Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое универсальные осциллографы, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое универсальные осциллографы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ.
Рассмотрим упрощенную структурную схему универсального осциллографа, приведенную на рис. 4.1. В схеме этого осциллографа кроме ЭЛТ можно выделить следующие функциональные блоки: каналы вертикального и горизонтального отклонений, устройство синхронизации и запуска развертки, канал модуляции луча, вспомогательные устройства, источник питания. В осциллографе исследуемый электрический сигнал подают через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую системy ЭЛТ, а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляют напряжением горизонтальной развертки.
Электронно-лучевая трубка представляет собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой размещены электронная пушка, отклоняющие пластины и люминесцентный экран. Электронная пушка состоит из подогреваемого катода К, модулятора (сетки) яркости светового пятна М, электродов фокусировки и ускорения электронного луча - фокусирующего анода А1 ускоряющего анода А2 и основного анода А3., Яркость свечения люминофора ЭЛТ регулируют путем изменения отрицательного напряжения на модуляторе
М. Напряжение на первом аноде A1 фокусирует электронный поток в узкий луч.
Рисунок 4.1 Упрощенная структурная схема универсального осциллографа
Чтобы придать электронам скорость, необходимую для свечения люминофора, на второй анод А2 подают достаточно большое (до 2000 В) положительное напряжение. Для дополнительного ускорения электронов используют анод A3, к которому приложено высокое положительное напряжение (до 10...15 кВ).
Упрощенно работу отклоняющих систем ЭЛТ можно пояснить следующим образом. Электронный пучок (луч), проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих Υ и горизонтально отклоняющих X. Если к отклоняющим пластинам приложить напряжение, то между ними будет существовать электрическое поле, которое будет вызывать отклонение электронного луча в ту или иную сторону. Когда напряжение приложено к вертикально отклоняющим пластинам, то пятно будет перемещаться по оси Y; если же напряжение приложено к горизонтально отклоняющим пластинам, то световое пятно на экране трубки будет отклоняться вдоль оси X. Если теперь сфокусировать электронный луч так, чтобы световое пятно расположилось в центре экрана ЭЛТ, а затем к пластинам Y приложить исследуемый сигнал, а к пластинам X - пилообразное напряжение, то под совместным воздействием двух напряжений луч вычертит на экране трубки осциллограмму, отражающую зависимость входного напряжения от времени.
Канал вертикального отклонения луча (см. рис. 4.1) служит для передачи на пластины Г ЭЛТ исследуемого сигнала uс(t), подводимого к входу Y. Канал вертикального отклонения луча содержит аттенюатор, линию задержки и усилитель Y. Аттенюатор позволяет ослабить сигнал uc(t) в определенное число раз, а регулируемая линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала на пластинах Y ЭЛТ относительно начала развертывающего напряжения Uх, что важно для ждущего режима. Усилитель Y обеспечивает амплитуду сигнала на пластинах У, достаточную для значительного отклонения луча на экране даже Калым исследуемым сигналом uc(t). Этот усилитель содержит Входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления и парафазный (с противофазными выходными сигналами одинаковой амплитуды) усилитель, обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. В Канал вертикального отклонения луча может также входить калибратор амплитуды. Сигнал от калибратора поступает на вход первого усилителя для установки заданного коэффициента усиления.
Во входную цепь канала вертикального отклонения включают также коммутируемый разделительный конденсатор, позволяющий при необходимости исключить подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала (так называемый «закрытый» вход).
Канал горизонтального отклонения луча служит для создания горизонтально отклоняющего - развертывающего - напряжения Uх с помощью напряжения генератора развертки или для передачи (через аттенюатор и усилитель) на пластины X исследуемого сигнала, подводимого к входу X.
Схема синхронизации (и запуска развертки) управляет генератором развертки и обеспечивает кратность периодов исследуемого сигнала и развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом амплитуды и т.д.). Это достигают синхронизацией напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала: Траэв = nТс, где n = 1,2, 3,4,... .
Развертка - линия, которую прочерчивает луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала в результате действия только одного развертывающего напряжения. Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме работы генератора и запуском - в ждущем. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Синхронизацию и запуск развертки производят специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации.
В осциллографе установлены два режима синхронизации: внутренняя (Внут.) и внешняя. При внутренней синхронизации (переключатели П1 и П2 - в положении 1) синхроимпульсы вырабатывают из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней синхронизации (переключатели П1 и П2 - в положении 2) сигнал синхронизации подают от внешнего источника на специальный вход X осциллографа. Например, в стандартных генераторах импульсов формируют синхроимпульсы, относительно которых выходной сигнал может быть сдвинут с помощью регулируемой задержки. Схема синхронизации вырабатывает сигнал синхронизации, поступающий на генератор развертки для получения четкой, неподвижной осциллограммы. Усилитель X канала горизонтального отклонения усиливает пилообразный сигнал Up генератора развертки и преобразует его в напряжение развертки Ux.
Канал горизонтального отклонения характеризуют чувствительностью и полосой пропускания, показатели, которых практически раза в два меньше, чем в канале вертикального отклонения. Основным блоком в канале горизонтального отклонения является генератор развертки, работающий в непрерывном или ждущем режиме. К форме пилообразного напряжения генератора предъявляют ряд специфических требований:
Канал управления яркостью (модуляции луча по яркости) предназначен для подсветки прямого хода луча. Подсветку осуществляют передачей с входа Z на управляющий электрод (модулятор М) ЭЛТ сигнала, модулирующего поток луча и, следовательно, яркость свечения люминофора. В схему этого канала входят: аттенюатор, схема изменения полярности и усилитель Z. Для формирования требуемого уровня напряжения модулятора служит усилитель Z. Усилитель может иметь дополнительный вход, что дает возможность модуляции изображения по яркости внешним сигналом. Канал Z используют и для создания яркостных меток для измерения частоты и фазы.
Калибратор - генератор напряжений, формирующий периодический импульсный сигнал с известными амплитудой, длительностью и частотой для калибровки осциллографа, т.е. для обеспечения правильных измерений параметров исследуемого сигнала.
Наличие в составе прибора микропроцессорных систем позволяет полностью автоматизировать работу устройства. На отображающем устройстве прибора можно наблюдать не только осциллограммы сигналов, но и численные значения его параметров. Современные ЦО позволяют решать практически все функциональные задачи, возникающие при исследовании сигналов.
Рис. 8.9 Обобщенная структурная схема цифрового осциллографа с программным управлением.
универсальные осциллографы получили наибольшее распространение, поскольку позволяют исследовать разнообразные электрические сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне от долей милливольт до сотен вольт, а также измерять параметры сигналов с приемлемой для практики погрешностью 5...7%. Полоса пропускания универсальных осциллографов составляет 300...400 МГц и более. Изображение сигнала на экране универсального осциллографа индицируется практически одновременно с появлением сигнала на входе, поэтому такие приборы называют осциллографами реального времени. Часто универсальные осциллографы выполняют со сменными блоками, расширяющими их функциональные возможности.
Одним из основных блоков осциллографа является ЭЛТ, выходными элементами которой являются две пары пластин, отклоняющие луч горизонтально и вертикально. Если развертывающее напряжение приложено к одной паре отклоняющих пластин (обычно к пластинам X), то развертку называют по форме развертывающего напряжения (например, линейной или синусоидальной). Если развертывающие напряжения приложены к отклоняющим пластинам X и Y трубки одновременно, то название развертке дают по ее форме (например, круговая или эллиптическая).
Наиболее широко используют линейную развертку, создаваемую пилообразным напряжением Up, генератора развертки. При линейной развертке луч, двигаясь равномерно по экрану, прочерчивает прямую горизонтальную линию, как бы нанося на экран ось абсцисс декартовой системы координат - ось времени. В зависимости от режима работы генератора развертки такую развертку делят на автоколебательную, ждущую и однократную.
Автоколебательная развертка - развертка, при которой генератор развертки периодически запускают (автоматически) и при отсутствии сигнала запуска на его входе.
Ждущая развертка - развертка, при которой генератор развертки запускают только с помощью сигнала запуска.
Однократная развертка - развертка, с помощью которой генератор развертки запускают один раз с последующей блокировкой. Такую развертку применяют для наблюдения одиночных и непериодических процессов и при фотографировании с экрана осциллографа неповторяющихся сигналов.
При подаче на горизонтально отклоняющие пластины напряжения uх = uр пилообразной формы (рис. 4.2), электронный сфокусированный луч под воздействием этого напряжения перемещается слева направо на интервале Тпр (точки 0-1-2 - длительность прямого хода луча) и справа налево на интервале То6р (точки 2-3 - длительность обратного хода луча). Причем скорость движения луча в обратном направлении много больше (обычно луч при этом гасится), чем в прямом. С помощью напряжения развертки, подаваемого на горизонтальные пластины ЭЛТ (пластины X) осциллографа, на его экране можно наблюдать исследуемый сигнал, поступающий на пластины Y и изменяющийся во времени (развернутый во времени).
Рисунок 4.2 Диаграмма, поясняющая создание временного масштаба по горизонтальной оси экрана ЭЛТ:
→ - прямой ход луча; → - обратный ход луча
Tразв = Тпр +Тобр;Тпр = 2t1 , (4.1)
Автоколебательную (непрерывную) развертку применяют исследования периодических сигналов, а также импульсных с небольшой скважностью q = Tс / τ, Ее включают при внутренней синхронизации. На рис. 4.2 представлены исследуемые импульсы u длительностью τ каждый, развертывающее синхронное напржениe ux и наблюдаемая осциллограмма (в рамке). Периоды поения импульсов и развертывающего напряжения равны между собой: Тс = Тр.
Рисунок 4.2 Автоколебательная развертка
С помощью автоколебательной развертки почти невозможно наблюдать непериодические сигналы, и она фактически бесполезна при наблюдении периодических коротких импульсных сигналов с большой скважностью q (это связано с тем, что передний и задний фронты импульса почти сливаются). В этих случаях используют ждущую развертку.
Характерный пример ждущей развертки показан на рис. 4.3. Генератор развертки запускают только при поступлении импульсов uс. Если
Рисунок 4.3 Пример применения ждущей развертки
длительность развертки t2 – t1 сопоставима с длительностью исследуемого импульса, то его изображение на экране достаточно детально. В осциллографе в силу инерционности генератора начало ждущей развертки может быть несколько задержано относительно фронта импульса uс. Поэтому, если фронт импульса очень короткий, то он может не отобразиться на осциллограмме. Для наблюдения короткого фронта сигнал uсзадерживают на τ3 во времени в канале Y с помощью линии задержки (штриховые импульсы uс на рис. 4.3). Наблюдаемая осциллограмма дана вместе с не задержанным импульсом на рис. 4.3 штриховой линией (в рамке).
Синусоидальная развертка. В ряде измерительных задач, например при измерении частоты, или разности фаз, вместо пилообразного напряжения развертки (линейной развертки) используют синусоидальную развертку. Для получения синусоидальной развертки на пластины X подают напряжение, изменяющееся по гармоническому закону uх(t) = Umx sin ωt. При этом генератор линейной развертки осциллографа отключают. Положительный полупериод напряжения синусоидальной развертки вызывает перемещение луча от центра экрана до его правой границы и обратно; отрицательный полупериод - от центра экрана до его левой границы и обратно к центру. Скорость перемещения луча изменяется по синусоидальному закону, хотя линия развертки представляет собой горизонтальную линию.
Круговая развертка. Для получения на экране ЭЛТ круговой развертки на пластины Y подают синусоидальный сигнал uy = Usinωt = Usin(2πt/T), а на пластины X - аналогичный по форме и амплитуде сигнал, но задержанный на четверть периода (по фазе на φ = 90°), т.е. их - Usin [ω(t – T/4)] = - cosωt. Осциллограмма круговой развертки показана на рис. 4.4. Под действием напряжений разверток uy и uх луч прочерчивает на экране ЭЛТ окружность за период Т. Положение луча на экране в момент времени t = 0 отмечено точкой 0, в момент t1 - точкой 1 и т.д.
Эллиптическая развертка. Если при использовании круговой развертки амплитуды сигналов uу и uх не равны, то круг искажается и на экране наблюдают эллипс, т.е. возникает эллиптическая развертка.
Например, при uу < uх большая ось эллипса расположена по горизонтали, а малая по вертикали. При фазовых сдвигах, не равных 90°, получается эллипс с наклонными осями, вырождающимися в прямую при нулевом фазовом сдвиге.
Рисунок 4.4 Получение круговой развертки в осциллографе
Информация, изложенная в данной статье про универсальные осциллографы , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое универсальные осциллографы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Термины: МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ