Применение и выбор электронно-лучевого осциллографа

Электронно-лучевой осциллограф применяют для измерения амплитуды и мгновенных значений электрического сигнала (напряжения, тока); временных параметров сигнала (длительности импульса, длительности фронта, среза, периода повторения, скважности, задержки); частоты гармонического сигнала (методами линейной и круговой развертки; фигур Лиссажу); сдвига фаз между двумя сигналами; мощности синусоидального сигнала (мгновенных значений, среднего значения); мощности импульсного сигнала (мгновенных значений, импульсной мощности, среднего значения); полного сопротивления, активной и реактивной составляющих сопротивления; амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников; коэффициента амплитудной модуляции, равного отношению разности максимального и минимального значений модулированного сигнала к их сумме; функциональных зависимостей Y(X)—характеристик электронных ламп, транзисторов, диодов, интегральных схем; характеристик магнитных материалов и др.

Достоверность измерений ЭО зависит от многих факторов. Достаточно сложным вопросом является правильный выбор ЭО, зависящий от назначения его измерительных возможностей (предела измерения напряжения, временных интервалов, погрешности измерения амплитудных и временных параметров, числа одновременно регистрируемых сигналов, возможности запоминания сигналов и т. д.), особенностей объекта исследования и правильной эксплуатации. Например, неправильный выбор уровней сигналов приводит к тому, что на экране можно увидеть идеальный импульс, хотя на самом деле импульс неидеальный.

При воспроизведении сигналов большое влияние на исследуемую схему оказывают входные цепи осциллографа. Активная составляющая входного сопротивления для осциллографов общего назначения обычно 1,0 МОм, значение входной емкости 30—60 пФ. Чем больше полоса пропускания ЭО, тем меньше значение входной емкости. Одной из главных качественных характеристик ЭО является время нарастания переходной характеристики (рис. 9.18) канала ВО. Переходная характеристика— это изображение на экране ЭО, получаемое при подаче на вход перепада напряжения с длительностью фронта 0,3 и менее от времени нарастания ПХ. Время нарастания тн переходной характеристики (не) связано с полосой пропускания соотношением

τ_н = 0,35/f_в, (9.13)

где f_в — верхняя граничная частота полосы пропускания, МГц.

Время нарастания τ_н канала Y определяет возможность воспроизведения ЭО быстрых импульсных процессов. Время установления τ_уст определяется временем, необходимым для прочерчивания электронным лучом на экране ЭЛТ фронта отклика на поданный на вход ЭО идеальный перепад напряжения с фронтом бесконечно малой длительности.

Часто приходится измерять время установления в условиях, когда измеряемое время одного порядка с временем установления ЭО,

Рис. 9.18. Переходная характеристика канала ВО

В этом случае можно использовать соотношение

τ²_изм = τ²_уст + τ²_ф (9.14)

где τ_изм — время, измеряемое по шкале ЭЛТ; τ_уст — время нарастания канала ВО; τ_ф — время нарастания входного импульса.

Частотная характеристика определяет качественную передачу широкополосных сигналов. Чем широкополоснее ЭО, тем более детально можно исследовать сигнал.

Если нужно воспроизвести без искажений фронт прямоугольного импульса t_ф (нc) длительностью t_и, то необходимо выполнить условие f_в≥0,35/t_ф, где f_в — верхняя граничная частота, МГц; t_ф ≈0,1t_и. Если нужно воспроизвести без искажений амплитуду прямоугольного импульса длительностью t_и (нc), а неискаженное воспроизведение фронтов не требуется, то можно выбрать ЭО с менее широкой полосой пропускания:

f_в≥0,7/t_и. (9.15)

Нижняя граничная частота f_н, определяющая неравномерность вершины импульса ΔU_max относительно его амплитуды U_max,

f_н ≤ΔU_max/(U_max2πt_и). (9.16)

При исследовании прямоугольных импульсов с крутыми фронтами выбирают ЭО с малой входной емкостью, т. е. с более широкой полосой пропускания (большая емкость увеличивает длительность фронта из-за длительного времени заряда конденсатора), внешнюю синхронизацию и ждущую развертку.

При исследовании одиночных импульсных сигналов большой скважности применяют ЭО с широкой полосой пропускания, работающие в режиме исследования однократных, редко повторяющихся сигналов с внешней синхронизацией, ждущей разверткой. При тщательном исследовании отдельных участков несинусоидальных сигналов применяют внешнюю синхронизацию, ждущую развертку.

При исследовании синусоидальных сигналов, импульсных сигналов малой скважности применяют внутреннюю синхронизацию, непрерывную развертку. Частота сигнала должна быть значительно ниже полосы пропускания ЭО.

Неправильные выбор и эксплуатация ЭО приводят к различным искажениям.

Классы точности Э0. Значения параметров, определяющих метрологические характеристики ЭО в зависимости от классов точности, не должны быть хуже значений, указанных в табл. 9.1.

Таблица 9.1

 

Наименование параметра	Норма для ЭО класса точн
Основная погрешность измерения напряжения, %, не более
Основная погрешность коэффициента отклонения, %, не более	2,5
Основная погрешность измерения временных интервалов, %, не более
Основная погрешность коэффициента развертки, %, не более	2,5
Неравномерность вершины переходной характеристики, %, не более	1,5

Погрешности измерения осциллографом. Суммарную погрешность измерения ЭО можно рассчитать по рекомендации ГОСТ 22737—77.

1. Погрешность измерения амплитуды импульсов прямоугольной формы длительностью не менее времени установления переходной характеристики осциллографа определяют по составляющим:

погрешности номинального коэффициента отклонения по вертикали d_Ко;

погрешности преобразования, вызванной неравномерностью переходной характеристики d_н.пх (рис. 9.18);

визуальной погрешности отсчета геометрических размеров отдельных участков осциллограммы и совмещения линии электронного луча с рисками измерительной шкалы d_визU;. Погрешность d_визU состоит из погрешности при совмещении d_совм линии электронного луча с рисками измерительной шкалы, равной 1/5 ширины линии луча, и погрешности отсчета d_отсч положения линии луча относительно делений шкалы, равной 1/3 ширины линий.

Визуальная погрешность (%)

где b—ширина линии луча, мм; h —размер изображения по вертикали, мм.

Так как все составляющие погрешности независимы, то суммарная погрешность

2. Погрешность измерения длительности импульсов прямоугольной формы определяют по составляющим:

погрешности номинального коэффициента развертки К_р; погрешности, вызванной неточностью определения уровня 0,5 амплитуды:

где α₁ — угол, образованный фронтом импульса и вертикальной линией шкалы, град; α₂ — угол, образованный спадом импульса и вертикальной линией шкалы, град;

визуальной погрешности d_визt аналогичной d_визU:

где l — размер изображения по уровню 0,5 амплитуды, мм.

Погрешность измерения длительности импульса прямоугольной формы d_t рассчитывают по формуле

Анализаторы спектра частот

Разложение в ряд Фурье сигнала сложной формы позволяет представить его в виде суммы гармоник, каждая из которых имеет свое максимальное значение, частоту и фазу. Совокупность этих гармоник определяет спектр сигнала. Наиболее полное представление о спектральном составе сигнала дает распределение амплитуд или мощности по частотам (между амплитудой гармоник и ее мощностью существует однозначная зависимость). Экспериментальный анализ спектра сигнала проводится с помощью анализаторов — высокочастотных и низкочастотных.

Различают два метода анализа спектров: одновременный (параллельный) и последовательный.

При одновременном анализе спектра используют совокупность идентичных узкополосных фильтров, каждый из которых настроен на разные достаточно близкие частоты f₁, f₂,....При одновременном воздействии исследуемого сигнала на все фильтры каждый фильтр выделяет соответствующую его настройке составляющую спектра. Максимум каждой гармоники измеряют селективным пиковым вольтметром, их частоту — по шкале настройки фильтра. Анализаторы, работающие по методу одновременного анализа, громоздки, но обладают более высокой скоростью анализа, поэтому их можно применять для анализа спектра одиночных импульсов в области низких частот.

При последовательном анализе спектра исследуемый сигнал воздействует на один узкополосный фильтр, который последовательно перестраивается в широкой полосе частот. При каждой настройке фильтр выделяет очередную гармонику и селективный пиковый вольтметр измеряет ее амплитуду. В качестве перестраивающихся фильтров обычно применяют Т-образные RC-мосты. Наибольшее распространение получили осциллографические анализаторы спектра, в которых вместо перестраиваемого фильтра используется один узкополосный фильтр с фиксированной настройкой и гетеродинный принцип преобразования частоты. Гетеродин представляет собой маломощный генератор перестраиваемой (качающей) частоты, позволяющий весь спектр частот исследуемого сигнала перемещать по отношению к фиксированной частоте фильтра.

Рис. 9.19. Схема анализатора спектра

Схема анализатора спектра представлена на рис. 9.19, где осциллографическии анализатор спектра представляет собой панорамное устройство, с помощью которого можно наблюдать спектр частот исследуемого сигнала на экране ЭЛТ в прямоугольной системе координат в виде вертикальных линий. Абсциссы определяют частоту гармоник, а высота вертикальных линий (ординат) соответствует максимальным значениям напряжения или мощности.

Исследуемый периодический сигнал сложной формы через аттенюатор, ограничивающий его амплитуду, поступает на смеситель, ко второму входу которого подводится напряжение генератора качающей частоты. Линейное изменение частоты во времени (качание частоты) производится изменением напряжения генератора развертки, подаваемого одновременно на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Вследствие перемещения электронного луча по горизонтали пропорционально частоте горизонтальная ось является осью частот.

В результате взаимодействия частоты исследуемого сигнала с частотой /г генератора качающей частоты исследуемый сигнал преобразуется в сигнал разностной промежуточной частоты f_ф=f_г—f_c. Узкополосный фильтр, настроенный на фиксированную промежуточную частоту f_ф, имеет узкую полосу пропускания. Гармоники, частота которых лежит в полосе пропускания узкополосного фильтра f_ф ±Δf, усиливаются и после детектирования в квадратичном детекторе (см. гл. 6) и усиления в видеоусилителе поступают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Отклонение луча по вертикали пропорционально амплитуде определенной узкой полосы спектра исследуемого сигнала от f_ф - Δf до f_ф + Δf. Амплитуда каждой составляющей спектра пропорциональна ее мощности (при использовании квадратичного детектора) или напряжению (при использовании линейного детектора).

Так как горизонтальная развертка луча происходит синхронно с изменением частоты гетеродина под действием одного и того же пилообразного напряжения, на экране ЭЛТ будет наблюдаться графическое изображение спектра частот исследуемого сигнала. Количество наблюдаемых полосок определяется числом сигналов, поступающих в анализатор за время одного периода развертки Т_р осциллографа (цикла качания частоты).

Анализатор содержит калибратор частоты, состоящий из генератора, идентичного генератору качающей частоты, и модулятора. Для создания калибровочных частотных меток калибровочный гетеродин работает на частоте f_клб, близкой к средней частоте основного гетеродина. Его колебания модулируются по амплитуде колебаниями частоты F_мoд, создаваемыми модулятором и образующими спектр частот f_клб±n F_мoд (где n = 1, 2,...), расстояние между которыми равно частоте F_мoд модулирующего напряжения. Колебания калибратора через собственный аттенюатор, позволяющий регулировать амплитуду меток, воздействуют на смеситель. При совпадении частоты основного генератора качающей частоты с частотой калибратора возникают нулевые биения, приводящие к появлению всплесков (меток) на кривой спектра через выбранные частотные интервалы F_мoд

Основные характеристики анализатора спектра:

рабочий диапазон частот — диапазон частот, в котором анализируются спектры сигналов, определяемый диапазоном перестройки генератора качающей частоты;

разрешающая способность — минимальное расстояние по оси частот между двумя составляющими спектра, при котором могут быть выделены отдельные линии и измерены их уровни. Разрешающая способность в основном определяется шириной полосы пропускания усилителя промежуточной частоты и диаметром светового пятна на экране. Чем меньше At, тем большее число спектральных составляющих можно различать на экране.

Фиксированную промежуточную частоту /ф выбирают таким образом, чтобы при минимальной длительности исследуемого импульса ta изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу приемника, не накладывалось на спектрограмму основного канала;

время анализа — время, в течение которого получают изображение исследуемого спектра на экране анализатора. За это время частота напряжения гетеродина изменяется от минимального до максимального значения. Время анализа обратно пропорционально квадрату разрешающей способности.

Промышленностью выпускаются осциллографические анализаторы спектра СЧ-27; СЧ-28, предназначенные для исследования спектра повторяющихся радиоимпульсов и непрерывных периодических сигналов с диапазоном рабочих частот 0,01—39,6 ГГц; анализаторы спектра СЧ-30; СЧ-31; СЧ-32 — для исследования спектра повторяющихся радиоимпульсов непрерывных периодических колебаний с рабочей фиксированной частотой соответственно 30, 60, 26 МГц; анализатор спектра СЧ-46 —для визуального наблюдения и относительного измерения спектральных составляющих спектра непрерывных периодических сигналов и формы спектра стационарных шумов с рабочим диапазоном частот 0,1—270 МГц.

Для подавления возможного проникновения в канал УПЧ составляющих «зеркальной помехи» анализаторы спектра реализуются с двух- или трехкратным преобразованием частоты.

ЗАДАЧИ

9.1. Изобразить осциллограмму, которая должна получиться на экране осциллографа, если частота / исследуемого сигнала синусоидальной формы равна 5 кГц, а частота fP линейно изменяющегося напряжения развертки идеальной формы равна 4 кГц.

9.2. Как определить экспериментально нелинейность развертывающего напряжения осциллографа? ■

9.3. Какова должна быть скорость развертки универсального моноблочного осциллографа для наблюдения прямоугольного импульса длительностью /И=Ш не и частотой следования f=100 кГц по всей длине рабочей части экрана 36X60 мм? Полученное значение скорости развертки сравнить со скоростью развертки стробоскопического осциллографа, приняв шаг считывания At= 1 не.

Ответ: 6000 км/с, 0,6 км/с.

9.4. Какова скорость развертки, если диапазон длительности развертки в осциллографе изменяется от 50 мс/дел. до 0,2 мке/дел (1 дел.=6 мм)?

Ответ: 0,12 м/с; 30 км/с.

9.5. При подаче сигнала на открытый вход осциллографа на экране получилась осциллограмма, изображающая сигнал при двух-полупериодном выпрямлении (см. гл. 6). При реализации закрытого входа осциллограмма опустилась на три деления. Определить максимальное значение сигнала, если коэффициент отклонения по вертикали равен 0,2 В/дел.

Ответ: 0,9 В.