Основные узлы электронно-лучевых осциллографов

Рассмотрение особенностей технической реализации основных узлов ЭО позволит правильно уяснить принцип работы ЭО и выбор его для целей исследования.

Канал вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа. Канал ВО предназначен для усиления (ослабления) исследуемых электрических сигналов до необходимого значения. Он обеспечивает удобное наблюдение и исследование изображения на экране ЭЛТ без искажений. В канал ВО входят входное устройство (входная цепь и аттенюатор), усилитель с линией задержки.

Рис. 9.5, Открытый (а) и закрытый (б) входы

Входное устройство позволяет расширить пределы измеряемых входных напряжений и обеспечить необходимое входное сопротивление. Большинство осциллографов допускают две схемы Y-входа - открытую и закрытую. При открытом входе осциллографа (рис. 9.5, а) сигнал подается непосредственно на аттенюатор и передается с постоянной составляющей; при закрытом входе (рис. 9.5, б) сигнал подается через разделительный конденсатор и не пропускает постоянной составляющей. Входное сопротивление канала составляет 0,5—2 МОм, а входная емкость— 10—50 пФ. Некоторые осциллографы имеют низкоомный вход сопротивлением 50 или 75 Ом. В этом случае высокочастотные или широкополосные сигналы через коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом подаются на этот вход. Исключая низкоомный вход, параллельно входной цепи осциллографа может включаться аттенюатор с дискретным коэффициентом деления.

Аттенюатор (делитель напряжения) предназначен для регулировки коэффициента отклонения К_о по вертикали путем ослабления сигнала и обеспечивает постоянное значение коэффициента отклонения во всем диапазоне полосы пропускания усилителя ВО, почти неизменное большое входное сопротивление и малую входную емкость при переходе от одного коэффициента деления к другому. Аттенюатор (рис. 9.6) состоит из резисторов сопротивлениями R1, R2 и конденсаторов Cl, C2. Коэффициент деления

K_д = Z₂./(Z₁ + Z₂), (9.5)

где Z₁= R₁/(1+jωR₁C₁); Z₂= R₂/(1+jωR₂C₂) — соответственно полные сопротивления R₁C₁ и R₂C₂-цепи.

Рис. 9.6. Схема делителя напряжения:

U_вх.атт, U_{вых.атт} - входное и выходное напряжения аттенюатора

 

Если в K_д подставить значения Z₁, Z₂ и принять R₁C₁=R₂C₂, то

К_д = С₁/(С₁ + С₂) = R₂(R₁ + R₂). (9.6)

Аттенюатор работает как омический в области низких частот в как емкостный в области высоких частот. Теоретически коэффициенты К_д и К_о не зависят от частоты, поэтому аттенюатор называют частотно-компенсированным во всей рабочей полосе частот осциллографа. (Погрешность коэффициента деления не превышает ±3 %.) Входное сопротивление (за исключением низкоомного входа)

R_вх = R₁ + R₂, (9.7)

Где R₁>>R2.

Входная емкость

C_вх=C₁C₂/(C1+C2) (9.8)

где С₂>>С₁.

Процесс определения значения искомого напряжения существенно упрощается, если аттенюатор отградуировать не в значениях коэффициента деления K_д, а в соответствующих значениях коэффициента отклонения К_о:

К_д............. 1/1 1/2 1/5 1/10 1/20 1/50

К_о, В/дел.... 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5

К_д............. 1/100 1/200 1/500 1/1000 1/2000

К_о, В/дел..... 1,0 2,0 5,0 10 20

Усилитель ВО предназначен для преобразования измеряемого сигнала в два противофазных сигнала и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по вертикали на весь экран. Для согласования выхода аттенюатора с входом предварительного усилителя служит входной каскад, выполненный по схеме истокового (катодного, эмиттерного) повторителя. Истоковый повторитель обеспечивает большое входное сопротивление и малую входную емкость. С его выхода исследуемый сигнал поступает на балансный усилитель с обратной связью, обладающий хорошей стабильностью и широкополосностью, большим входным и малым выходным сопротивлениями. Одно плечо трехкаскадного балансного усилителя нагружено на линию задержки, а со второго плеча снимается сигнал для внутренней синхронизации.

Линия задержки представляет собой однопроводный коаксиальный кабель или искусственные длинные линии Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением порядка 800—1000 Ом задерживает исследуемый сигнал примерно на 100—200 не.

Выходным каскадом усилители ВО является парафазный усилитель, создающий на отклоняющих пластинах два симметричных противофазных напряжения и обеспечивающий малое выходное сопротивление. Парафазный усилитель при любом значении выходного сигнала создает неизменный потенциал средней линии между пластинами, что предотвращает появление нелинейных искажений в осциллограмме сигнала, улучшает фокусировку.

В ЭО имеется возможность подачи исследуемого сигнала непосредственно на пластины.

Канал горизонтального отклонения электронно-лучевого осциллографа. Канал ГО формирует синхронное по частоте с исследуемым сигналом линейно изменяющееся напряжение, амплитуда которого достаточна для отклонения луча ЭЛТ на весь экран по горизонтали. Канал ГО состоит из схемы синхронизации и запуска, генератора развертки, выходного усилителя ГО, усилителя подсвета.

Генератор развертки формирует линейно изменяющееся развертывающее напряжение, синхронное с исследуемым сигналом, и обеспечивает горизонтальное перемещение луча в одном направлении (слева направо) постоянной скоростью. Развертка — линейное перемещение электронного луча, или создаваемый им след на экране. Развертывающее напряжение должно иметь высокую линейность при прямом ходе луча (чтобы искажения формы исследуемого сигнала были минимальны); быстрый спад при обратном ходе луча, т. е. t_пр>>t_обр; достаточную амплитуду для отклонения луча на весь экран и регулируемую в широких пределах частоту развертки (от сотых долей герц до нескольких мегагерц) или длительность.

При изменениях длительности развертки изменяются скорость движения луча по горизонтали и, следовательно, масштаб времени. ГР в современных ЭО представляет собой сложное функциональное устройство (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Схема генератора развертки

Формирователь импульсов запуска ГР переводит электронную переключающую схему из исходного состояния в рабочее. При этом переключающая схема вырабатывает прямоугольный импульс длительностью t_и, определяющей время прямого хода луча t_np Этот импульс поступает на вход формирователя развертывающего пилообразного напряжения u_р(t), т. е. на вход интегратора. Интегратор (см. рис. 7.8) представляет собой УПТ с коэффициентом усиления k>>1, охваченный отрицательной обратной связью с помощью RC-цепи. Получить пилообразное напряжение можно путем заряда конденсатора при образовании прямого хода луча (t_np=t_и). и разряда — обратного хода луча (t_oбp). Пилообразное напряжение нарастает до определенного уровня, задаваемого схемой сравнения и блокировки:

Рис. 9.8. Временная диаграмма развертывающего напряжения

 

u_р(t) = u_вых(t) =- u_вх(t)/(RС) =-U₀t/(RC); 0 ≤ t ≤ t_пр,

т. е. развертывающее напряжение представляет линейную функцию времени t в интервале (0, t_пр) (рис. 9.8). После достижения определенного уровня u_p(t) схема сравнения выдает сигнал, переводящий переключающую схему в исходное состояние на время t_обр+ t_бл (t_бл — время блокировки). Процесс формирования напряжения u_p(t) заканчивается и начинается его спад (обратный ход луча). В интеграторе имеются конденсаторы, переключением - которых изменяют дискретно диапазоны длительностей (время/дел), и переменный резистор для плавной регулировки внутри диапазона.

В реальных ГР функцию переключающей схемы выполняет триггер Шмитта. В автоколебательном режиме процесс повторяется периодически. При ждущем и однократном режимах процесс вызывается внешним воздействием. Переход от автоколебательного режима в ждущий осуществляется с помощью органов регулирования «Стабильность» и «Уровень».

В современных осциллографах используются генераторы калиброванной развертки, основным отличием которых является то, что выходные напряжения таких генераторов линейны и стабильны, что позволяет определять длительность исследуемого процесса непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Коэффициент нелинейности, выражающий относительное изменение скорости нарастания напряжения в начале и конце прямого хода, должен быть не более 1—3 %. Пределы изменения пилообразного напряжения могут точно фиксироваться. Фиксированному U_p соответствует определенное горизонтальное отклонение луча l _р за время развертки t_np≈T_p, что позволяет иметь откалиброванную шкалу коэффициента развертки:

K_p = T_p/l_р.

Нелинейность развертки — изменение коэффициента развертки в пределах рабочей части экрана относительно его фактического значения в центральной части экрана. С коэффициентом (длительностью) развертки связано понятие скорости развертки — пути прямого хода луча в единицу времени:

V_p = 1/K_p = l _р/T_р. (9.9)

В ЭО С1-73 калиброванная развертка имеет шкалу от 0,1 мкс/дел до 50 мс/дел, скорость развертки соответственно равна от 60 км/с до 0,12 м/с (если 1 дел = 6мм). Автоколебательную развертку применяют при исследовании периодических и импульсных сигналов малой скважности, ждущую развертку — при исследовании импульсных сигналов большой скважности и отдельных фрагментов сложных сигналов.

При исследовании импульсов большой скважности импульс занимает малую долю развертки, поэтому плохо просматривается на экране осциллографа. Если период развертки выбрать равным периоду повторения импульсов Т_р = Т; t_п<<T_p, то изображение импульса на экране получится очень сжатым. Если же период развертки выбрать в несколько раз короче, чем период повторения исследуемого импульса Т_р<<Т, то импульс наблюдается на экране, но он будет бледным по сравнению с линией развертки, которая прочерчивается несколько раз за одно его появление. Кроме того, трудно обеспечить синхронизацию U_p и U_x. Импульс хорошо наблюдается на экране при ждущей развертке, так как длительность ждущей развертки сравнима с длительностью импульса, то луч детально изображает форму импульса, а затем «ждет» прихода нового сигнала. Чтобы фронт исследуемого импульса не искажался, в канал ВО включается линия задержки.

Синхронизация — процесс, при котором развертка становится зависимой от исследуемого сигнала, с целью получения неподвижного изображения на экране. Исследуемый сигнал и напряжение генератора развертки создаются разными источниками, поэтому их параметры независимы, но изменение частоты одного из этих сигналов приводит к нарушению условий неподвижности f_р=f/n (частота развертывающегося сигнала равна или кратна частоте исследуемого сигнала). Частота напряжения ГР обычно синхронизирована с частотой исследуемого сигнала с помощью схемы синхронизации и запуска ГР. Уровень синхронизирующего сигнала, при котором срабатывает схема синхронизации, плавно регулируется от десятых долей до десятков вольт.

Внутренняя синхронизация — процесс, при котором сигнал, управляющий запуском ГР, подается из внутренней цепи ЭО, на которую воздействует исследуемый сигнал.

Внешняя синхронизация — процесс, при котором сигнал, управляющий запуском ГР, подается извне.

Временные диаграммы напряжений при исследовании синусоидального сигнала и работе генератора развертки в автоколебательном режиме показаны на рис. 9.9. При устойчивом изображении (рис. 9.9, а) условие синхронизации выполняется, при неустойчивом (рис. 9.9, б) — не выполняется.

Рис. 9.9. Временные диаграммы напряжения при исследовании синусоидального сигнала

Временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных сигналов с внутренней синхронизацией показаны на рис. 9.10, а. (Режим работы генератора развертки ждущий.) Внешний сигнал для запуска схемы синхронизации чаще всего используется в случае, когда нужно запустить генератор развертки опережающим сигналом по отношению к исследуемому. Временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных сигналов с внешней синхронизацией показаны на рис. 9.10,6. Внешние сигналы положительной полярности, преобразованные в короткие импульсы, запускают генератор развертки с частотой, синхронизированной с частотой исследуемого сигнала. Время задержки t3 исследуемого сигнала относительно запуска генератора развертки может регулироваться в необходимых пределах.

Рис. 9.10. Временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных сигналов с внутренней (а) и внешней (б) синхронизациями

 

Выходной усилитель ГО предназначен для преобразования пилообразного напряжения генератора развертки в два противофазных сигнала и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по горизонтали на весь экран. Полоса частот усилителя ГО значительно уже полосы частот усилителя канала ВО, а коэффициент отклонения К_х примерно в 100 раз больше минимального коэффициента отклонения по вертикали К_о. В ряде осциллографов предусматривают схему с изменяющимся скачкообразно (например, в 5 раз) коэффициентом усиления K_у усилителя канала ГО, что позволяет соответственно увеличить напряжение развертки в К_у = 1/М_р раз и растянуть изображение, тем самым изменить временной масштаб (М_р — множитель растяжки). Новое значение калиброванного коэффициента развертки

К'_р=К_р М _р = К_р/К_у. (9.10)

На рис. 9.11 показано построение изображения исследуемого сигнала на экране ЭО при двух значениях М_р.

Усилитель канала ГО имеет возможность усиливать сигнал непосредственно от внешнего источника (при выключенном генераторе развертки). Это позволяет расширить эксплуатационные возможности ЭО, а также создать сложные виды развертки.

Рис. 9.11. Изображение исследуемого сигнала при МР=1 и МР=0,2