Классификация электронных осциллографов

По назначению и принципу действия осциллографы могут быть общего назначения, универсальные, скорост­ные, стробоскопические, запоминающие, специальные.

По числу одновременно наблюдаемых сигналов осциллографы делятся на одно-, двух- и многоканальные.

Моноблочные осциллографы, общего назначения имеют наиболь­шее распространение и применяются для исследования низкоча­стотных процессов, импульсных сигналов, поверки радиоэлектрон­ной аппаратуры. Полоса пропускания у этих осциллографов - от постоянного тока до 100 МГц, диапазон амплитуд исследуемых сигналов - от единиц милливольт до сотен вольт.

Универсальные осциллографы отличаются многофункциональностью, достигаемой за счет применения сменных блоков, и предназначены для исследования гармонических и импульсных сигналов. Полоса пропускания у универсальных осциллографов от постоянного тока до сотен мегагерц, диапазон амплитуд исследуемых сигналов - от десятков микровольт до сотен вольт.

Скоростные осциллографы предназначены длянаблюдения и регистрации однократных и повторяющихся импульсных сигналов и периодических колебаний в полосе частот порядка единиц гигагерц. У скоростных осциллографов отсутствует усилитель в канале вертикального отклонения. Исследуемый сигнал подается непосредственно на сигнальную отклоняющую систему ЭЛТ, построенную по принципу бегущей волны, которая исключает влияние времени пролета электронов через пространство отклоняющих пластин, за счет чего увеличивается широкополосность. Сигнальный вход скоростного осциллографа коаксиальный с волновым сопротивлением 50-100 Ом. В этих осциллографах применяются ЭЛТ с волоконно-оптическими экранами, а также квадрупольная фокусировка системой магнитных линз, позволяющая увеличить скорость записи при фоторегистрации за счет лучшей фокусировки.

Стробоскопические осциллографы - предназначены для регистра­ции повторяющихся сигналов в широкой полосе частот - от по­стоянного тока до нескольких гигагерц. Амплитудный диапазон исследуемых сигналов - от единиц милливольт до единиц вольт при одновременной регистрации до двух сигналов. Измерения осуществляются в трансформированном масштабе времени.

Запоминающие осциллографы предназначены для регистрации однократных и редко повторяющихся сигналов. Эти осциллографы имеют ЭЛТ с запоминанием. Полоса пропускания их - до 100 МГц при скорости записи до 4000 км/с, при уровнях сигналов десятки милливольт - сотни вольт - при одновременной регистрации не более двух сигналов.

Специальные осциллографы предназначены для исследования телевизионных сигналов, имеют счетно-фазирующее устройство и позволяют исследовать любую часть телевизионного сигнала с высокой временной стабильностью.

Выбор типа осциллографа производится в зависимости от его назначения и измерительных возможностей (предела измерений времени, частоты следования, амплитуды и длительности сигна­лов, наличия открытого входа, степени точности воспроизведения и погрешности измерения амплитудных и временных параметров сигнала, числа одновременно регистрируемых сигналов, возмож­ности запоминания сигналов и т. д.). Наличие в электронных (осциллографах преобразователей аналоговых сигналов в цифро­вую форму и возможность выдачи результатов измерения на циф­ровое табло сокращают время измерения и упрощают работу с ос­циллографом.

Современные ЭЛТ могут воспроизводить сигналы без искажений с частотой до сотен и тысяч мегагерц, поэтому полоса пропускания осциллографа определяется в основном частотной характеристи­кой усилителя ВО. Неправильный выбор амплитудно-частотной характеристики усилителя ВО, а следовательно, и осциллографа приводит к искажениям при исследовании импульсных и несину­соидальных сигналов. Наибольшая полоса пропускания необхо­дима при исследовании быстрых импульсных сигналов, поскольку она должна обеспечить прохождение большинства гармонических составляющих спектра импульса.

Полоса пропускания электронного осциллографа связана с вре­менем нарастания переходной характеристики канала вертикального отклонения  (нс) следующим соотношением: , где  - верхняя граничная частота (МГц) полосы пропускания.

Если нужно воспроизвести без искажений фронт  (нс) прямо­угольного импульса длительностью , то необходимо, чтобы , где .

Если нужно воспроизвести без искажений амплитуду прямо­угольного импульса длительностью  (нс), а неискаженное воспро­изведение фронтов не требуется, то достаточно, чтобы .

Нижняя граничная частота  (Гц) полосы пропускания, опре­деляющая неравномерность вершины импульса  (В) относи­тельно амплитуды
 (В), равна .

При любых измерениях необходимо учитывать влияние входной цепи (сопротивления 1 МОм шунтированной емкостью 40-50 пФ, а с учетом соединительного кабеля 100 пФ) осциллографа на источник исследуемого сигнала. Поэтому при исследовании прямо­угольных импульсов с крутыми фронтами выбирают осциллограф с малой входной емкостью, т. е. с более широкой полосой пропу­скания (большая емкость увеличивает длительность фронта из-за длительного времени заряда конденсатора), ждущую развертку.

При исследовании одиночных, импульсных сигналов большой скважности, а также при тщательном исследовании отдельных участков несинусоидальных сигналов применяют ждущую раз­вертку с внутренней или внешней синхронизацией. При работе в ждущем режиме длительность развертки должна быть согласована с частотой повторения исследуемых сигналов. Для исследования сигналов периодических синусоидальных, импульсных малой скважности применяют автоколебательную развертку.

Электронные осциллографы применяют для измерения: амплитуды и мгновенных значений электрического сигнала (напряжения, тока); временных параметров сигнала (длительности фронта, среза, частоты следования, скважности, задержки); частоты гармониче­ского сигнала (методами линейной и круговой развертки, мето­дами фигур Лиссажу); сдвига фаз между двумя сигналами; мощ­ности (импульсного, среднего значений); полного сопротивления и отдельных составляющих; амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников; коэффициента амплитудной модуляции, равного отношению разности максимального и минимального значений модулированного сигнала к их сумме; характеристик электронных ламп, транзисторов, диодов, интегральных схем; характеристик магнитных материалов и др.

4.4 Стробоскопические электронные осциллографы

Стробоскопические осциллографы позволяют наблюдать форму и измерять амплитудно-временные параметры периодических сиг­налов милли-, микро-, нано- и пикосекундного диапазонов. Эти осциллографы предназначены для исследования переходных про­цессов в быстродействующих полупроводниковых приборах, ми­кромодульной и интегральной схемотехнике, при производстве быстродействующих ЭВМ, экспериментальных исследованиях на ускорителях заряженных частиц, в ядерной физике, технике связи, измерительной технике и т. п. Наиболее эффективно стробоскопи­ческие осциллографы можно использовать при определении дина­мических параметров полупроводниковых приборов, интеграль­ных схем и параметров импульсных схем.

Для наблюдения слабых наносекундных импульсов потребова­лись бы осциллографические трубки с очень высокой чувствитель­ностью и широкой полосой пропускания частот или сочетание широкополосных трубок малой чувствительности и широкополос­ных высокочувствительных усилителей сигнала. Эти требования противоречивы, поэтому при построении осциллографов возни­кают трудности, когда необходимо обеспечить высокую чувствитель­ность и широкую полосу пропускания частот. Эти противоречия удается преодолеть в стробоскопических осциллографах, где не требуются специальные трубки и широкополосные усилители. Полоса пропускания усилителей стробоскопических осциллографов достигает нескольких гигагерц при довольно высоком минимальном коэффициенте отклонения (5-10 мВ/дел). В этих осциллографах используется метод увеличения масштаба времени исследуемого импульса в результате чего как бы уменьшается скорость нарастания импульса, а, следовательно, уменьшается и ширина его частотного спектра. Эквивалентная полоса пропускания усилителя вертикального отклонения при этом увеличивается во столько раз, во сколько раз расширяется исследуемый
импульс. Масштаб увеличения периода  исследуемого импульса
, где  - период преобразованного импульса.

Так как масштаб увеличения может достигнуть значения, равного , то эквивалентная полоса пропускания обычных усилителей вертикального отклонения возрастает от сотен килогерц до нескольких гигагерц.

Принцип действия стробоскопического осциллографа основан на масштабно-временном преобразовании спектра исследуемого сигнала методом амплитудно-импульсной модуляции, усилении и расширении промоделированного сигнала и выделении исходной формы сигнала - демодуляции. На рис. 4.13, а представлена упро­щенная схема стробоскопического осциллографа.

От внешнего или собственного генератора стробоскопического осциллографа запускающие импульсы синхронизации (импульсы положительной и отрицательной полярности, синусоидальные им­пульсы) подаются на вход схемы синхронизации, в которой осущест­вляется формирование основного синхроимпульса стандартной формы, запускающего схему развертки. Основной синхроимпульс (рис. 4.13, б) поступает на вход схемы запуска генератора быстрого пилообразного напряжения и генератора медленного ступенчатого пилообразного напряжения. Генератор медленного ступенчатого пилообразного напряжения является также и генератором развертывающего напряжения осциллографа. Генератор быстрого пи­лообразного напряжения работает в ждущем режиме, крутизна S генерируемого напряжения, а период повторения равен периоду исследуемого сигнала  (рис. 4.13, а). С приходом каждого синхро­импульса (рис. 4.13, б) напряжение с генератора медленного пило­образного напряжения возрастает на ступеньку  (рис. 4.13, г). Период  медленного ступенчатого пилообразного напряжения много больше периода быстрого пилообразного напряжения и ра­вен  (п - число интервалов, на которые разбит исследуемый импульс). Формируемые этими генераторами напряжения посту­пают в схему сравнения. В пределах одного периода развертки  сравнение быстрого пилообразного напряжения со ступенчатым происходит п раз и каждый раз на более высоком уровне: .

Таким образом, момент равенства напряжений смещен на время относительно предыдущего момента. Значение временного сдвига выходного импульса схемы сравнения .

В момент сравнения напряжений на выходе схемы сравнения образуется импульс, запускающий генератор строб-импульсов, ко­торый вырабатывает короткие прямоугольные импульсы (строб-импульсы) длительностью , много меньше длительности иссле­дуемого импульса , и периодом повторения  (рис. 4.13, д). Каждый последующий строб-импульс сдвинут отно­сительно предыдущего на время . Таким образом, строб-импульсы в определенной временной последовательности поступают на вход смесителя-модулятора (см. рис. 4.13, а). Одновременно генератор строб-импульсов вырабатывает импульс, который, поступая в ге­нератор быстрого пилообразного напряжения, срывает его колеба­ния и переводит последний в ждущий режим до прихода следую­щего синхроимпульса. Через линию задержки на другой вход сме­сителя-модулятора поступает исследуемый сигнал  периодом  (рис. 4.13, б).

Смеситель-модулятор представляет собой электронный ключ, открываемый на время, равное длительности строб-импульса (стробирующие «ворота»). Но так как на вход смесителя подан еще и исследуемый сигнал, то на выходе смесителя-модулятора возникают строб-импульсы, промодулированные по амплитуде исследуемым сигналом. Амплитуда строб-импульса пропорциональна мгновен­ному значению исследуемого сигнала в момент прихода строб-импульса (рис. 4.13, д).

Модулированный по амплитуде строб-импульс при необходимо­сти усиливается импульсным усилителем и расширяется в схеме расширителя (рис. 4.13, е). Огибающая расширенных строб-им­пульсов повторяет форму исследуемого сигнала, но следует во вре­мени с более низкой частотой, т. е. период преобразованного сиг­нала растянут (трансформирован) во времени. Расширенные им­пульсы через усилитель ВО поступают на вертикально отклоняю­щие пластины ЭЛТ. Для большей контрастности изображения пло­ские участки строб-импульсов расширенного сигнала подсвечива­ются импульсами подсвета. В результате на экране осциллографа создается огибающая строб-импульсов в виде светящихся черточек (точек), воспроизводящая форму исследуемого сигнала в расши­ренном виде (рис. 4.13, ж).

Возможность демодуляции сигнала позволяет после интегра­тора получать аналоговое напряжение. Период преобразованного сигнала оказывается в m раз больше исследуемого сигнала и в n раз больше периода строб-импульса . Масштаб увеличения m длительности исследуемого импульса равен отношению периода строб-импульсов  к шагу считывания , т. е. , где  - шаг считывания, ди­скретизации.

Примерное значение необходимого шага считывания определя­ется из формулы  где  - верхняя частота в спектре исследуемого сигнала.

Для нормального функционирования необходимо обеспечить в осциллографе:

1) получение на входе смесителя строб-импульсов, сдвинутых относительно начала исследуемого сигнала на интервалы ;

2) синхронизацию первого строб-импульса с исследуемым сиг­налом;

Рисунок 4.13 – Упрощенная схема стробоскопического осциллографа (а) и временные диаграммы напряжений, поясняющие процесс стробоскопического осциллографирования (б-ж)

3) синхронизацию начала развертывающего напряжения с пер­вым строб-импульсом.

Результаты исследования сигналов можно наблюдать на экране ЭЛТ, фотографировать или записывать на двухкоординатный само­писец. По схеме аналогичной схеме на рис. 4.13, а, выполнен осцил­лограф С7-8 с бистабильной запоминающей ЭЛТ, которая может выполнять двойную функцию: в качестве устройства памяти и в обыч­ном осциллографическом режиме.

Осциллограф имеет два идентичных канала в вертикальном тракте и обеспечивает раздельные и одновременные режимы работы двух каналов; сложение и вычитание сигналов этих каналов и др. Как и во всех осциллографах, в стробоскопическом осциллографе из­мерение напряжения и временных интервалов осуществляется по заранее откалиброванным шкалам коэффициента отклонения и дли­тельности развертки. Осциллограф снабжен калибратором напря­жения и калибратором времени.