Лекция Электронные осциллографы Классификация и обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа

• Название: Лекция Электронные осциллографы Классификация и обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа
• Дата: 28.11.2020
• Размер: 1.39 Mb.
• Имя файла: mss8-13.pdf
• Тип: Лекция; #154758
• страница: 1 из 7

61
Лекция 8. Электронные осциллографы
8.1. Классификация и обобщенная структурная схема универсального электронного
аналогового осциллографа
Электронные осциллографы предназначены для визуального наблюдения формы сигнала, а так же для измерения параметров сигнала, они относятся к приборам группы С:
С1 – универсальные электронные аналоговые осциллографы
С2 – измеритель коэффициента амплитудной модуляции
С3 – измеритель девиации частоты
С4 – анализаторы спектра
С5 – анализаторы гармоник
С6 – измеритель нелинейных искажений
С7 – скоростные осциллографы
С8 – запоминающие осциллографы
С9 – специальные осциллографы (в том числе цифровые)
Обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа
(в дальнейшем осциллограф) представлена рис.5.1 и включает в себя следующие блоки:
- входные устройства - ВУ1, ВУ2, ВУ3;
- предварительный усилитель - ПУ;
- широкополосная линия задержки - ЛЗ;
- усилитель вертикального отклонения - УВО;
- схема синхронизации - Сх.сихнр.;
- генератор развертки – ГР;
- усилитель горизонтального отклонения – УГО;
- электронно-лучевая трубка – ЭЛТ;
- калибратор – Калибр.;
- источник питания – ИП.
Блоком представления информации в осциллографе является ЭЛТ с электростатическим управлением лучом.
Рисунок 8.1
''Внутренний''
Калибратор мощности постоянного тока
Канал яркости
ВУ
3
Z
М
ЭЛТ ХУ
Калиб р.
ИП
УГ
О
Сх. синхр
Г
Р
ВУ
2 1
П1 2
X
КГО
УВО
ЛЗ
ВУ1
ПУ
Y
КВО

62
В общем случае электронный осциллограф содержит три канала, обеспечивающих подачу сигнала на соответствующие электроды ЭЛТ.
1.1. Канал вертикального отклонения (КВО) или канал Y. Служит для согласования уровня исследуемого сигнала с чувствительностью ЭЛТ по пластинам вертикального отклонения. Его входом служит вход Y осциллографа, а выход нагружен на пластины вертикального отклонения ЭЛТ. КВО содержит:
– блок входных устройств (ВУ1) обеспечивающий необходимое входное сопротивление канала. Коэффициент передачи ВУ1 может быть изменен оператором дискретно и плавно.
– предварительный усилитель (ПУ). Служит для усиления входного (исследуемого) сигнала по напряжению.
– широкополосная линия задержки (ЛЗ) позволяет наблюдать начальные фазы сигналов в момент запуска генератора развертки в режиме синхронизации ''внутренний''
– усилитель вертикального отклонения (УВО) предназначен для усиления исследуемого сигнала по мощности. Его выходной, парафазный сигнал обеспечивает перемещение луча ЭЛТ в вертикальной плоскости.
Основными параметрами КВО являются чувствительность, определяемая величиной коэффициента передачи, и полоса пропускания, определяющая полосу частот исследуемого сигнала. Необходимыми требованиями являются:
– стабильность коэффициента передачи (временная, температурная и т. д.)
– равномерность АЧХ в полосе пропускания КВО.
Важным параметром КВО, используемым при измерениях, является коэффициент отклонения по вертикали: m
y
-[В/дел]
Его величина может быть изменена оператором и определяется положением дискретного переключателя чувствительности ВУ1 при фиксированном положении плавного регулятора чувствительности.
1.2. Канал горизонтального отклонения (КГО) или канал Х. Служит для формирования разворачивающего напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ
(пластины Х). Канал включает в себя следующие блоки.
1.2.1. Сх. Синхр. - схема синхронизации. Обеспечивает запуск генератора развертки.
1.2.2. ГР - генератор развертки. Служит для формирования специального, изменяющегося линейно во времени напряжения развертки (рис.8.2). В этом напряжении принято различать: период развертки (Tp), который складывается из времени прямого хода (Тпр.х) и времени обратного хода луча (Тобр.х). В подавляющем большинстве случаев Tпр.х >> Tобр.х
Рисунок 8.2
Математической моделью данного сигнала является функция вида
;
)
(
)
(
1
t
k
t
U
t
U
ГР
х



x
Tnp
t
0


(8.1)

63
Где
х
Tпп
Um
k
1

- крутизна пилообразного напряжения развертки.
В ЭЛТ обеспечивается линейная связь между смещением луча по горизонтали L
x
(t) и напряжением, поданным на пластины горизонтального отклонения U
x
(t). Следовательно
)
(
)
(
2
t
U
k
t
L
x
x


(8.2)
Где
2
k
- чувствительность ЭЛТ по пластинам Х.
Таким образом, при подаче напряжения ГР на пластины Х будет выполняться условие
t
k
k
t
L
x



1 2
)
(
,
(8.3) т.е. смещение луча по горизонтали пропорционально времени («временная» развертка).
В этом случае на экране ЭЛТ наблюдается осциллограмма, представляющая собой зависимость мгновенного значения сигнала поданного на вход Y осциллографа от времени.
Требования к сигналу ГР:
– высокая линейность,
– стабильность амплитудных и временных характеристик.
ГР может работать в трех основных режимах: непрерывный (автоколебательный), ждущий и разовый запуск. Непрерывный режим используются при исследовании гармоничных сигналов, а также сигналов с малой скважностью. Ждущий режим используется при исследовании сигналов с большой скважностью. Режим разового пуска используется для исследования случайных или однократных сигналов.
Для получения неподвижного изображения частоту развертки необходимо синхронизировать с частотой исследуемого сигнала. Условиями получения неподвижного изображения, называемыми «условием синхронизации», являются: a)
Tc
n
Tp


, где п - натуральное число. б) Момент запуска генератора должен соответствовать одной и той же фазе исследуемого сигнала.
На рис. 8.3 представлены осциллограммы одного и того же сигнала для случая: а) условие
Tc
n
Tp


выполняется при (n=2;
1
Tp
) б) условие кратности частоты развертки частоте сигнала не выполнено (п=1,5;
2
Tp
)
Рисунок 8.3

64
В осциллографе предусматривается три вида синхронизации в зависимости от источника синхронизирующего сигнала: а) “Внутренний” – синхронизация осуществляется от исследуемого сигнала. б) “Внешний” – источник синхронизирующего сигнала – внешний (дополнительный) генератор. Как правило, этот вид синхронизации применяют при исследовании импульсных сигналов с большой скважностью. Генератор развертки работает в ждущем режиме. в) “От сети”. Источником синхронизации сигнала является сигнал, кратный частоте питающей сети. Этот вид используется при исследовании влияния сетевых помех.
1.2.3. УГО предназначен для усиления разворачивающего напряжения и подачи его на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ.
На входе УГО установлен переключатель П1, два положения которого определяют два основных режима работы осциллографа. Если П1 находится в положении 1, то на пластины Х подается напряжение ГР, что соответствует первому основному режиму работы – режиму линейной развертки.
Второй основной режим работы осциллографа – режим усиления (сравнения, фигур
Лиссажу). Он реализуется в положении 2 переключателя П1. При этом, на пластину Х ЭЛТ подается внешний сигнал, который подключается к входу Х осциллографа.
Основным параметром КГО, используемым при измерениях, является коэффициент отклонения по горизонтали
x
m
или
t
m
, измеряемый в единицах [время/деление]. Его численное значение определяется положением дискретного переключателя частоты развертки.
1.3. Канал Z – канал управления яркостью.
Сигнал, поданный на вход Z осциллографа от дополнительного (внешнего) источника поступает на модулятор ЭЛТ. В этом случае происходит модуляция яркости осциллограммы с частотой поданного сигнала.
Кроме того, в структурную схему осциллографа входят блок питания и блок калибровки. Калибратор предназначен для формирования сигналов, параметры которых
(напряжение и частота) известны с высокой точностью. С их помощью осуществляется поверка коэффициентов отклонения по вертикали
y
m
и горизонтали
x
m
(калибровка КВО и
КГО).
8.2. Виды разверток осциллографа
1. Линейная – на пластины X ЭЛТ подается сигнал от внутреннего генератора развертки
(ГР). Переключатель П1 переводится в положение 1. На экране ЭЛТ формируется временная развертка сигнала поданного на вход Y осциллографа.
2. Синусоидальная – на пластины X ЭЛТ подается гармонический сигнал от внешнего источника, подключенного к входу X осциллографа. Переключатель П1 переводится в положение 2. При подаче на вход Y осциллографа гармонического сигнала на экране наблюдается фигура Лиссажу.
3. Круговая (частный случай синусоидальной) – в этом случае используются вход Y и X осциллографа, на которые подаются сигналы









)
2
sin(
)
(
)
sin(
)
(
2 1

wt
Um
t
u
wt
Um
t
u
x
y
(8.4)
Переключатель П1 в положении 2. На экране ЭЛТ формируется развертка в виде окружности (эллипса).
4. Спиральная – применяется, когда необходимо увеличить длительность развертки при заданной скорости. Используются входы Y и X осциллографа, на которые подаются сигналы

65









)
2
sin(
)
(
)
sin(
)
(

wt
kt
t
u
wt
kt
t
u
x
y
(8.5)
На экране ЭЛТ формируется развертка в виде спирали Архимеда.
8.3. Осциллографические методы измерения параметров сигналов
1. Измерение напряжения
Измерение напряжения производится в режиме линейной развертки (первый основной режим работы осциллографа)
Рисунок 8.4
Схема подключения источника сигнала (генератора) к осциллографу приведена на рис. 8.4
Рисунок 8.5.
Рисунок 8.6

66






)
(
)
(
)
(
)
(
t
гр
u
t
x
u
t
c
u
t
y
u
(8.6)
Измеряемое напряжение u
c
(t) подается на вход Y осциллографа. На пластины X ЭЛТ поступает сигнал ГР u
ГР
(t). В этом случае порядок функционирования блоков осциллографа определяет структурная схема, представленная на рис. 8.4. На экране наблюдается осциллограмма, как зависимость поданного на вход Y сигнала от времени (для sin сигнала), рис. 8.5. “Размах” осциллограммы
y
H
определяется как разность максимального и минимального отклонения луча. При симметричном двухполярном сигнале его амплитуда определяется из соотношения
2
y
y
m
m
H
U


(8.7) где
y
H
- количество делений сетки осциллографа, соответствующее “размаху” осциллограммы [дел].
y
m
- коэффициент отклонения по шкале Y (цена деления по шкале Y) [В/дел]. Его численное значение определяется положением дискретного переключателя чувствительности КВО.
Данное измерение является косвенным. В этом случае погрешность определяется из соотношений:
– систематическая абсолютная составляющая погрешности
y
m
y
H
y
H
y
m
u





2 2
[В]
(8.8)
– СКО случайной составляющей погрешности
2
)
2
(
2
)
2
(
y
m
G
y
H
y
H
G
y
m
u
G


[В]
(8.9)
Где
y
H

- абсолютная погрешность измерения геометрического размера
y
H
[дел]
y
m

- абсолютная погрешность задания коэффициента отклонения
y
m
[В/дел]
Hy
G
- СКО погрешности измерения величины
y
H
[дел]
y
m
G
- СКО погрешности задания коэффициента отклонения
y
m
[В/дел]
2. Измерение частоты
Измерение частоты с помощью осциллографа производиться следующими методами:
- методом линейной калиброванной развертки;
- методом линейной развертки с внешним генератором образцовой частоты;
- методом синусоидальной развертки;
- методом круговой развертки.
Принцип измерения частоты с помощью осциллографа указанными методами, схемы подключения источника сигнала к осциллографу, структурные схемы, поясняющие функционирование блоков осциллографа и расчетные соотношения для измеряемой частоты приведены в лекции 10 (раздел 10.2).

67
3. Измерение угла сдвига фаз
Измерение угла сдвига фаз с помощью осциллографа производиться следующими методами:
- методом синусоидальной развертки;
- методом линейной развертки.
Принцип измерения фазового сдвига с помощью осциллографа указанными методами, схемы подключения источника сигнала к осциллографу, структурные схемы, поясняющие функционирование блоков осциллографа и расчетные соотношения для измеряемого угла сдвига фаз приведены в лекции 11 (раздел 11.2).
8.4. Калибровка осциллографа и рекомендации по выбору полосы пропускания КВО
Калибровка осциллографа служит для проверки численных значений коэффициентов отклонения по вертикали
y
m
и горизонтали
x
m
. Процесс заключается в измерении напряжения и периода эталонного сигнала калибратора с помощью осциллографа в режиме линейной калиброванной развертки. Определяется погрешность как разность параметра, поданного с выхода калибратора и измеренной величины. В случае если она превышает норму, производится подстройка чувствительности КВО или скорости развертки ГР.
В общем случае полоса пропускания КВО определяется min max
f
f
F



. Для современных осциллографов, как правило, выполняется условие: нижняя граничная частота полосы пропускания
0
min

f
, т.е. прибор имеет “открытый” вход и позволяет исследовать сигналы с постоянной составляющей.
Верхняя (граничная) частота max
f
определяется по АЧХ КВО как точка по оси частот, соответствующая уменьшению уровня АЧХ в
2 1
раз по сравнению с ее значением на низких частотах/1/.
Величина max
f
может быть также определена как диапазон частот, в пределах которого спад АЧХ не превышает 3 дБ /2/.


fизм
fon
H
H
A
lg
20

дБ.
Где А - спад АЧХ [дБ]
fon
H
и
fизм
H
- размах осциллограмм на опорной и измеряемой частотах соответственно.
Известно /2/, что искажения фронта колоколообразного импульса не превысят (1-2)%, если время нарастания
н
t
переходной характеристики КВО окажется в 5 раз меньше длительности фронта импульса
ф

, т.е.
5
ф
н
t


– для треугольных импульсов
10
ф
н
t


– для трапецеидальных импульсов
3
ф
н
t


С учетом, что max
35
,
0
f
t
н

для колоколообразного импульса получим
ф
f

75
,
1
max

. Где
F
f


max
– полоса пропускания КВО
8.5. Некоторые разновидности электронных осциллографов
8.5.1. Двух – и многоканальные; двухлучевые осциллографы– приборы относящиеся к группе С1. Применяются при наблюдении одновременно двух и более сигналов, при анализе искажений формы сигналов, исследовании и настройке цифровых систем передачи.

68
X
Z
“Синхр”
Y1
Y2 к пластинам Y
ЭЛТ к пластинам Х ЭЛТ к модулятору ЭЛТ
КВО
1
КВО
2
КГО
ВУ
Коммутатор
Принцип построения многоканальных осциллографов рассмотрим на примере двухканального прибора, обобщенная структурная схема которого имеет вид (рис.8.7):
Обобщенная структурная схема двухканального осциллографа
Рисунок 8.7
Отличительной особенностью схемы является наличие электронного коммутатора, который подает исследуемые сигналы каждого канала на одни и те же отклоняющие пластины
ЭЛТ. Обычно предусматривают 4 режима работы 2 каналов:
– одноканальный (коммутатор подключен к первому либо ко второму каналу)
– чередования каналов (коммутатор поочередно подключает каналы после каждого хода развертки)
– прерывания (работают оба канала, но переключения производятся с высокой частотой
[как правило более
6 10 1

Гц])
– алгебраического сложения (оба канала одновременно работают на одну нагрузку; в этом режиме можно исследовать сумму или разность двух сигналов)
На основе двухканального принципа строятся многоканальные (до 8 каналов) электронные осциллографы.
Основой для построения структурной схемы двухлучевого осциллографа является ЭЛТ, снабженная двумя электронными прожекторами и двумя парами пластин вертикального отклонения. К каждой паре пластин подключен отдельный КВО; развертка, как правило, одна на оба луча. По частотным характеристикам двухлучевые осциллографы аналогичны однолучевым, однако из-за усложнения схемы и конструкции ЭЛТ, как правило, дороже и менее надежны.
8.5.2. Цифровые осциллографы
Обобщенная структурная схема одноканального цифрового осциллографа приведена на рис.8.8.

69
Рисунок 8.8
Исследуемый сигнал через блок входных устройств (ВУ) поступает на вход аналого- цифрового преобразователя (АЦП). В АЦП происходит дискретизация сигнала по времени и квантование по уровню. На его выходе формируются коды, соответствующие мгновенным значениям сигнала, отстоящим друг от друга на интервал дискретизации. Эта информация запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Там же хранится информация о номере точки дискретизации. Управление работой АЦП и ОЗУ осуществляется внутренним контроллером в соответствии с программами, хранящимися в постоянной памяти (ПЗУ). В
ПЗУ хранятся также программы обслуживания органов управления, поддержки осциллографического дисплея и т. д. Обратное преобразование сигнала из дискретной формы в аналоговую происходит в блоке цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с последующей подачей напряжений на пластины X и Y ЭЛТ. Входными сигналами для блока ЦАП являются коды мгновенных значений сигнала и номеров точек дискретизации.
В описанной схеме предусматривается преобразование исследуемого сигнала (аналог- цифра) и его дальнейшая обработка с помощью внутреннего контроллера. Это определяет основные свойства цифровых осциллографов данного типа.
Достоинства
– возможность реализации функций запоминающего осциллографа с неограниченным временем хранения информации;
– возможность замедленного воспроизведения всей или отдельных участков осциллограммы;
– возможность измерения параметров сигналов с помощью внутреннего контроллера, а также простота сопряжения с цифровыми системами более высокого уровня иерархии.
Среди недостатков следует отметить наличие методических погрешностей АЦП
(погрешности дискретизации и квантования), величины которых зависят от соотношения полосы частот исследуемого сигнала, быстродействия АЦП и от разрядности выходного кода
АЦП соответственно.
Данный принцип преобразования широко применяется при построении ''виртуальных'' приборов, представляющих собой измерительную систему на базе РС, снабженного специализированной программной поддержкой и блоками сопряжения с измеряемыми объектами. Примером может служить универсальная программа Lab VIEW, разработанная фирмой NATIONAL INSTRUMENTS, позволяющая реализовать функции мультиметра, измерительного генератора, анализатора спектра и цифрового осциллографа.
Известен ряд вариантов построения структурных схем цифровых осциллографов /1,2/, в которых микропроцессорная система может выполнять следующие функции:
– управление работой осциллографа;
– выполнение измерительных операций, обработка сигналов и результатов измерения;
– регулировка и контроль рабочих режимов структурной схемы, а также калибровку отдельных блоков и каналов
ВУ
АЦП
ОЗУ
ПЗУ
Внутренний приборный интерфейс
Контроллер
Блок
ЦАП
Внешний интерфейс
Осциллографический индикатор

70
8.5.3. Скоростные и стробоскопические осциллографы
Приборы данной группы применяются при исследовании коротких импульсов и сигналов
СВЧ-диапазона. Универсальные аналоговые осциллографы не могут быть использованы для этих целей в силу следующих причин:
– Резонансная частота системы емкость отклоняющих пластин – индуктивность подводящих проводов должна быть значительно больше высшей гармоники исследуемого сигнала. Полоса пропускания КВО, например, для передачи прямоугольного импульса длительностью
c
9 10 1


должна составлять
Гц
f
9
max
10 2


– Изображение на экране оказывается очень бледным из-за высокой скорости перемещения луча по экрану. Например, при длительности импульса
c
9 10 5


и ширине экрана ЭЛТ 100 мм скорость луча оказывается равной
сек
км
L
V
и
20000 10 5
10 100 9
6








– Для точной передачи формы сигнала время пролета электронов между пластинами отклонения должно быть меньше длительности импульса. По этой причине, в скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяют специальные ЭЛТ
''бегущей волны''. Их отличительной особенностью является низкая чувствительность
y
S
прибора по входу Y (
В
мм
S
y
1

).
При исследовании быстропротекающих процессов с малой амплитудой напряжения применяют стробоскопический метод осциллографирования. На экране такого осциллографа формируется изображение по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличенном временном масштабе. Это обеспечивается следующим образом. Входной сигнал подается на амплитудно-импульсный модулятор (АИМ), в котором происходит выборка мгновенного значения исследуемого сигнала в момент прихода дополнительно сформированного ''стробирующего'' импульса. Математическая модель выходного сигнала АИМ может быть представлена в виде
)
(
)
(
)
(
c
c
c
АИМ
t
u
t
t
t
u



(8.10)
Где







c
c
c
t
t
t
t
t
t
,
1
,
0
)
(

- дельта функция
)
(t
u
c
- математическая модель входного сигнала
c
t
- момент стробирования
Период следования стробирующих импульсов (
ст р
T
) выбирается несколько больше периода исследуемого сигнала
t
T
T
c
стр



(8.11)
В этом случае на выходе АИМ формируется периодическая последовательность ''строб''- импульсов, промодулированных по амплитуде входным сигналом. Период следования указанных последовательностей определится как
тр
стр
К
T
T


(8.12)
Где
t
T
К
c
тр


- коэффициент трансформации масштаба времени современных осциллографов
3 10 10


n
К
т р
Выходной сигнал АИМ подается на вход КВО универсального осциллографа, обладающего ограниченной полосой пропускания. В нем осуществляется кусочно-линейная аппроксимация импульсного сигнала промодулированного по амплитуде, что позволяет восстановить форму исследуемого импульса. Таким образом, удается исследовать сигналы с полосой частот до
Гц
9 10 1

при фактической полосе пропускания КВО
Гц
6 10 1


при соответствующем уменьшении скорости развертки без применения специальных ЭЛТ.

71
На рис. 8.9 представлены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип стробоскопического временного преобразования
Рисунок 8.9 5.9