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.

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
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.

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   

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 должна составлять

–      Изображение на экране оказывается очень бледным из-за высокой скорости перемещения луча по экрану. Например, при длительности импульса  и ширине экрана ЭЛТ 100 мм скорость луча оказывается равной

–      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  прибора по входу Y ().

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

                                                           (8.10)

Где  - дельта функция

 - математическая модель входного сигнала

 - момент стробирования

Период следования стробирующих импульсов () выбирается несколько больше периода исследуемого сигнала

                                                                            (8.11)

В этом случае на выходе АИМ формируется периодическая последовательность ''строб''- импульсов, промодулированных по  амплитуде входным сигналом.  Период следования указанных последовательностей определится как

                                                                            (8.12)

Где  - коэффициент трансформации масштаба времени современных осциллографов

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  при фактической полосе пропускания КВОпри соответствующем уменьшении скорости развертки без применения специальных ЭЛТ.

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