Универсальные одноканальные электронно-лучевые осциллографы

Универсальные ЭЛО общего назначения используются для наблюдения, измерения амплитудных и временных параметров периодических и импульсных сигналов. Для получения на экране осциллограммы изменения сигнала во времени, исследуемый сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины, на горизонтально отклоняющие пластины подается линейно изменяющегося напряжения постоянной скорости (развертывающее), которое отклоняет электронный луч в горизонтальном направлении. По окончании цикла развертки развертывающее напряжение принимает первоначальное значение; при этом луч возвращается в исходное положение, после чего цикл повторяется. Чувствительность ЭЛТ мала, а для отклонения луча на весь экран требуется напряжение от 3 до 200 В. Напряжения исследуемого сигнала и развертки могут быть малыми, поэтому в каналах вертикального (ВО) и горизонтального (ГО) отклонений ЭЛО установлены усилители.

На рис. 9.1 представлена структурная схема универсального одноканального ЭЛО.

Рис. 9.1. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

Исследуемый сигнал подается непосредственно (вход Y, открытый «–») или через разделительный конденсатор (вход Y, закрытый «@») на аттенюатор канала ВО осциллографа. При помощи аттенюатора устанавливается необходимое ослабление сигнала, что позволяет обеспечить работу усилителя ВО в режиме минимальных нелинейных искажений. С выхода аттенюатора исследуемый сигнал через входной каскад подается на предварительный усилитель. Усиленный сигнал задерживается линией задержки на время, необходимое для срабатывания канала ГО осциллографа, т.е. генератора развертки (ГР) и усилителя канала ГО, чтобы движение луча по горизонтали началось раньше, чем усиленный сигнал поступит на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Выходной усилитель ВО преобразует сигнал в симметричный, усиливает задержанный сигнал до значения, удобного для наблюдения на экране. С выхода усилителя симметричные сигналы поступают на пластины вертикального отклонения (Пл_Y) ЭЛТ.

Устойчивость изображения на экране достигается синхронизацией сигнала развертки с исследуемым сигналом. Частота сигнала развертки f_p должна быть равна или в целое число раз меньше частоты f исследуемого сигнала: f_p = f/n. Соответственно период сигнала развертки Т_р должен быть равен или в целое число раз больше периода Т исследуемого сигнала: Т_р = nТ, где n = 1, 2, 3...

Схему синхронизации можно запустить как от внутреннего, так и внешнего сигналов. Кроме того, эта схема дает возможность изменять уровень и полярность сигнала синхронизации. При работе осциллографа в режиме внутренней синхронизации из канала ВО (до линии задержки) снимается часть исследуемого сигнала и подается на вход схемы синхронизации. Последняя совместно со схемой запуска ГР вырабатывает короткие запускающие импульсы определенной формы, полярности, амплитуды независимо от значения и формы сигнала, приходящего на вход схемы синхронизации. Благодаря этому достигается устойчивый запуск ГР.

Для запуска ГР может использоваться внешний сигнал, который подается на вход схемы синхронизации, который обеспечивает внешнюю синхронизацию в том случае, если внутренняя синхронизация не обеспечивает стабильную работу генератора развертки.

Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение (рис. 9.2) для временной развертки луча ЭЛТ. Время прямого хода луча t_пр много больше времени обратного хода t_обр, поэтому период развертки Т_р » t_пр.

Рис. 9.2. Развертывающее напряжение ЭЛО

Выходной сигнал ГР поступает на выходной усилитель канала ГО, предназначенный для преобразования пилообразного напряжения, поступающего с ГР в два симметричных сигнала, и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча по горизонтали на весь экран ЭЛТ.

Положительное нарастающее пилообразное напряжение подается на правую горизонтально отклоняющую пластину ЭЛТ, а отрицательное – на левую. В результате луч по экрану трубки проходит слева направо за определенное время.

В осциллографе предусмотрена возможность поступления внешнего сигнала на горизонтально отклоняющие пластины при подаче его на вход X. При этом усилитель ГО отключается от схемы генератора развертки и подключается к входу X.

Генератор развертки содержит органы регулировки режимов работы и длительности развертки. Он может работать:

- в режиме автоколебательной периодической развертки (схема синхронизации переводится в режим непрерывных колебаний, т.е. на ее вход не подается сигнал, а выходной сигнал схемы синхронизации и запуска используется для задания и поддержания частоты развертывающего напряжения);

- в режиме ждущей развертки (запускается только при наличии входного сигнала в канале Y).

Схема блокировки предупреждает повторный запуск при обратном ходе развертывающего напряжения. Вместо гашения луча во время обратного хода применяют увеличение яркости линии развертки во время прямого хода луча. Прямоугольный импульс подсвета луча с усилителя подсвета подается на модулятор ЭЛТ. Длительность его должна совпадать с длительностью нарастающей части развертывающего пилообразного напряжения.

В ряде осциллографов имеется вход Z, который служит для получения яркостных меток времени. Четкость изображения достигается регулировкой яркости и фокусировки луча, для этого на модулятор и аноды ЭЛТ подается регулируемое высокое напряжение.

Для повышения точности измерений в состав осциллографа входят калибраторы напряжения и времени, предназначенные для проверки правильности масштаба вертикальной и горизонтальной осей экрана осциллографа, соответственно.

Коэффициент отклонения по вертикали K_о (В/дел.) определяется как отношение напряжения входного сигнала u к значению отклонения луча на экране h, создаваемого этим напряжением: К_о = u/h.

Калибраторы напряжения и времени обычно совмещены. Калибратор вырабатывает прямоугольное напряжение типа «меандр» (рис. 9.3) определенного размаха U_разм и частоты.

Рис. 9.3. Форма напряжения калибратора

Он может иметь два выхода: внутренний, непосредственно связанный с входным аттенюатором канала вертикального отклонения при коэффициенте деления аттенюатора 1:1 и максимальном усилении УВО, а также внешний (на котором указаны U_разм и частота). ,

Для калибровки осциллографа по напряжению с использованием внутреннего выхода калибратора достаточно при максимальном усилении канала ВО ручку лимба калиброванной шкалы коэффициента отклонения по вертикали установить в положение «Ñ» и получить указанное на лицевой панели значение h. Умножив число делений h на К_0min, можно определить значение напряжения на внутреннем выходе калибратора (например, h = 5 дел.; К_0min = 0,01 В/дел.; напряжение на внутреннем выходе калибратора 50 мВ).

Для калибровки осциллографа по напряжению с использованием внешнего выхода калибратора необходимо этот выход соединить с входом Y, но использовать уже другой коэффициент деления аттенюатора, отличный от 1:1 (например, напряжение калибратора, поданное на вход Y с внешнего выхода, составляет 1 В и при коэффициенте деления аттенюатора 1:20 вызывает отклонение луча по вертикали, равное пяти делениям, следовательно, К₀ = 1/5 = 0,2 В/дел.).

Для калибровки осциллографа по времени необходимо знать частоту напряжения калибратора.

Коэффициент развертки К_р (время/дел.) показывает время, за которое электронный луч проходит одно деление в горизонтальном направлении: К_р = Т_р/l_р, где Т_р – время прямого хода развертывающего напряжения генератора развертки (при максимальном коэффициенте усиления усилителя горизонтального отклонения); l_р – длина перемещения луча на экране в горизонтальном направлении в делениях.

Для определения К_р необходимо на вход Y осциллографа подать сигнал известной частоты и установить число делений по горизонтали, соответствующее одному периоду данного сигнала. Например, при частоте сигнала калибратора 1 кГц или, что то же, Т_к = 1 мс, период сигнала равен пяти делениям, К_р = T_к/n = 0,2×10^–3 с/дел. = 0,2 мс/дел. При десяти делениях на экране отображаются два периода «меандра», время развертки Т_р = 2Т_к, т.е. частота развертки f_к/2 = 500 Гц.

Все значения К_о и К_р калибруются внешним измерительным генератором сигналов. После калибровки можно пользоваться двумя калиброванными шкалами «В/дел.» и «Время/дел.» при измерении напряжения u_x = hK_о [В]; временного интервала t_x = lК_р (время) и всех параметров, связанных функционально с u_x и t_x.