Рассмотрение особенностей технической реализации основных узлов ЭО позволит правильно уяснить принцип работы ЭО и выбор его для целей исследования.
Канал вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа. Канал ВО предназначен для усиления (ослабления) исследуемых электрических сигналов до необходимого значения. Он обеспечивает удобное наблюдение и исследование изображения на экране ЭЛТ без искажений. В канал ВО входят входное устройство (входная цепь и аттенюатор), усилитель с линией задержки.
Рис. 9.5, Открытый (а) и закрытый (б) входы
Входное устройство позволяет расширить пределы измеряемых входных напряжений и обеспечить необходимое входное сопротивление. Большинство осциллографов допускают две схемы Y-входа - открытую и закрытую. При открытом входе осциллографа (рис. 9.5, а) сигнал подается непосредственно на аттенюатор и передается с постоянной составляющей; при закрытом входе (рис. 9.5, б) сигнал подается через разделительный конденсатор и не пропускает постоянной составляющей. Входное сопротивление канала составляет 0,5—2 МОм, а входная емкость— 10—50 пФ. Некоторые осциллографы имеют низкоомный вход сопротивлением 50 или 75 Ом. В этом случае высокочастотные или широкополосные сигналы через коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом подаются на этот вход. Исключая низкоомный вход, параллельно входной цепи осциллографа может включаться аттенюатор с дискретным коэффициентом деления.
Аттенюатор (делитель напряжения) предназначен для регулировки коэффициента отклонения Ко по вертикали путем ослабления сигнала и обеспечивает постоянное значение коэффициента отклонения во всем диапазоне полосы пропускания усилителя ВО, почти неизменное большое входное сопротивление и малую входную емкость при переходе от одного коэффициента деления к другому. Аттенюатор (рис. 9.6) состоит из резисторов сопротивлениями R1, R2 и конденсаторов Cl, C2. Коэффициент деления
Kд = Z2./(Z1 + Z2), (9.5)
где Z1= R1/(1+jωR1C1); Z2= R2/(1+jωR2C2) — соответственно полные сопротивления R1C1 и R2C2-цепи.
Рис. 9.6. Схема делителя напряжения:
Uвх.атт, Uвых.атт - входное и выходное напряжения аттенюатора
Если в Kд подставить значения Z1, Z2 и принять R1C1=R2C2, то
Кд = С1/( С1 + С2) = R2(R1 + R2). (9.6)
Аттенюатор работает как омический в области низких частот в как емкостный в области высоких частот. Теоретически коэффициенты Кд и Ко не зависят от частоты, поэтому аттенюатор называют частотно-компенсированным во всей рабочей полосе частот осциллографа. (Погрешность коэффициента деления не превышает ±3 %.) Входное сопротивление (за исключением низкоомного входа)
Rвх = R1 + R2, (9.7)
Где R1>>R2.
Входная емкость
Cвх=C1C2/(C1+C2) (9.8)
где С2>>С1.
Процесс определения значения искомого напряжения существенно упрощается, если аттенюатор отградуировать не в значениях коэффициента деления Kд, а в соответствующих значениях коэффициента отклонения Ко:
Кд............. 1/1 1/2 1/5 1/10 1/20 1/50
Ко, В/дел.... 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5
Кд ............. 1/100 1/200 1/500 1/1000 1/2000
Ко, В/дел..... 1,0 2,0 5,0 10 20
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 его выхода 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.
Линия задержки представляет собой однопроводный коаксиальный кабель или искусственные длинные линии Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением порядка 800—1000 Ом задерживает исследуемый сигнал примерно на 100—200 не.
Выходным каскадом усилители ВО 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 ЭО имеется возможность подачи исследуемого сигнала непосредственно на пластины.
Канал горизонтального отклонения электронно-лучевого осциллографа. Канал ГО формирует синхронное по частоте с исследуемым сигналом линейно изменяющееся напряжение, амплитуда которого достаточна для отклонения луча ЭЛТ на весь экран по горизонтали. Канал ГО состоит из схемы синхронизации и запуска, генератора развертки, выходного усилителя ГО, усилителя подсвета.
Генератор развертки формирует линейно изменяющееся развертывающее напряжение, синхронное с исследуемым сигналом, и обеспечивает горизонтальное перемещение луча в одном направлении (слева направо) постоянной скоростью. Развертка — линейное перемещение электронного луча, или создаваемый им след на экране. Развертывающее напряжение должно иметь высокую линейность при прямом ходе луча (чтобы искажения формы исследуемого сигнала были минимальны); быстрый спад при обратном ходе луча, т. е. tпр>>tобр; достаточную амплитуду для отклонения луча на весь экран и регулируемую в широких пределах частоту развертки (от сотых долей герц до нескольких мегагерц) или длительность.
При изменениях длительности развертки изменяются скорость движения луча по горизонтали и, следовательно, масштаб времени. ГР в современных ЭО представляет собой сложное функциональное устройство (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Схема генератора развертки
Формирователь импульсов запуска ГР переводит электронную переключающую схему из исходного состояния в рабочее. При этом переключающая схема вырабатывает прямоугольный импульс длительностью tи, определяющей время прямого хода луча tnp Этот импульс поступает на вход формирователя развертывающего пилообразного напряжения uр(t), т. е. на вход интегратора. Интегратор (см. рис. 7.8) представляет собой УПТ с коэффициентом усиления k>>1, охваченный отрицательной обратной связью с помощью RC-цепи. Получить пилообразное напряжение можно путем заряда конденсатора при образовании прямого хода луча (tnp=tи). и разряда — обратного хода луча (toбp). Пилообразное напряжение нарастает до определенного уровня, задаваемого схемой сравнения и блокировки:
т. е. развертывающее напряжение представляет линейную функцию времени t в интервале (0, tпр) (рис. 9.8). После достижения определенного уровня up(t) схема сравнения выдает сигнал, переводящий переключающую схему в исходное состояние на время tобр+ tбл (tбл — время блокировки). Процесс формирования напряжения up(t) заканчивается и начинается его спад (обратный ход луча). В интеграторе имеются конденсаторы, переключением - которых изменяют дискретно диапазоны длительностей (время/дел), и переменный резистор для плавной регулировки внутри диапазона.
В реальных ГР функцию переключающей схемы выполняет триггер Шмитта. В автоколебательном режиме процесс повторяется периодически. При ждущем и однократном режимах процесс вызывается внешним воздействием. Переход от автоколебательного режима в ждущий осуществляется с помощью органов регулирования «Стабильность» и «Уровень».
В современных осциллографах используются генераторы калиброванной развертки, основным отличием которых является то, что выходные напряжения таких генераторов линейны и стабильны, что позволяет определять длительность исследуемого процесса непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Коэффициент нелинейности, выражающий относительное изменение скорости нарастания напряжения в начале и конце прямого хода, должен быть не более 1—3 %. Пределы изменения пилообразного напряжения могут точно фиксироваться. Фиксированному Up соответствует определенное горизонтальное отклонение луча lр за время развертки tnp≈Tp, что позволяет иметь откалиброванную шкалу коэффициента развертки:
Kp = Tp/lр.
Нелинейность развертки — изменение коэффициента развертки в пределах рабочей части экрана относительно его фактического значения в центральной части экрана. С коэффициентом (длительностью) развертки связано понятие скорости развертки — пути прямого хода луча в единицу времени:
Vp = 1/Kp = lр/Tр. (9.9)
В ЭО С1-73 калиброванная развертка имеет шкалу от 0,1 мкс/дел до 50 мс/дел, скорость развертки соответственно равна от 60 км/с до 0,12 м/с (если 1 дел = 6мм). Автоколебательную развертку применяют при исследовании периодических и импульсных сигналов малой скважности, ждущую развертку — при исследовании импульсных сигналов большой скважности и отдельных фрагментов сложных сигналов.
При исследовании импульсов большой скважности импульс занимает малую долю развертки, поэтому плохо просматривается на экране осциллографа. Если период развертки выбрать равным периоду повторения импульсов Тр = Т; tп<<Tp, то изображение импульса на экране получится очень сжатым. Если же период развертки выбрать в несколько раз короче, чем период повторения исследуемого импульса Тр<<Т, то импульс наблюдается на экране, но он будет бледным по сравнению с линией развертки, которая прочерчивается несколько раз за одно его появление. Кроме того, трудно обеспечить синхронизацию Up и Ux. Импульс хорошо наблюдается на экране при ждущей развертке, так как длительность ждущей развертки сравнима с длительностью импульса, то луч детально изображает форму импульса, а затем «ждет» прихода нового сигнала. Чтобы фронт исследуемого импульса не искажался, в канал ВО включается линия задержки.
Синхронизация — процесс, при котором развертка становится зависимой от исследуемого сигнала, с целью получения неподвижного изображения на экране. Исследуемый сигнал и напряжение генератора развертки создаются разными источниками, поэтому их параметры независимы, но изменение частоты одного из этих сигналов приводит к нарушению условий неподвижности fр=f/n (частота развертывающегося сигнала равна или кратна частоте исследуемого сигнала). Частота напряжения ГР обычно синхронизирована с частотой исследуемого сигнала с помощью схемы синхронизации и запуска ГР. Уровень синхронизирующего сигнала, при котором срабатывает схема синхронизации, плавно регулируется от десятых долей до десятков вольт.
Внутренняя синхронизация — процесс, при котором сигнал, управляющий запуском ГР, подается из внутренней цепи ЭО, на которую воздействует исследуемый сигнал.
Внешняя синхронизация — процесс, при котором сигнал, управляющий запуском ГР, подается извне.
Временные диаграммы напряжений при исследовании синусоидального сигнала и работе генератора развертки в автоколебательном режиме показаны на рис. 9.9. При устойчивом изображении (рис. 9.9, а) условие синхронизации выполняется, при неустойчивом (рис. 9.9, б) — не выполняется.
Рис. 9.9. Временные диаграммы напряжения при исследовании синусоидального сигнала
Временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных сигналов с внутренней синхронизацией показаны на рис. 9.10, а. (Режим работы генератора развертки ждущий.) Внешний сигнал для запуска схемы синхронизации чаще всего используется в случае, когда нужно запустить генератор развертки опережающим сигналом по отношению к исследуемому. Временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных сигналов с внешней синхронизацией показаны на рис. 9.10,6. Внешние сигналы положительной полярности, преобразованные в короткие импульсы, запускают генератор развертки с частотой, синхронизированной с частотой исследуемого сигнала. Время задержки t3 исследуемого сигнала относительно запуска генератора развертки может регулироваться в необходимых пределах.
Рис. 9.10. Временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных сигналов с внутренней (а) и внешней (б) синхронизациями
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 канала ВО, а коэффициент отклонения Кх примерно в 100 раз больше минимального коэффициента отклонения по вертикали Ко. В ряде осциллографов предусматривают схему с изменяющимся скачкообразно (например, в 5 раз) коэффициентом усиления Kу усилителя канала ГО, что позволяет соответственно увеличить напряжение развертки в Ку = 1/Мр раз и растянуть изображение, тем самым изменить временной масштаб (Мр — множитель растяжки). Новое значение калиброванного коэффициента развертки
К'р=Кр М р = Кр/Ку. (9.10)
На рис. 9.11 показано построение изображения исследуемого сигнала на экране ЭО при двух значениях Мр.
Усилитель канала ГО имеет возможность усиливать сигнал непосредственно от внешнего источника (при выключенном генераторе развертки). Это позволяет расширить эксплуатационные возможности ЭО, а также создать сложные виды развертки.
Рис. 9.11. Изображение исследуемого сигнала при МР=1 и МР=0,2
