Раздел 6. Электронно-лучевые осциллографы

Тема 6.1. Устройство электронно-лучевого осциллографа. Применение осциллографа для измерений.

 

Осциллографы относятся к приборам, позволяющим наблюдать форму различных сигналов и измерять параметры этих сигналов. Отличительной особенностью осциллографов является их многофункциональность.

Современные осциллографы делятся на электромеханические (самописцы) и электронные (электронно-лучевые) и различаются между собой принципом построения, областями измерения, а часто и типами решаемых задач.

В настоящее время для анализа формы сигнала чаще всего используют осциллографы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) - электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО). Эти измерительные приборы относятся к наиболее универсальным, и предназначены для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. В настоящее время разработаны и используются различные типы ЭЛО: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, специальные.

В качестве «карандаша», вычерчивающего закон изменения исследуемой величины на люминесцирующем экране, в электронном осциллографе (ЭО) используется узкий луч электронов, формируемый внутри ЭЛТ особой электронно-оптической системы электронной пушкой. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча показано на рис. 6.1.

Внутри стеклянного баллона, в котором путем откачивания воздуха создается вакуум, расположен катод К с прямым или косвенным подогревом, модулятор М, изменением напряжения на котором регулируется яркость луча, фокусирующий анод А₁ ускоряющий анод А₂ и две пары отклоняющих пластин: горизонтальные — X и вертикальные — Y. Внутренняя поверхность экрана трубки покрыта слоем люминофора, светящегося под действием бомбардировки электронами. Электронная трубка, состоящая из К, М, А₁, А₂, формирует узкий луч электронов.

Рис. 6.1. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча

 

Осциллографические трубки имеют следующие параметры: размер по диагонали, чувствительность:

(6.1)

где h — отклонение луча на экране (в делениях); Uвх — значение напряжения на пластинах, вызвавшее отклонение h.

В современных ЭО на лицевой панели указывается коэффициент отклонения по каналу X или Y:

, (6.2)

а также ток накала — I_н, напряжение накала — U_н, время послесвечения — t, запирающее напряжение на управляющем электроде — U_з и рабочее напряжение на анодах А₁ и А₂.

К основным метрологическим характеристикам осциллографа относятся чувствительность (либо коэффициент отклонения), полоса пропускания, значение импеданса по входу канала Y, погрешность воспроизведения формы сигнала и измерения его параметров.

Чувствительность s выражается формулой:

(6.3)

В техническом паспорте прибора приводится чувствительность по обоим каналам: по вертикальному каналу – s_x и горизонтальному каналу – s_y.

В современных осциллографах наиболее широкое применение нашел коэффициент отклонения, связанный с чувствительностью обратной зависимостью:

(6.4)

Полоса пропускания характеризует частотный диапазон сигналов, исследуемых и наблюдаемых на конкретном осциллографе. В этом частотном диапазоне сигнал измеряется с допустимой погрешностью. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) прибора приведена на рис. 6.2, где f_н и f_в — нижняя и верхняя граничные частоты соответственно. Узкополосные осциллографы, как правило, обладают большей чувствительностью, чем широкополосные.

Рис. 6.2. Амплитудно-частотная характеристика осциллографа

 

Значение импеданса по входу канала Y — это активная R_вx и реактивная (емкостная) С_вх составляющие входного сопротивления осциллографа.

Осциллографические развертки. Напряжение, обеспечивающее перемещение электронного луча по горизонтали (оси времени), называется в осциллографах развертывающим напряжением; траектория, описываемая на экране ЭЛТ при отсутствии исследуемого напряжения, — разверткой; время, в течение которого описывается эта траектория, — длительностью развертки, а ее линейный размер по оси времени — длиной развертки.

Развертки, применяемые в современных аналоговых осциллографах, различаются по нескольким признакам:

- по форме развертывающего напряжения — пилообразные и синусоидальные;

- по форме траектории на экране ЭЛТ (при одновременной подаче исследуемого и развертывающего напряжений) — линейные, круговые и спиральные;

- по временным соотношениям — непрерывные(применяется для исследования гармонических процессов.), ждущие(применяется для исследования импульсных сигналов), ждущезадержанные (лупа времени) и однократные.

 

1.Измерение амплитуды напряжения исследуемых сигналов.

В осциллографе имеется калиброванный усилитель вертикального отклонения луча, благодаря этому измерение напряжения (мгновенного значения или амплитуды) производится путем умножения линейного отклонения луча L_Y относительно линии развертки на коэффициент отклонения по вертикали K_Y или деления на чувствительность h_Y.

(6.5)

Погрешность измерения напряжения осциллографом достигает до 10% из-за нестабильности усилителя, кривизны экрана, невысокой точности калибровки, фокусировки луча, воздействия помех и т.д.

2.Измерение частоты методом сравнения двух колебаний.

Для сравнения частот синусоидальных колебаний можно использовать «метод фигур Лиссажу».

а) б)

Рис. 6.3 Измерение частоты методом сравнения двух колебаний

 

В этом случае одно колебание подается на вход «X», а второй - на вход «Y» (рис.6.3,.a). Если соотношение между частотами двух колебаний равно отношению двух простых чисел, то на экране появляется неподвижная фигура, называемая фигурой Лиссажу. По числу пересечений (рис.3.4, б) фигуры Лиссажу с осями координат можно определить отношение частот двух колебаний, т.к. существует следующая закономерность

(6.6)

Если известна частота одного колебания, то частота другого может быть определена по выражению

(6.7)

где n_Y,n_X − число пересечений фигуры с осью ОY OX соответственно, f_X − образцовая частота (например, частота сети 50 Гц.).

Во избежание потери некоторых точек пересечения не следует проводить секущие фигуру прямые через узловые точки (рис 6.3.). Метод фигур Лиссажу применяется при соотношении частот не выше 6÷8 и только для колебаний синусоидальной формы.

3.Измерение разности фаз.

Осциллограф может быть использован для измерения разности фаз двух синусоидальных напряжений с одинаковой частотой, например, сдвиг фазы, приобретаемый сигналом при прохождении через четырехполюсник (усилитель, фильтр, трансформатор и т.п.). Для этого входное напряжение четырехполюсника необходимо подать на вход “Y” осциллографа, а выходное напряжение четырехполюсника на вход “X” осциллографа (см. рис.6.4,а).

При сдвиге фаз равном 90̊ на экране ЭЛТ возникает окружность, а в общем случае (при неравных напряжениях на входе и выходе четырехполюсника) при 0̊ ˂ φ ˂ 180̊ получается изображение эллипса (рис.6.4, б, в, г).

Рис. 6.3 Измерение разности фаз

 

Следует заметить, что при φ = 0̊ и 180̊ эллипс вырождается в прямую линию.

На рис.6.3 приведены расчетные формулы, вид которых зависит от положения эллипса в квадрантах декартовой системы координат. Измерение фазы сводится к определению отрезков «Ов» (расстояния от начала координат до пересечения эллипса с осью «OY») и «О_В» (расстояния до касательной к эллипсу) по координатной сетке на экране ЭЛТ и вычислению арксинуса их отношения.

Перед началом измерения отрезков необходимо центрировать эллипс относительно начала координат «О».

4.Применение осциллографа в качестве характериографа

Электронный осциллограф может быть использован для получения на экране ЭЛТ в прямоугольных координатах графика некоторых функций, например, выходной характеристики транзистора. Для этого на горизонтально отклоняющие пластины подают напряжение, которое приложено между коллектором и эмиттером транзистора, а на вертикально отклоняющие пластины − напряжение, пропорциональное коллекторному току. Это напряжение снимают с сопротивления, включенного последовательно с транзистором.

В результате можно получить семейство выходные характеристик.