Электронно лучевой осциллограф принцип действия. Электронный осциллограф
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.
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА И ОЗНАКОМЛЕНИЕ С НЕКОТОРЫМИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯМИ
Уфа 2009
Ответственный за выпуск: проф. Альмухаметов Р.Ф.
Цель работы : ознакомление с устройством электронного осциллографа и принципом его работы, определение основных характеристик осциллографа, применение осциллографа в качестве измерительного прибора и для изучения некоторых процессов.
Оборудование : электронный осциллограф, звуковой генератор, генератор прямоугольных импульсов, магазин ёмкостей, магазин сопротивлений.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА
Осциллографом называется прибор, предназначенный для изучения электрических сигналов и измерения их параметров. С помощью осциллографа можно наблюдать на экране и изучить форму электрических сигналов, измерить напряжение и ток, определить частоту, измерить промежуток времени и т.д. Существует большое количество различных типов осциллографов. Все осциллографы содержат следующие основные блоки и узлы (рис.1):
1. электронно-лучевую трубку;
2. усилитель вертикального отклонения;
3. усилитель горизонтального отклонения;
4. блок развертки;
5. блок синхронизации;
6. блок питания.
Электронно-лучевая трубка предназначена для визуализации исследуемых сигналов с помощью электронного луча на люминесцирующем экране. Она представляет собой большую стеклянную колбу цилиндрической формы с расширением на одном конце (рис.2). Внутри электронно-лучевой трубки создается высокий вакуум для того, чтобы электроны, движущиеся внутри неё, не рассеивались на молекулах воздуха.
Электронно-лучевая трубка имеет экран Э, покрытый изнутри слоем люминофором. На хвостовой части имеется катод К, который нагревается с помощью нити накала НН путем пропускания через неё электрического тока. В результате нагрева электроны материала катода приобретают большую тепловую энергию и могут легко его покинуть. Это явление называется термо-электронной эмиссией. Для того, что направить электронный пучок в сторону экрана в трубке имеются два анода А 1 и А 2 . К анодам прикладывается положительное напряжение от источника питания относительно катода. Для получения узкого пучка электронов служить модулятор М . Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поэтому электроны, вылетевшие из катода под разными углами к его активной поверхности, сжимаются полем и направляется в отверстие модулятора. Так формируется электронный пучок. Интенсивность пучка, а следовательно, и яркость светящегося пятна на экране электронно-лучевой трубки можно регулировать изменением потенциала модулятора с помощью потенциометра R 1 , так как поле модулятора помимо сжимающего действий на поток оказывает еще и тормозящее действие на электроны.
После модулятора электронный поток попадает в электрическое поле первого анода А 1 . Первый анод выполнен в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью трубки. Внутри цилиндра имеются несколько перегородок-диафрагм с отверстиями в центре, которые служат для ограничения поперечного сечения электронного пучка. На первый анод подается положительное относительно катода напряжение порядка нескольких сот вольт. Это поле ускоряет электроны и благодаря своей конфигурации сжимает электронный пучок. Второй анод А 2 располагаются непосредственно за первым анодом и представляет собой короткий цилиндр, закрытый на конце, обращенном к экрану, диафрагмой с отверстием в центре. На второй анод подаются более высокое положительное напряжение, чем на первый анод (1-5 кВ). Основная фокусировка пучка производится изменением потенциала первого анода с помощью потенциометра R 2 .
Внутреннюю поверхность стеклянного баллона трубки почти вплоть до экрана покрывают проводящим слоем и называют ее третьим анодом (Аз). Третий анод соединяют со вторым. При помощи электрических полей анодов электроны фокусируются на экране трубки и им сообщается необходимая скорость. Система электродов катод-модулятop-первый анод-второй анод образует так называемую электронную пушку .
Для отклонения электронного луча в горизонтальном и вертикальном направлениях служат пластины X и Y. При отсутствии отклоняющих напряжений на пластинах X и Y электронный луч попадает в центр экрана трубки. Если к пластинам Y или Х приложить разность потенциалов, то электронный луч будет отклоняться в вертикальном или горизонтальном направлении. Величина этого отклонения пропорциональна напряжению между пластинами. Если на пару горизонтально расположенных пластин Y 1 Y 2 подать периодически меняющееся напряжение, то электронный луч будет периодически перемещаться на экране в вертикальном направлении и описывать вертикальную линию. Напряжение, поданное между вертикально расположенными пластинами Х 1 Х 2 , заставляет двигаться электронный луч в горизонтальном направлении. При одновременной подаче напряжения между горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами электронный луч претерпевает отклонение под действием обоих полей и описывает на экране сложную фигуру.
Усилители горизонтального и вертикального отклонения служат для предварительного усиления напряжений, подаваемых на пластины X и Y. Это связано с тем, что для заметного отклонения электронного луча на экране на пластины X и Y нужно подавать напряжение порядка нескольких сот вольт. Поэтому слабые сигналы необходимо усиливать до нужного уровня. В случае исследований сигналов с высоким напряжением для предотвращения выхода осциллографа из строя предусматривают схемы ослабления в кратное число раз- аттенюаторы. Часто эти схемы входят в единый блок с усилителем вертикального и горизонтального отклонения.
 |
Блок развертки . Часто осциллограф используется для изучения временной зависимости различных сигналов. В этом случае необходимо, чтобы электронный луч равномерно перемещался вдоль оси Х от левого края экрана до правого, а затем быстро возвращался в исходное положение. Для этого напряжение, подаваемое на пластины Х , должно линейно нарастать в течение некоторого времени t 1 , а затем достаточно быстро (за время t 2) должно падать до первоначального значения. Такое напряжение называется пилообразным и оно вырабатывается генератором пилообразного напряжения (рис.3). Движение электронного луча во времени по оси Х называется разверткой . Схема, которая вырабатывает напряжение развертки, называется блоком развертки . Если напряжение развертки линейно растет со временем, то развертка называется линейной . Развертка бывает также циклической и более сложной.
Подадим на вертикально отклоняющие пластины переменное напряжение U y с периодом T c :
а на горизонтально отклоняющие пластины - напряжение развертки с периодом Т р . В этом случае луч будет одновременно участвовать в двух движениях. В зависимости от соотношения частот исследуемого сигнала и развертки на экране осциллографа можно получить различное число периодов изучаемого напряжения. При равенстве периодов Т р =Т с за время равномерного движения луча от левого края экрана до правого луч успевает совершить одно полное колебание также в вертикальном направлении и на экране получится один период исследуемого напряжения. Через время T p луч вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать синусоиду, которая точно ляжет на первую, и на экране возникнет неподвижная осциллограмма. При T р =nT с (где n – целое число) осциллограмма будет представлять собой кривую из n периодов исследуемого напряжения.
При незначительном нарушении указанного выше условия осциллограмма начнет двигаться либо вправо, либо влево. Для достижения неподвижности осциллограммы на экране необходимо синхронизировать напряжение развертки с исследуемым сигналом. Для этих целей служит блок синхронизации . Синхронизация заключается в том, что начало каждого периода пилообразного напряжения принудительно совмещается с одной и той же фазой исследуемого сигнала. Тогда развертка начинается всегда в одной и той же точке на кривой временной зависимости исследуемого сигнала. Если в качестве напряжения синхронизации в осциллографе используется сам исследуемый сигнал, то говорят о внутренней синхронизации . Если для синхронизации используется какое-либо внешнее напряжение, не связанное с исследуемым сигналом, то говорят о внешней синхронизации . В осциллографах также предусматривается синхронизация от напряжения сети. В современных осциллографах генератор развертки может работать в двух режимах – в режиме непрерывной развертки и в режиме ждущей развертки. В режиме непрерывной развертки генератор развертки работает независимо от наличия сигнала на входе Y. В режиме ждущей развертки генератор развертки приводится в действие только при подаче исследуемого напряжения.
Блок питания предназначен для обеспечения необходимыми напряжениями электроды электронно-лучевой трубки, усилители, генераторы и другие схемы осциллографа.
Чувствительность трубки . Электронно-лучевая трубка характеризуется чувствительностью. Чувствительностью трубки к напряжению называется отклонение луча на экране, вызванное разностью потенциалов в 1 В на отклоняющих пластинах:
где k - чувствительность трубки; Z – отклонение луча на экране трубки; U - разность потенциалов между отклоняющими пластинами.
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.
Если спросить профессионального регулировщика электронной аппаратуры или радиоинженера: "Какой самый главный прибор на вашем рабочем месте?" Ответ будет однозначным: "Конечно, осциллограф!". И это действительно так.
Конечно, невозможно обойтись без мультиметра . Измерить напряжение в контрольных точках схемы, замерить сопротивление и ток, «прозвонить» диод или проверить транзистор все это важно и нужно.
Но когда речь заходит о регулировке и настройке любого электронного устройства от простого телевизора до многоканального передатчика орбитальной станции, то без осциллографа обойтись невозможно.
Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, измерить время нарастания импульса, а в цифровой аппаратуре это очень важный параметр.
Осциллограф – это своего рода телевизор, который показывает электрические сигналы.
Как работает осциллограф?
Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим блок-схему усреднённого прибора. Практически все осциллографы устроены именно так.
На схеме не показаны только два блока питания : высоковольтный источник, который используется для вырабатывания высокого напряжения поступающего на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка ) и низковольтный, обеспечивающий работу всех узлов прибора. И отсутствует встроенный калибратор , который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.
Исследуемый сигнал подаётся на вход "Y " канала вертикального отклонения и попадает на аттенюатор, который представляет собой многопозиционный переключатель, регулирующий чувствительность. Его шкала отградуирована в V/см или V/дел. Имеется в виду одно деление координатной сетки нанесённой на экран ЭЛТ. Там же нанесены сами величины: 0,1 В,10 В, 100 В. Если амплитуда исследуемого сигнала неизвестна, мы устанавливаем минимальную чувствительность, например 100 вольт на деление. Тогда даже сигнал амплитудой 300 вольт не выведет прибор из строя.
В комплект любого осциллографа входят делители 1: 10 и 1: 100 они представляют собой цилиндрические или прямоугольные насадки с разъёмами с двух сторон. Выполняют те же функции, что и аттенюатор. Кроме того при работе с короткими импульсами они компенсируют ёмкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешний делитель от осциллографа С1-94. Как видим, коэффициент деления его составляет 1: 10.
Благодаря внешнему делителю удаётся расширить возможности прибора, так как при его использовании становится возможным исследование электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.
С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель . Здесь он разветвляется и поступает на линию задержки и на переключатель синхронизации. Линия задержки предназначена для компенсации времени срабатывания генератора развёртки с поступлением исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения. Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на пластины "Y " и обеспечивает отклонение луча по вертикали.
Генератор развёртки формирует пилообразное напряжение, которое подаётся на усилитель горизонтального отклонения и на пластины "X " ЭЛТ и обеспечивает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный как время на деление ("Время/дел"), и шкалу времени развёртки в секундах (s), миллисекундах (ms) и микросекундах (μs).
Устройство синхронизации обеспечивает начало запуска генератора развёртки одновременно с возникновением сигнала в начальной точке экрана. В результате на экране осциллографа мы видим изображение импульса развёрнутое во времени . Переключатель синхронизации имеет следующие положения:
Синхронизация от исследуемого сигнала.
Синхронизация от сети.
Синхронизация от внешнего источника.
Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.
Осциллограф С1-94.
Кроме сложных и дорогих моделей осциллографов, которые используются при разработке электронной аппаратуры, нашей промышленностью был налажен выпуск малогабаритного осциллографа C1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он хорошо зарекомендовал себя в работе и обладает всеми функциями дорогого и серьёзного прибора.
В отличие от своих более "навороченных" собратьев, осциллограф С1-94 обладает достаточно небольшими размерами, а также прост в использовании. Рассмотрим его органы управления. Вот лицевая панель осциллографа С1-94.
Справа от экрана сверху вниз.
- Сеть
». Кнопка включения прибора.
Ручка: «Фокус».
Ручка «Яркость».
Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.
Кнопка режима «Ждущ-Авт ».
Это кнопка выбора ждущего и автоматического режима развёртки. При работе в ждущем режиме запуск и синхронизация развёртки производится исследуемым сигналом. При автоматическом режиме запуск развёртки происходит без сигнала. Для исследования сигнала чаще используется ждущий режим запуска развёртки.
Вот этой кнопкой производится выбор полярности запускающего импульса. Можно выбрать запуск от импульса положительной или отрицательной полярности.
Кнопка установки синхронизации «Внутр-Внешн ».
Обычно используется внутренняя синхронизация, так как для использования внешнего синхросигнала нужен отдельный источник этого внешнего сигнала. Понятно, что в условиях домашней мастерской это в подавляющем случае не нужно. Вход внешнего синхросигнала на лицевой панели осциллографа выглядит вот так.
Кнопка выбора "Открытого" и "Закрытого" входа.
Тут всё понятно. Если предполагается исследование сигнала с постоянной составляющей, то выбираем "Переменный и постоянный". Этот режим называется "Открытым", так как на канал вертикального отклонения подаётся сигнал, содержащий в своём спектре постоянную составляющую или низкие частоты.
При этом, стоит учитывать, что при отображении сигнала на экране он уйдёт вверх, так как к амплитуде переменной составляющей добавиться и уровень постоянной составляющей. В большинстве случаев лучше выбирать "закрытый" вход (~ ). При этом постоянная составляющая электрического сигнала будет отсечена и не отображается на экране.
Клемма «корпус» служит для заземления корпуса прибора. Это делается в целях безопасности. В условиях домашней мастерской порой нет возможности заземлить корпус прибора. Поэтому приходится работать без заземления. При этом важно помнить, что во включенном состоянии на корпусе осциллографа может быть потенциал напряжения. При касании корпуса может "дёрнуть". Особенно опасно дотрагиваться одной рукой до корпуса осциллографа, а другой рукой до батарей отопления или других работающих электроприборов. В таком случае опасный потенциал с корпуса пройдёт через ваше тело ("рука" - "рука") и вы получите электрический удар! Поэтому при работе осциллографа без заземления желательно не дотрагиваться до металлических частей корпуса. Это правило справедливо и для прочих электроприборов с металлическим корпусом.
По центру лицевой панели переключатель «развёртка» - Время/дел . Именно этот переключатель управляет работой генератора развёртки.
Чуть ниже располагается переключатель входного делителя (аттенюатора) - V/дел . Как уже говорилось, при исследовании сигнала с неизвестной амплитудой, необходимо выставить максимально возможное значение V/дел. Так для осциллографа С1-94 нужно установить переключатель в положение 5 (5V/дел. ). В таком случае одна клетка на координатной сетке экрана будет равна 5-ти вольтам. Если ко входу "Y" осциллографа подключить делитель с коэффициентом деления 1 к 10 (1: 10), то одна клетка будет равна 50-ти вольтам (5V/дел. * 10 = 50V/дел.).
Также на панели осциллографа имеются:
В настоящее время, с развитием цифровой техники, стали широко внедряться цифровые осциллографы. По сути это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.
Аналоговая аппаратура всегда была надежной и удобной в работе. Кроме того она легко ремонтировалась. Цифровой осциллограф стоит на порядок дороже и очень сложен в ремонте. Плюсов конечно много. Если аналоговый сигнал с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) перевести в цифровую форму, то с ним можно делать всё что угодно. Его можно записать в память и в любой момент вывести на экран для сравнения с другим сигналом, складывать в фазе и противофазе с другими сигналами. Конечно, аналоговая техника это хорошо, но за цифровой электроникой будущее.
К осциллографам у меня особая любовь. Кому-то бентли нравятся, а кому-то осциллографы. У каждого свои причуды. Бентли мне тоже нравится, но в отличии от всех других её владельцев, мне еще и осциллографы нравятся! =)
Главная задача осциллографа: регистрировать изменения исследуемого сигнала и выводить его на экран для просмотра. Это самый незаменимый прибор в лаборатории радиолюбителя. Можно и частоту прикинуть и амплитуду посмотреть и, что часто ещё важней, форму сигнала изучить. Решил заниматься электроникой -- обязательно купи.
Краткая история
История осциллографа насчитывает уже 100 с лишним лет. В разное время над усовершенствованием прибора работали такие известные люди как Адре Блондель, Роберт Андреевич Колли, Уильям Крукс, Карл Браун, И. Ценнек, А. Венельт, Леонид Исаакович Мандельштам и многие другие.
Кстати, а вы знали, что первое подобие осциллографа создали в Российской Империи? Это сделал В 1885 году русский физик Роберт Колли . Прибор назывался осциллометр. Осциллографы того времени сильно отличались от тех, что используются сейчас!
Общий принцип работы
Надо сказать, что сейчас существует огромное количество разных осциллографов. Но для нас важен общий принцип работы, который заключается в том, что прибор регистрирует изменение напряжения сигнала и выводит его на экран. Да, именно для этого и нужен осциллограф, и всё. Но это настолько важно для физиков и инженеров, что словами передать сложно. Важность этого прибора сравнима с открытием закона всемирного тяготения.
На картинке выше приведена типичная панель управления осциллографа. Куча всяки регуляторов, кнопочек, разъемов и экран. Ужас, как во всём это разобраться? Да легко. Поехали.
Никто не обидится, если я скажу, что у осциллографа два главных органа управления. Над ними обычно написано "Развертка" или "Длительность", "В/дел". Разберемся!
Сначала про "В/дел". На вход прибора ты можешь подавать сингал разной амплитуды. Захотел подал синусоиду с амплитудой в 1В, а захотел 0.2В или 10В. Как видно на картинке сверху, экран прибора обычно разделен на клеточки. Да, это та самая всем привычная декартова система координат. Так вот "В/дел" позволяет изменять масштаб по оси Y. Другими словами можно менять размер клеточки в вольтах. Если выбрать 0.1В и подать синусоиду амплитудо в 0.2В, тогда вся синусоида займёт на экране 4 клетки.
А при исследовании сигнала в реальной схеме амплитуда сигнала может быть такой, что весь сигнал не сможетпоместиться на экране прибора. Вот тогда ты и будешь крутить ручку регулировки "В/дел", устанавливая необходимый масшатб оси Y таким, чтобы увидеть весь сигнал.
Теперь про "Длительность". Большую часть истории развития электронных осциллографов они были аналоговыми. В качестве экрана использовались ЭЛТ (электронно-лучевые трубки). Те самые, что уже и в телевизорах трудно встретить. Кому интересно, посмотрите видео ниже. Оно прекрасно объясняет принцип рисования исследуемого сигнала на экране ЭЛТ-осциллографа. Либо читаем дальше, если лень смотреть, -- я расскажу о самом главном.
Итак, ручка "длительность" ("разёртка") нужна для того, чтобы задать с какой скоростью будет бегать луч на экране прибор слева на право. (Ты думал, что там рисуется линия целиком? Нет, это в современных цифровых приборах так, но оних позже) Для чего это нужно? Да собственно на этом и строится работа осциллографа. Луч бегает слева-направо, а подаваемый на вход сигнал просто отклоняет его вверх или вниз. В итоге ты и видишь на экране прибора красивую картинку синусоиды или какого-нибудь шума.
Ладно, зачем это нужно теперь понятно. Остался вопрос зачем менять скорость перемещения или, другими словами, частоту пробегания луча по экрану (частоту развертки)?
Может ты замечал сам или видел на каком-нибудь шоу или концерте такой эффект, что когда в темноте вспихивал яркий свет на долю секунды, тогда казалось, что все движение прекратилось, мир замер? Поздравляю ты подметил стробоскопический эффект. Есть даже такое устройство -- стробоскоп. Стробоскоп позволяет разглядывать быстродвижущиеся предметы. В осциллографе тоже самое, он по сути представляет собой "электронный" стробоскоп! Только с помощью изменения частоты развертки мы добиваемся замирания картинки на экране прибора. И если частота развертки будет близка или совпадать с частотой сигнала, то на экране ты увидишь статичную картинку, которая словно нарисована на бумаге.
А иначе будет казаться, что синусоида куда-то бежит. Я не буду рассказывать как это достигается. Главное понять принцип, а детали конкретной реализации уже не столь важны. Все остальные функции осциллографа уже являются дополнением. Их наличие сильно упрощает исследование сигналов. И если каких-то из них нет в твоём приборе, то можно жить спокойно.
Какие бывают осциллографы
Пока что ещё можно выделить три основных вида осциллографов: аналоговые, цифровые и аналогово-цифровые. Цифровых с 80х годов 20 века становится всё больше. Сейчас они представляют самую многочисленную группу. Обладают множеством полезных дополнительных функций, маленьким размером, весом и приличной стоимостью.
На момент написания этих строк, средняя цена за цифровой прибор будет от 15 тысяч за самую корявую модель. Более-менее нормльный прибор можно купить от 25 000. В то время как старый советский прибор с серьезными характеристиками, многократно превосходящими среднюю цифровую модель, можно найти за 3-6 тысяч, но вес, размеры и некоторые другие характеристики могут подойти не каждому =)
Основные характеристики
У осциллографов есть много характеристик. Обо всех радиолюбителю знать бесполезно. Разве что радиолюбитель решил стать профессионалом =) Но есть такие, о которых следует быть в курсе и понимать что они означают.
