Универсальные осциллографы моноблочной конструкции

В универсальных осциллографах исследуемый сигнал подается через аттенюатор, усилитель канала ВО на вертикально отклоняющую систему ЭЛТ. Поэтому к усилителю канала ВО (усилителю ВО) предъявляются особые требования: большое входное сопротивление, малая входная емкость (что обусловливает минимальное влияние подключения осциллографа на электрический режим исследуемой цепи), высокий и регулируемый коэффициент усиления, широкая полоса пропускания.

Полоса пропускания — диапазон частот, в пределах которого значение амплитудно-частотной характеристики не отличается более чем на —ЗдБ (30 %) от ее значения на опорной частоте.

Рис. 9.1. Структурная схема ЭО

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) —зависимость коэффициента передачи (U_выx/U_вx) от частоты входного синусоидального сигнала.

Под опорной частотой понимается частота, которая не менее чем в 20 раз меньше верхней граничной частоты полосы пропускания.

Структурная схема ЭО изображена на рис. 9.1. Исследуемый сигнал подается непосредственно (вход У открытый) или через разделительный конденсатор (вход У закрытый) на аттенюатор канала ВО осциллографа.

При помощи аттенюатора устанавливается необходимое ослабление сигнала, что позволяет обеспечить работу усилителя ВО в режиме минимальных нелинейных искажений. С выхода аттенюатора исследуемый сигнал через входной каскад (эмиттерный или истоковый повторитель) подается на предварительный усилитель, усиливающий сигнал и расщепляющий полярность сигнала для симметричной подачи на пластины. Усиленный сигнал задерживается линией задержки на время, необходимое для срабатывания канала ГО осциллографа, т. е. генератора развертки (ГР) и усилителя канала ГО, чтобы движение луча по горизонтали началось раньше, чем усиленный сигнал поступит на ВО пластины ЭЛТ. Выходной (оконечный) усилитель ВО, собранный по симметричной схеме, усиливает задержанный сигнал до значения, удобного для наблюдения на экране. С выхода усилителя отсимметрированный сигнал поступает на ВО пластины. При симметричном питании отклоняющих пластин луч расфокусируется незначительно. Симметричные схемы усилителей имеют меньший дрейф: в симметричных выходных каскадах легче получить широкую полосу пропускания.

Устойчивость изображения на экране достигается синхронизацией частоты сигнала развертки f_р с частотой исследуемого сигнала f. Частота сигнала развертки f_p должна быть равна или в целое число раз меньше частоты f исследуемого сигнала:

f_p= f/n. (9.1)

Соответственно период сигнала развертки T_р должен быть равен или в целое число раз больше периода Т исследуемого сигнала:

T_р = nT, (9.2)

где n = 1, 2, 3,....

Запуск схемы синхронизации может быть произведен как от внутреннего, так и внешнего сигнала. Кроме того, схема синхронизации дает возможность изменять уровень и полярность сигнала синхронизации. При работе осциллографа в режиме внутренней синхронизации из канала вертикального отклонения (до линии задержки) снимается часть исследуемого сигнала и подается на вход схемы синхронизации. Последняя совместно со схемой запуска ГР вырабатывает короткие запускающие импульсы определенной формы, полярности, амплитуды независимо от значения и формы приходящего на вход схемы синхронизации сигнала. Благодаря этому достигается устойчивый запуск ГР.

Рис. 9.2. Развертывающее напряжение ЭО

Для запуска ГР можно использовать внешний сигнал, поданный на вход схемы синхронизации (внешняя синхронизация). Генератор развертки формирует пилообразное линейное напряжение (рис. 9.2) для временной развертки луча ЭЛТ. Время прямого хода луча t_пр много больше времени обратного хода t_обр, поэтому период развертки Т_р ≈Т_пр.

Выходной сигнал ГР поступает на выходной усилитель канала ГО, предназначенный для преобразования пилообразного напряжения, поступающего с ГР в два противофазных сигнала, и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по горизонтали на весь экран ЭЛТ. Затем сигнал подается на горизонтально отклоняющие пластины.

В ЭО предусмотрена возможность поступления внешнего сигнала на горизонтально отклоняющие пластины при подаче его на вход X. При этом усилитель канала ГО отключается от схемы ГР и подключается к входу X. Генератор развертки содержит органы регулировки режимов работ и длительности. Он может работать в режиме: а) автоколебательной периодической развертки (схема синхронизации переводится в режим непрерывных колебаний, т. е. на ее вход не подается сигнал, а выходной сигнал схемы синхронизации используется для задания и поддержания частоты развертывающего напряжения f_p = f/n);

б) ждущей развертки (запускается только при наличии синхронизирующего сигнала и генерирует только один период напряжения развертки). Схема блокировки предупреждает повторный запуск при обратном ходе развертывающего напряжения. Вместо гашения луча во время обратного хода применяют увеличение яркости линии развертки во время прямого хода. Прямоугольный импульс подсвета луча с усилителя подсвета подается на модулятор ЭЛТ. Длительность его должна совпадать с длительностью нарастающей части развертывающего пилообразного напряжения. В некоторых ЭО луч во время обратного хода выводится за пределы экрана, с этой целью на бланкирующие пластины ЭЛТ подается импульс.

Для получения яркостных меток времени в ряде ЭО имеется вход Z. Внешний модулирующий сигнал через конденсатор подается на модулятор. Четкость изображения достигается регулировкой яркости и фокусировки луча. Для этого на модулятор и аноды ЭЛТ от выпрямителя, питаемого от сети переменного тока, подается высокое регулируемое напряжение.

Для повышения точности измерений в состав ЭО входят калибраторы напряжения и времени, предназначенные соответственно для проверки правильности масштаба вертикальной (в единицах напряжения) и горизонтальной (в единицах времени) осей экрана ЭО.

Коэффициент отклонения по вертикали (или горизонтали) К_о (В/дел) определяется как отношение напряжения входного сигнала u к значению h отклонения луча на экране, создаваемого этим напряжением:

К_о = u/h. (9.3)

В современных ЭО в одном калибраторе совмещены калибраторы напряжения и времени. Калибратор вырабатывает прямоугольные сигналы типа «меандр» (рис. 9.3) определенного размаха U_разм и частоты. Калибратор может иметь два выхода: внутренний, непосредственно связанный с входным устройством при коэффициенте деления аттенюатора 1:1, и внешний.

Рис. 9.3. Прямоугольное напряжение типа «меандр»

Для калибровки ЭО по напряжению с использованием внутреннего выхода калибратора достаточно при максимальном усилении ручку калиброванной шкалы коэффициента отклонения по вертикали установить в положение ▼ и получить указанное значение h. Умножив число делений h на К_{о min} по вертикали (обычно равный 0,01 В/дел), можно получить значение напряжения с внутреннего выхода калибратора. (Например, в осциллографе С1-73 h = 5дел; K_omin=0,01 В/дел, следовательно, напряжение калибратора 0,05 В = 50мВ.)

Для калибровки ЭО по напряжению с использованием внешнего выхода калибратора необходимо этот выход соединить с входом Y. Если значение калибрационного напряжения превышает произведение К_{о min}h_max. то необходимо использовать другой коэффициент деления аттенюатора, отличный от 1:1. (Например, в ЭО С1-73 напряжение калибратора, поданное на вход Y с внешнего выхода, составляет 1 В, при коэффициенте деления аттенюатора 1:20 вызывает отклонение пяти делений шкалы, следовательно, K_о= 1/5 = 0,2 В/дел).

Для калибровки ЭО по времени необходимо знать частоту калибрационного напряжения.

Коэффициент развертки К_р (время/дел) представляет собой отношение времени Т_р к длине l _р перемещения луча на экране в горизонтальном направлении в течение этого времени, вызванного воздействием генератора развертки:

T_p = Т_р / l _р. (9.4)

Если калибрационное напряжение известной частоты (или, что то же периода Т_клб = Т_р), поданное на Y-вход ЭО, вызывает на экране появление изображения, где один период сигнала укладывается в одном делении по горизонтали, то коэффициент развертки К_р — Т_клб/ l _р (Haпример, если f_клб=1 кГц, Т_клб=1 мс, l _p=1 дел, то K_p = 1мс/дел; если же l _p = 5дел, то K_p = 0,2 мс/дел). Калибратор в осциллографе С1-73 вырабатывает сигнал типа «меандр» с частотой 1 кГц.

Для поверки всех значений КР можно воспользоваться внешним генератором сигнала. Электронный осциллограф с широкой полосой пропускания для калибровки во времени содержит калибратор синусоидального напряжения с одной из указанных в перечне частот (1, 10, 20, 50, 100 МГц). На рис. 9.4 показана лицевая панель осциллографа С1-93. '

Рис. 9.4, Лицевая панель осциллографа С1-93