Что такое закрытый вход эло
Перейти к содержимому

Что такое закрытый вход эло

  • автор:

2. Электронно–лучевой осциллограф

В работе изучается структурная схема и принцип действия однолучевого и двухлучевого осциллографов, а также основные методы осциллографических измерений.

2.1. Принцип действия и структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) – прибор, предназначенный для наблюдения формы и измерения амплитудных и временных параметров электрических сигналов. Основным элементом ЭЛО является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим управлением лучом.

Исследуемый сигнал как функция времени изображается в прямоугольной системе координат, абсциссой которой является время, а ординатой – мгновенное значение сигнала. Две пары пластин ЭЛТ отклоняют луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для получения равномерной шкалы оси времени необходимо, чтобы луч отклонялся в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. Для этого к горизонтально отклоняющим пластинам подводится линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение. Исследуемый сигнал подводится к вертикально отклоняющим пластинам. В результате траектория луча на экране образует осциллограмму, соответствующую форме исследуемого сигнала.

При исследовании периодических сигналов для получения их неподвижного изображения на экране ЭЛТ необходимо, чтобы периоды повторения исследуемого и развертывающего напряжений были кратны , где n = 1, 2, . . В противном случае начало развертки будет совпадать с различными точками исследуемого сигнала, и изображение на экране ЭЛТ будет смещаться. Во избежание этого в осциллографах предусматривается синхронизация начала развертки. Синхронизация может осуществляться либо от исследуемого сигнала (внутренняя синхронизация), либо от внешнего сигнала, синхронного с исследуемым (внешняя синхронизация).

При исследовании непериодических сигналов развертка также может запускаться как исследуемым, так и внешним сигналами.

Структурная схема универсального осциллографа представлено на рис. 2.1. Она включает в себя каналы вертикального (Y) и горизонтального (Х) отклонений, канал Z, служащий для модуляции луча, ЭЛТ, а также калибратор.

Канал вертикального отклонения служит для усиления или ослабления входного сигнала до величины, удобной для наблюдения на экране ЭЛТ, и включает калиброванный аттенюатор, предварительный усилитель, линию задержки и оконечный усилитель.

Аттенюатор служит для ослабления исследуемого сигнала, ему предшествует переключатель, через который сигнал поступает на вход аттенюатора либо непосредственно (открытый вход), либо через разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую исследуемого напряжения (закрытый вход). Далее сигнал усиливается в предварительном усилителе, имеющем симметричный выход. В нем имеется возможность плавной регулировки коэффициента усиления и смещения осциллограмм по вертикали.

Линия задержки обеспечивает подачу исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ с задержкой относительно начала развертки, что позволяет наблюдать начальный участок сигнала, например, фронт импульса.

Оконечный усилитель Y увеличивает сигнал до уровня, позволяющего получить достаточный по вертикали размер сигнала на экране ЭЛТ.

Канал горизонтального отклонения предназначен для создания развертывающего напряжения, синхронного с исследуемым сигналом, и включает устройство синхронизации и запуска, генератор развертки, оконечный усилитель Х, а также усилитель синхронизации.

Устройство синхронизации и запуска может работать в режиме внутренней синхронизации от исследуемого сигнала, поступающего из канала Y через усилитель синхронизации, или в режиме внешней синхронизации. В последнем случае сигналы синхронизации подаются на вход внешней синхронизации. Устройство синхронизации и запуска вырабатывает импульсы запуска генератора развертки.

Генератор развертки формирует линейное пилообразное напряжение, используемое для горизонтального отклонения луча. Это напряжение характеризуется амплитудой, периодом , длительностями прямого и обратного хода, а также временем блокировки (рис. 2.2).

Генератор развертки может работать в автоколебательном, ждущем и однократном режимах. В ждущем режиме развертка возникает тогда, когда поступает запускающий импульс со схемы синхронизации и запуска. Этот импульс может формироваться как из исследуемого сигнала в режиме внутренней синхронизации, так и от специального импульса в режиме внешней синхронизации. В автоколебательном режиме генератор развертки формирует непрерывное пилообразное напряжение, несинхронизированное с исследуемым сигналом. В этом случае напряжение развертки вырабатывается даже при отсутствии исследуемого сигнала в режиме внутренней синхронизации. Однократная развертка используется при фотографировании осциллограмм.

Оконечный усилитель Х усиливает напряжение развертки до заданного уровня. В ряде осциллографов предусматривается возможность подачи на Х-канал внешних сигналов (XY-режим). Генератор развертки при этом отключают.

Усилитель канала Z усиливает импульсы, поступающие от генератора развертки на модулятор ЭЛТ, чем обеспечивается подсвет линии луча во время прямого хода развертки. На этот усилитель могут подаваться также внешние сигналы для модуляции яркости осциллограмм.

Калибратор вырабатывает сигнал с известными параметрами, необходимый для калибровки каналов вертикального и горизонтального отклонения луча. Обычно это периодическая последовательность прямоугольных импульсов (меандр) с известными амплитудой и периодом .

Рассмотренная структурная схема соответствует однолучевому универсальному осциллографу. Для одновременного наблюдения на экране осциллограмм двух сигналов применяют двухлучевые осциллографы, в которых используются двухлучевые ЭЛТ. При этом структурная схема двухлучевого осциллографа содержит два канала вертикального отклонения Y1 и Y2.

2.2. Основные характеристики универсальных осциллографов

Рабочая часть экрана – часть экрана, в пределах которой нормированы основные погрешности измерения.

Полоса пропускания канала Y – диапазон частот, в пределах которого значение амплитудно-частотной характеристики не отличается более чем на 3 дБ от ее значения на опорной частоте. Полоса пропускания задается верхней граничной частотой .

Время нарастания переходной характеристики канала Y – интервал времени, в течение которого переходная характеристика нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. Время нарастания связано с верхней граничной частотой соотношением , где выражено в наносекундах, а – в мегагерцах.

Входное сопротивление и входная емкость усилителя вертикального отклонения. Эти параметры влияют на методическую погрешность измерения, связанную с нарушением электрического режима исследуемой цепи при подключении к ней осциллографа. Для уменьшения этого влияния используют выносные делители напряжения, характеризующиеся большим входным сопротивлением и малой входной емкостью.

Коэффициент отклонения – отношение напряжения входного сигнала к отклонению луча, вызванному этим напряжением, В/дел. или мВ/дел. Величина, обратная коэффициенту отклонения, называется чувствительностью.

Коэффициент развертки – время, за которое луч проходит одно деление шкалы на экране ЭЛТ, с/дел., мс/дел., мкс/дел.

2.3. Измерение напряжений и временных интервалов

В большинстве современных осциллографов при измерении амплитуды и временных интервалов используется метод калиброванных шкал. Перед измерениями предварительно калибруют вертикальную и горизонтальную шкалы осциллографа, используя сигнал калибратора с известными параметрами.

Величина измеряемого напряжения определяется соотношением , где b – отсчитанный размер изображения по вертикали, дел., – коэффициент отклонения, В/дел. или мВ/дел.

Аналогично измеряется временной интервал , где – отсчитанный размер изображения по горизонтали, дел., – коэффициент развертки, с/дел. мс/дел.

В ряде осциллографов имеется режим растяжки развертки в М раз за счет увеличения амплитуды напряжения развертки. При этом часть осциллограммы, находящаяся в центре экрана ЭЛТ, наблюдается в увеличенном масштабе. В режиме растяжки величина измеряемого временного интервала определяется соотношением . Обычно множитель растяжки М = 0,1 или 0,2.

2.4. Задание и указания к выполнению работы

2.4.1. Калибровка осциллографа С1-65

Установите органы управления осциллографа С1-65 в следующие положения (выполняется калибровка одного из осциллографов):

УСИЛИТЕЛЬY – коэффициент отклонения 0,05V/дел.; ручку ПЛАВНО в положение ;

РАЗВЕРТКА – АВТ., коэффициент развертки 0,5ms/дел., х 1, ручку ПЛАВНО в положение ;

Проведите балансировку усилителя Y следующим образом:

а) установите переключатель входа усилителяY в положение 1 и ручкой установите линию развертки в центр экрана;

б) переведите коэффициент отклонения в положение 0,005 V/дел. и регулировкой БАЛАНС, выведенной под шлиц, возвратите линию развертки в прежнее положение;

в) повторяйте пункты а) и б) до тех пор, пока линия развертки перестанет перемещаться при переключении коэффициента отклонения из положения 0,05 в положение 0,005 V/дел.

Произведите калибровку длительности развертки осциллографа. Для этого установите ручки КАЛИБРАТОРА в положение 200mV, 1 kHz . Подсоедините кабелем гнезда КАЛИБРАТОРА и к входу усилителя Y, переключатель входа установите в положение .

Вращая ручку СИНХРОНИЗАЦИЯ УРОВЕНЬ добейтесь устойчивого изображения сигнала калибратора на экране осциллографа.

Откалибруйте развертку регулировкой , выведенной под шлиц так, чтобы на 10 делениях шкалы экрана укладывалось 5 периодов сигнала калибратора.

Произведите калибровкуY канала осциллографа. Для этого произведите измерение амплитуды сигнала калибратора b , выраженной в делениях, а затем рассчитайте ее значения по формуле . Результаты занесите в таблицу 2.1. Сравните установленное значение амплитуды сигнала калибратора с измеренным значением и при необходимости произведите регулировку коэффициента усиления предусилителя канала Y ручкой , выведенной под шлиц. Затем проверьте калибровку осциллографа для напряжений калибратора 1 и 20 V, регулируя при этом коэффициент отклонения так, чтобы размер изображения по вертикали был не менее 3 делений.

2.4.2. Калибровка осциллографа С1–96

Установите органы управления осциллографа С1–96 в следующие положения (этот пункт выполняется по заданию преподавателя):

УСИЛИТЕЛЬY1 и Y2 – коэффициенты отклонения 1 V/дел., ручки ПЛАВНО в положение , переключатели входов в положение 1;

РАЗВЕРТКА – АВТ., коэффициент развертки 1ms/дел., х1, ручку ПЛАВНО в положение ;

Произведите балансировку каналаY1. Для этого, не подавая сигнал на вход усилителя, ручкой переместите линию развертки в середину рабочей части экрана и регулировкой БАЛАНСИР, выведенной под шлиц на правую боковую стенку осциллографа, добейтесь независимости положения линии развертки от положения ручки ВОЛЬТ/ДЕЛ. Затем проведите балансировку канала Y2.

Произведите калибровку осциллографа, для чего установите переключатели входов усилителейY1 и Y2 в положение .

От калибратора напряжения с гнезд 6 V и 1, расположенных на правой боковой стенке осциллографа, по кабелю подайте сигнал на вход Y1. Ручкой СИНХРОНИЗАЦИЯ УРОВЕНЬ добейтесь устойчивого изображения сигнала калибратора на экране. На 10 делениях его шкалы должно укладываться 10 периодов этого сигнала. В противном случае регулировкой КОРР. РАЗВ х1, выведенный под шлиц на правую стенку осциллографа, откорректируйте развертку.

Ручкой усилителяY1 установите изображение сигнала в центральной части экрана. Амплитуда сигнала должна быть равна 6 делениям. Если она больше или меньше этой величины, то регулировкой КОРР. УСИЛ Y1, выведенной под шлиц на правую боковую стенку осциллографа, установите амплитуду сигнала, равную 6 делениям шкалы. Результаты измерений занесите в таблицу 2.2. Повторите измерения для напряжений сигнала калибратора 0,6 и 0,006 V (эти гнезда расположены на правой боковой стенке прибора), изменяя при этом коэффициент отклонения канала Y1.

Установите переключатель СИНХРОНИЗАЦИЯ в положение Y2 и проведите калибровку канала Y2. Результаты измерений для трех значений сигнала калибратора занесите в таблицу 2.2.

3.1. Принцип действия и структурная схема универсального электронно­лучевого осциллографа

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) – прибор, предназначенный для исследования формы и измерения амплитудных и временных параметров электрических сигналов.

Основным элементом ЭЛО является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим управлением лучом (рис.3.1). Эмитированный катодом К поток электронов ускоряется и фокусируется тремя анодами А1, А2 и А3 и бомбардирует люминесцентный экран, вызывая свечение. Плотность потока электронов регулируется потенциалом модулятора М, при этом меняется яркость свечения. Две пары пластин ЭЛТ отклоняют луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Исследуемый сигнал как функция времени изображается в прямоугольной системе координат, абсциссой которой является время, а ординатой – мгновенное значение сигнала.

Для получения равномерной шкалы оси времени необходимо, чтобы луч отклонялся в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. Для этого к горизонтально отклоняющим пластинам подводится линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение. Исследуемый сигнал подводится к вертикально отклоняющим пластинам. В результате траектория луча на экране образует осциллограмму, соответствующую форме исследуемого сигнала.

При исследовании периодических сигналов для получения их неподвижного изображения на экране ЭЛТ необходимо, чтобы периоды повторения исследуемого T и развертывающего Tp напряжений были кратны Tp /T = n, где n = 1, 2, . . В противном случае начало развертки будет совпадать с различными точками исследуемого сигнала, и изображение на экране ЭЛТ будет смещаться. Во избежание этого в осциллографах предусматривается синхронизация начала развертки.

Синхронизация может осуществляться либо от исследуемого сигнала (внутренняя синхронизация), либо от внешнего сигнала, синхронного с исследуемым (внешняя синхронизация). При исследовании непериодических сигналов развертка может запускаться как исследуемым, так и внешним сигналами.

Структурная схема универсального осциллографа представлено на рис. 2.1. Она включает в себя каналы вертикального (Y) и горизонтального (Х) отклонений, канал Z, служащий для модуляции луча, ЭЛТ, а также калибратор. Осциллограф содержит также блок питания, не показанный на схеме.

Канал вертикального отклонения служит для усиления или ослабления входного сигнала до величины, удобной для наблюдения на экране ЭЛТ, и включает калиброванный аттенюатор, предварительный усилитель, линию задержки и оконечный усилитель.

Аттенюатор служит для ослабления исследуемого сигнала, ему предшествует переключатель S1, через который сигнал поступает на вход аттенюатора либо непосредственно (открытый вход), либо через разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую исследуемого напряжения (закрытый вход). Далее сигнал усиливается в предварительном усилителе, имеющем симметричный выход. В нем имеется в

озможность плавной регулировки коэффициента усиления и балансировки усилителя регулировкой баланс для предотвращения смещения осциллограммы по вертикали при изменении коэффициента отклонения.

Линия задержки обеспечивает подачу исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ с задержкой относительно начала развертки, что позволяет наблюдать начальный участок сигнала, например, фронт импульса.

Оконечный усилитель Y увеличивает сигнал до уровня, позволяющего получить достаточный по вертикали размер сигнала на экране ЭЛТ. В усилителе также осуществляется регулировка смещения осциллограммы по вертикали ручкой (в некоторых осциллографах эта регулировка осуществляется в предварительном усилителе).

Рис. 3.1. Структурная схема универсального осциллографа

Канал горизонтального отклонения предназначен для создания развертывающего напряжения, синхронного с исследуемым сигналом, и включает устройство синхронизации и запуска, генератор развертки, оконечный усилитель Х.

Аттенюатор как правило калиброванный. Коэффициент усиления канала вертикального отклонения соответствует значениям шкалы только в случае зафиксированного положения плавной регулировки усиления (усиление ПЛАВНО). Кроме того в канале предусмотрен ряд других важных регулировок, которыми необходимо уметь пользоваться.

Устройство синхронизации и запуска может работать в режиме внутренней синхронизации от исследуемого сигнала, поступающего из канала Y через усилитель синхронизации, или в режиме внешней синхронизации в зависимости от положения переключателя S2. В последнем случае сигналы синхронизации подаются на вход внешней синхронизации. Устройство синхронизации и запуска вырабатывает импульсы запуска генератора развертки. Регулировка уровень устанавливает уровень напряжения, по которому осуществляется запуск генератора развертки, регулировка стабильность позволяет улучшать синхронизацию высокочастотных сигналов

Генератор развертки формирует линейное пилообразное напряжение, используемое для горизонтального отклонения луча.

Генератор развертки может работать в автоколебательном, ждущем и однократном режимах. В ждущем режиме развертка возникает тогда, когда поступает запускающий импульс со схемы синхронизации и запуска. Этот импульс может формироваться как из исследуемого сигнала в режиме внутренней синхронизации, так и от специального импульса в режиме внешней синхронизации. В автоколебательном режиме генератор развертки формирует периодическое пилообразное напряжение. В этом случае напряжение развертки вырабатывается даже при отсутствии исследуемого сигнала в режиме внутренней синхронизации. Однократная развертка используется при фотографировании осциллограмм. В генераторе развертки осуществляется дискретная регулировка коэффициента развертки и его плавная регулировка. Коэффициент дискретной развертки соответствует значениям шкалы только в случае зафиксированного положения плавной регулировки развертки (длительность ПЛАВНО).

Запуск генератора развертки может осуществляться как по положительному перепаду уровня сигнала (+), так и по отрицательному (-). Момент запуска развертки привязывается к определенному уровню сигнала.

Оконечный усилитель Х усиливает напряжение развертки до заданного уровня, а также обеспечивает симметричную подачу напряжения на горизонтально отклоняющие пластины. В нем также осуществляется регулировка смещения осциллограммы по горизонтали. В ряде осциллографов предусматривается возможность подачи на Х-канал внешних сигналов (X/Y-режим) с помощью переключателя S3. Генератор развертки при этом отключают.

Усилитель канала Z усиливает импульсы, поступающие от генератора развертки на модулятор ЭЛТ, чем обеспечивается подсвет линии луча во время прямого хода развертки. При этом длительность импульса подсвета и его положение совпадает с длительностью прямого хода напряжения развертки. Этот режим обеспечивает свечение экрана только при движении луча слева направо. Обратный ход луча справа налево остается невидимым (гашение обратного хода). В некоторых осциллографах на этот усилитель могут подаваться также внешние сигналы для модуляции яркости осциллограмм.

Калибратор вырабатывает сигнал с известными параметрами, необходимый для калибровки каналов вертикального и горизонтального отклонения луча. Обычно это периодическая последовательность прямоугольных импульсов (меандр) с известными амплитудой и периодом (на осциллографе указывается не период, а частота повторения импульсов.

Рассмотренная структурная схема соответствует однолучевому универсальному осциллографу. Для одновременного наблюдения на экране осциллограмм двух сигналов применяют двулучевые и двухканальные осциллографы.

Двулучевые осциллографы имеют конструктивно более сложные двулучевые электронные пушки, каждый луч которых используется для отображения осциллограмм одного из сигналов. Структурная схема двулучевого осциллографа содержит два идентичных канала вертикального отклонения Y1 и Y2, канал горизонтального отклонения Х и канал Z управления яркостью лучей.

В двухканальных осциллографах используются однолучевые ЭЛТ, а эффект наблюдения двух сигналов достигается за счет поочередного отображения осциллограмм сигналов, каждого из двух каналов вертикального отклонения. Для этого в осциллографе используется электронный переключатель, который может поочередно подавать выходные сигналы каналов на одни и те же пластины вертикального отклонения. Такие осциллографы конструктивно более простые, дешевле и надежнее двулучевых осциллографов. На практике наиболее часто применяются двухканальные осциллографы, хотя число каналов может достигать восьми.

Аналоговые измерительные устройства

1. Полоса пропускания или параметры переходной характерис­ тики (ПХ) Полоса пропускания — это диапазон частот, в котором амплитудно-частотная характеристика имеет спад не более 3 дБ относительно значения на опорной частоте. Опорная частота — частота, на которой спад АЧХ отсутствует. Значение спада АЧХ в децибелах находят из соотношения

где lf оп размер изображения на опорной частоте: lf изм -размер изображения на частоте, для которой измеряется спад АХЧ.

2. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики.

3. Нелинейность амплитудной характеристики усилителей осциллографа β а . Значение Ра определяют по формуле

где l -наиболее отличающийся от одного деления шкалы экрана размер изображения сигнала в любом месте рабочей части экрана.

4. Качество воспроизведения сигнала в импульсном осциллогра­ фе.

Это качество часто характеризуется параметрами переходной характеристики, к которым относятся: время нарастания переходной характеристики τн, величина выброса на ПХ, спад вершины изображения импульса.

Время нарастания переходной характеристики τн определяют как время нарастания изображения импульса, в течение которого происходит отклонение луча от уровня 0,1 до уровня 0,9 амплитуды импульса (рис. 8.14, а).

Величину выброса на ПХ δи измеряют на том же испытательном сигнале, что и время нарастания τн , и определяют по формуле

где l в — амплитуда изображения выброса; l и — амплитуда изобра жения импульса.

Определение δи производят на импульсах положительной и отрицательной полярностей.

Спад вершины изображения (рис.8.14, б) нормируют по относительному спаду вершины импульса, который определяют по формуле

где l сп — значение величины изображения спада импульса; /и — значение амплитуды изображения импульса.

Зная параметры ПХ, можно определить параметры АЧХ, и наоборот. Верхняя граничная частота полосы пропускания

где f в — выражена в мегагерцах; τн — в наносекундах.

Нижняя граничная частота

где f н — выражена в герцах; τи — в секундах.

5. Чувствительность (нормальное значение калиброванного коэффициента отклонения). Чувствительность ε определяют как отношение видимого отклонения луча в миллиметрах к значению вызвавшего его входного сигнала в вольтах или милливольтах. Коэффициент отклонения Kd — величина, обратная чувствитель­ности.

где UBX — значение амплитуды входного сигнала; l -значение изображения амплитуды этого сигнала по оси Y .

Нормируемыми параметрами осциллографа являются все калиброванные значения коэффициента отклонения и их погрешности. Погрешность коэффициента отклонения определяют по формуле

где Kd 0 — номинальное значение Kd , указанное в технической документации на конкретный осциллограф.

6. Параметры входов . Например: вход открытый (закрытый), входное сопротивление 1 МОм + 3%, входная емкость, параллельная входному сопротивлению, не более 35пФ+10%.

7. Погрешности калибраторов амплитуды и калибраторов временных интервалов.

8. Длительность разверток. Длительность разверток — это время прямого хода развертки, за которое луч пробегает всю рабочую часть экрана в горизонтальном направлении. Д лительность прямого хода развертки Тп задается в виде коэффициентов развертки

где 1Т — длина отрезка горизонтальной оси, соответствующая длительности Тп. Коэффициент развертки характеризуется диапа­зоном изменений, основной и дополнительными погрешностями. Погрешность коэффициента развертки

где Крном— номинальное значение коэффициента развертки.

9. Нелинейность развертки. Значение нелинейности развертки в процентах вычисляют из соотношения

где /-длительность наиболее отличающегося от 1 см, или одного деления шкалы, временного интервала в любом месте рабочей части развертки в пределах рабочей части экрана.

Кроме указанных характеристик в соответствии со стандар­ тами осциллограф характеризуется следующими параметрами: рабочей частью экрана; минимальной частотой следования раз­ вертки; толщиной линий луча электронно-лучевой трубки; допус­ каемым суммарным значением постоянного и переменного напря­жений на входах; максимально допустимым значением амплитуды исследуемого сигнала; минимальным значением и минимальной длительностью исследуемого сигнала, при котором обеспечи­ вается класс точности осциллографа; дрейфом нуля усилителей; запаздыванием начала развертки относительно сигнала синхро­ низации (для осциллографов без линии задержки); возможностью синхронизации (внешней, внутренней); разностью фаз между каналами; наводками с канала на канал; конструктивными характеристиками (масса, габариты, питание, климатические усло­ вия и т. д.).

В зависимости от точностных параметров ЭЛО в соответствий с ГОСТ 22737 — 77 «Осциллографы электронно-лучевые» делятся на четыре класса точности.

Осциллографы: ключевые понятия и принцип работы

Осциллографы: ключевые понятия и принцип работы

1.jpg

Реклама ООО «3ДТУЛ» ИНН 7733905388

Всем привет. С вами компания 3Dtool!
Осциллографы используются для наблюдения, записи и анализа амплитудных и временных параметров электрических сигналов. В первую очередь осциллографы предоставляют визуальную информацию — отображают параметры колебаний в виде графиков, называемых осцилограммами. Графики можно исследовать и сравнивать для выявления неполадок или несоответствий заданным характеристикам исследуемой техники.

Области применения

Осциллографы широко используются в лабораторных, научных и прикладных целях — везде, где приходится иметь дело с разработкой, ремонтом или настройкой электроники.

  • диагностика электронных компонентов транспорта;
  • проверка целостности сигналов в микроэлектронике;
  • тестирование средств связи на работоспособность и соответствие нормативам;
  • разработка новых электронных систем;
  • регулировка телевизионных сигналов;
  • обучение студентов-электронщиков;
  • ремонт бытовой электронной техники.

Виды осциллографов

В современном мире аналоговые осциллографы практически полностью вытеснены цифровыми, однако функционал первых не утерян. Аналоговые приборы хороши точным, четким отображением сигналов в реальном времени, особенно сигналов, меняющихся с высокой частотой, однако снимать измерения приходится визуально, по специальной сетке, что неизбежно снижает точность. Базовые варианты таких приборов с выводом данных посредством электронно-лучевых трубок правильнее называть осциллоскопами. Осциллографы — это уже разновидность осциллоскопов с дополнительной возможностью вывода данных (осциллограмм) на бумажной ленте, хотя для простоты осциллоскопы обычно тоже называют осциллографами.

2.jpg

Аналоговый осциллограф

Цифровые осциллографы выгодно отличаются как раз высокой точностью измерений, а также широкими полосами пропускания, возможностью автоматического анализа и обработки сигналов, удобного хранения и передачи данных.

С помощью аналоговых осциллографов можно определять амплитуду сигналов, частоту колебаний и длительность импульсов, складывать два сигнала. Цифровые приборы не только более точно отображают данные, но и позволяют анализировать дополнительные параметры — период, частоту, длительность положительного и отрицательного импульсов, длительность фронта, длительность спада, максимум, минимум и размах сигнала, среднее и среднеквадратичное значение напряжения, скважность, фазу, задержку импульса.

Многие современные осциллографы выполняются по комбинированной схеме. Такие приборы называются осциллографами с функцией запоминания или просто запоминающими осциллографами. Осциллографы с функцией запоминания оснащаются аналого-цифровыми преобразователями и позволяют хранить и передавать данные на компьютеры и/или накопители.

3.jpg

Цифровой осциллограф смешанных сигналов Rigol MSO7014

В отдельную категорию выделяются осциллографы смешанных сигналов. Это тоже запоминающие приборы, но способные работать и с аналоговыми, и с цифровыми потоками одновременно. Дополнительное оснащение может включать генераторы сигналов, мультиметры, вольтметры, частотомеры, анализаторы.

Ключевые понятия

Развертка — диапазон отображения сигнала на экране. Вертикальная развертка измеряется в вольтах на деление, горизонтальная — в секундах на деление.

Триггер — задержка сбора и отображения данных принимаемых импульсов до тех пор, пока не будут выполнены заданные условия. Триггеры позволяют точно настраивать приборы на регистрацию определенных одиночных или периодических событий. Продвинутые осциллографы могут иметь триггеры по видеосигналу, времени нарастания или спада, выделенной зоне, длительности импульса, фронту сигнала, и так далее.

Целостность поступающего сигнала. Очень важная характеристика, определяющая точность воспроизведения формы сигнала. Чем выше целостность, тем эффективнее прибор, однако добиться абсолютной целостности на практике невозможно, так как при подключении к сети осциллограф прибор сам становится частью электрической схемы.

Полоса пропускания — диапазон частот, в котором обеспечивается точное измерение сигналов. Полоса пропускания определяется относительно опорной частоты — минимальной, регистрируемой без ослабления.

Частота дискретизации — своего рода разрешение осциллографа, характеризуемое количеством замеров в секунду. В идеале этот показатель должен быть выше частоты самого сигнала в несколько раз, чтобы форма принимаемого импульса воспроизводилась как можно точнее. В аналоговых приборах частота дискретизации измеряется в герцах, в цифровых — в выборках за секунду. Цифровые осциллографы позволяют замерять регистрируемые импульсы миллионы и даже миллиарды раз в секунду.

Глубина записи — объем памяти цифрового осциллографа, измеряемый в байтах. Чем больше памяти, тем тщательнее можно исследовать сигнал.

Время нарастания — период колебания сигнала от низкого опорного до высокого опорного значения. Время нарастания характеризует достоверность определения нарастаний и спадов импульсов, поэтому чем оно меньше, тем лучше.

Вертикальное разрешение. В аналого-цифровых преобразователях вертикальное разрешение определяет точность перевода аналогового сигнала в цифровой. Чем выше вертикальное разрешение, тем лучше.

Чувствительность характеризует возможности усилителя системы вертикального отклонения и особенно важна при работе со слабыми входными сигналами. Усилитель вертикального отклонения отвечает за линейное усиление сигнала. Усиление не должно выходить за рамки аналого-цифрового преобразователя. В аналоговых осциллографах чувствительность измеряется в вольтах на миллиметр, в цифровых — в вольтах на деление.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) трансформирует аналоговые сигналы в цифровые.

Пробники (щупы). Снимать сигналы обычными проводами не рекомендуется, так как слишком высока вероятность искажения ввиду внешних помех, а также высокой емкости и низкой однородности самых проводников. Специальные, качественные пробники имеют экранирующую оплетку и жилу небольшого диаметра с низкой емкостью. Пробники зачастую снабжаются аттенюаторами.

Аттенюатор — резистивный делитель напряжения, позволяющий расширять диапазон регистрируемых напряжений. Аттенюаторы применяются для ослабления исследуемого сигнала, когда амплитуда импульсов превышает максимальное входное напряжение, например при исследовании сигналов автомобильных топливных инжекторов и первичного зажигания.

Число каналов. Чем больше каналов, тем больше сигналов можно исследовать одновременно, и тем шире круг решаемых задач. В большинстве приложений хватает двух или четырех каналов, но продвинутые цифровые осциллографы с параллельной передачей информации нередко имеют восемь или даже шестнадцать каналов.

Внутренняя память каналов — оперативная память для хранения информации, поступающей с аналого-цифрового преобразователя.

Принцип работы

Работа осциллографов основана на преобразовании электрического сигнала в аналоговый или цифровой. В последнем случае напряжение проходит через усилитель с делителем и преобразуется в дискретную последовательность кодов со значениями напряжений с помощью аналого-цифрового преобразователя. Значения последовательно записываются в оперативную память, а по окончании измерений сохраняются на запоминающем устройстве.

4.jpg

Цифровой осциллограф смешанных сигналов Rigol MSO5074

После этого на экране формируется картинка входящего сигнала — осциллограмма. При наличии нескольких каналов можно отслеживать, обрабатывать и анализировать несколько импульсов одновременно.

Цифровые осциллографы

В электронно-лучевых осциллографах применяется метод формирования изображения исследуемых сигналов с помощью аналоговых средств на экране электронно-лучевой трубки. В оборудовании с цифровыми модулями замера принцип действия остается прежним, где цифровая часть выполняет функцию создания эталонного образа (электронные метки).

2.png

  • ЦО способны работать с единичными и случайными сигналами. Они запоминаются, а затем выводятся на дисплей. ЦО также известны как цифровые запоминающие осциллографы;
  • Достижение высокой точности измерений напряжения и временных промежутков, присущей цифровым приборам;
  • Увеличение полосы пропускания путем применения современных высокопроизводительных аналого-цифровых преобразователей;
  • Улучшение возможностей для синхронизации и начала измерений;
  • Выполнение косвенных измерений с отображением результатов на дисплее;
  • Подключение к измерительным системам.

5.jpg

Структурная схема цифрового осциллографа

Входной аналоговый блок выполняет обычные для любого осциллографа функции – регулировку чувствительности, переключение «открытый/закрытый» вход, усиление сигнала. Далее сигнал поступает на быстродействующий аналого-цифровой преобразователь. Моменты выборок значений сигнала определяются тактовой частотой АЦП (дискретизация по времени). Квантование сигнала по уровню задаѐтся разрядностью АЦП. Как правило, используют равномерную дискретизацию – мгновенные отсчѐты сигнала берутся через равные отрезки времени (интервалы дискретизации) и им присваивается цифровой код, соответствующий ближайшему уровню квантования. Разность между соседними уровнями называется интервалом квантования – он определяет разрешающую способность цифрового осциллографа по уровню. Интервал дискретизации определяет быстродействие осциллографа – чем меньше этот интервал, тем более быстрые процессы можно наблюдать на экране без искажения. Массив цифровых данных с АЦП поступает в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

При формировании изображения данные сигнала последовательно извлекаются из ОЗУ. Для управления выборкой из ОЗУ используют счѐтчик адресов. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) канала Y преобразует поток цифровых данных в аналоговый сигнал, который поступает на вход Y осциллографического индикатора. Одновременно с помощью счѐтчика развѐртки вырабатываются линейно-нарастающие коды, имитирующие ход осциллографической развѐртки. Эти коды подают на вход канала X. Аналоговый сигнал развѐртки формируют с помощью ЦАП и подают его на вход индикатора.

Наиболее часто в цифровых осциллографах применяют матричные дисплеи (монохромные и цветные), не требующие обратного цифроаналогового преобразования. Электровакуумные растровые дисплеи в настоящее время заменены матричными индикаторами на жидкокристаллических панелях. Такие дисплеи компактны, не требуют высоковольтных источников питания, обеспечивают равномерную яркость изображения и лѐгкость оцифровки осциллограммы. Традиционные ЭЛТ в сочетании с ЦАП в каналах X и Y используют только в комбинированных аналого-цифровых осциллографах.

Момент начала формирования изображения, как и в аналоговом осциллографе, определяется устройством запуска. С этого устройства на микропроцессор поступает импульс, соответствующий началу входного сигнала (или сигналу внешнего запуска). Дополнительно в ЦО предусматривают большое количество программных способов запуска на основе анализа всего преобразованного сигнала.
Для оцифровки мгновенных значений сигнала в ЦО используют быстродействующие АЦП мгновенных значений невысокой разрядности (8, реже 10–12 бит). Частоту дискретизации выбирают в пределах от 10 до 100 МГц (в недорогих моделях) до единиц и даже десятков ГГц (в быстродействующих ЦО).

7.jpg

Подключение цифрового осциллографа к тестируемому устройству осуществляется с помощью выносного пробника. Помимо пассивных пробников-делителей, используемых в аналоговых электронно-лучевых осциллографах, используются более сложные активные пробники, которые позволяют увеличить чувствительность и снизить паразитную входную емкость. Несмотря на достаточно высокую стоимость, активные пробники лучше всего подходят для измерений, требующих широкой полосы пропускания (до нескольких гигагерц). Как правило, такие пробники стоят дороже пассивных и обладают более узким диапазоном входных напряжений. Однако, благодаря значительно меньшей входной емкости, они обеспечивают более точное измерение быстрых сигналов.

8.jpg

Для работы активного пробника требуется источник питания, которое подается через “интеллектуальный интерфейс” на входном разъеме ЦО. Он также действует как канал связи между пробником и осциллографом. Через этот интерфейс ЦО может определить тип подключенного пробника, настроить нужные значения входного импеданса, коэффициента ослабления и диапазона смещения. Некоторые осциллографы способны распознавать коэффициенты деления и обычных пассивных пробников, у которых конструкция разъѐма предусматривает выдачу информации о коэффициенте деления.

Основное различие между цифровыми осциллографами и электронно-лучевыми осциллографами заключается в том, что цифровые осциллографы сначала преобразуют мгновенные значения напряжения в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), сохраняют их в цифровом запоминающем устройстве и затем обрабатывают и выводят на экран по различным алгоритмам. К цифровым осциллографам относятся не только приборы, имеющие цифровые компоненты (такие как микропроцессорное управление или встроенные цифровые мультиметры), но и те, которые выполняют цифровое преобразование аналоговых сигналов, сохраняют их в памяти и представляют сигналы в цифровой форме.

Типы цифровых осциллографов

Цифровые запоминающие осциллографы (DSO –Digital Storage Oscilloscope).

DSO обычно представлен стробоскопическим цифровым осциллографом реального времени. Выборка в реальном времени означает, что осциллограф может захватывать сигналы, используя высокую частоту дискретизации аналого-цифрового преобразователя с АЦП. DSO не используют повторяющиеся выборки для “накопления” их количества, необходимого для представления исследуемого сигнала, хотя из этого правила есть исключения.

Осциллографы с цифровым люминофором (DPO–Digital Phosphor Oscilloscope).

DPO переводит в растровый формат оцифрованные данные о форме сигнала в базу данных «цифрового люминофора». Cпециализированный процессор DPX преобразует оцифрованную осциллограмму в динамическую трехмерную базу данных, которую и называют «цифровым фосфором».

Осциллографы смешанных сигналов (MSO–Mixed Signal Oscilloscope).

Осциллограф смешанных сигналов представляет собой цифровой осциллограф со встроенным логическим анализатором. Это позволяет наблюдать аналоговый сигнал, используя синхронизацию по значению на цифровой шине или цифровой сигнал, используя синхронизацию по аналоговому процессу.

Осциллографы смешанного диапазона (MDO-Mixed Domain Oscilloscope ).

Эти осциллографы предоставляют те же возможности, что и осциллографы смешанных сигналов, но также оснащены встроенным анализатором спектра, добавляя радиочастотную отладку к аналоговым и цифровым возможностям.

Цифровые стробоскопические осциллографы (DCA- Digital communication Analyzers).

Данный тип осциллографов используются для изучения временных и амплитудных характеристик периодических сигналов, визуализации их формы. Полоса пропускания и высокоскоростная синхронизация DCA в 10 раз выше, чем у других осциллографов для повторяющихся сигналов.

9.jpg

Наша компания предлагает широкий ассортимент высокопроизводительных профессиональных цифровых измерительных приборов под брендом Rigol — два десятка моделей под любой бюджет, включая запоминающие осциллографы и осциллографы смешанных сигналов с разной шириной полос пропусканий и до шестнадцати цифровых каналов. Отдельные модели, например Rigol MSO7014 и Rigol MSO5074, внесены в Государственный реестр средств измерений РФ.

Свяжитесь с нами, и наши специалисты будут рады предоставить подробную консультацию по возможностям и эксплуатации цифровых осциллографов.

по почте: sales@3dtool.ru
на сайте: http://3dtool.ru
или по телефону: 8 800 775 86 69 Так же мы выкладываем наши материалы в Telegram канале, на Dzen и в нашей группе ВКонтакте

В статье использованы материалы учебно-методического пособия «Радиоизмерения и измерительные приборы: осциллографы. осциллографические измерения» под авторством И.Н. Зайцевой, Э.И. Исакович, Н.А. Ярлыковой.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *