Принцип работы осциллографа. Как пользоваться осциллографом? Как пользоваться портативным цифровым осциллографом? Принцип действия осциллографа

«ГРАФО» ЗНАЧИТ «РИСУЮ»

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМЫ 3 РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Мы живем в технологической цивилизации. Люди создали вторую природу – мир механизмов, сложнейших машин, радиоэлектронных устройств, которые используют практически весь известный диапазон электромагнитных излучений. Но человеческие органы зрения способны воспринимать только видимый свет. Мы не можем увидеть электрический ток, радиоволны, не можем без помощи приборов измерить даже простейшие параметры электрического сигнала. При работе со сложной радиоэлектронной аппаратурой часто возникает задача воспроизведения формы сигналов, т.е. зависимости мгновенного значения напряжения от времени. Её решение позволяет сразу оценить многие параметры колебаний, например, искажение их формы, наличие помех и многое другое. Воспроизведение формы сигналов играет важную роль при проверке и настройке аудио- и видеотрактов аппаратуры.

Для визуализации сигналов используются приборы, которые называются осциллографами, однако определение формы сигналов возможно не только во временной области, но и в частотной. Задачу воспроизведения сигнала в частотной области решают анализаторы спектра и измерители амплитудно-частотных характеристик, о которых будет рассказано в заключительной части этой брошюры.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

В настоящее время одним из наиболее распространенных радиоизмерительных приборов является электронный осциллограф, и это не удивительно, ведь он обладает исключительной наглядностью представления исследуемых сигналов, удобством и универсальностью. Осциллограф позволяет рассмотреть любые электрические процессы, даже если сигнал появляется в случайный момент времени и длится миллиардные доли секунды. По изображению на экране осциллографа можно определить амплитуду рассматриваемого сигнала и длительность любого его участка. С помощью осциллографа можно измерять частоту, фазу и коэффициент модуляции сигнала, а также производить другие комплексные измерения.

Осциллографические измерения отличаются широким диапазоном исследуемых частот (от постоянного тока до СВЧ), возможностью запоминания и последующего воспроизведения сигналов, высокой чувствительностью и возможностью отделения сигналов от помех.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОСЦИЛЛОГРАФОВ

По назначению и принципу действия осциллографы разделяются на:
Универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные.

По числу одновременно наблюдаемых сигналов их делят на одно-, двух- и многоканальные осциллографы.

По отображающему устройству осциллографы делят на электронно-лучевые и матричные (газоразрядные, плазменные, жидкокристаллические и т.п.).

По принципу обработки информации осциллографы делят на аналоговые и цифровые.

Универсальные осциллографы – приборы общего назначения, предназначенные для наблюдения гармонических и импульсных сигналов. С их помощью можно исследовать одиночные импульсы и пачки импульсов, получать одновременно изображение двух сигналов на одной развертке, детально исследовать любую часть сложного сигнала и многое другое. Они позволяют исследовать сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне амплитуд от долей милливольт до сотен вольт, а также измерять параметры таких сигналов с приемлемой для практики погрешностью 5-7%. Полоса пропускания универсальных осциллографов составляет 300… 500 МГц и более.

Универсальные осциллографы разделяют на две группы: приборы моноблочной конструкции и приборы со сменными блоками.

Моноблочные осциллографы общего назначения – наиболее распространенный тип осциллографов.

Осциллографы со сменными блоками отличаются многофункциональностью, достигаемой за счет применения сменных блоков различного назначения.

Скоростные и стробоскопические осциллографы применяются для исследования переходных процессов в быстродействующих полупроводниковых приборах, интегральных микросхемах и переключающих элементах.

Запоминающие осциллографы могут сохранять и воспроизводить изображение сигнала в течение длительного времени после исчезновения его на входе. Основное назначение этих приборов – исследование однократных и редко повторяющихся процессов.

Осциллографы специального назначения предназначены для исследования телевизионных сигналов, они позволяют не только исследовать любую часть телевизионного сигнала с высокой временной стабильностью, но и передавать его в цифровом виде на компьютер для дальнейшей обработки.

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ УНИВЕРСАЛЬНОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Рис. 1. Осциллограф С1-107 Общий вид

На рис. 1 показан внешний вид универсального аналогового осциллографа С1-107, а на рис. 2 показана его функциональная схема. Несмотря на разнообразие универсальных осциллографов, их функциональные схемы в целом одинаковы.

Осциллограф состоит из:

• Электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);
• Канала вертикального отклонения Y ;
• Канала горизонтального отклонения X ;
• Канала Z ;
• Мультиметра;
• Блока питания.

Канал вертикального отклонения усиливает или ослабляет исследуемый сигнал до значения, удобного для изучения на индикаторе. Положение ручки управления V/дел устанавливает усиление канала Y . Канал состоит из входного делителя, в который входят разъемы, аттенюаторы и переключатели; усилителя, усиливающего сигнал и расщепляющего полярность сигнала для симметричной подачи на пластины ЭЛТ, линии задержки и выходного усилителя. Линия задержки задерживает сигнал на время, необходимое для срабатывания канала горизонтального отклонения, т. е. генератора развертки и усилителя по оси X , чтобы движение луча по горизонтали началось раньше, чем усиленный сигнал поступит на пластины ЭЛТ. Это позволяет наблюдать передний фронт сигнала.

Рис. 2. Функциональная схема осциллографа С1-107

Канал горизонтального отклонения формирует синхронное с исследуемым сигналом пилообразное напряжение для создания оси времени на экране ЭЛТ. Формирователь импульсов запуска вырабатывает короткие запускающие импульсы. Генератор развертки создает линейно-нарастающее напряжение. Скорость нарастания регулируется ручкой Время/дел . Это напряжение поступает на выходной усилитель X ) который расщепляет полярность сигнала и усиливает напряжение развертки до значения, необходимого для требуемого масштаба изображения. Положительно нарастающее пилообразное напряжение подается на правую отклоняющую пластину ЭЛТ, а отрицательное – на левую. В результате луч по экрану трубки проходит слева направо установленное количество делений шкалы за единицу времени. При переключении синхронизатора в режим непрерывных колебаний обеспечивается автоколебательный режим работы развертки.

Усилитель внутренней синхронизации усиливает часть исследуемого сигнала и передает его для запуска развертки.

Осциллографы имеют калиброванные развертки и снабжаются для удобства отсчета сетчатыми шкалами, которые наносятся с внутренней стороны экрана трубки. Это избавляет оператора от ошибки из-за явлений параллакса.

В состав осциллографа входят также калибраторы амплитуды и времени, предназначенные для калибровки масштабов каналов вертикального и горизонтального отклонения, и источники питания со стабилизацией.

Многие современные осциллографы имеют встроенные мультиметры, которые позволяют с высокой точностью измерять значения постоянных и переменных напряжений, токов и сопротивлений. Мультиметр осциллографа С1-107 работает следующим образом. Измеряемые переменные токи и сопротивления преобразуются в переменное напряжение. Затем переменные напряжения преобразуются в постоянное напряжение, пропорциональное величине измеряемых параметров. Затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью АЦП и поступает в знакогенератор, предназначенный для формирования и написания знаков на экране ЭЛТ.

Осциллограф может работать либо в режиме осциллографирования, либо в режиме мультиметра. Совмещение этих режимов в данной модели невозможно.

ЦИФРОВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Рис. 3. Цифровой осциллограф

Цифровой осциллограф позволяет одновременно наблюдать на экране сигнал и получать численные значения ряда его параметров с большей точностью, чем это возможно путем считывания количественных величин непосредственно с экрана обычного осциллографа. Это возможно потому, что параметры сигнала измеряются непосредственно на входе цифрового осциллографа, тогда как сигнал, прошедший через канал вертикального отклонения, может быть измерен с существенными ошибками. Эти ошибки могут достигать 10%.

Параметрами, измеряемыми современными цифровыми осциллографами, являются: амплитуда сигнала, его частота или длительность. На экране осциллографа, помимо собственно осциллограмм, отображается состояние органов управления (чувствительность, длительность развертки и т. п.). Предусмотрен вывод информации с осциллографа на печать и другие функциональные возможности. Однако этим не ограничиваются возможности цифровых осциллографов. Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессорами позволяет определять действующее значение напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране преобразования Фурье для любого вида сигнала.

В устройствах цифровых осциллографов осуществляется полная цифровая обработка сигнала, поэтому в них, как правило, используется отображение на новейших индикаторных панелях.

В современных цифровых осциллографах автоматически устанавливаются оптимальные размеры изображения на экране трубки.

Функциональная схема цифрового осциллографа (рис. 4) содержит аттенюатор входного сигнала; усилители вертикального и горизонтального отклонения; измерители амплитуды и временных интервалов; интерфейсы сигнала и измерителей; микропроцессорный контроллер; генератор развертки; схему синхронизации и электронно-лучевую трубку.

Цифровые осциллографы обеспечивают автоматическую установку размеров изображения, автоматическую синхронизацию, разностные измерения между двумя метками, автоматическое измерение размаха, максимума и минимума амплитуды сигналов, периода, длительности, паузы, фронта и спада импульсов и пр.

Амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала определяются с помощью встроенных в прибор измерителей. На основании данных измерений микропроцессорный контроллер производит вычисление требуемых коэффициентов отклонения и развертки и через интерфейс устанавливает эти коэффициенты в аппаратной части каналов вертикального и горизонтального отклонения. Это обеспечивает неизменные размеры изображения по вертикали и горизонтали, а также автоматическую синхронизацию сигнала.

Микропроцессорный контроллер также опрашивает положение органов управления на передней панели, и данные опроса после кодирования снова поступают в контроллер, который через интерфейс включает соответствующий режим автоматического измерения. Результаты измерений индицируются на экране трубки, причем амплитудные и временные параметры сигнала отображаются одновременно.

Рис. 4. Функциональная схема цифрового осциллографа

ПОРТАТИВНЫЕ МУЛЬТИМЕТРЫ-ОСЦИЛЛОГРАФЫ

В последнее время на рынке контрольно-измерительных приборов появилась новая и довольно оригинальная их разновидность: портативные цифровые мультиметры-осциллографы.

Эти малогабаритные и сравнительно недорогие приборы сочетают в себе функцию мультиметра, позволяющего измерять параметры напряжений, токов и сопротивлений, измерять емкости, индуктивности, параметры транзисторов и диодов, и простого осциллографа.

Наиболее распространены на российском рынке мультиметры-осциллографы фирм BEETECH (рис. 5), Velleman, METEX и Tektronix.

Рис. 5. Мультиметр-осциллограф BEETECH 70

Рис. 6. Портативный персональный осциллограф Velleman HPS10

Осциллограф Velleman HPS10 (рис. 6) не обладает функциями мультиметра, но зато это полноценный осциллограф с полосой пропускания 2 МГц и частотой квантования АЦП 10 МГЦ. Прибор имеет высокую чувствительность – от 5 мВ на 12 делений, а диапазон разверток находится в пределах от 200 нс до 1 часа (!) на 32 деления. Прибор может работать от сети через адаптер или от встроенных аккумуляторов, которых хватает на 20 часов работы. Прибор имеет ЖК-дисплей с разрешением 128 х 64 точки. Такой осциллограф позволяет просматривать даже телевизионный сигнал (правда, довольно грубо).

Портативные осциллографы часто поставляются в пластиковых чемоданчиках, в которых кроме самого прибора находятся переходники, щупы, адаптер питания и руководство по эксплуатации.

В большинстве случаев такого прибора вполне достаточно для проведения измерений сигналов при выполнении инсталляций.

РАБОТА С ОСЦИЛЛОГРАФОМ

Современные осциллографы предоставляют богатый набор инструментов для исследования формы сигналов и измерения их параметров.

Проще всего работать с низкочастотными сигналами, например, с сигналами звукового диапазона частот (рис. 7), исследование высокочастотных сигналов и сигналов сложной формы (рис. 8) требует дополнительных навыков.

Рис. 7. Сигнал звуковой частоты на экране цифрового осциллографа

Специализированные телевизионные осциллографы имеют схемы развертки, позволяющие выделить из телевизионного сигнала любой кадр и любую строку, а вот при работе с осциллографами общего назначения нужно выбирать, какими импульсами синхронизации запускать развертку – кадровыми или строчными. Некоторые осциллографы имеют на переключателе режима развертки позиции TV-V и TV-H (запуск кадровыми и строчными синхроимпульсами соответственно). Если таких режимов нет, то для просмотра одного кадра нужно установить скорость развертки в положение 2 мс/дел, а для просмотра одной строки – 10 мкс/дел. Обычно запуск развертки телевизионным сигналом осуществляется при отрицательной полярности импульсов запуска.

При работе с осциллографом важно правильно выбрать режим запуска синхронизации развертки. Чаще всего выбирают режим запуска исследуемым сигналом, т.н. внутреннюю синхронизацию (в двухканальных осциллографах эти режимы называются CH1 и CH2). Если исследуемая аппаратура использует внешние сигналы синхронизации, то логично использовать их для запуска развертки осциллографа. Этот вид синхронизации называется внешней и обычно обозначается EXT. Если исследуются электротехнические устройства, то полезной может оказаться синхронизация от сети – LINE.

Удобный масштаб изображения устанавливается переключателем V/дел.

Рис. 8. Телевизионные сигналы на экране цифрового осциллографа

Двухканальный осциллограф позволяет, как показано на рис. 8, одновременно просматривать различные компоненты телевизионного сигнала.

Рис. 9. Гасящий импульс

Рис. 10. Сигнал цветовой синхронизации

Меняя скорость развертки и значение V/дел можно исследовать общий вид сложного сигнала или «растянуть» отдельный его фрагмент. На рис. 9 показана одна строка телевизионного сигнала, а на рис. 10 – «растянутый» сигнал цветовой синхронизации.

Рис. 11. Измерение длительности

Очень часто при работе с осциллографами возникает необходимость в измерении параметров исследуемых сигналов. Аналоговые осциллографы менее удобны. Для того чтобы определить амплитуду или длительность сигнала, нужно подсчитать, сколько клеток по вертикали или по горизонтали занимает исследуемый сигнал, а затем умножить количество клеток на цену деления переключателя В/дел или Время/дел. Например, если сигнал по вертикали занимает 3,5 клетки, а переключатель В/дел установлен в положение 100 мВ, то амплитуда сигнала составит 350 мВ. Точность такого метода невелика.

Цифровые осциллографы гораздо удобнее. Например, для того чтобы измерить амплитуду импульса на осциллограмме рис. 9, нужно включить режим измерения напряжений, затем подвести курсор 1 к вершине импульса, а курсор 2 – к его основанию. Осциллограф автоматически измерит напряжение, и в правой части экрана появится надпись: Delta – 296 mV.

Аналогично производится измерение длительностей, только в этом режиме курсоры имеют вид вертикальных линий (рис. 11).

На периферии экранов цифровых осциллографов (рис. 7-11) выводится разнообразная служебная информация, позволяющая, не глядя на органы управления прибором, определить, в каком положении находится переключатели В/дел, Время/дел, режимы синхронизации, ознакомиться с отсчетами напряжений, длительностей и пр.

Интерфейсы современных цифровых осциллографов у разных производителей различаются, поэтому перед началом работы следует внимательно изучить Руководство пользователя.

• Основным режимом измерений должен быть режим с закрытым входом (см. рис. 2). Это защитит цепи прибора от повреждения неожиданно высоким напряжением;
• Перед началом измерений поставьте переключатель В/дел на самый «грубый» предел, последовательно увеличивая усиление, добейтесь нужного размера изображения на экране;
• Пользуйтесь штатными щупами и пробниками осциллографа, это повышает точность измерений и снижает риск повреждения прибора;
• Если изображение на экране осциллографа имеет достаточную амплитуду, но рассмотреть его не удается, скорее всего, неверно выбрано положение переключателя Время/дел. Меняя его положение, добейтесь наиболее устойчивого изображения, затем выберите элемент сигнала, по которому будет осуществляться синхронизация с помощью ручки Амплитуда синхронизации. При необходимости измените полярность сигнала синхронизации и вид синхронизации.

КАК ВЫБРАТЬ ОСЦИЛЛОГРАФ?

Осциллограф – это сложный и дорогостоящий прибор, на рынке присутствуют сотни моделей – от самых простых и бюджетных до чрезвычайно дорогих, специализированных и прецизионных приборов. Как сделать правильный выбор и приобрести именно тот осциллограф, который окажется вам полезным при настройке аудио- видеооборудования? В этой главе мы дадим вам несколько советов.

Прежде чем приступить к выбору осциллографа, нужно четко понять, какие задачи предстоит решать с его помощью. При этом необходимо помнить и о перспективах, поскольку осциллограф приобретается не на один год и не для выполнения одной-единственной работы.

1. Какой осциллограф выбрать: аналоговый или цифровой?

Аналоговые осциллографы дают возможность непрерывно наблюдать аналоговый сигнал в реальном масштабе времени, имеют простые, понятные органы управления и невысокую стоимость. Вместе с тем аналоговые осциллографы имеют низкую точность по сравнению с цифровыми, на малых скоростях развертки для них характерно мерцание.

Цифровые осциллографы позволяют «замораживать» картинку на экране, имеют высокую точность измерений, яркое, хорошо сфокусированное изображение сигнала на любой скорости развертки, однако они стоят значительно дороже, сложны в управлении и в отдельных случаях неправильно отображают сигнал.

Неоспоримыми преимуществами цифровых осциллографов также являются возможности измерения напряжений и длительностей сигнала «на лету», а также возможность подключения к внешним регистрирующим устройствам, наличие средств автодиагностики и автокалибровки.

2. Определите необходимую полосу пропускания

Одной из основных характеристик осциллографа, влияющих на выбор прибора, является полоса пропускания, которая зависит от того, какие сигналы и с какой точностью необходимо измерять.

Имейте в виду, что цифровые осциллографы имеют два принципиально разных значения полосы пропускания: полоса для повторяющихся сигналов (или аналоговая) и полоса для однократных сигналов. Большинство реальных сигналов содержит множество высокочастотных гармоник, поэтому широкополосные осциллографы отображают такие сигналы более точно.

При проведении точных измерений временных характеристик величина полосы пропускания осциллографа должна как минимум в три раза превышать значение первой гармоники наиболее высокочастотного из измеряемых сигналов. А для точных измерений амплитуды желательно, чтобы полоса пропускания осциллографа была в десять раз больше, чем частота измеряемого сигнала.

Полоса пропускания аналоговых осциллографов редко превышает 400 МГц., в то время как цифровые осциллографы могут иметь полосу до 50 ГГц.

3. Определите необходимое количество каналов

Наибольшей популярностью пользуются двухканальные осциллографы, однако в последнее время все большее распространение получают четырехканальные модели, поскольку удельная стоимость канала у них меньше, чем у двухканальных моделей, а возможности существенно шире. Однако управлять таким прибором может быть непросто.

Некоторые осциллографы имеют 2 полных канала и 2 дополнительных канала с ограниченным диапазоном чувствительности. В этом случае в осциллографе имеются только 2 аналого-цифровых преобразователя (АЦП), входы которых коммутируются на 4 канала.

4. Определите необходимую частоту дискретизации (для цифровых осциллографов)

Для задач, связанных с изменением однократных или переходных процессов, частота дискретизации имеет первостепенное значение. Параметр «частота дискретизации» обозначает скорость, с которой осциллограф может оцифровывать входной сигнал. Более высокая частота дискретизации определяет более широкую полосу пропускания для однократных сигналов и дает большее временное разрешение.

Большинство производителей цифровых осциллографов используют отношение между частотой дискретизации и полосой для однократных сигналов на уровне 4:1 (если есть средства интерполяции) или 10:1 (без средств встроенной интерполяции) для предотвращения искажения сигнала.

5. Определите необходимый объем памяти (для цифровых осциллографов)

Требуемый объем памяти зависит от общей длительности сигнала, параметры которого необходимо исследовать, и желаемого разрешения по времени. Если исследуются сигналы в большом промежутке времени с большим разрешением, то потребуется большая память. Большой объем памяти позволит использовать более высокую частоту дискретизации на медленных скоростях развертки, уменьшая вероятность получения искаженного сигнала и обеспечивая получение большего объема информации о сигнале.

Следует иметь в виду, что увеличение объема памяти может привести к сильному замедлению работы осциллографа, поскольку ему потребуется обрабатывать больший массив данных.

6. Определите требуемые возможности по запуску прибора

Для большинства пользователей осциллографов общего назначения просто запуска по фронту (перепаду) сигнала часто бывает недостаточно. Для решения многих задач бывает также полезно иметь дополнительные возможности по запуску, позволяющие обнаружить события, которые иначе очень трудно отследить. Возможность запуска по телевизионному сигналу позволяет настроить прибор на определенное поле или строку.

7. Определите требуемые возможности по обнаружению импульсных помех

В принципе, любой аналоговый осциллограф всегда способен отобразить импульсные помехи и джиттер. Вопрос состоит лишь в том, достаточно ли скорости нарастания в канале вертикального отклонения (в конечном счете – полосы пропускания) и яркости осциллограммы для исследования этих процессов. Осциллографы с возможностями запуска по импульсной помехе позволяют выделять трудно обнаруживаемые импульсные помехи и производить по ним запуск осциллографа. Эта дополнительная возможность очень полезна при поиске причины ненормальной работы исследуемой схемы.

8. Дополнительные возможности

Многие современные цифровые осциллографы могут выполнять функцию анализатора спектра, однако в области звуковых частот она реализована, как правило, плохо.

Большинство цифровых и аналого-цифровых осциллографов могут взаимодействовать с персональным компьютером, принтером или плоттером через интерфейсы GPIB, RS-232 или Centronics. В последние годы все чаще используется интерфейс USB.

Многие современные цифровые осциллографы оснащены дисководами или разъемами для флэш-памяти, которые позволяют сохранять изображения экрана с осциллограммами (в различных форматах) и результаты измерений в числовом виде, а затем быстро перенести их в компьютер для дальнейшей обработки. Эти возможности позволяют сэкономить время, когда, например, требуется вставить изображение с экрана осциллографа в отчет или скопировать данные сигналов электронную таблицу.

Попробуйте поработать с прибором, оцените, насколько он прост в работе, возможно ли интуитивное управление прибором в то время, когда основное внимание уделяется исследуемой схеме? Оцените скорость реакции экрана, а также время, которое затрачивает осциллограф на выполнение команд. Есть ли у прибора память команд?

ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

При контроле технического состояния радиоэлектронной аппаратуры важное место занимает измерение амплитудно-частотных характеристик различных ее узлов.

При снятии амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) приборов или их узлов удобно представлять их в виде четырехполюсника. Тогда АЧХ – это зависимость модуля (абсолютного значения) коэффициента передачи четырехполюсника от частоты сигнала.

Коэффициент передачи – это отношение мощности или напряжения на выходе четырехполюсника к мощности или напряжению на его входе.

Если выходное напряжение меньше входного, при прохождении сигнала через четырехполюсник происходит ослабление сигнала. Такой четырехполюсник называется пассивным (пример – пассивный электрический фильтр), а коэффициент передачи является коэффициентом ослабления.

При выходном напряжении больше входного происходит усиление сигнала, и коэффициент передачи является коэффициентом усиления. Четырехполюсник в этом случае называется активным (пример – усилитель сигналов звуковых частот).

Значение коэффициента передачи четырехполюсника и значение частоты сигнала, на которой проводилось его определение, образуют точку в системе координат, а совокупность таких точек образуют кривую АЧХ в требуемом диапазоне частот. На рис. 12 в качестве примера приведена АЧХ антенного усилителя, работающего в диапазоне телевизионного вещания.

Рис. 12. АЧХ антенного усилителя

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Измерение параметров амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников проводится с помощью генератора качающейся частоты (ГКЧ) и индикаторного устройства.

Частота генератора плавно изменяется по определенному закону в требуемой полосе частот, а на индикаторе осциллографического типа воспроизводится кривая АЧХ.

Структурная схема простейшего автоматического измерителя АЧХ приведена на рис. 13.

Рис. 13. Структурная схема автоматического измерителя АЧХ

Сигнал с ГКЧ подается на вход исследуемого четырехполюсника. Из-за наличия у этого четырехполюсника зависимости модуля коэффициента передачи от частоты сигнала на его выходе сигнал модулирован по амплитуде. Огибающая этого сигнала, выделенная на детекторной головке, входящей в состав индикаторного устройства, управляет отклонением луча индикатора по вертикали, рисуя кривую АЧХ.

Управление частотой ГКЧ и отклонением луча индикатора по горизонтали осуществляется блоком модулирующего напряжения, одновременно синхронизирующим работу этих двух узлов.

В измерителе АЧХ, построенном по такой структурной схеме, горизонтальное положение луча на экране индикатора соответствует частоте на входе исследуемого четырехполюсника, а вертикальное – значению модуля коэффициента передачи на этой частоте. Таким образом, на экране автоматически вычерчивается кривая АЧХ исследуемого четырехполюсника.

Блок автоматической регулировки амплитуды служит для обеспечения постоянства уровня выходного сигнала во всем диапазоне качания частоты.

Часть сигнала с ГКЧ подается на блок частотных меток, в котором вырабатывается целый спектр калибровочных частот в пределах рабочего диапазона ГКЧ. В момент совпадения частоты ГКЧ с любой из этих частот образуются сигналы, которые подаются в индикаторный блок и наблюдаются на экране в виде амплитудных меток.

Для калиброванного изменения выходного напряжения ГКЧ служит аттенюатор.

В зависимости от ширины полосы качания приборы подразделяются на узкополосные, среднеполосные, широкополосные и комбинированные. Узкополосные измерители АЧХ обеспечивают полосу качания, составляющую доли и единицы процента центральной частоты, а широкополосные – полосу качания, составляющую полный диапазон частот прибора. Комбинированные совмещают в себе функции как узкополосных, так и широкополосных приборов.

Измерители АЧХ могут иметь линейный и логарифмический масштаб по амплитуде.

Наиболее широкое применение находят универсальные измерители АЧХ, позволяющие решать широкий круг измерительных задач. На рис. 14 показан измеритель АЧХ Х1-50 отечественного производства, который применяется при настройке и испытании телевизионной техники. Наличие в его составе встроенного генератора сетчатого поля позволяет осуществлять проверку линейности телевизионного изображения, а с помощью внешнего измерительного моста – проверку согласования антенных выводов.

Рис. 14. Измеритель АЧХ Х1-50

• Важную роль играет согласование выхода прибора с нагрузочным сопротивлением. Если на частотах до десятков мегагерц рассогласование приводит лишь к уменьшению уровня выходного сигнала, то на более высоких частотах – к увеличению неравномерности выходного сигнала в полосе качания. Согласование входа исследуемого устройства возможно путем подключения на конце кабеля, соединяющего их с выходом измерителя АЧХ, сопротивления, близкого к волновому. Если исследуемый четырехполюсник имеет низкоомный вход с волновым сопротивлением, отличным от выходного сопротивления измерителя АЧХ, то его необходимо соединять с прибором через согласующее устройство.
• При низкоомном выходе исследуемого устройства, например фильтра, телевизионного антенного усилителя, коаксиальной линии передачи, его следует подключать к входу индикаторного устройства через согласованную детекторную головку, а при отличии выходного сопротивления четырехполюсника от сопротивления нагрузки детекторной головки между ними необходимо устанавливать согласующее устройство.
• При исследовании АЧХ усилителей возможны искажения, вызванные их перегрузкой, в результате чего вершина кривой АЧХ будет выглядеть более плоской, чем на самом деле. В этом случае на вход усилителя нужно подавать сигнал с минимальным уровнем.
• При настройке многокаскадных устройств, например усилителей промежуточной частоты, видеоусилителей, когда необходимо просмотреть АЧХ каждого каскада в отдельности, используйте высокоомную детекторную головку из комплекта прибора.
• Если ваш измеритель АЧХ имеет двухканальный индикатор, можно настраивать АЧХ устройств, сравнивая их с эталонными. Для этого сигнал с выхода измерителя АЧХ подается одновременно на входы настраиваемого и эталонного устройств, а их выходы подключаются к отдельным каналам индикатора, усиление которых устанавливается одинаковым. Изменяя настройки устройства, добиваются совмещения его АЧХ с эталонной.
• Наряду с исследованием АЧХ четырехполюсников измерители АЧХ позволяют решать ряд других измерительных задач, таких как измерение добротности колебательного контура, крутизны АЧХ, полных сопротивлений и КСВ нагрузки, исследование кабелей.

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СПЕКТРА РАДИОСИГНАЛОВ

В практике работы со сложной современной радиоэлектронной аппаратурой визуальное наблюдение формы сигнала с помощью осциллографа иногда оказывается недостаточным. Более чувствительным и информативным является анализ спектральных характеристик сигналов . Особенно важным является знание спектрального состава сигналов в настоящее время, когда остро встает проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры, когда требуется определить параметры сигнала на входе и выходе линии его передачи.

В настоящее время известны два основных метода измерения характеристик спектра сигналов: вычисление преобразований Фурье и с помощью цифровых фильтров.

Преобразование Фурье позволяет представить сложный сигнал как совокупность гармонических синусоидальных колебаний с различными частотами и амплитудами.

На практике это означает, что практически любой сигнал можно разложить на конечное число гармоник с частотами , амплитудой и фазой – , где:

k=1, 2, 3…;
f 0 – частота первой гармоники;
T – время;
a k и b k – коэффициенты преобразования.

График зависимости величин в зависимости от k называют линейчатым спектром Фурье. Пример такого спектра, полученного аналитически, показан на рис. 15, а фото экрана анализатора спектра – на рис. 16.

Рис. 15. Линейчатый спектр Фурье

Рис. 16. Спектр сигнала, излучаемого АС

Таким образом, спектр сигнала характеризуется частотой, амплитудой и фазой его составляющих, которые и измеряются при создании и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры и электронных компонентов.

Кроме этих основных характеристик спектр сигналов характеризуется формой и шириной.

Бурное развитие вычислительной техники уже сейчас позволяет создавать анализаторы спектра на цифровом фильтре, эффективно работающие в низкочастотном (звуковом) диапазоне, что для анализаторов старых типов было почти неразрешимой задачей. Цифровые фильтры универсальны, стабильны, не нуждаются в подстройке, имеют широкий рабочий диапазон. Можно с уверенностью предположить, что анализаторы спектра этого типа в ближайшем будущем будут доминировать в этом сегменте рынка контрольно-измерительных приборов.

В электронных осциллографах можно на экране наблюдать кривые различных электрических и импульсных процессов, изменяющихся с частотой от нескольких герц до десятков мегагерц.

С помощью электронных осциллографов можно выполнять измерения различных электрических величин, получать семейство характеристик полупроводниковых приборов, определять параметры электронных устройств, а также проводить многие другие исследования.

Электронные осциллографы присоединяют к сети переменного напряжения 127 или 220 В, частотой 50 Гц, а некоторые из них, кроме того, могут получать питание от источника переменного напряжения 115 или 220 В, частотой 400 Гц либо от источника постоянного напряжения 24 В, включаемых нажатием кнопки «СЕТЬ» (рис. 1).

Рис. 1. Передняя панель электронного осциллографа С1-72

Поворотом двух соответствующих ручек, расположенных в нижней левой части передней панели прибора, можно регулированием яркости и фокусировки получить на экране светящееся пятно малых размеров с резко очерченным контуром, которое нельзя долгое время оставлять неподвижным во избежание порчи экрана электронно-лучевой трубки.

Это пятно легко сместить в любое место экрана поворотом ручек, возле которых нанесены двусторонние стрелки. Однако лучше до присоединения осциллографа к источнику питания органы его управления расположить так, чтобы на экране вместо точки сразу получить светящуюся горизонтальную линию развертки, яркость, фокусировку и расположение которой на экране отрегулировать в соответствии с требованиями эксперимента поворотом соответствующих ручек.

Исследуемое напряжение u (t ) подают соединительным кабелем к гнезду «ВХОД Y », что обеспечивает поступление его па входной делитель напряжения, управляемый ручкой «УСИЛИТЕЛЬ Y », а затем к усилителю вертикального отклонения луча. Если до этого на экране светилась неподвижная точка, то теперь на нем появится вертикальная полоса, длина которой прямо пропорциональна амплитуде исследуемого напряжения.

Включение встроенного в осциллограф генератора пилообразного напряжения, присоединенного к электронно-лучевой трубке через усилитель горизонтального отклонения луча с коэффициентом усиления, регулируемым поворотом ручки переключателя, расположенного в верхнем нравом углу передней панели прибора, изменяет длительность развертки и обеспечивает появление на экране изображения кривой u (t ).

В том случае, если до включения осциллографа органы его управления были установлены в положения, обеспечивающие появление горизонтальной линии развертки, подача исследуемого напряжения на «ВХОД Y » сопровождается появлением на экране той же кривой и u (t ). Неподвижность кривой исследуемого напряжения достигается нажатием одной из кнопок блока синхронизации и соответствующим поворотом ручек «СТАБИЛЬНОСТЬ» и «УРОВЕНЬ». Прозрачная шкала, прикрывающая экран электронно-лучевой трубки, облегчает необходимые измерения по вертикали и горизонтали.

Большинство электронных осциллографов позволяет одновременно подавать два исследуемых напряжения соответственно на входы Y и X, если предварительно нажать кнопку «ВХОД X».

При двух синусоидальных напряжениях одинаковых частот и амплитуд, сдвинутых по фазе относительно друг друга на а, на экране появляются фигуры Лиссажу (рис. 2 ), форма которых зависит от сдвига фаз α = arcsin B/A ,

где В - ордината точки пересечения фигуры Лиссажу с вертикальной осью; А - ордината верхней точки фигуры Лиссажу.

Рис. 2. Фигуры Лиссажу при двух синусоидальных напряжениях одинаковых частот и равных амплитуд, сдвинутых по фазе на α .

Наличие одного луча в электроннолучевой трубке является существенным недостатком осциллографа, исключающим одновременное наблюдение нескольких процессов на экране, что устранимо применением электронного коммутатора.

В двухканальных электронных коммутаторах имеются два входа с одним общим зажимом и один выход, присоединяемый К входу У электронного осциллографа. При работе коммутатора его входы поочередно автоматически подключаются к входу У, в результате чего на экране осциллографа одновременно наблюдают обе кривые напряжений, подведенных ко входам коммутатора. В зависимости от частоты переключения входов изображение кривых на экране получается в виде пунктирных или сплошных линий. Для получения желаемых масштабов кривых на входах коммутаторов установлены делители напряжения.

В четырехканальных электронных коммутаторах имеются четыре двухзажимных входа с делителями напряжения и один выход, подключаемый к входу Y электронного осциллографа, что позволяет одновременно видеть па экране четыре кривые. Обычно электронные коммутаторы имеют ручки для смещения кривых на экране осциллографа вверх и вниз, что позволяет располагать их в соответствии с требованиями эксперимента.

Одновременное наблюдение нескольких кривых возможно также в многолучевых осциллографах, у которых электронно-лучевая трубка имеет несколько систем электродов, создающих лучи и управляющих ими.

Электронные осциллографы позволяют не только наблюдать на экране различные установившиеся периодические процессы, но и фотографировать осциллограммы различных быстропротекающих процессов.

В настоящее время на смену аналоговым осциллографам приходят цифровые запоминающие осциллографы , которые обладают более серьезными функциональными и метрологическими возможностями.

Цифровые запоминающие осциллографы подключаются к персональному компьютеру или ноутбуку через параллельный порт LPT или USB -порт и используют возможности компьютера для отображения электрических сигналов. У большинства моделей дополнительного питания не требуется.

Все стандартные функции осциллографа реализуются с помощью специальных программ, запускающихся на компьютере, т.е. дисплей компьютера используется как экран осциллографа. Такие осциллографы отличаются очень высокой чувствительностью и полосой пропускания.

Рис. 3. Запоминающий цифровой осциллограф ZET 302

Рис. 4. Программа для работы с цифровым осциллографом

Запоминающие цифровой осциллограф фактически является специальной приставкой компьютеру, занимает намного меньше рабочего пространства по сравнению с аналоговыми моделями, так как функции обработки сигналов и их отображения переложены на обычный компьютер. Производительность цифрового запоминающего осциллографа ограничена только производительностью компьютера.

Общее управление последовательностью работы узлов цифрового осциллографа осуществляется микропроцессором. Функциональная схема цифрового осциллографа содержит ряд узлов характерных для компьютера. Это, прежде всего, микропроцессор, цифровые схемы управления и память.

Программное обеспечение цифрового осциллографа может выполнять множество функций, не свойственных светолучевому осциллографу, например, усреднение сигнала с целью его очистки от шумов, быстрое преобразование Фурье для получения спектрограмм сигнала и т. д.

Для любого профессионального настройщика электронных устройств или для инженера по радиоэлектронным устройствам основным рабочим устройством является осциллограф. Без него нельзя обойтись при настройке телевизора, передатчика. Осциллографы служат для контроля и наблюдения за периодическими сигналами различных форм, в том числе синусоидальной. Благодаря широкому интервалу развертки он дает возможность развернуть импульс даже для контроля наносекундных промежутков времени. Осциллограф подобен работе телевизора, который изображает электрические сигналы.

Устройство и принцип действия

Для лучшего понимания действия прибора, разберем блок-схему типового осциллографа, так как все их основные виды имеют аналогичное устройство.

На этой схеме не изображены блоки питания: низковольтный блок, подающий питание для работы узлов, и источник повышенного напряжения, применяющийся для генерирования высокого напряжения, приходящего на электронно-лучевую трубку. Также на схеме нет калибратора для настройки и подготовки прибора к работе.

Тестируемый сигнал поступает на канал вертикального отклонения «Y», далее на аттенюатор, выполненный в виде многопозиционного переключателя, настраивающего чувствительность осциллографа. Его шкала размечена в вольтах на сантиметр или в вольтах на одно деление. Это обозначает одно деление сетки координат на экране лучевой трубки. Там же изображены сами величины. Если амплитуда сигнала неизвестна, то устанавливается наименьшая чувствительность. В этом случае даже большой сигнал на 300 В не повредит прибору.

Обычно в комплекте с осциллографом есть делители , в виде специальных насадок с разъемами. Они работают так же, как аттенюатор. Эти насадки компенсируют емкость кабеля при работе с малыми импульсами. На фото показан делитель. Коэффициент деления равен 1:10.

С помощью делителя возможности прибора расширяются, можно исследовать сигналы в несколько сотен вольт. После делителя сигнал проходит на предварительный усилитель , раздваивается и приходит на переключатель синхронизации и линию задержки , которая служит для компенсации времени сработки генератора развертки. Оконечный усилитель создает напряжение, поступающее на «Y» -пластины, и отклоняет луч в вертикальной плоскости.

Генератор развертки создает пилообразное напряжение, поступающее на пластины «Х» и горизонтальный усилитель, при этом луч отклоняется в горизонтальной плоскости.

Устройство синхронизации создает условия для работы генератора развертки в одно время с появлением сигнала. В итоге на дисплей осциллографа выводится изображение импульса.

Переключатель синхронизации работает в положениях синхронизации от:

• Исследуемого сигнала.
• Сети.
• Внешнего источника.

Первое положение применяется чаще, так как оно более удобно.

Классификация

Осциллографы являются распространенным видом измерительных приборов. Существует несколько видов осциллографов, имеющих разные характеристики, устройство и работу.

Аналоговые осциллографы

Такие осциллографы являются классическими моделями этого типа измерительных приборов. Любые аналоговые осциллографы имеют делитель, вертикальный усилитель, синхронизацию и отклонение, блок питания и лучевую трубку.

Такие трубки имеют больший диапазон частоты. Отклонение луча на экране прямо зависит от напряжения пластин. Горизонтальная развертка работает по линейной зависимости от напряжения горизонтальных пластин.

Нижний предел частоты равен 10 герцам. Верхняя граница определяется емкостью пластин и усилителем. Сегодня аналоговые устройства вытесняются цифровыми приборами со своими достоинствами. Но аналоговые приборы пока не исчезают ввиду их малой стоимости.

Цифровые запоминающие

Если цифровые приборы сравнивать с аналоговыми, у них больше возможностей. Стоимость их постепенно снижается. Цифровой осциллограф включает в себя делитель, усилитель, преобразователь аналогового сигнала, памяти, блока управления и выведения на ЖК панель.

Принцип действия такого вида осциллографов придает им большие возможности. Входящий аналоговый сигнал модифицируется в цифровую форму, и сохраняется. Скорость сохранения определяется управляющим устройством. Ее верхняя граница задается скоростью преобразователя, а нижняя граница не имеет ограничений.

Преобразование сигнала в цифровой код дает возможность увеличить устойчивость отображения, сохранять данные в память, сделать растяжку и масштаб проще. Применение дисплея вместо электронной трубки позволяет отображать любые данные и осуществлять управление прибором. Дорогостоящие приборы оснащаются цветным экраном, что позволяет различать сигналы других каналов, курсоры, выделять цветом разные места.

Параметры цифровых осциллографов намного выше аналоговых моделей, в больших пределах находится растяжка сигнала. Кроме простых схем включения синхронизации, может использоваться синхронизация при некоторых событиях или параметрах сигнала. Синхронизацию можно увидеть непосредственно перед включением развертки.

Применяемые процессоры обработки сигнала дают возможность обработки спектра сигнала с помощью анализа преобразованием Фурье. Информация в цифровом виде позволяет записать в память экран с итогами измерения, а также распечатать на принтере. Многие приборы оснащены накопителями для записи изображения в архив и последующей обработки.

Цифровые люминофорные

Такой тип осциллографов работает на новой структуре построения, основанной на цифровом люминофоре. Он имитирует по подобию с аналоговыми приборами изменение изображения на экране. Люминофорные цифровые типы осциллографов дают возможность наблюдать на дисплее все подробности модулированных сигналов, как и аналоговые типы. При этом обеспечивается их анализ и хранение в памяти.

Люминофорные приборы, как и предыдущая рассмотренная модель, имеет свою память для хранения различной информации, в том числе хранится разница задержки времени между разными пробниками. Возможность люминофорных осциллографов выводить данные с изменяемой интенсивностью значительным образом упрощает поиск повреждений в импульсных блоках. Это выражено при вычислении глубины модуляции сигнала при регулировке напряжения на выходе, приводящее к нестабильному функционированию блоков.

В люминофорных цифровых осциллографах объединены достоинства цифровых и аналоговых устройств, а во многом превосходят их. Люминофорные приборы обладают всеми преимуществами запоминающих осциллографов, обеспечивая возможности аналоговых приборов: быструю реакцию на смену сигнала и его отображение с разной яркостью.

Цифровые стробоскопические

В этом виде осциллографов применяется эффект последовательного стробирования сигнала. При повторении сигнала выбирается мгновенное значение в определенной точке. При поступлении нового сигнала точка выбора смещается по сигналу. Так продолжается до полного стробирования сигнала. Модифицированный таким образом сигнал в виде огибающей линии мгновенных величин сигнала входа, повторяет форму сигнала.

Продолжительность модифицированного сигнала на много больше продолжительности тестируемого сигнала, а значит, имеется сжатие спектра. Это соответствует увеличению полосы пропускания. Стробоскопические виды осциллографов имеют большие полосы пропускания, и дают возможность производить исследования периодических сигналов с наименьшей продолжительностью. Стоимость стробоскопических осциллографов очень высока, поэтому их применяют чаще всего для сложных задач.

Виртуальные осциллографы

Новый вид приборов может быть отдельным устройством с параллельным портом для вывода или ввода информации, а также с портом USB, а также встроенным вспомогательным прибором на базе карт ISA. Программная оболочка виртуальных осциллографов позволяет полностью управлять устройством, и имеет несколько возможностей сервиса: импорт и экспорт информации, цифровая фильтрация, разнообразные измерения, обработка информации математическим способом и т.д.

Осциллографы с применением персонального компьютера могут применяться для широких возможностей измерения. Например, для обслуживания и разработки радиотехнической и электронной аппаратуры, в телекоммуникационной связи, при изготовлении компьютеризированного оборудования, при выполнении диагностических мероприятий средств автотранспорта на станциях технического обслуживания и для многих других случаев, где требуется оценка и тестирование неустойчивых переходных процессов.

Виртуальные модели осциллографов являются хорошим альтернативным вариантом для стандартных запоминающих цифровых осциллографов, так как они обладают достоинствами в виде малой стоимости, простоте применения, компактных размеров и высокого быстродействия. К недостаткам виртуальных осциллографов относится невозможность измерения и отображения постоянной величины сигналов.

Портативные осциллографы

Цифровые технологии быстро развиваются, в результате чего цифровые стационарные приборы модифицируют в портативные устройства с хорошими параметрами габаритных размеров и массы, а также низким расходом электрической энергии.

При этом портативные осциллографы с питанием от не уступают по характеристикам стационарным приборам по количеству функций, имеют большие возможности использования в разных областях научных исследований, промышленном производстве.

Устройство осциллографа

Осцилло́граф (лат. oscillo - качаюсь + греч. γραφω - пишу) - прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи; также измерения) амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране.

По назначению и способу вывода измерительной информации:

Осциллографы с периодической развёрткой для непосредственного наблюдения формы сигнала на экране (электронно-лучевом, жидкокристаллическом и т. д.);

Осциллографы с непрерывной развёрткой для регистрации кривой на фотоленте (шлейфовый осциллограф).

По способу обработки входного сигнала

Аналоговый;

Цифровой

По количеству лучей: однолучевые, двулучевые и т. д. Количество лучей может достигать 16-ти и более (n-лучевой осциллограф имеет nное количество сигнальных входов и может одновременно отображать на экране n графиков входных сигналов).

Осциллографы с периодической развёрткой делятся на: универсальные (обычные), скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные; цифровые осциллографы могут сочетать возможность использования разных функций.

Также существуют осциллографы, совмещенные с другими измерительными приборами (напр. мультиметром).

Осциллограф также может существовать не только в качестве автономного прибора, но и в виде приставки к компьютеру (подключаемой через какой-либо порт: LPT, COM, USB, вход звуковой карты).

С помощью электронного осциллографа можно наблюдать форму электрического сигнала, что делает его незаменимым при наладке и исследовании радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, электронным осциллографом можно измерять напряжение в исследуемых цепях; при этом он практически не потребляет энергии от исследуемый цепи и может работать в широком диапазоне частот. Благодаря этим свойствам прибора его широко применяют не только в радиотехнике, но и в других областях научных исследований.

Несмотря на разнообразие схем электронных осциллографов, они основаны на использовании электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Осциллограф с дисплеем на базе ЭЛТ состоит из электронно-лучевой трубки, блока горизонтальной развертки и входного усилителя (для усиления слабых входных сигналов). Также содержатся вспомогательные блоки: блок управления яркости, блок вертикальной развертки, калибратор длительности, калибратор амплитуды.

Рассмотрим типичную электронно-лучевую трубку с электростатическим управлением. Трубку откачивают до высокого вакуума, чтобы электроны могли двигаться без столкновения с молекулами воздуха (рис. 1).

Накаленный катод является источником электронов. Электроны летят вдоль оси трубки благодаря действию ускоряющего электрода или анода А, потенциал которого поддерживается положительным (несколько сотен или тысяч вольт) по отношению к катоду К.

Анод в простейшем случае представляет собой круглый диск с отверстием, из которого выходит некоторое количество электронов в виде узкого пучка (электронного луча). Пучок, распространяющийся вдоль оси трубки, попадает на флуоресцирующий экран, где часть кинетической энергии электронов превращается в световую энергию, и появляется светящейся пятно.

Катод окружен цилиндрическим электродом G, имеющим отрицательный потенциал по отношению к катоду. Электрод выполняет две функции: собирает электроны вдоль оси трубки и управляет (как и сетка в электронной лампе) количеством электронов, идущих от катода к аноду. В электронно-лучевой трубке количество электронов, зависящее от потенциала управляющего электрода, определяет яркость светящегося пятна на экране трубки. Катод, сетка и анод составляют так называемую "электронную пушку", или "электронный прожектор".

В трубке простого устройства светящееся пятно на экране будет похоже скорее на светящийся диск, чем на точку. Это связано с действием сил взаимного расталкивания электронов в пучке и отклонением их от оси. Поэтому необходимо иметь устройство для превращения расходящегося электронного пучка в сходящийся. По аналогии с оптикой этот процесс называют фокусировкой.

При электростатической фокусировке вводят два или более анода, причем потенциал второго анода более высокий, чем потенциал первого. Электрон, отклонившийся от оси электронной пушки, попадает в поле между двумя анодами, стремясь следовать в направлении линий электрического поля, т. е. он отклоняется внутрь по направлению к оси. Степень сходимости и, следовательно, положение фокуса можно менять изменением потенциала одного из анодов.

Светящееся пятно перемещают по экрану в соответствии с исследуемым напряжением. Электронный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин, к которым приложено напряжение. Одна пара пластин Х1 и Х2 создает поперечное электрическое поле, вызывающее отклонение луча в горизонтальном направлении. Другая пара пластин Y1 и Y2 создает вертикальное отклонение луча. Чувствительность к отклонению определяется смещением светящегося пятна на экране, вызванным разностью потенциалов между пластинами 1 В. Чувствительность обратно пропорциональна ускоряющему напряжению, поэтому желательно иметь низкое анодное напряжение. Однако существует противоположные требования: яркость пятна увеличивается при возрастании анодного напряжения. Чувствительность типичной осциллографической трубки на среднее напряжение несколько меньше 1 мм/В.

Измерить простые электрические величины, такие как ток, сопротивление, напряжение можно используя мультиметр. Но исследовать форму сигнала или поведение его во времени им не удастся. Поэтому для измерений, проверки и точной настройки приборов нужен осциллограф. Это универсальное устройство ранее применялось только в лабораториях и сервисных центрах, но сегодня стало вполне доступным для использования и радиолюбителями.

Виды и характеристики

Различные исследования в области электричества требовали прибора, позволяющего выполнять ряд измерений поведения того или иного параметра в течение промежутка времени. Родоначальником такого устройства стал Андре Блондель, родившийся в 1863 году во Франции. Изучая электротехнику, он основал в городе Леваллупе лабораторию. В ней, основываясь на теории Альфреда Корню, учёный придумал и сконструировал магнитоэлектрический прибор с бифилярным подвесом. Произошло это в 1893 году.

Это устройство позволяло регистрировать интенсивность переменных токов путём записи колебаний маятника с чернилами, соединённого с катушкой индуктивности. Измеритель отличался низкой точностью из-за механических частей. А полоса пропускания его лежала в диапазоне 10−19 кГц.

Дальнейшая эволюция прибора привела к появлению в 1897 году осциллографа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Его конструктором стал физик из Германии Карл Браун. Но первый промышленный экземпляр был выпущен только в 1932 году британской компанией A. C. Cossor Ltd. В ноябре американская фирма Allen B. DuMont Laboratories представила осциллограф, состоящий из двух частей: ЭЛТ и кожуха. В последнем размещались блоки фокусировки луча, источник питания и узел развёртки. Но технология производства экрана позволяла его использовать не более одной тысячи часов.

Вторая мировая война остановила развитие прибора, но по её окончании инженеры Воллюм и Мердок, основатели компании Tektronix, внедряют в устройство прибора ждущую развёртку, то есть ту, которая запускается только во время возникновения электромагнитного сигнала. Этот прибор работал с полосой пропускания 10 МГц.

Развитие полупроводниковой техники привело к разработке цифрового устройства фирмой LeCroy в 1980 году. После чего цифровые аппараты стали массово производиться в Европе, не только профессионального уровня, но и радиолюбительского. На рынках появились всевозможные устройства, отличающиеся классом точности и функциональностью.

На начало 2000 годов цифровая техника почти полностью вытеснила аналоговые приборы, этому поспособствовало развитие персональных компьютеров и возможность сопряжения с ними измерителя. Но при этом, какой бы способ обработки сигналов ни использовался, принцип работы различных осциллографов остаётся одинаковым.

Аналоговое устройство

Сегодня всё реже можно встретить аналоговые осциллографы в исследовательских лабораториях или сервисных центрах. Но у радиолюбителей всё ещё достаточно морально устаревших, но ещё вполне работоспособных таких приборов. Любое аналоговое устройство состоит из одного или нескольких вертикальных каналов, горизонтального канала, схемы запуска и электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

ЭЛТ является основной частью устройства. На ней отображается форма исследуемого сигнала. Выполняется она из вакуумной колбы, в которую впаиваются электроды различного назначения. Первая группа формирует электронную пушку, образующую луч. На неё подаётся исследуемый сигнал. А вторая - состоит из контактов вертикально и горизонтально отклоняющих пластин и к ней подводится напряжение генератора развёртки.

Таким образом, устройство состоит из следующих частей:

• аттенюатора - входной делитель напряжения;
• предварительный усилитель;
• блок задержки;
• схема синхронизации и запуска развёртки;
• генератор;
• оконечный усилитель.

Измеряемый сигнал поступает на вертикальные пластины, а далее на аттенюатор, который позволяет настраивать чувствительность прибора. Выполняется регулирующее устройство в виде поворотной ручки. Шкала переключения указывается в вольтах на одно деление. При измерениях мощного сигнала используются делители. Это специальные устройства, работающие по принципу аттенюаторов, но при этом они уменьшают сигнал до безопасного уровня для входных цепей осциллографа.

Сигнал с делителя или аттенюатора разветвляется на предварительном усилителе и попадает в блок задержки и синхронизации. Последний узел создаёт условия для запуска генератора при появлении электромагнитных колебаний. Пилообразный сигнал с генератора поступает в горизонтальный канал X, где усиливается и подаётся на экран.

Вторая же часть сигнала через линию задержки поступает в канал Y, а затем на ЭЛТ. В результате на экране в системе координат XY выводится положение импульса. Нижний частотный предел находится в районе 10 Гц, а верхний зависит от ёмкости пластин и качества усилителей.

Поэтому если на пластины подаётся измеряемое напряжение, то луч начинает отклоняться по вертикали и горизонтали. Эти перемещения происходят синхронизировано, и в результате сигнал «разворачивается» во времени. Получившееся изображение на экране называют осциллограммой.

Цифровой прибор

Цифровое устройство сочетает в себе аналоговый осциллограф и мини-компьютер. Используя его можно не только визуально увидеть форму, но и выполнить ряд операций, таких как сложение и вычитание сигналов, преобразование Фурье, определение спектра. В состав прибора входит:

Сигнал поступает на вход масштабирующего узла, где снижается до безопасной величины для внутренних схем прибора. Далее он подаётся через усилитель на АЦП. В нём происходит преобразование аналоговой формы в ряд дискретной последовательности логического кода. Для этого используется микроконтроллер, работающий на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Код записывается в ОЗУ, из которого после выполнения определённого условия передаётся в запоминающие ячейки. Каждому блоку соответствует пиксель, который засвечивается. Координата Х определяется номером ячейки, а координата Y кодом, записанным в неё. В запоминающей ячейке может содержаться несколько символов кода, которые и формируют линию из непрерывно горящих пикселей.

Цифровые осциллографы разделяются на несколько подтипов и могут быть:

Использование ЖК экрана повышает удобство в работе с осциллографом. На нём становится возможным визуально отображать любые данные, а использование памяти в устройстве позволяет сравнивать любые изменения формы сигнала во времени.

Осциллограф, как и любой электрический прибор, имеет ряд технических параметров. Именно они определяют его функциональность и степень использования. К его работе предъявляются требования по классу точности, стабильности работы, шумовым характеристикам.

Важнейшими параметрами прибора являются:

Осциллограф предназначен для изучения различных взаимосвязей между несколькими величинами. Отображаемая на экране осциллограмма показывает как изменяется форма напряжения во времени. Так, по ней можно легко определить полярность, амплитуду, длительность, скважность и частоту сигнала.

В грубом приближении осциллограф работает как графический вольтметр. Он измеряет сигнал и выводит его форму на дисплей. Устройством можно измерить даже напряжение высокой частоты. Его основное назначение заключается использование поиска неисправностей в сложных радиоэлектронных схемах или исследовательских измерениях. Например, с помощью него возможно:

• определять временные параметры;
• изучать фазовый сдвиг;
• фиксировать частоту сигнала;
• наблюдать переменную и постоянную составляющую напряжения;
• отмечать присутствие гармоник и их параметров;
• выяснять процессы, происходящие во времени.

Таким образом, осциллограф нужен для того, чтобы можно было наглядно наблюдать колебания электротехнического сигнала, а также видеть помехи и искажения, тем самым определяя неисправный элемент в различных узлах по форме входного и выходного импульса. Кроме этого, осциллограф широко применяется при диагностике электродвигателей. Изучая генерации, возникающие при работе мотора, можно вычислить неисправность катализатора, выявить увеличенный подсос воздуха, отследить сигналы с различных датчиков.

Работа с измерителем

Перед тем как воспользоваться осциллографом, выполняется калибровка. Для этого измерительные щупы подключаются к входу усилителя (отклонение луча в вертикальной плоскости) и общему выводу, обозначаемому как земля. В случае если используется ЭЛТ, после включения необходимо подождать некоторое время для прогрева экрана. Затем понадобится пройти следующие этапы:

Таким образом, использование осциллографа, позволяет осуществлять операции по настройке и ремонту сложных приборов, которые с помощью тестера выполнить невозможно. Работа на современном устройстве не намного сложнее измерений, проводимых мультиметром.