Учебное пособие: Електронні аналогові осцилографи

Осцилографічні розгортки. У вимірювальній практиці широко застосовуються лінійна, синусоїдна і кругова розгортки.

Лінійна розгортка здійснюється за допомогою генератора пилкоподібної напруги. Її перевагою є те, що осцилограма досліджуваного процесу спостерігається в прямокутній системі координат.

Для одержання синусоїдної розгортки генератор розгортки від’єднується і на горизонтально відхильні пластини (через Вхід X) подають синусоїдну напругу від зовнішнього генератора f2 (Рис.6.50, а). Якщо до вертикально відхильних пластин також підвести синусоїдну напругу від генератора f1, то на екрані ЕПТ з‘явиться фігура Ліссажу (Рис.6.50, б): замкнена, якщо відношення частот напруг, які підведені до відхильних пластин, є цілим числом, або незамкнена, якщо відношення частот вхідних напруг є дробовим числом.

Кругова розгортка є окремим випадком синусоїдної розгортки і може бути одержана, якщо до вертикально та горизонтально відхильних пластин ЕПТ підвести дві однакові за амплітудою і частотою синусоїдні напруги, але зсунуті за фазою на . Зсув фаз на може бути одержаний за допомогою фазо-розщеплювального ланцюжка RC (Рис.6.50, в).

Рис.3. До пояснення розгорток: а, б - синусоїдної; в - кругової.

Синусоїдна та кругова розгортки застосовуються частіше за все при вимірюванні частоти методом порівняння та при дослідженні характеристик деяких пристроїв.

Канал керування яскравістю виробляє імпульси позитивної полярності. Тривалість цих імпульсів підсвічування дорівнює тривалості прямого ходу розгортки. Впродовж їх на екрані ЕПТ спостерігається яскраве зображення осцилограми. В інтервалі між імпульсами підсвічування потенціал модулятора знижується, внаслідок чого яскравість променя різко зменшується. Завдяки цьому зворотного ходу променя не видно. В усіх осцилографах передбачається також ручне регулювання яскравості променя.

Характеристики осцилографів. Головна вимога, яка пред‘являється до електронного осцилографа, зводиться до отримання на екрані ЕПТ не викривленого зображення форми досліджуваних сигналів у широкій частотній смузі пропускання.

Універсальні осцилографи мають різні за шириною смуги пропускання з верхньою межею до 5...300 МГц і дозволяють досліджувати сигнали з амплітудою від одиниць мілівольт до сотень вольт. Залежно від призначення і галузі застосування універсальні осцилографи поділяють на багатофункціональні зі змінними блоками (С1-70, С1-74, С1-91), широкосмугові (С1-75, С1-92, С1-97), низькочастотні (С1-76, С1-94), двопроменеві (С1-55, С1-69, С1-96, С1-102, С1-115/1), двоканальні (С1-92, С1-97, С1-116, С1-118), сервісні (С1-94).

Швидкісні, стробоскопічні та запам’ятовуючі осцилографи

Для спостереження і вимірювання коротких за часом сигналів використовують спеціальні типи осцилографів: швидкісні та стробоскопічні.

Швидкісні осцилографи за загальним принципом побудови аналогічні універсальним, але відрізняються тим, що в них застосовуються спеціальні ЕПТ біжучої хвилі. Вони забезпечують підсилення досліджуваних сигналів і відхилення променя уздовж вертикалі під дією підсилених сигналів. За допомогою швидкісної розгортки забезпечується переміщення променя уздовж горизонталі, тим самим створюється умова спостереження досліджуваного сигналу в реальному часі, як і в універсальних осцилографах.

Принцип дії стробоскопічних осцилографів грунтується на ефекті, який дозволяє послідовно накопичувати інформацію про характер досліджуваного безперервного сигналу. Інформацію про форму електричного сигналу одержують шляхом відображення його дискретних миттєвих значень на екрані ЕПТ у моменти часу, які вибирають у визначеному послідовному порядку. Так, протягом якогось окремого періоду існування сигналу фіксується одне його миттєве значення, в наступному вибраному періоді вибирається сусіднє значення сигналу і т.д. Внаслідок такої послідовної вибірки накопичується інформація про форму періодичного сигналу.

Ці операції виконуються так (Рис.6.51). Досліджувані періодичні імпульси , наприклад, трикутної форми, період яких (Рис.6.51, а), використовуються для модуляції по амплітуді дуже коротких строб-імпульсів (Рис.6.51, б). Період строб-імпульсів . Якщо перший строб-імпульс збігається з початком імпульсу (момент часу ), то другий строб-імпульс буде зсунутий відповідно до початку імпульсу на , третій строб-імпульс - на 2 і т.д. Внаслідок амплітудної модуляції строб-імпульсів виникає послідовність імпульсів u, амплітуда кожного з яких пропорційна миттєвому значенню напруги сигналу в точці cтробування (Рис.6.51, в).

Рис.4. Діаграми для пояснення стробоскопічного осцилографування.

Обвідна, проведена через вершини модульованих імпульсів, повторює форму досліджуваного сигналу, а її період в n разів більша ніж період досліджуваних (вхідних) імпульсів , тобто де . Таким чином, відбувається трансформація сигналу в часі. При цьому, чим менший часовий зсув , тим більше циклів необхідно для перетворення одного періоду досліджуваного сигналу і тим сильніше він розтягується в часі.

Як приклад наведемо відомості про стробоскопічний осцилограф С7-13, який разом з блоком 13ПС1 має смугу пропускання від постійного струму до 10 ГГц. Осцилограф дозволяє досліджувати сигнали тривалістю від 0,1 до 5 мкс, напругою від 20 мВ до 1 В, з основною відносною похибкою 5...10%.

Запам‘ятовуючі осцилографи мають здатність тривалий час відтворювати зображення сигналу після його зникнення на вході. Ці осцилографи застосовуються для дослідження поодиноких імпульсів і сигналів з частотою, меншою ніж 1 Гц. Основу запам‘ятовуючого осцилографа складає запам‘ятовуюча ЕПТ (ЗЕПТ).

Запам’ятовуючі осцилографи характеризуються швидкістю запису, часом відтворення і часом зберігання.

Під швидкістю запису розуміють максимальну швидкість переміщення променя вздовж екрана (швидкість запису осцилографів С8-13, С8-17 складає 5...40 км/с), при якій забезпечується запам‘ятовування зображення.

Часом відтворення називають інтервал часу, протягом якого забезпечується безперервне відтворення записаного процесу при максимальній швидкості без втрати якості зображення.

Час зберігання - інтервал часу, впродовж якого при вимкнутому приладі зберігається записане зображення до наступного вмикання приладу або відтворення.

Осцилограф С8-9А, наприклад, характеризується такими даними: швидкість запису не менш як 100 км/с, час відтворення - 1 хв, час зберігання - 16 год, смуга пропускання - 0...2 МГц.

Аналізатори спектра

Аналізатори спектра - це вимірювальні прилади, що призначені для експериментального дослідження спектра сигналів. Вони використовуються в діапазонах низьких, високих і надвисоких частот. За методом проведення аналізу спектра в часі їх розділяють на аналізатори спектра послідовної та паралельної дії. Найбільшого розповсюдження одержали аналізатори спектра послідовної дії.

Аналізатори спектра послідовної дії. Спрощена структурна схема такого аналізатора спектра, що ґрунтується на методі фільтрації, показана на Рис.6.52.

Генератор розгортки ГР виробляє напругу, яка в часі змінюється лінійно. Ця напруга підсилюється кінцевим підсилювачем КП Х і використовується для відхилення променя вздовж горизонтальної осі Х ЕПТ. Вона також впливає на керуючий елемент КЕ частотно-модульованого генератора (ЧМГ), завдяки чому частота цього генератора змінюється в часі лінійно від мінімального fmin до максимального fmax значень. Напруга ЧМГ подається на один із входів змішувача, а на другий вхід змішувача через атенюатор Ат і широкосмуговий підсилювач ШП - досліджуваний сигнал ux. Оскільки змішувач є нелінійним елементом, то його вихідна напруга має складну форму, багату на гармоніки комбінованих частот , де n = 0, 1, 2, 3...; m = 0,1, 2, 3... Ці гармоніки послідовно виділяються підсилювачем проміжної частоти ППЧ, як тільки вони потрапляють у його смугу пропускання. Після їх детектування детектором Д і підсилювання кінцевим підсилювачем КП Y на екрані ЕПТ виникають відклики-зображення амплітуд гармонік досліджуваного сигналу. Крім цих відкликів, на екрані трубки буде зображення так званого початкового відклику, який виникає в проміжок часу, коли миттєве значення частоти ЧМГ досягне значення частоти настроювання ППЧ. Частота початкового відклику приймається за умовний нуль відліку частот гармонік.

Рис.5. Структурна схема аналізатора спектра.