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

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:

my -[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

                                                     (8.1)

Где - крутизна пилообразного напряжения развертки.

В ЭЛТ обеспечивается линейная связь между смещением луча по горизонтали Lx(t) и напряжением, поданным на пластины горизонтального отклонения Ux
(t). Следовательно

                                                                 (8.2)

Где - чувствительность ЭЛТ по пластинам Х.

Таким образом, при подаче напряжения ГР на пластины Х будет выполняться условие

,                                                                   (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)    , 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   выполняется при (n=2; ) 

б) условие кратности частоты развертки частоте сигнала не выполнено (п=1,5; ) 

                                                      Рисунок  8.3

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   или  , 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  и горизонтали (калибровка КВО  и КГО).