Универсальные электронные осциллографы

Универсальные осциллографы - многофункциональные при­боры, содержащие сменные блоки в каналах вертикального и гори­зонтального отклонений и предназначенные для исследования пе­риодических и однократных импульсных сигналов от 10 мкВ до 500 В в полосе частот от постоянного тока до 3,5 ГГц визуальным наблюдением и фотографированием. К сменным блокам универсаль­ного осциллографа относят: усилители, дифференциальный, двухканальный, высокочувствительный, стробоскопический; блоки раз­вертки сдвоенной, стробоскопической, логарифмирующий.

Характеристики осциллографа находятся в зависимости от ис­пользуемых сменных блоков. Исследуемый сигнал подается на вход­ную цепь канала вертикального отклонения (см. рис. 4.1). Затем он поступает на предварительный усилитель для усиления и преоб­разования фазы. В зависимости от типа сменного блока в составе предварительного усилителя может находиться двухканальный усилитель (коммутатор), стробоскопический усилитель (смеситель-модулятор), логарифмирующий блок (логарифмирующее устрой­ство) или другое функциональное устройство, выполняющее основ­ную функцию предварительного усиления и обработки сигнала. Далее сигнал, преобразованный в парафазный, поступает на ли­нию задержки для компенсации времени срабатывания (запазды­вания) канала горизонтального отклонения. Линия задержки вы­полняет свои функции при работе с блоками, функционирующими в реальном масштабе времени. С нее сигнал поступает на выходной усилитель, возбуждающий сигнальные пластины ЭЛТ.

В режиме внутренней синхронизации из канала вертикального отклонения снимается часть исследуемого сигнала и поступает в схему запуска. Запускающий сигнал подается на генератор развертки, который формирует пило­образное линейное напряжение или ступенчатое (стробоскопиче­ский блок) напряжение для отклонения луча ЭЛТ пропорционально времени. Генератор развёртки содержит регулировки режимов и длительности.

Выходные сигналы генератора развертки (пилообразное напря­жение и импульс подсвета) поступают на выходной усилитель раз­вертки и модулятор ЭЛТ для Отпирания электронного луча во время прямого хода развертки. Усилитель развертки преобразует фазу, усиливает пилообразное напряжение до значения, необходимого для получения требуемого временного масштаба изображения на экране.

Для повышения точности измерений в состав осциллографа входят калибраторы амплитуд и времени, предназначенные для калибровки коэффициентов отклонения канала вертикального отклонения и длительности (коэффициентов) развертки канала горизонтального отклонения. Измерение амплитудных и временных параметров может осуществляться разными методами. Наличие в осциллографе калибратора с плавной регулировкой выходного напряжения позволяет реализовать следующие методы измерений амплитудных параметров исследуемого сигнала: калиброванной шкалы; сравнения; компенсации. Два последних метода не реализуются со стробоскопическими блоками.

Наличие сменного блока с 2-мя развертками и входа Z дает возможность реализовать следующие методы измерения временных параметров исследуемого сигнала: калиброванной шкалы; измере­ния с помощью калиброванных меток; измерения с помощью задер­жанной развертки.

Метод измерения амплитуд и временных интервалов по калиброванной шкале основан на измерении линейных размеров изображения. Непосредственно по шкале экрана ЭЛТ.

Измеряемая амплитуда напряжения

                                                         (4.3)

где h - число делений по вертикали;  - значение коэффициента отклонения по вертикали при максимальном усилении (ручка уси­ления находится в крайнем правом положении).

Измеряемый временной интервал

                                      (4.4)

где l - число делений по горизонтали;  - длительность раз­вертки;  - множитель развертки.

Метод измерения по калиброванной шкале - основной.

Измерение амплитуд методом сравнения основано на замещении значения измеряемой части сигнала калибрационным напряжением. Отсчет измеряемого значения производится по показателям шкал регулировок калибрационного напряжения. Измерение амплитуд методом сравнения более трудоемко по сравнению с методом измерения по калиброванной шкале, но обеспечивает большую точность. Данный метод рекомендуется для измерения малых значении изображений сигнала (1-2 деления).

Измерение амплитуд методом компенсации основано на компен­сации исследуемого сигнала опорным (калибрационным) напряже­нием в дифференциальном усилителе. ЭЛТ является нуль-индикато­ром, по которому устанавливается порог совмещения (компенсации сигнала). Метод обеспечивает высокую точность.

Измерения временных интервалов с помощью задержанной раз­вертки основаны на смещении изображения вдоль линии развертки относительно выбранной неподвижной точки (линии) шкалы. От­счет производится по показаниям переключателя коэффициента задерживающей развертки и регулировки ручкой Задержка.

Усилитель дифференциальный. Он предназначен для предварительного усиления исследуемых сигналов. На два входа дифференциального усилителя поступают сигналы с различной амплитудой, а на выходе получают один сигнал, пропорциональный разности этих амплитуд.

Рисунок 4.14 – Изображение сигналов с помощью двухканального коммутатора

Усилитель дифференциальный помощью двухканального коммутатора значительно расширяет возмож­ности осциллографа. С его помощью можно исследовать: малые из­менения напряжения на большом уровне постоянного напряжения, отдельные участки импульсных сигналов, сигнал при значительном уровне помех; выполнить настройку двух- и многоканальных си­стем с одинаковыми выходными сигналами. Например, исследова­ние сигнала при значительном уровне помех выполняется в такой последовательности: исследуемый сигнал с помехой подается на один вход дифференциального усилителя, а на второй его вход подается сигнал, подобный сигналу помехи. Сигнал, исследуемый на экране ЭЛТ, представляет собой только полезный сигнал без помехи. Сигнал помехи подавляется.

Усилитель двухканальный. Двухканальный усилитель - коммутатор – позволяет исследовать два одновременных или следую­щих один за другим сигнала.

Коммутатор осциллографа попеременно подключает оконечный усилитель к предварительному усилителю то одного, то другого канала. При синхронном режиме коммутации коммутатор переключается во время обратного хода развертки, а при несинхронном - с постоянной частотой, задаваемой специальным генератором. Частота генераторов переключения составляет от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц.

На рисунке 4.14 показано изображение сигнала с помощью двух­канального усилителя при несинхронном режиме.

Блок сдвоенной развертки. Этот блок служит для получения калиброванной по времени развертки на экране ЭЛТ. Он состоит из двух генераторов развертки, которые могут работать вместе или раздельно. Упрощенная схема системы сдвоенной развертки показана на рис. 4.15. Генератор развертки Б идентичен генератору развертки А. Развертки содержат: цепи входные, синхронизации, запуска развертки, генераторы пилообразного напряжения и вспо­могательные узлы. Задержка начала развертки относительно мо­мента подачи управляющего импульса на время от 1 мкс примерно до 0,5-1 с осуществляется при работе обоих генераторов. Генерато­ром Б производится кали­брованная во времени за­держка, после которой ге­нератор А вырабатывает обычное развертывающее напряжение. Применение сдвоенной развертки рас­ширяет область примене­ния осциллографа, так как появляется возможность большой растяжки нужных участков сигнала, а также увеличивается точность из­мерения временных интер­валов. Но наибольшее растяжение во времени сигналов происхо­дит в режиме одновременной работы двух разверток А + Б. Для этого на полном изображении сложного сигнала, развернутого раз­верткой А, получают яркостную метку от развертки Б.

Рисунок 4.15 – Упрощенная схема системы сдвоенной развертки

Рисунок 4.16 – Применение сдвоенной развертки для измерения временных интервалов сигнала сложной формы

Ручкой Задержка смещают яркостную метку так, чтобы высве­чивалась представляющая интерес часть сигнала, и уточняют дли­тельность развертки Б. Затем устанавливают переключатель режи­мов работы в положение  и на экране окажется изображение только рассматриваемой части сложного сигнала.

На рис. 4.16 показано применение задержанной развертки при исследовании сигнала сложной формы. Наличие такой развертки дает возможность задержать начало развертки Б на определенное время после момента запуска развертки А и получить изображение 1 только представляющей интерес части сложного сигнала. При этом необходимо установить правильное значение длительности раз­вертки А.

Сказанное выше подтверждает многофункциональность осцилло­графа. По рассмотренной схеме выполнен осциллограф С1-70.

4.6 Запоминающие электронные осциллографы

Запоминающие осциллографы выполняют на специальных запоминающих ЭЛТ, обладающих способностью преобразовывать электрические сигналы в электрические заряды, сохранять их в тече­ние определенного времени и затем воспроизводить. Запоминаю­щие ЭЛТ по принципу действия разделяют на полутоновые и бистабильные.

Полутоновые запоминающие ЭЛТ преобразуют электрические сигналы в видимое изображение с полутонами, т. е. такое изобра­жение, яркость которого в каждой точке пропорциональна значе­нию электрического сигнала.

Бистабильные запоминающие ЭЛТ преобразуют электрический сигнал в видимое изображение, не имеющее полутонов, т. е. в такое изображение, которое имеет только два тона: светлый и темный, яркость его не зависит от значения исследуемого сигнала.

Запоминающие ЭЛТ могут быть с непосредственным переносом изображения на экране без изменения его масштаба и с увеличе­нием масштаба. Современные запоминающие ЭЛТ обычно выполняют двойную функцию. При использовании ЭЛТ в качестве устройства памяти изображенные сигналы можно сохранять продолжительное время для длительного исследования. ЭЛТ может работать и в обыч­ном осциллографическом режиме. Основными элементами трубки являются прожекторы записывающие, воспроизводящие с элемен­тами запоминания и покрытый люминофором экран. Записываю­щий прожектор с вертикально и горизонтально отклоняющими пластинами ничем не отличается от прожектора обычной осциллографической трубки.

Запоминающий осциллограф содержит такие дополнительные схемы, как управления воспроизведением и стиранием; автоматиче­ского стирания. Схема управления воспроизведением и стиранием осуществляет питание узла памяти и воспроизводящего прожектора, позволяет управлять яркостью воспроизведения записанного про­цесса, стереть записанное изображение, а также управлять воспро­изведением таким образом, чтобы получить эффект регулируемого послесвечения. Схема автоматического стирания и подготовки свя­зана как с трубкой, так и с разверткой. Она дает возможность за установленное время воспроизвести записанный сигнал, стереть изображение и подготовить развертку к новому запуску.

В зависимости от типа трубки запоминающего осциллографа время воспроизведения записанного изображения составляет 1-30 мин. При выключенном запоминающем осциллографе время сохранения записанного изображения может быть от нескольких часов до нескольких суток. Бистабильные ЭЛТ, конструктивно отли­чающиеся от полутоновых, сохраняют информацию в течение более длительного промежутка времени, чем полутоновые; имеют в два раза большую разрешающую способность и примерно в сто раз выше яркость. Скорость же записи у бистабильных ЭЛТ гораздо ниже, чем у полутоновых ЭЛТ. Например, универсальный запоминающий осциллограф С8-12 имеет время воспроизведения записанных про­цессов 40 с, время сохранения записи 7 ч, максимальную скорость записи 4000 км/с, длительность развертки от 0,1 мкс/дел до 0,3 с/дел, коэффициент отклонения 10 мВ/дел - 5 В/дел, полосу пропускания от 0-50 МГц до 0-3,5 ГГц.

4.7 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 полный 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  . При одновременном воздействии исследуемого сигнала на все фильтры каждый фильтр выделяет соответствующую его настройке составляющую спектра. Максимум каждой гармоники измеряют селективным пиковым вольт­метром (см. гл. 5), их частоту - по шкале настройки фильтра. Ана­лизаторы, работающие по методу одновременного анализа, гро­моздки, но обладают более высокой скоростью анализа и их можно применять для анализа спектра одиночных импульсов в области низ­ких частот.

При последовательном анализе спектра исследуемый сигнал воздействует на один узкополосной 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. На практике наибольшее распространение получили осциллографические анализаторы спектра, где вместо перестраиваемого фильтра использу­ется один узкополосный фильтр с фиксированной настройкой и гете­родинный принцип преобразования частоты. Гетеродин - маломощ­ный генератор перестраиваемой частоты - позволяет весь спектр частот исследуемого сигнала перемещать по отношению к фик­сированной частоте фильтра.

Схема анализатора спектра представлена на рис. 4.17, где осциллографический 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.

Рисунок 4.17 – Схема анализатора спектра

Исследуемый периодический сигнал сложной формы через атте­нюатор, ограничивающий его амплитуду, поступает на смеситель, ко второму входу которого подводится напряжение генератора ка­чающей частоты (гетеродина). Средняя частота этого генератора близка к несущей частоте исследуемого сигнала. 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  генератора качающей частоты исследуемый сигнал преобразуется в сигнал разностной промежуточной частоты . Узкополосный фильтр, настроенный на фиксированную промежуточную частоту , имеет узкую полосу пропускания . Гармоники, частота которых лежит в полосе пропускания узкопо­лосного фильтра , усиливаются и после детектирования в квадратичном детекторе (см. гл. 5) и усиления в видеоусилителе поступают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Отклоне­ние луча по вертикали пропорционально амплитуде определенной узкой полосы спектра исследуемого сигнала от  до .

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  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 , близкой к средней частоте основ­ного гетеродина, его колебания модулируются по амплитуде коле­баниями частоты , создаваемыми модулятором и образующими спектр частот  (где ), расстояние между кото­рыми равно частоте  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 .

Основными характеристиками анализатора спектра являются:

рабочий диапазон частот - диапазон частот, в котором анали­зируются спектры сигналов. Рабочий диапазон частот определя­ется в основном 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 , тем большее число спектральных составляющих можно различать на экране; , где  - длительность исследуемых импульсов. Фиксированную промежуточ­ную частоту  выбирают таким образом, чтобы при минимальной длительности исследуемого импульса  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 происходит изменение частоты напряжения гетеродина от минималь­ного до максимального значения. Время анализа обратно пропор­ционально квадрату разрешающей способности. Промышленностью выпускаются осциллографические анализаторы спектра СЧ-27, 28, предназначенные для исследования спектра повторяющихся радио­импульсов и непрерывных периодических сигналов с диапазоном рабочих частот от 0,01 до 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, предназначенный 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.

4.8 Измерители нелинейных искажений

Нелинейные искажения возникают в цепях, содержащих нели­нейные элементы. Синусоидальное напряжение, поданное на вход такой цепи, искажается, в результате чего форма выходного напря­жения отличается от синусоидальной.

Степень нелинейных искажений синусоидального напряжения характеризуется коэффициентом гармоник, определяемым как от­ношение среднеквадратичного значения суммы всех высших гармо­ник напряжения, кроме первой, к среднеквадратичному значению напряжения первой гармоники:

                 (4.5)

Гармоники можно определить с помощью анализатора спектра, а затем вычислить коэффициент  по (4.5). Однако этот путь сло­жен. В основу работы прямопоказывающих измерителей нелиней­ных искажений положен принцип «подавления основной частоты», т. е.

(4.6)

Из сравнения (4.5) и (4.6) следует, что

                         (4.7)

Если искажения невелики , то коэффициенты  и  отличаются меньше чем на 1 %.

В соответствии с (4.6) для измерения коэффициента нелиней­ных искажений  необходимо измерить среднеквадратичное зна­чение исследуемого сигнала и среднеквадратичное значение суммы высших гармоник (без первой).

Схема измерителя нелинейных искажений представлена на рисунке  4.18.

Процесс измерения коэффициента нелинейных искажений  сводится к выполнению операций калибровки и измерения.

При установке переключателя В в положение Калибр исследуе­мый сигнал  с выхода усилителя подается непосредственно на квадратичный электронный вольтметр. Последний измеряет сред­неквадратичное значение исследуемого напряжения. При этом коэф­фициент усиления усилителя регулируется так, чтобы показания вольтметра были на предельном значении шкалы. Затем переключа­тель В переводится в положение «Изм.», заграждающий фильтр при этом настроен на частоту первой гармоники исследуемого сигнала. Вольтметр измеряет среднеквадратичное значение напряже­ния высших гармоник (кроме первой). Шкала вольтметра градуи­руется непосредственно в единицах коэффициента  (в процентах и децибелах).

Так, например, измеритель нелинейных искажений С6-5 предназ­начен для измерения коэффициента гармоник 0,03-100 % иссле­дуемых сигналов в диапазоне частот 20 Гц - 200 кГц. При больших искажениях, когда , нелинейные искажения можно обнаружить, наблюдая кривую исследуемого напряжения на экране осциллографа.

Рисунок 4.18 – Схема измерителя нелинейных искажений