каждый новый период
изменения напряжения развертки
перемещаться по одной траектории, и
на экране получится семейство
сдвинутых друг относительно друга
кривых, наблюдаемых как светлый
прямоугольник. Условием для
получения одноконтурного
изображения является равенство
Тр = пТс ,
где n —целое число (0, 1, 2,... ).
При этом на экране может получаться несколько периодов
изменения напряжения сигнала. Условие Тр = пТс достигается
введением синхронизации периода развертки с периодом
повторения исследуемого сигнала.

8. Принцип действия осциллографов

19
Синхронизация осуществляется либо внешним стабильным сигналом
(внешняя синхронизация), либо самим напряжением сигнала,
подаваемым на генератор напряжения развертки (внутренняя
синхронизация).
Для импульсных напряжений с большой скважностью при
выполнении условия Тр = Тс осциллограмма импульса превращается
в вертикальную линию, которая не характеризует форму импульса.
Эта трудность преодолевается использованием ждущей развертки.
Ждущая развертка запускается каждым пришедшим импульсом.
Длительность прямого хода развертки устанавливается примерно
равной длительности импульса. Начало каждого импульса
соответствует одной и той же точке экрана. Поэтому на экране
получается неподвижное изображение импульса, которое занимает
большую часть экрана.
Для повышения точности измерения временных интервалов по
осциллограмме увеличивают длину линии развертки на экране. Для
этого применяют круговую или спиральную развертки: линия развертки
на экране представляет собой круг или спиральную линию.

9. Классификация осциллографов

18
По числу одновременно исследуемых сигналов:
- однолучевые, двулучевые, многолучевые;
- одноканальные, многоканальные (в основном
двухканальные);
По ширине полосы пропускания канала сигнала,определяемой нижней
и верхней граничными частотами:
- низкочастотные (полоса пропускания до единиц мегагерц);
- широкополосные (полоса пропускания до тысяч - полутора
тысяч мегагерц);
- сверхскоростные (полоса пропускания до десятков гигагерц);
По характеру исследуемого процесса — непрерывные сигналы,
импульсные многократные или однократные.
По точности воспроизведения формы сигнала, точности измерения
временных интервалов и амплитуд: первого, второго, третьего,
четвертого класса точности;
По масштабу времени, в котором исследуется процесс:
- в реальном времени;
- в измененном масштабе времени.

10. Классификация осциллографов

17
В зависимости от назначения и электрических характеристик
осциллографы в соответствии с ГОСТ 15094—69 разделяются на
универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и
специальные.
Универсальные осциллографы (С1) имеют наибольшее
распространение: при исследовании разнообразных электрических
сигналов в широком диапазоне частот, амплитуд, длительностей и
частот повторения сигналов в реальном времени. Полоса пропускания
до 350 МГц.
Скоростные осциллографы (С7) предназначены для исследования в
реальном масштабе времени СВЧ-колебаний, однократных, редко
повторяющихся и периодических импульсных сигналов
длительностью в доли и единицы наносекунд путем визуального
наблюдения с регистрацией на фотопленку.

11. Классификация осциллографов

16
Стробоскопические осциллографы (С7) обладают
способностью исследовать сигналы пикосекундной длительности,
благодаря применению стробоскопического метода трансформации
масштаба времени сигнала. Эти осциллографы обладают большой
чувствительностью (мВ) и полосой пропускания (до 10 ГГц), однако
применимы только для исследования повторяющихся сигналов.
Запоминающие осциллографы (СВ) обладают способностью
сохранять и воспроизводить изображение сигнала на экране после
его исчезновения на входе осциллографа благодаря применению
специальных ЭЛТ. Эти приборы в основном предназначены для
исследования медленно изменяющихся и однократных сигналов.
Диапазон измеряемых интервалов времени в них расширен до
десятков секунд.
Специальные осциллографы — это, главным образом,
телевизионные осциллографы, предназначенные для исследования
телевизионных сигналов.

12. 3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - лучевые осциллографы

3.1.2. Универсальные одноканальные электронно лучевые осциллографы
Универсальные осциллографы делятся на приборы с моноблочной
конструкцией и приборы со сменными блоками.
Независимо от типа осциллографа в его структуре выделяют
следующие основные узлы:
- узел электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);
- усилитель отклонения лучей;
- генераторы разверток;
- узел синхронизации;
- вспомогательные устройства, которые служат для улучшения
метрологических характеристик и автоматизации работы
осциллографа;
- узлы питания и регулирования.
15

13. 3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - лучевые осциллографы

3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - 14
лучевые осциллографы

14. 3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - лучевые осциллографы

3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - 13
лучевые осциллографы
Вход Y. Исследуемый сигнал, поступая на вход канала Y,
усиливается и преобразуется в симметричный. Для изменения
калиброванного коэффициента отклонения на входе канала Y
установлен входной делитель — аттенюатор. В предварительном
усилителе канала Y предусмотрена плавная регулировка усиления
и перемещения изображения по вертикали. Линия задержки задерживает входной сигнал на время задержки работы генератора
ждущей развертки. При исследовании входных сигналов с большой
постоянной составляющей используется разделительный
конденсатор.

15. 3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - лучевые осциллографы

3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - 12
лучевые осциллографы
Вход Х. Вырабатываемое генератором развертки пилообразное
напряжение поступает на горизонтально отклоняющие пластины
трубки, усиленное усилителем горизонтального отклонения луча.
Регулирование усиления этого усилителя позволяет изменять
масштаб изображения по горизонтали и калибровать коэффициент
развертки.

16. 3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - лучевые осциллографы

3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - 11
лучевые осциллографы
В зависимости от характера исследуемых сигналов генератор развертки
может работать в непрерывном и ждущем режимах (положение Ж и Н
переключателя SA2). Для неподвижности и стабильности изображения на
экране осциллографа используется синхронизация генератора развертки
исследуемым процессом - на генератор развертки подают короткие
синхронизирующие импульсы, сформированные из исследуемого сигнала в
устройстве синхронизации и запуска развертки (положение 1 SA5). Сигнал с
усилителя поступает на формирователь импульсов, формирующий
запускающий сигнал с крутым передним фронтом, независимо от
параметров входного сигнала.

17. 3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - лучевые осциллографы

3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - 10
лучевые осциллографы
Устройство управления лучом по яркости позволяет резко
увеличить яркость луча при прямом ходе развертки и исключить
возможность прожога экрана трубки во время отсутствия сигнала
на входе осциллографа.

18. 3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - лучевые осциллографы

3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - 9
лучевые осциллографы
С целью улучшения
метрологических
характеристик осциллографа
в него вводятся калибраторы
амплитуды и длительности.
Калибратор амплитуды представляет собой источник сигнала с
известной амплитудой. Этот сигнал подается на вход осциллографа
(положение 2 SA4) или на пластины трубки и позволяет отградуировать
в единицах напряжения канал Y осциллографа.

19. 3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - лучевые осциллографы

3.1.2. Универсальные одноканальные электронно - 8
лучевые осциллографы
Калибратор меток времени представляет собой стабильный
генератор электрических колебаний. Его сигнал подается на усилитель
канала вертикального отклонения. Период повторения этого сигнала
используется в качестве калибровочных интервалов времени; функции
калибраторов могут быть совмещены в одном генераторе.

20. 3.1.3. Основные параметры электронно – лучевого осциллографа

7
В систему электрических параметров входят: параметры каналов
X, Y и Z, параметры ЭЛТ, параметры калибраторов амплитуды и
длительности.
Параметры канала Y:
а) полоса пропускания – диапазон частот, в пределах которого
спад АЧХ не превышает 3 дБ относительно значения на опорной
частоте;
б) нормальный диапазон частот, в пределах которого
неравномерность АЧХ не превышает погрешности установки
коэффициента отклонения;
в) опорная частота – частота, на которой спад АЧХ отсутствует.
г) параметры переходной характеристики — время нарастания
переходной характеристики и максимальный выброс;
д) калиброванные значения коэффициента отклонения канала Y;
е) входное сопротивление Rвх и входная емкость Свх канала Y

21. 3.1.3. Основные параметры электронно –лучевого осциллографа

6
н - время нарастания
переходной характеристики;
hв - максимальный выброс.
Рис. 4
Рис. 5
Параметры канала Z:
- диапазоны частот и
модулирующего
напряжения сигнала;
- входное сопротивление
и емкость.
Параметры канала X:
- диапазон изменения длительности развертки. В современных
приборах длительность прямого хода развертки Тпр обычно задается в
виде коэффициентов развертки. Указывается также значение
коэффициента нелинейности развертки.
Коэффициент развертки – время, за которое луч проходит одно
деление шкалы на экране ЭЛТ, с/дел., мс/дел., мкс/дел.

22. 3.1.4. Многоканальные осциллографы

5
Многоканальность в осциллографах достигается применением (а в
необходимых случаях и сочетанием) многолучевых ЭЛТ и ЭК
(электронный коммутатор). Структурная схема многолучевых
осциллографов не имеет принципиальных особенностей по
сравнению со схемой универсального. Многолучевые
осциллографы применяются для одновременного наблюдения
нескольких процессов. Основным узлом, отличающим подобный
осциллограф от обычного, является специфическая
электроннолучевая трубка: двухлучевая трубка представляет собой
как бы две отдельные ЭЛТ, помещенные в одну колбу с общим
экраном, на котором можно наблюдать одновременно две
осциллограммы. В осциллографе - один общий генератор
развертки, напряжение которого подается через общий усилитель
горизонтального отклонения на обе пары горизонтальноотклоняющих пластин, калибратор длительности и измеритель
амплитуды. Два канала вертикального отклонения (каждый из них
содержит все узлы канала вертикального отклонения однолучевого
осциллографа).

23. Двухлучевые осциллографы

4

24. Двухканальный осциллограф с ЭК

3

25. Двухканальный осциллограф с ЭК

2
С помощью ЭК осуществляется поочередная подача сигналов с
входов Y1 и Y2 на пластины Y ЭЛТ, чем и достигается эффект
многоканальности. Управлять работой ЭК можно по-разному, и за счет
этого реализуются следующие типовые режимы работы
многоканального осциллографа:

26. Двухканальный осциллограф с ЭК

1
С помощью ЭК осуществляется поочередная подача сигналов с
входов Y1 и Y2 на пластины Y ЭЛТ, чем и достигается эффект
многоканальности. Управлять работой ЭК можно по-разному, и за
счет этого реализуются следующие типовые режимы работы
многоканального осциллографа:
1. Y1 или Y2 – на экране ЭЛТ наблюдается только один сигнал,
соответствующий входу Y1 или Y2;
2. Y1±Y2– режим алгебраического суммирования сигналов,
позволяющий исследовать форму результирующего сигнала;
3. поочередное изображение – на экране ЭЛТ наблюдаются оба
сигнала, а коммутация каналов осуществляется после каждого
прямого хода развертки;
4. прерывистое изображение – на экране ЭЛТ наблюдаются оба
сигнала, но коммутация каналов осуществляется с некоторой
постоянной частотой независимо от частоты развертки.