Основные узлы электронных осциллографов

Если в KД подставить значения Z1, Z2 и принять R1 C1 =R2 C2 , то

KД = C1 /(C1 + C2) = R2/(R1 + R2 ).                      (4.2)

Рисунок 4.5 – Схема делителя напряжения

Аттенюатор работает как омический в области низких частот и как емкостный в области высоких частот. Теоретически ,а следовательно, и  не зависят от частоты, поэтому аттенюатор называют частотно-скомпенсированным , во всей рабочей полосе частот осциллографа. Погрешность коэффициента деления не превышает ±3 %. Входное сопротивление (за исключением низкоомного входа) Rвх = R1 + R2  , где R1>>R2 ; входная емкость Cвх = С1 С2 / (C1 + C2 ) , где C2 >> C1 . В современных осциллографах обеспечивается коэффициент деления KД , равный 1:1; 1:2; 1:5; 1:10; 1:20; 1:50; 1:100; 1:200; 1:500; 1:1000 – l:2000.

Шкалы аттенюаторов градуируются в значениях коэффициента отклонения СY по вертикали (0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20 В/дел), что позволяет существенно упростить процесс определения значения искомого напряжения. На рис. 4.6 показана лицевая панель осциллографа С1 -73

.

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 выхода истокового повторителя 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.

Рисунок 4.6 – Лицевая панель осциллографа С1-73

Линия задержкипредставляет собой однопроводный коаксиальный кабель или искусственные длинные линии. Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением порядка 800-1000 Ом обеспечивает задержку исследуемого сигнала примерно на 200 нс.

Выходным каскадом 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 осциллографах имеется возможность подачи исследуемого сигнала непосредственно на пластины.

Канал горизонтального отклонения предназначен для формирования синхронного с исследуемым сигналом линейно-изменяющегося напряжения с амплитудой, достаточной для отклонения луча ЭЛТ на весь экран по горизонтали. Канал горизонтального отклонения состоит из схемы синхронизации, генератора развертки, выходного усилителя ГО, усилителя подсвета.

Генератор развертки предназначен для формирования линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения, синхронного с исследуемым сигналом. Развертывающее напряжение, вырабатываемое генератором развертки, обеспечивает горизонтальное перемещение луча с постоянной скоростью.

Развертка – линейное перемещение электронного луча, или создаваемый им след на экране. Развертывающее напряжение должно иметь высокую линейность при прямом ходе луча, быстрый спад при обратном ходе луча, т. е. , достаточную амплитуду для отклонения луча на весь экран и регулируемую в широких пределах частоту развертки (от сотых долей герца до нескольких мегагерц) или длительность.

Рисунок 4.7 – Схема генератора развертки

При изменениях длительности развертки изменяются скорость движения луча по горизонтали, а, следовательно, и масштаб времени. Принцип работы генератора развертки (рис. 4.7) заключается в заряде и разряде конденсатора через сопротивление резистора или электронной лампы. Переключение конденсатора с заряда на разряд выполняется автоматически. Развертка получается периодической (непрерывной) при работе электронной коммутирующей схемы  в автоколебательном режиме и ждущей - при работе в ждущем режиме. Если постоянная времени цепи заряда много больше постоянной времени цепи разряда , то напряжение , создаваемое в процессе заряда конденсатора, используют для прямого хода луча (рис. 4.8, а). Если же , то прямой ход луча создается напряжением разряда, а обратный ход - напряжением заряда (рис. 4.8, б).

Рисунок 4.8 – Временные диаграммы развертывающего напряжения u_P(t)

Параметры элементов коммутирующей схемы, емкости конденсаторов и сопротивление резисторов цепи (см. рис. 4.7) определяют продолжительность замкнутого или разомкнутого состояния коммутатора , а следовательно, длительность или частоту развертывающего напряжения. Для изменения диапазона длительности или частоты развертки обычно предусматриваются набор конденсаторов и переменный резистор - для плавной регулировки внутри диапазона.

Генераторы развертки могут быть релаксационного и интегрирующего типов, выполняться на ионных приборах, электронных лампах, транзисторах и интегральных схемах. Генераторы развертки выполненные на транзисторных и интегральных схемах, используются в полупроводниковых осциллографах. Их достоинства - малые потребление энергии, габариты и масса. Генераторы развертки, выполненные на электронных лампах, используют в широкополосных, универсальных и скоростных осциллографах.

Генераторы развертки должны иметь высокую линейность пилообразного напряжения. Коэффициент нелинейности, выражающий относительное изменение скорости нарастания напряжения в начале и конце прямого хода, должен быть не более 1-3 %. Требование высокой линейности пилообразного напряжения вызвано тем, что в осциллографах применяется калиброванная развертка, при которой определенному горизонтальному отклонению луча  соответствует строго определенная длительность развертки . Пределы изменения пилообразного напряжения  могут точно фиксироваться (рис. 4.9). Фиксированному  соответствует определенное время развертки , что позволяет калибровать временной масштаб.

С длительностью развертки  связано понятие скорости развертки (дел/время) - пути прямого хода луча в единицу времени, т. е. . На рис. 4.9 можно наблюдать шкалу калиброванной развертки от до .

Рисунок 4.9 – Напряжение линейной калиброванной развертки

Линейная непрерывная развертка используется при исследовании сигналов синусоидальных, импульсных малой скважности. Линейная ждущая развертка используется при исследовании сигналов импульсных большой скважности с крутыми фронтами, несинусоидальных, а также при тщательном исследовании отдельных участков сигнала.

При исследовании импульсов большой скважности импульс занимает малую долю развертки, поэтому плохо просматривается на экране осциллографа. Если период развертки выбрать равным периоду повторения импульсов , то изображение импульса на экране получится очень сжатым. Если же период развертки выбрать в несколько раз короче, чем период повторения исследуемого импульса , то импульс наблюдается на экране, но он будет бледным по сравнению с линией развертки, которая прочерчивается несколько раз за одно его появление. Импульс хорошо наблюдается на экране, если развертка ждущая.

Чтобы иметь возможность полностью наблюдать на экране импульс и его фронт, необходимо поступление импульса на пластины несколько задержать по отношению к началу нарастания развертывающего напряжения, что выполняет линия задержки (см. рис. 4.1).

Схема синхронизации предназначена для принудительного генерирования напряжения генератором развертки с частотой, равной или кратной частоте исследуемого сигнала, т. е. . В схеме синхронизации сигнал любой формы и полярности преобразуется в прямоугольные или остроконечные импульсы положительной полярности с амплитудой, достаточной для запуска генератора развертки. Запускающие импульсы, формируются от исследуемого сигнала (внутренняя синхронизация) или от внешнего источника (внешняя синхронизация).

Синхронизация тем лучше, чем частота генератора развертки ближе к частоте напряжения синхронизации. Устойчивость синхронизации зависит от значения синхронизирующего напряжения.

Исследуемый сигнал и напряжение генератора развертки создаются разными источниками, их параметры поэтому независимы, но изменение частоты одного из этих сигналов приводит к нарушению условий неподвижности  изображения исследуемого сигнала на экране. Частота напряжения генератора развертки обычно синхронизирована с частотой напряжения исследуемого сигнала с помощью схемы синхронизации и запуска генератора развертки. Уровень синхронизирующего сигнала, при котором срабатывает синхронизация, плавно регулируется и находится в пределах от десятых долей вольта до десятков вольт.

Схемы синхронизации и запуска преобразовывают сигнал любой формы и полярности, поступающий либо от усилителя ВО, либо от внешнего источника, в остроконечные импульсы положительной полярности, имеющие амплитуду, достаточную для запуска генератора развертки, и синхронизированные по частоте повторения с исследуемым сигналом. При запуске генератора развертки синхронизирующим импульсом обеспечивается ждущий режим без синхронизирующего импульса – автоколебательный.

Рисунок 4.10 – Временные диаграммы напряжений при исследовании синусоидального сигнала

Рисунок 4.11 – Временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольного сигнала

На рисунке 4.10 показаны временные диаграммы напряжений при исследовании синусоидального сигнала и работе генератора развертки в автоколебательном режиме: а - изображение устойчивое (выполнено условие синхронизации); б – изображение неустойчивое (синхронизация нарушена).

На рисунке 4.11, а представлены временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных импульсов с внутренней синхронизацией, режим работы генератора развертки ждущим.

Внешний сигнал для синхронизации чаще всего используется в случае, когда нужно запустить генератор развертки опережающим сигналом по отношению к исследуемому.

На рисунке 4.11, б показаны временные диаграммы напряжений, поясняющие режим внешней синхронизации, при исследовании сигнала. Внешние сигналы положительной полярности, преобразованные в остроконечные импульсы, запускают генератор развертки с частотой, синхронизированной с частотой исследуемого сигнала. Время задержки  исследуемого сигнала относительно запуска генератора развертки может регулироваться в необходимых пределах.

Рисунок 4.12 – Изображение исследуемого сигнала при M_Р=1; M_Р=0,2

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 ВО, а коэффициент отклонения  примерно в 100 раз больше минимального коэффициента отклонения .

В ряде осциллографов предусматривают схему с изменяющимся скачкообразно (например, в пять раз) коэффициентом усиления усилителя ГО, что позволяет соответственно увеличить напряжения развертки в раз и растянуть изображение, тем самым изменить временной масштаб ( - множитель развертки). Новое значение калиброванной длительности развертки . На рис. 4.12 показано построение изображения исследуемого сигнала на экране осциллографа при двух значениях . Усилитель ГО имеет возможность усиливать сигнал непосредственно от внешнего источника (при выключенном генераторе развертки).