Электронный осциллограф (ЭО) – это прибор для наблюдения функциональной связи между двумя или более физическими величинами, преобразованными в электрические параметры и характеризующими какой-либо физический процесс. Структурная схема ЭО показана на рис. 8.1.

Сигналы параметров подают на взаимно перпендикулярные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и наблюдают, измеряют и фотографируют графическое изображение (осциллограмму) исследуемой зависимости на экране трубки .

Рис. 8.1. Структурная схема электронного осциллографа.

При исследовании временной зависимости процесса исследуемый сигнал А поступает на вход усилителя вертикального отклонения Y (рис. 8.1).

Горизонтальное перемещение луча создается генератором развертки, перемещающим луч по оси Х.

Для одновременного исследования двух или более процессов (сигналов) используются многолучевые осциллографы.

Осциллографы делятся на универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные.

Универсальные осциллографы устроены по схеме рис. 8.1.

Запоминающие имеют ЭЛТ с накоплением заряда. Они сохраняют изображение сигнала длительное время (даже при выключении осциллографа) и удобны для исследования однократных и редко повторяющихся процессов.

В стробоскопических осциллографах используется принцип последовательного стробирования (т.е. регистрации в течение очень короткого времени) мгновенных значений сигнала для его преобразования (сжатия или растяжения во времени). При каждом повторении сигнала отбирается мгновенное значение сигнала в одной точке, но точка отбора к приходу следующего сигнала перемещается по сигналу. Стробоскопические осциллографы наиболее широкополосны и позволяют исследовать периодические сигналы длительностью 10 ^–11 с.

Скоростные осциллографы позволяют исследовать не только периодические, но и однократные быстропротекающие процессы

Специальные осциллографы служат для исследования телевизионных или высоковольтных сигналов и т.п.

 УСТРОЙСТВО И РАЗНОВИДНОСТИИ ЭЛТ.

ЭЛТ называют электровакуумные электронные приборы, у которых баллон имеет форму трубки и в которых используются сфокусированные в виде лучей потоки электронов.

Различают одно-, двух- и многолучевые ЭЛТ. В качестве основного признака классификации для ЭЛТ выбирают их назначение: приемные или передающие ЭЛТ (на телевидении), запоминающие или радиолокационные ЭЛТ, электронно-оптические преобразователи.

В приемных ЭЛТ последовательности электрических сигналов преобразуются в видимое изображение. К таким трубкам относятся индикаторные трубки РЛС, осциллографические трубки, кинескопы, мониторы дисплеев. В передающих трубках, наоборот, оптическое изображение преобразуется в последовательность электрических сигналов. В запоминающих трубках возможны и те, и другие преобразования.

В конструкциях большинства видов ЭЛТ присутствуют следующие основные элементы: электронный прожектор, отклоняющая система, экран для визуального отображения информации.

Для формирования и управления электронными потоками используются как электрические, так и магнитные поля. Электронный прожектор во всех ЭЛТ используется в принципе однотипный. Он состоит из катода (обычно оксидного) и нескольких электродов, формирующих электронный луч: модулятора, ускоряющего электрода, первого и второго анодов (рис. 8.2).

Модулятор находится под небольшим относительно катода регулируемым отрицательным напряжением 5-10 В, и, подобно управляющей сетке электронных ламп, управляет током электронного луча, т.е. в конечном счете – яркостью свечения экрана.

Аксиально-симметричные электрические поля в промежутках между электродами прожектора образуют электрические линзы ,отклоняющие электроны к оси трубки, т.е. фокусирующие электронный луч. Ускоряющий электрод, отделяющий модулятор от анодов, предотвращает влияние изменения напряжения на модуляторе на качество фокусировки луча.

Рис. 8.2. Схема электронного прожектора ЭЛТ.

Цвет свечения экрана определяется химическим составом люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность колбы. Применяют силикат цинка Zn₂SiO₄ (;желто-зеленый цвет свечения), сульфид цинка ZnS с примесью меди (зеленое свечение) или серебра (си

синее свечение). Экраны с длительным послесвечением, необходимые для РЛС, выполняют двухслойными (первый слой возбуждает свечение во втором). Экраны имеют круглую или прямоугольную форму; на них наносят масштабную сетку для отсчета измеряемых величин.

Яркость свечения люминофора зависит от его свойств и от мощности, подводимой к экрану. Увеличение яркости за счет плотности тока ограничено нарушением фокусировки луча и опасностью выгорания люминофора. Основной способ повышения яркости – увеличение ускоряющего напряжения. Однако при увеличении кинетической энергии электронов падает чувствительность трубки к отклоняющему напряжению:

s = h / U_откл , т.е. величина отклонения пятна на экране трубки h , приходящейся на 1 В отклоняющего напряжения.

В современных ЭЛТ электронам придается большая энергия лишь после того, как они прошли отклоняющую систему (ЭЛТ с «послеускорением»). Для этого внутреннюю поверхность колбы от экрана до горловины покрывают коллоидным раствором графита –аквадагом , создающим проводящий слой, на который подается положительное напряжение, большее напряжения второго анода. Иногда высокоомный слой наносят на внутреннюю поверхность колбы в виде спирали с малым шагом, чтобы ускоряющее напряжение повышалось постепенно от второго анода до экрана.

Для исследования двух или более одновременно протекающих процессов применяют (2-5)^ти -лучевые ЭЛТ, имеющие соответствующее число прожекторов, лучи которых фокусируются и отклоняются независимо.

Запоминающие ЭЛТ отличаются тем, что осциллограмма исследуемого процесса записывается электронным лучом не только в виде светящегося изображения на экране, но и одновременно в виде потенциального рельефа на поверхности помещенного перед экраном диэлектрика, способного длительное время сохранять этот рельеф. Это позволяет в дальнейшем многократно воспроизводить осциллограмму или увеличивать время ее свечения.

В трубках для РЛС сигнал на экране получают в полярных координатах, поэтому ЭЛТ для радиолокаторов имеют радиально-азимутальную развертку луча и работают в режиме яркостной отметки сигнала, подаваемого на модулятор прожектора. Электромагнитная отклоняющая система состоит из пары катушек, вращающихся вокруг горловины трубки синхронно с вращением антенны РЛС. Через катушки протекает ток линейно- пилообразной формы, отклоняющий луч по радиусу к периферии экрана. ЭЛТ должна обладать высокой разрешающей способностью, большой яркостью свечения, высоким контрастом изображения, линейностью отклонения луча и длительным послесвечением, чтобы за время полного оборота антенны на экране сохранялась полная картина отмеченных целей и местных предметов.

В ЭЛТ с электростатическим управлением отклоняющая система состоит из двух пар взаимно перпендикулярных пластин Х и У. Для получения осциллограммы – графика зависимости исследуемой величины от времени, исследуемое напряжение прикладывается к паре вертикально отклоняющих пластин «У», а между горизонтально отклоняющими пластинами «Х» подается пилообразное напряжение развертки. Если период развертки выбран кратным периоду исследуемого напряжения, то на экране наблюдается устойчивое и четкое изображение (график) исследуемого процесса.

Электромагнитные фокусирующие и отклоняющие системы позволяют получить более мощный луч, обеспечивающий высокую яркость экрана, и более высокое качество фокусировки по всей поверхности экрана по сравнению с чисто электростатическими системами.

Фокусирующая катушка, надетая на горловину трубки, создает резко неоднородное магнитное поле. Оно имеет осевую и радиальную составляющие вектора индукции. Если электроны влетают в магнитное поле под углом к вектору индукции, то за счет взаимодействия их с радиальной составляющей B_r возникает сила Лоренца, закручивающая электроны вокруг оси трубки и сообщающая им угловую составляющую скорости. Эта составляющая, взаимодействуя с осевой составляющей B_z вектора индукции, вызывает появление силы, направленной в сторону оси трубки. Величина этой силы тем больше, чем дальше удален электрон от оси трубки, поэтому при выходе из катушки электроны идут сходящимся пучком с фокусом на экране.

 ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.

С помощью осциллографа можно наблюдать и регистрировать форму импульсов и измерять все основные параметры периодических процессов: амплитуду напряжений, частоту и фазу. Принцип регистрации и измерения напряжений U (t) ясен из рис. 8.1, а методы измерения частоты и фазы электрических колебаний будут рассмотрены ниже.

Каналы вертикального отклонения луча (лучей) имеют широкополосные усилители. В многолучевых осциллографах число усилителей равно числу лучей.

Для измерения амплитуд и длительностей сигналов на прозрачную пластину, прилегающую к экрану, наносят координатные оси с делениями, проградуированными в единицах напряжения (по оси «Y») или времени (по оси «Х») с помощью специальных калибровочных импульсов, вырабатываемых внутренним генератором.

При наблюдении периодических процессов (особенно – быстропротекающих) важно получить на экране осциллографа неподвижное изображение сигнала в функции времени. Для этого нужно, чтобы период развертки был равен или кратен периоду изучаемого сигнала. Однако. на практике, как правило, это условие соблюсти трудно. Поэтому используют принудительное согласование периодов сигналов по осям Х и Y, т.е. их синхронизацию. Целью синхронизации является обеспечение равенства частот исследуемого сигнала и развертки или их отличия в целое число раз.

Синхронизация заключается в том, что генератор пилообразного напряжения подает на отклоняющие пластины «Х» напряжение в строго определенные моменты времени. Эти моменты задаются либо специальными синхроимпульсами, вырабатываемыми внешним источником (внешняя синхронизация), либо определяются по моменту достижения исследуемым сигналом определенного уровня (внутренняя синхронизация).

Для измерения частоты и фазы гармонических колебаний с помощью электронного осциллографа часто используют так называемыефигуры Лисажу (ФЛ). Это – замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях (впервые изучены французским ученым Ж.Лисажу). Они легко наблюдаются на экране осциллографа, если соответствующие гармонические сигналы подать одновременно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины.

Вид фигур зависит от соотношения между периодами (частотами), фазами и амплитудами обоих колебаний. В простейшем случае равенства обоих периодов ФЛ представляют собой эллипсы, которые при разности фаз j = 0

или j = p вырождаются в отрезки прямых, а при j = p / 2 и равенстве амплитуд превращаются в окружности (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Вид фигур Лисажу при различных соотношениях периодов колебаний (1 : 1, 1 : 2 и т.д.) и разностях фаз.

Если периоды обоих колебаний не совпадают точно, то их разность фаз все время меняется, вследствие чего эллипс непрерывно деформируется. При существенно разных периодах замкнутые кривые не наблюдаются, однако если периоды относятся как целые числа, получаются ФЛ более сложной формы, некоторые из которых показаны на рис. 8.3.

Цифровые осциллографы

Наряду с аналоговыми осциллографами широко используются и цифровые. Если бы не ограничения вследствие конечного времени оцифровки сигнала и сравнительно высокая стоимость, они могли бы почти полностью вытеснить своих аналоговых собратьев. Полная оцифровка сигнала позволяет избежать отображения сигнала в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов и запись редких или медленных процессов (аналог запоминающего осциллографа), упростить масштабирование и растяжку, ввести метки.

Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает возможность для отображения любой дополнительной информации и управления прибором с помощью меню.

Более дорогие приборы имеют цветной дисплей, благодаря чему они позволяют легко различать сигналы различных каналов, метки времени и амплитуды, курсоры. Последние модели могут накапливать отображаемый в течение большого числа разверток сигнал, а также выделять цветом места с наибольшей повторяемостью сигнала.

Еще одно немаловажное преимущество — отличные массогабаритные показатели (3–5 кг) и малое энергопотребление позволяют выпускать такие приборы в носимом исполнении.

Цифровые осциллографы имеют и недостатки. Основной из них — не очень качественное отображение деталей сигнала из-за недостаточной частоты оцифровки (частоты выборки). Это объясняется тем, что сегодняшний уровень элементной базы не позволяет выполнить оцифровку сигнала со скоростями, необходимыми для исследования высокочастотных сигналов и быстрых переходных процессов. Согласно известной всем инженерам теореме Котельникова, для достоверного восстановления сигнала частота оцифровки должна быть как минимум вдвое выше максимальной из возможных в рабочей полосе частот осциллографа. Полоса частот осциллографа связана с частотой выборки, и чем выше коэффициент широкополосности осциллографа, тем выше должна быть эта частота. Причем значение имеет не просто частота выборки, а частота выборки в пересчете на один канал.

Для повышения скорости оцифровки используют специальные приемы. Один из них заключается в распараллеливании процесса оцифровки с помощью нескольких АЦП. Обычно это делается за счет использования АЦП других каналов, и, таким образом, при исследовании высокочастотных сигналов осциллограф превращается из многоканального в одноканальный. Другой метод состоит в повышении скорости за счет снижения разрешающей способности.

Тем не менее, даже при указанных ограничениях характеристики современных цифровых осциллографов впечатляют:

· высокая чувствительность (от 1 мВ/дел) и разрешение (от 8 до 14 бит);

· широкий диапазон коэффициентов разверток (от 2 нс до 50 с);

· растяжка сигнала по времени или по амплитуде в широких пределах;

· развитая логика синхронизации с любыми задержками запуска развертки.

Используемые в осциллографах процессоры цифровой обработки сигнала предоставляют возможность исследования спектра сигнала посредством анализа с применением быстрого преобразования Фурье. Цифровое представление информации обеспечивает сохранение экрана с результатами измерения в памяти компьютера или вывод непосредственно на принтер. Некоторые осциллографы даже имеют накопитель для гибких дисков для сохранения изображения в виде файлов для последующего архивирования или дальнейшей обработки. Некоторые модели осциллографов и вовсе не имеют экрана — для отображения применяется дисплей компьютера.