УЧ-Метод пособие ЭЛ ИЗМЕРЕНИЯ. Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине электрические измерения

• Название: Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине электрические измерения
• Дата: 22.08.2022
• Размер: 6.36 Mb.
• Имя файла: УЧ-Метод пособие ЭЛ ИЗМЕРЕНИЯ.pdf
• Тип: Учебно-методическое пособие; #650579
• страница: 7 из 14

Тема 2.3. Исследование формы и параметров сигнала
Электронный осциллограф является основным и широко распространенным прибором для наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Осциллограф позволяет «видеть» исследуемый сигнал в виде функции времени.
На сегодня существует широкий выбор различных типов осциллографов как отечественных, так и многочисленных мировых производителей: от классических аналоговых до ряда современных цифровых
(запоминающие, «виртуальные», люминофорные, портативные, смешанных типов сигналов).
Самые важные критерии при выборе осциллографа – это параметры.
Главными из них являются: полоса пропускания частот, частота дискретизации, число каналов, глубина памяти. Для ускорения правильного выбора осциллографа и избегания некоторых обычных ошибок рекомендуется пройти следующие шаги.
Первыми основными факторами при выборе осциллографа должны быть: отрасль использования прибора и рабочая среда (лаборатория, офис, «полевые» условия). Следующими основными вопросами должны стать: определить требования к полосе пропускания частот. Полоса частот, как всегда, определяется характеристиками наблюдаемого сигнала и необходимой точностью измерения.
Существуют различные типы осциллографов:
- универсальные – позволяют исследовать разнообразные электрические сигналы (С1);
- скоростные – предназначенные для исследования быстропротекающих процессов (С7);
- стробоскопические – предназначены для исследования повторяющихся кратковременных процессов (С7);
- запоминающие способны сохранять и воспроизводить в течении длительного времени изображение сигнала после исчезновения его на входе (С8).
Специальные осциллографы – осциллографы целевого назначения: телевизионные, для исследования ВАХ полупроводниковых приборов и т. д.
По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов различают однолучевые, многолучевые многоканальные, многофункциональные.
Основная деталь электронного осциллографа – электронно-лучевая трубка, напоминающая по форме телевизионный кинескоп. Экран трубки покрыт изнутри люминофором – веществом, способным светиться под ''ударами'' электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части, куда они попадают.

Рисунок 2.50- Электронно-лучевая трубка
Испускаются же электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала) и катода. Между ''пушкой'' и экраном размещены модулятор – регулирующий поток летящих к экрану электронов, двух анодов – создающих нужное ускорение пучку электронов и его фокусировку, и двух пар пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной (Х) и вертикальной (Y) осям.
Экран электронно-лучевой трубки будет светиться лишь при подаче на ее электроды определенных напряжений. На нить накала обычно подают переменное напряжение, на управляющий электрод (модулятор) постоянное, отрицательной полярности, по отношению к катоду, на аноды – положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором
(ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону, относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины, а также ''рисующей'' на экране форму исследуемых колебаний.
Чтобы представить, как же получается на экране изображение колебаний, изобразим условно экран трубки в виде окружности и поместим внутри нее отклоняющие пластины. Если подвести к горизонтальным пластинам Х1 и Х2 пилообразное напряжение, на экране появится светящаяся горизонтальная линия
– ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения.

Рисунок 2.51- Принцип создания изображения на экране ЭЛТ
Если теперь одновременно с пилообразным напряжением, поданным на пластины Х1 и Х2, подать на другую пару пластин (вертикальных – Y1, Y2), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности ''изогнется'' по форме синусоидального и пилообразного колебаний, на экране будет изображение одной ''синусоиды''. При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в периоде колебаний пилообразного напряжения развертки. В осциллографе есть регулировка частоты развертки, с помощью которой добиваются нужного числа наблюдаемых на экране колебаний исследуемого сигнала. Упрощенная структурная схема осциллографа приведена на рисунке 2.52.
Рисунок 2.52 - Упрощенная структурная схема осциллографа
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) - определяет принцип действия прибора, и от ее характеристик в значительной мере зависят параметры и возможности применения осциллографа в целом. В осциллографах используют, главным образом, ЭЛТ с электростатическим управлением лучом.

Принцип наблюдения формы напряжения на экране осциллографической трубки в общих чертах можно представить следующим образом. Исследуемое напряжение является функцией времени, отображаемой в прямоугольных координатах графиком y = f(t). Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси - пропорционально исследуемому напряжению (в каждый момент времени). С этой целью к горизонтально - отклоняющим пластинам подводят пилообразное напряжение, которое заставляет луч перемещаться по горизонтали с постоянной скоростью слева направо и быстро возвращаться обратно. Расстояние, проходимое лучом вдоль горизонтальной оси, получается пропорциональным времени.
Исследуемое напряжение подается на вертикально - отклоняющие пластины и, следовательно, положение луча в каждый момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в этот момент. За время действия пилообразного напряжения луч вычерчивает кривую исследуемого сигнала. Наблюдаемое на экране изображение называют осциллограммой.
Кратко рассмотрим функции, выполняемые основными узлами осциллографа. Канал вертикального отклонения y, или канал сигналов, служит для преобразования напряжения исследуемого сигнала в соответствующее ему вертикальное отклонение луча. Он состоит из входного устройства, усилителя вертикального отклонения и вертикально отклоняющих пластин ЭЛТ.
Входное устройство состоит из аттенюатора, позволяющего ослабить исследуемый сигнал в целое число раз и согласовать входное сопротивление канала сигнала с волновым сопротивлением кабеля, по которому поступает исследуемый сигнал; катодного повторителя, устраняющего влияние канала вертикального отклонения на источник измеряемого сигнала и позволяющего получить высокое входное сопротивление; линии задержки (в импульсных осциллографах), обеспечивающей подачу исследуемого импульса на вертикально - отклоняющие пластины с задержкой относительно начала горизонтально - отклоняющего напряжения, что дает возможность хорошо наблюдать фронт импульса.
Усилитель вертикального отклонения усиливает исследуемый сигнал, подаваемый со входного устройства, до уровня, позволяющего получить достаточное вертикальное отклонение луча (высоту изображения сигнала) на экране ЭЛТ.
Канал горизонтального отклонения x или канал развертки, служит для создания и передачи напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорциональное времени. Вторая функция этого канала - усиление сигнала, синхронизирующего напряжение горизонтального отклонения. В его состав входят: генератор напряжения горизонтального отклонения; усилитель, усиливающий вырабатываемое генератором напряжение до уровня, необходимого для отклонения луча в горизонтальном направлении; горизонтально - отклоняющие пластины; схема синхронизации, предназначенная для

преобразования, усиления и регулирования амплитуды, а также изменения полярности синхронизирующих напряжений. Иногда на входе канала горизонтального отклонения имеется аттенюатор.
Канал управления яркостью z предназначен для передачи со входа z на управляющий электрод ЭЛТ сигналов, модулирующих яркость свечения.
Обычно он состоит из усилителя, который, помимо усиления, позволяет изменять полярность модулирующего напряжения. В этот же канал чаще всего подается напряжение от калибровочного генератора меток времени.
Калибраторы применяются для измерения параметров исследуемого сигнала. Как правило, ими являются устройства для измерения напряжения и длительности.
Блок питания состоит из двух выпрямителей - высоковольтного, питающего высоким напряжением ЭЛТ, и низковольтного, питающего все узлы осциллографа и низковольтные электроды трубки, а также схемы регулировок напряжений, управляющих яркостью, фокусировкой и положением светящегося пятна на экране ЭЛТ.
Виды разверток и их применение
Для воспроизведения формы исследуемого сигнала на экране ЭЛТ используется его развертка во времени. Развертка - это линия на экране осциллографа, которую вычерчивает луч в отсутствии сигнала. В осциллографах используют линейную развертку. Линейная развертка может быть однократной, непрерывной и ждущей.
Однократная развертка применяется для наблюдения одиночных и непериодических процессов.
Рисунок 2.53 – Однократная развертка
Непрерывная линейная развертка применяется для исследования периодически повторяющихся сигналов. Напряжение развертки вырабатывается непрерывно. Период развертки следует выбирать так, чтобы изображение на экране было неподвижным. Это достигается выполнением следующего условия: отношение периода развертки Тр к периоду исследуемого сигнала Т кратно целому числу: n = Тр/Т, где n=1, 2, 3, 4 …

Рисунок 2.54 – Непрерывная развертка
Кратность развертки периоду повторения сигнала обеспечивается устройством синхронизации осциллографа. Виды синхронизации: внутренняя, внешняя и от сети. Ждущая линейная развертка применяется для исследования непериодических сигналов, а также импульсов малой длительности с большим периодом повторения. Сущность ждущей развертки заключается в том, что генератор развертки ждет, когда на вход осциллографа поступит исследуемый сигнал. Ввиду того, что импульсы исследуемого сигнала очень короткие, то во избежание искажения переднего фронта, необходимо, чтобы сигнал развертки поступил на пластины ЭЛТ чуть раньше, чем исследуемый сигнал. Временной сдвиг между этими сигналами осуществляет линия задержки.
Круговая (эллиптическая) развертка. В этом случае линия развертки представляет собой окружность или эллипс. Для создания круговой развертки используется генератор синусоидального напряжения, сигнал с которого подается на пластины Х непосредственно, а на пластины У - со сдвигом 90 0
. Равенство амплитуд напряжений на пластинах дает круговую развертку; при неравенстве линия развертки представляет собой эллипс.
Скоростные осциллографы
Осциллографы широкого применения непригодны для исследования импульсов с малой длительностью и небольшой высотой. Причина заключается в том, что полоса частот, пропускаемая каналом вертикального отклонения этих осциллографов, недостаточна для неискаженного воспроизведения формы импульса, особенно его фронта. Кроме того, конечное время пролета электронов и наличие паразитных параметров отклоняющих пластин и их выводов вызывают дополнительные частотные ограничения.
В скоростных осциллографах используются сверхширокополосные усилители с распределенным усилением и электронно-лучевые трубки с отклоняющими системами, работающими по принципу бегущей волны. Это позволяет получить полосу

весьма короткой длительности (от единиц наносекунд до десятых и сотых долей наносекунды). Основной узел таких осциллографов – ЭЛТ типа бегущей волны (пропускания в несколько гигагерц. Однако такие осциллографы имеют малую чувствительность, очень сложны, дороги и неудобны в эксплуатации.
Скоростные осциллографы (осциллографы на трубках бегущей волны) предназначены для исследования однократных и редко повторяющихся импульсных сигналов, и процессов ЭЛТБВ) – обеспечивает усиление поступающих на ее вход исследуемых сигналов и отклонение электронного луча под действием этих усиленных сигналов. Отклоняющее устройство ЭЛТБВ при этом может представлять собой распределенную плоскую двух проводниковую
«меандровую» замедляющую систему (рис. 2.55).
Рисунок 2.55 - Несимметричная (а) и симметричная (б) отклоняющие системы ЭЛТБВ: Δ – отклонение луча; R
н
– согласованная нагрузка
Отклоняющее электромагнитное поле сигнала в этой системе представляет собой бегущую волну, которая поглощается в согласованной нагрузке R
н на конце системы. Электронный луч, распространяясь вдоль оси системы синхронно с этим электромагнитным полем, взаимодействует с ним. Этим и достигается усиленное отклонение луча Δ на конце системы. Существуют и другие виды замедляюще- отклоняющих систем. Замедляющая система имеет стандартное волновое сопротивление ρ = R
н
. Скорость электромагнитной волны регулируется шагом меандра. Для отклонения по горизонтали используют обычные отклоняющие пластины. Чувствительность к отклонению (величина, обратная коэффициенту отклонения) зависит от длины замедляющей системы и от режима трубки и составляет несколько значений ширины луча на 1 В отклоняющего напряжения.
Для повышения чувствительности ЭЛТБВ применяют специальные квадрупольные линзы. Ширина луча в ЭЛТБ обычно составляет десятые доли миллиметра. Рабочая полоса частот скоростных осциллографов, не имеющих, как правило, усилителей на входе, целиком определяется рабочей полосой

согласованной распределенной отклоняющей системы и составляет обычно несколько гигагерц. Одна из особенностей применения сверхширокополосных скоростных осциллографов на ЭЛТБВ – синхронизация от внутреннего источника в осциллографе, запускаемого внешним сигналом. Только в этом случае реализуется наибольшая рабочая полоса осциллографа. При синхронизации исследуемым сигналом возникает необходимость компенсации начальной задержки развертки, требующей применения сверхширокополосных задерживающих устройств, как правило, ограничивающих полосу пропускания.
Рисунок 2.56 – Структурная схемаосциллографов на ЭЛТБВ
К специфическим параметрам осциллографов на ЭЛТБВ относятся:
∙ скорость записи сигнала, характеризующая способность осциллографа к воспроизведению на экране сверхскоростных процессов при однократном
«пробеге» луча и составляющая иногда свыше 3 тыс. км/с;
∙ минимальная начальная задержка развертки, определяющая требования к компенсирующей линии задержки, обеспечивающей исследование сигналов в режиме синхронизации от самого сигнала.
Таким образом, с помощью универсальных и скоростных осциллографов невозможно проникнуть в область наносекундных импульсов и сверхвысокочастотных колебаний. Для их исследования предложен стробоскопический метод осциллографирования, на основе которого созданы осциллографы на обычных электронно-лучевых трубках без широкополосных усилителей, сочетающие высокую чувствительность и широкую эквивалентную полосу пропускания.

Стробоскопические осциллографы
Стробоскопическим называется осциллограф, использующий для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор проб мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляется его временное преобразование. Принцип работы стробоскопического осциллографа основан на измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью коротких стробирующих импульсов и базируется на стробоскопическом эффекте. Он позволяет обеспечить широкую полосу пропускания и высокую чувствительность осциллографа.
На рис. 2.57 представлена структурная схема одноканального стробоскопического осциллографа.
Рисунок 2.57 – Структурная схема одноканального стробоскопического осциллографа
Временные диаграммы работы узлов стробоскопического осциллографа (рис. 2.57) показаны на рис. 2.58.
Исследуемый сигнал (рис 2.58, а) поступает стробоскопический смеситель (СМ), содержащий диодную ключевую схему и устройство памяти.
Осциллограф запускается синхронизирующими сигналами, опережающими исследуемый сигнал на время задержки стробоскопической развертки. Это могут быть внешние импульсы, внешнее синусоидальное напряжение или сам исследуемый сигнал.

Рисунок 2.58 - Исследуемые сигналы
Устройство синхронизации (УСиЗ) формирует импульсы запуска, частота повторения которых либо равна частоте исследуемого сигнала (рис. 2.58, б), либо в m раз меньше. Импульсы запуска управляют работой схемы, в которую входят генератор пилообразного напряжения (ГПН), генератор ступенчатого напряжения (ГСН) и компаратор (К). ГПН И ГСН формируют линейно и ступенчато нарастающие сигналы (рис. 2.58, в), которые подаются на входы компаратора. Длительность ГПН равна длительности t
X
исследуемого сигнала, а длительность ГСН в k
ТР
(k
ТР
= nT
C
/t
X
= T
C
/∆T – коэффициент трансформации масштаба времени; T
C
= T
X
+ ∆T; n – число точек считывания) больше. В момент равенства сигналов ГПН и ГСН срабатывает компаратор (К) и своим выходным сигналом запускает генератор импульсов запуска (ГИЗ), формирующий импульсы с крутым фронтом (рис. 2.58, б). Они запускают генератор строб- импульсов (ГС), ГСН и срывают колебания ГПН. После каждого импульса
ГИЗ, напряжение на ГСН ступенчато повышается на постоянную величину, а в промежутках между импульсами остается постоянным (рис. 2.58, в). Этот процесс повторяется до уровня, определяемого величиной k
ТР
, после чего ГСН автоматически сбрасывается и начинается новый цикл нарастания напряжения ГСН.
Строб-импульс (рис. 2.58, г) запускает диодно-ключевую схему СМ и устройство памяти запоминает мгновенное значение исследуемого сигнала, соответствующее моменту поступления строб-импульса. Расширенные и промодулированные огибающей исследуемого сигнала импульсы с выхода СМ передаются по цепочке, состоящей из предварительного усилителя (ПУ), аттенюатора (АТ) и импульсного усилителя (ИУ), который расширяет импульсы выборок. Импульсный сигнал с выхода ИУ поступает на расширитель импульсов
(РИ), где превращается в аналоговый сигнал за счет расширения импульса до

периода повторения (рис. 2.58, д). Это напряжение усиливается в усилителе вертикального отклонения (УВО) и подается на пластины Y ЭЛТ. Для повышения четкости изображения плоские участки напряжения подсвечиваются импульсами схемы подсвета луча (СПЛ), управляемой ГИЗ (рис. 2.58, е). Изображение исследуемого сигнала на экране ЭЛТ будет иметь вид светящихся точек
(черточек), равномерно отстоящих друг от друга (рис. 2.58, ж). Напряжение отрицательной обратной связи с РИ на СМ автоматически регулирует положение рабочей точки на ВАХ диода смесителя, обеспечивая высокую линейность преобразования.
Так как стробирование исследуемого сигнала приводит к дискретизации измерительной информации, необходимо знать минимально необходимое число точек считывания сигнала n
MIN
. Значение n
MIN
n может быть оценено по формуле n
MIN
= 2f
MAX t
X
, где f
MAX
– верхняя граничная частот спектра U
X
. Для увеличения можно считывать после пропуска некоторого числа периодов сигнала. В этом случае T
C
= mT
X
+ ∆T. Как и в известных механических и электрических стробоскопах, происходит кажущееся замедление быстропротекаемого процесса, т.е. трансформируется масштаб времени.
Поступающие на вход стробоскопического осциллографа сигналы последовательно измеряются (считываются) в точках при помощи коротких стробирующих импульсов, длительность которых tстр. Последовательность измерения достигается путем автоматического сдвига во времени стробимпульса на интервал Dt в пределах длительности сигнала t или в пределах его периода следования Tс. Интервал Dt называется шагом считывания; его длительность зависит от числа точек считывания, Dt = t/n =Tc/n.
Очевидно, что длительность строб - импульса должна быть много меньше шага считывания: tстр << Dt.
Рисунок 2.59 - Принцип стробоскопического осциллографирования.
Сигнал и строб - импульсы (Рис.2.59, а, б) подаются в смеситель осциллографа, на выходе которого возникают импульсы напряжения, высота

которых пропорциональна мгновенным значениям исследуемого сигнала в точках измерения (считывания) (Рис. 2.59, в). Огибающая этих импульсов (Рис.
2.59, г) повторяет форму исследуемого сигнала.
Таким образом, исследуемый сигнал «растягивается» во времени в несколько раз и во столько же раз расширяется эквивалентная полоса пропускания осциллографа. Для обеспечения автоматического сдвига стробирующих импульсов их период следования должен отличаться от периода следования сигнала точно на шаг считывания Tстр = Tс + Dt. Считывание можно производить не в каждый период сигнала, а через m периодов, в этом случае период следования строб - импульса должен быть равен Tстр + m×Tс + Dt, где m = 1, 2, 3, ... .
Промышленность выпускает несколько типов одно - и двухлучевых стробоскопических осциллографов с эффективной полосой пропускания 0 - 2 ГГц и 0 - % ГГц, а также стробоскопические приставки, расширяющие частотные возможности универсальных осциллографов. В ближайшее время благодаря прогрессу в производстве быстродействующих полупроводниковых приборов и интегральных узлов ожидается расширение эффективной полосы до 15 - 20 ГГц.
Запоминающие осциллографы
Запоминающие трубки. Эти трубки содержат те же элементы, что и ЭЛТ широкого применения. Это позволяет использовать их в режиме осциллографирования без запоминания. Дополнительно запоминающие ЭЛТ оснащают узлом памяти, узлом воспроизведения и вспомогательными электродами. Узел памяти содержит мишень — сетку, покрытую слоем диэлектрика, и коллектор — более крупноструктурную сетку, расположенную поверх мишени. Запись изображения осуществляется электронным лучом высокой энергии (записывающий луч). Электроны луча оседают на мишени, причем количество заряда пропорционально току луча. При перемещении луча на мишени создается, потенциальный рельеф, повторяющий форму осциллограммы. После прекращения действия сигнала потенциальный рельеф мишени сохраняется длительное время (особенно при отключенном питании ЭЛТ).
Для наблюдения записанного изображения служит узел воспроизведения, состоящий из катода с подогревателем, модулятора и электродов коллиматора. Катод создает поток электронов малой энергии, плотность которого регулируется модулятором. Коллиматор формирует широкий пучок, равномерно облучающий мишень. Потенциалы мишени и коллектора подобраны таким образом, чтобы при отсутствии записанного изображения медленные электроны воспроизводящего пучка не могли пройти через мишень. В этом случае свечение экрана минимально. При наличии

потенциального рельефу в этих треках мишени часть электронов проходят к экрану, вызывая его свечение. На экране появляется осциллограмма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Стирание записи производится подачей на мишень положительного импульса, выравнивающего потенциал мишени.
Современные запоминающие ЭЛТ имеют скорость записи от 5-10 до
4000км/с. Остальные параметры запоминающих ЭЛТ не отличаются от параметров ЭЛТ широкого применения. Перспективным типом отображающего устройства, применяемого в осциллографах с аналого-цифровым преобразованием исследуемого сигнала, является матричная индикаторная панель. Она представляет собой совокупность отдельных дискретных излучателей
(газоразрядных, твердотельных и пр.).
В настоящее время серийно выпускаются матричные индикаторные панели с числом ячеек 100×100, что обеспечивает разрешающую способность 1 лин/мм.
Экспериментальные образцы содержат 1000×1000 ячеек, что обеспечивает разрешающую способность, сравнимую с лучшими образцами ЭЛТ.
Запоминающий осциллограф - это осциллограф, который при помощи специального устройства, например ЭЛТ с памятью или электронного ЗУ, позволяет сохранять на определенное время исследуемый сигнал и при необходимости представлять его для однократного или многократного визуального наблюдения или для дальнейшей обработки
Универсальные осциллографы (с не запоминающей трубкой, широкой полосой пропускания) позволяют исследовать однократные сигналы, однако детальное изучение осциллограмм возможно лишь при фотографировании с дальнейшей обработкой фотопленки и ее просмотром с низкой точностью определения, амплитудных и временных параметров сигналов. Для непосредственного наблюдения и детального исследования применяют запоминающие осциллографы.
Структурные схемы аналоговых ЗО по сути не отличаются от не запоминающих, они имеют несколько узлов для управления трубкой с памятью.
Основу АЗО составляет специальная запоминающая электронно-лучевая трубка
(ЗЭЛТ) с видимым изображением, обладающая способностью преобразовывать электрические сигналы в электрические заряды, сохранять их в течение определенного времени и затем воспроизводить. Запоминающая ЭЛТ содержит два электронных прожектора – записывающий и воспроизводящий с элементами запоминания – и экран, покрытый люминофором.
На рис. 2.60 показана схематическая конструкция ЗЭЛТ. Записывающий прожектор (электронная пушка) 1, отклоняющие пластины 4 работают так же, как и в обычных ЭЛТ. Напряжения, поданные на пластины Y, X, управляют потоком электронов только записывающего прожектора, т. е. воздействуют на записывающий луч. Запоминание осуществляется специальной мишенью 6, состоящей из мелкоструктурной металлической сетки (около 10000 ячеек на 1 см
2
) и слоя диэлектрика, способного излучать большое количество вторичных электронов при попадании на него электронного записывающего луча. Между сеткой и диэлектриком проложена тончайшая изолирующая прокладка, препятствующая попаданию выбитых электронов на сетку. Благодаря этой

прокладке сетка и слой диэлектрика образуют подобие конденсатора. В непосредственной близости от мишени располагаются коллекторная сетка
(коллектор) 5 с более крупной структурой и ионный отражатель 8.
Рисунок 2.60 - Конструкция ЗЭЛТ: 1 – электронная пушка; 2 – кольцевые электроды; 3 – прожектор; 4 – отклоняющие пластины; 5 – коллекторная сетка; 6
– мишень; 7 – экран; 8 – отражатель
Записывающий луч состоит из быстрых электронов (с энергией порядка тысяч электрон-вольт) и воспроизводит на мишени невидимое изображение линии потенциального рельефа, соответствующее форме исследуемого сигнала.
Пробегая по диэлектрику мишени, луч выбивает вторичные электроны, оставляя при этом положительно заряженные участки.
Если теперь включить воспроизводящий прожектор 3 (вместе с кольцевыми электродами 2), то его медленные электроны могут проникнуть через положительно заряженные участки мишени, получить ускорение большим положительным зарядом алюминированного экрана 7 и, ударяясь о люминофор,

вызвать его свечение. На экране появляется изображение, нанесенное на мишени.
Вторичные электроны притягиваются положительно заряженным коллектором и обратно на мишень не попадают.
Время воспроизведения в реальных условиях, т.е. время, пока можно наблюдать изображение на экране, очень ограничено (не более 1 мин). Это происходит потому, что электроны воспроизводящего луча сталкиваются с оставшимися в колбе молекулами газов, образуя положительные ионы, которые нейтрализуют отрицательный заряд мишени. Мишень перестает быть пригодной для воспроизводящих электронов, они свободно проходят к экрану, весь экран начинает светиться, и на общем светлом фоне изображение теряется. Если же сразу по получении на экране изображения сигнала осциллограф выключить, то записанное электрически на мишени изображение (потенциальный рельеф) может существовать довольно длительное время (от 18 часов до 7 суток) и быть воспроизведено при повторном включении осциллографа. Стирается изображение подачей положительного прямоугольного импульса на металлическую сетку мишени памяти. Мишень становится прозрачной для медленных электронов, они пролетают сквозь нее по всей площади и вызывают сильное свечение экрана, стирая изображение. После прекращения действия стирающего импульса потенциал сетки мишени и диэлектрика падает, свечение экрана прекращается и трубка вновь готова к записи.
В последние годы большое распространение находят цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО; DSO – digital storage oscilloscope).
Цифровое преобразование принципиально изменяет сущность методов изучения сигнала. Осциллограф превращается в устройство, преобразующее сигнал в цифровую форму, удобную для дальнейшей обработки, запоминания, отображения и, при необходимости, преобразования его в аналоговую форму для индикации. Измерение любого параметра сигнала сводится к составлению программ, заложенных в вычислительное устройство (в микропроцессор осциллографа либо в процессор персонального компьютера).
Принцип работы ЦЗО
В основе принципа работы цифрового осциллографа лежит преобразование исследуемого аналогового сигнала u(t) в последовательность цифровых значений
(квантованных мгновенных значений) u
1
, u
2
, u
3
, ... сигнала в определенные моменты t
1
, t
2
, t
3
, … (рис. 2.61).

Рисунок 2.61 - Дискретные выборки аналогового сигнала
Эту задачу выполняет аналого-цифровой преобразователь. Числовой код мгновенных значений сигнала передается в запоминающее устройство (ЗУ), где накапливается последовательность чисел, которые могут храниться длительное время. Цифровая форма сигнала делает возможным выполнение программной и графической обработки числовых данных и отображение сигнала на плоском матричном светодиодном или жидкокристал лическом экране, либо на экранах
ЭЛТ кинескопа.
Исследуемый аналоговый сигнал u(t) подается на входное устройство
(аттенюатор, усилитель), которое осуществляет согласование с рабочим диапазоном входного напряжения АЦП (рис. 2.62).

Рисунок 2.62- Упрощенная схема цифрового осциллографа
Далее АЦП в дискретных точках времени (точки выборки) преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, кодирует и запоминает в дискретной памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). В канале вертикального отклонения создается цифровой код мгновенных значений сигнала. Генератор тактов временной выборки, в канале горизонтального отклонения задает моменты временной выборки, частоту и скорость выборки в соответствии с длительностью и частотой следования исследуемого сигнала. Таким образом, создается код адреса.
Данные цифрового кода мгновенных значений сигнала и код адреса записываются в ОЗУ для хранения и передачи для отображения на жидкокристаллическом дисплее. Схема синхронизации синхронизирует работу всех блоков.
Особо необходимо остановиться на правильном выборе частоты дискретизации. Этот параметр определяет, как часто АЦП производит квантование. При высокой частоте дискретизации больше частота выборки
(отсчетов); это обеспечивает лучшее представление исходного измеряемого сигнала (рис. 2.63).
Рисунок 2.63 - Эффект достаточного (а) и малого (б) числа выборок
Согласно теореме Котельникова выбор частоты дискретизации определяется частотой высшей гармоники, содержащейся в исследуемом сигнале.
Шаг дискретизации Dt = 0,5/f
m
. Это означает, что частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше наибольшей частоты исследуемого сигнала.
Например, звуковые сигналы, преобразованные с помощью микрофона, имеют составляющие частоты до 20 кГц. Для преобразования таких сигналов необходимы АЦП с частотой квантования более 40 кГц.

Число разрядов, используемых АЦП для представления сигнала в цифровой форме, называется разрешающей способностью, или разрядностью АЦП. Чем выше разрядность, тем больше ступеней квантования, на которые разделен измеряемый сигнал. На рис. 2.64 представлено преобразование аналогового сигнала с помощью трехразрядного идеального АЦП, который делит диапазон измеряемого сигнала на 2 3
, т.е. на 8 ступеней.
Рисунок 2.64 - Преобразование аналогового сигнала с помощью трехразрядного АЦП
Каждая ступень представляется двоичным кодом от 000 до 111. При цифровом преобразовании часть информации о сигнале теряется. При увеличении разрядности АЦП до 12 бит, т.е. до 2 12
, число ступеней возрастает с 8 до 4096 и можно получить более точное изображение измеряемого аналогового сигнала.
Применение современных ЦЗО и микропроцессоров позволяет осуществить самодиагностику и тестирование всех блоков измерений, автоматизировать процессы измерения, обработки сигналов и т.д. Современные ЦЗО в магистрально-модульном исполнении со встроенным микропроцессором имеют аналогичные структурные схемы и отличаются друг от друга способами регистрации отображения и обработки сигналов.

Рисунок 2.65 – Структурная схемасовременного ЦЗО
Анализаторы спектра сигналов. Измерители коэффициента
нелинейных искажений
Радиотехнические сигналы при взаимодействии друг с другом или с помехой, а также проходя через устройства, содержащие нелинейные элементы, претерпевают изменение формы и спектра. При взаимодействии сигналов возникает модуляция и значение искажений необходимо измерять форму сигнала и его спектр.
Измерение спектра предусматривает определение большого числа гармонических составляющих, которое при исследовании непериодических сигналов стремится к бесконечности. Спектральная функция импульсного сигнала х (t) представляет собой комплексную функцию вида
(56)
Измерения выполняются в течение некоторого интервала времени T, поэтому формула (1) преобразуется в следующую:

(57)
Из рассмотрения формулы (2) видно, что измеряемый спектр является функцией частоты и интервала времени измерения. Функцию S
T
(ω) называют текущим спектром сигнала. Очевидно, что с увеличением интервала времени измерения текущий спектр приближается к истинному.
Для определения спектра периодического несинусоидального сигнала необходимо измерить амплитуды и частоты его гармонических составляющих.
Для этой цели применяют приборы – анализаторы гармоник и анализаторы спектра – как с ручным управлением, так и автоматические. Гармонические составляющие можно измерять поочередно или одновременно; первый способ анализа спектра называют последовательным, а второй – параллельным.
Анализатор гармоник представляет собой высокоизбирательное устройство, при помощи которого можно измерить амплитуду и частоту одной гармонической составляющей в присутствии всех других.
Рисунок 2.66 - Структурные схемы анализаторов гармоник последовательного действия: а - с избирательными контурами; б – гетеродинный.
По схемным решениям анализаторы гармоник подразделяют на анализаторы с избирательными контурами и гетеродинные (рис. 2.66). В диапазоне низких частотах избирательные контуры выполняют в виде узкополосных фильтров, в диапазоне высоких частот используют колебательные контуры, на СВЧ – объемные резонаторы.
При параллельном анализе исследуемый сигнал после входного устройства поступает одновременно на n каналов, состоящих из узкополосных фильтров, настроенных на основную частоту и ее гармоники
(рис. 2.67). Напряжения соответствующих гармонических составляющих после квадратичного детектирования через коммутирующее устройство попадают на

индикатор, регистрирующий абсолютные или относительные значения напряжения гармоник. При малом числе каналов (например, 3 или 5) коммутатор не обязателен, можно использовать необходимое количество индикаторов.
Рисунок 2.67 - Структурная схема анализатора гармоники параллельного действия.
Анализаторы гармоник применяются в основном для исследования гармонических составляющих несинусоидальных сигналов низкой частоты.
Измерение нелинейных искажений
Нелинейным искажение гармонического сигнала называется изменение его формы, возникающее в результате прохождения сигнала через устройство, содержащее нелинейный элемент. Искаженный сигнал можно представить в виде суммы постоянной составляющей, первой гармоники с частотой f и высших гармоник к частотам 2f, 3f,…nf.
Мерой нелинейного искажения гармонического сигнала является коэффициент гармоник, характеризующий отличие формы данного периодического сигнала от гармонического.
(58) где Ai – амплитуда i-й гармоники сигнала.
Нелинейные искажения измеряют двумя методами: гармоническим и комбинационным. При гармоническом методе на вход испытуемого устройства подают один гармонический сигнал, при комбинированном – два (или три) сигнала разных частот. Существует статистический метод, при котором на вход подают шумовой сигнал.

Измерение нелинейных искажений гармоническим методом осуществляется при помощи прибора – измерителя нелинейных искажений.
Входное устройство предназначено для согласования выходного сопротивления исследуемого объекта с входным сопротивлением измерителя нелинейных искажений. Широкополосный усилитель обеспечивает усиление сигнала до величины, удобной для отсчета и дальнейших вычислений.
Полоса пропускания усилителя охватывает диапазон частот от нижней рабочей частоты до пятикратного значения верхней частоты, на которой измеряются нелинейные искажения. Диапазон рабочих частот устанавливается переключением резисторов R, плавная настройка осуществляется сдвоенным блоком конденсаторов переменной емкости.
Для наблюдения формы сигнала или его высших гармоник предусмотрен выход на осциллограф. Выпускают для работы в диапазоне низких (звуковых частот).
В современных измерителях нелинейных искажений измерение производится автоматически. Одна из возможных структурных схем подобного
ИНИ показана на риcунке 2.68.
Рисунок 2.68 - Структурная схема ИНИ
Исследуемый сигнал через входное устройство ВУ подается в узел автоматической регулировки усиления АРУ. На его выходе поддерживается постоянное значение напряжения при изменениях исследуемого сигнала
С выхода АРУнапряжение поступает в режекторный усилитель РУ, в котором осуществляется автоматическое подавление первой гармоники предварительно усиленного входного сигнала. Узел автоматической подстройки частоты АПЧ управляет частотой режекции РУтаким образом, чтобы напряжение на его выходе стало минимальным. Напряжение высших гармоник поступает на вход усилителя У. Усиленное напряжение высших гармоник измеряется вольтметром среднеквадратического значения, состоящего из преобразователя Пр и отсчетного устройства ОУ, проградуированного в процентах К
НИ
Кроме рассмотренного способа К
НИ
можно измерять с помощью анализатора спектра. В этом случае измеряют действующие значения всех гармоник и затем рассчитывают коэффициент нелинейных искажений.
К основным характеристикам измерителей нелинейных искажений относятся: предел измерения К
ни
; диапазон частот входного сигнала; ослабление основной частоты; погрешность измерения К
ни
; остаточное искажение,обусловленное нелинейными искажениями и шумами прибора.

Примером ИНИ является анализатор С6-11, который имеет следующие данные: диапазон частот... 20 Гц...200 кГц; погрешность измерения... ±0,05 кГц в диапазоне частот 20 Гц...20 кГц, + 0,1 кГц в диапазоне 20 кГц...200 кГц; остаточное искажение - 0,05% в диапазоне частот 20 Гц...200 Гц, 0,02% в диапазоне 200 Гц...20 кГц, 0,1% в диапазоне 20 кГц...200 кГц.