Специальные осциллографы

Специальные осциллографы.

– это, главным образом, телевизионные  осциллографы.

Упрощенная структурная  схема, по которой строится большинство  осциллографов, работающих в реальном масштабе времени, изображена на рис. 1.

Рис. 1. Блок схема универсального осциллографа

Она содержит следующие основные части: канал вертикального отклонения луча (канал Y), канал горизонтального отклонения (канал X), канал управления лучом по яркости (канал Z), калибратор, ЭЛТ со схемами фокусировки, управления и питания.

Рассмотрим канал вертикального  отклонения. На входное устройство поступает исследуемый сигнал, поэтому  входная цепь должна обеспечивать согласование параметров входа усилителя вертикального  отклонения А1 с параметрами цепи исследуемого сигнала. Чтобы можно было исследовать сигналы с малой амплитудой при наличии большого постоянного напряжения, вводится коммутируемая разделительная емкость.

Входное устройство имеет  делитель напряжения для разделения пределов измерения, со ступенчато изменяющимися  коэффициентами деления.

Предварительный усилитель A1 позволяет решать следующие задачи: усиление исследуемого сигнала, сохраняя возможно большое значение отношения сигнал – шум в рабочем диапазоне частот, согласование параметров сигнала с параметрами линии задержки, преобразование сигнала из несимметричного в симметричный.

Линия задержки ET1 обеспечивает поступление сигнала на Y-пластины ЭЛТ после поступления напряжения на X-пластины, благодаря чему можно наблюдать фронт исследуемого импульса при синхронизации развертки исследуемым импульсом.

Задержка составляет примерно 0.1 мкс.

Оконечный усилитель A2 канала Y обеспечивает усиление исследуемого сигнала до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана по вертикали, при этом используется двухтактный усилитель.

Канал горизонтального отклонения луча включает в себя генератор развертки G1, оконечный усилитель А3, устройство синхронизации и запуска развертки.

Генератор развертки предназначен для формирования напряжения, вызывающего  отклонение луча по горизонтали пропорционально  времени. Параметры напряжения развертки  должны соответствовать времени  нарастания переходной характеристики канала и возможностям экрана данной ЭЛТ к высвечиванию медленных  процессов. Генератор развертки  имеет, как правило, три режима работы: автоколебательный, ждущий и однократной развертки. Автоколебательный режим применяется для наблюдения синусоидальных и импульсных сигналов с небольшой скважностью. Ждущий режим генератора развертки используется при исследовании импульсных сигналов с большой скважностью. Генератор в этом режиме находится в состоянии готовности к рабочему ходу развертки. При поступлении запускающего импульса начинается рабочий ход развертки. По окончании рабочего хода развертки генератор возвращается в состояние готовности к новому рабочему ходу. Яркость изображения импульса обычно пропорциональна частоте следования исследуемых импульсов. Минимальная частота следования также определяется световыми параметрами ЭЛТ.

Режим однократной развертки  предусмотрен у большинства осциллографов. Он предназначен для фотографирования одиночных сигналов или их запоминания. Генератор развертки находится  в состоянии готовности к рабочему ходу. Нажатием кнопки ПУСК генератор  запускается очередным импульсом. После рабочего хода развертка автоматически  блокируется и не запускается  следующим импульсом до очередного нажатия кнопки ПУСК.

Для получения изображения  более крупного масштаба по оси времени, чем позволяет генератор развертки, у большинства осциллографов  предусматривается режим «растягивания» во времени, что достигается увеличением  коэффициента усиления оконечного усилителя  канала X в заданное число раз – /2,5,10/.

Конечно, при работе в  таком режиме уменьшается яркость  изображения. У большинства осциллографов  наряду с режимом развертки во времени используется режим отклонения /режим X-Y/ исследуемым сигналом по горизонтали, аналогично тому, как это делается в канале Y. Этот режим необходим при исследовании различных функциональных зависимостей, таких как ВАХ приборов, интерференционные фигуры и др. Для этого исследуемое напряжение подается на вход Y и вход X (синхронизация).

Устройство синхронизации  и запуска развертки предназначено  для получения устойчивого изображения  сигнала на экране осциллографа. Для  этого начало рабочего хода развертки  должно совпадать с одной и  той же характерной точкой исследуемого сигнала. При автоколебательном режиме работы генератора развертки этот процесс привязки начала развертки к началу наблюдаемого сигнала называют синхронизацией, а при ждущем режиме и одиночном запуске – запуском развертки. Для обеспечения синхронизации и запуска развертки устройство синхронизации вырабатывает импульс с крутым фронтом и постоянной амплитудой в момент времени, когда входной сигнал достигает заданного уровня. Этим импульсом корректируется длительность обратного хода развертки или ее запуска.

Канал управления такого луча (канал Z) служит для установки яркости изображения сигнала на экране ЭЛТ, удобной для его наблюдения как вручную (изменяя смещение на модуляторе или катоде ЭЛТ), так и с помощью усилителя, на вход которого подаются сигналы внешнего или внутреннего источника для быстрого подсвечивания важных участков изображения сигнала.

Основное назначение канала Z состоит в подсвечивании рабочего хода развертки. Во время рабочего хода на вход усилителя подается прямоугольный импульс подсвета, который вырабатывается генератором развертки и после усиления подается на модулятор или катод ЭЛТ.

Калибровочные цепи представляют собой генераторы сигнала с точно  известной амплитудой и периодом. В качестве калибровочного сигнала  чаще всего используется меандр. Калибровочное  напряжение подается на вход осциллографа. Органы управления осциллографа устанавливаются  в указанные в инструкции положения  и проверяются совмещением калибровочного сигнала с заданными рисками  шкалы.

Основными нормируемыми характеристиками осциллографа, определяемыми каналом  вертикального отклонения, являются чувствительность (коэффициент отклонения), время нарастания переходной характеристики канала вертикального отклонения и  полоса пропускания, входное сопротивление и входная емкость. Кроме того, нормируется степень допустимых искажений сигналов на экране и основная погрешность измерения напряжения.

Чувствительность канала вертикального отклонения S_y (мм/мВ):

S_y=S_y(t)*K*10^-3,                                                               (1)

где   S_y(t) – чувствительность ЭЛТ к вертикальному отклонению (мм/В),

К – коэффициент усиления канала Y.

Коэффициент отклонения R_oy (мВ/мм) есть величина, обратная S_y

R_oy=1/S_y=10³ /R_y*S_y(t)=R_oy(t)*10³*R_y,                                 (2)

где   R_oy(t) – коэффициент отклонения трубки.

Рис. 2.  Графики для определения полосы пропускания и времени нарастания

Время нарастания переходной характеристики, полоса пропускания

Полоса пропускания у  большинства осциллографов простирается от постоянного тока (открытый вход) или нескольких единиц Гц ¦_н (закрытый вход) до верхней частоты ¦_в , при которой коэффициент усиления в канале Y уменьшается на 3 дБ  (рис. 2а).

Временем нарастания переходной характеристики называется время, в  течение которого луч проходит от 0.1 до 0.9 установившегося значения (рис. 2б).

Полоса пропускания и  время нарастания переходной характеристики величины связанные. Для получения  неискаженной формы импульса и отсутствия выбросов падение усиления в области  высших частот не должно быть очень  резким (не более 6 дБ/окт).

При этих условиях t_н=350/¦_в. Здесь t_н выражено в нс, ¦_в - в МГц. На рис. 2б показан случай, когда это условие нарушено. Как следствие появление выброса на переходной характеристике.

Во многих осциллографах  для обеспечения равномерности  АЧХ в пределах полосы пропускания  в оконечном каскаде осуществляется коррекция АЧХ на участке непосредственно  перед спадом уровня 3 дб. В технических характеристиках на осциллограф приводится максимальное возможное значение выброса (например ≤ 5%). Очевидно, при длительности фронта исследуемого импульса, во много раз превышающем время нарастания переходной характеристики, на изображении импульса не наблюдается.

Быстродействие осциллографа характеризуют также временем установления переходной характеристики t_у . Это интервал времени от уровня 0.1 амплитуды изображения до момента уменьшения паразитных осцилляций после выброса до значения, не превышающего погрешность измерения уровня (0,5......0,25/дел).

На рис. 2б показаны время  нарастания для двух форм, время  установления переходной характеристики t_у, амплитуда dU_m выброса переходной характеристики.

При измерении амплитуды  синусоидального колебания в  высокочастотной АЧХ возможна существенная погрешность при принятом нормировании неравномерности АЧХ (до 30%). Поэтому полоса частот, в которой гарантируется та или иная погрешность измерения амплитуды, указывается в техническом описании особо.

Входное сопротивление канала

Входное сопротивление канала Y характеризует степень влияния осциллографа на режим работы исследуемой цепи и характеризуется входным активным сопротивлением и входной емкостью С_вх, включенной параллельно входному сопротивлению. Обычно С_вх£30...40 пФ, а R_вх³1 МОм. Как следует из структурной схемы, канал горизонтального отклонения состоит из генератора развертки, оконечного усилителя и устройства синхронизации.

Развертка характеризуется  коэффициентом развертки, равным отношению  времени прямого хода Т_n к числу делений шкалы экрана, которые занимает линия развертки: K_p=T_n/n_э.

Параметры каналов Y и Х должны быть взаимно увязаны соотношением между временем нарастания переходной характеристики в канале Y и минимальным коэффициентом развертки и устанавливается из следующих соображений.  Пусть исследуется минимальная длительность измеряемого фронта импульса t_ф. С одной стороны, можно считать для данного осциллографа, что t_фmin³3t_н.

С другой стороны, считается  что изображение фронта займет на экране не более трети шкалы, т.е. t_ф/К_pmin £n_э/3 , где К_pmin – минимальный коэффициент развертки, n_э  – число делений шкалы ЭЛТ.

Из приведенных соотношений  можно заключить, что К_pmin £ 9t_н/n_э . Поскольку n_э»8...10, то К_pmin»t_n

Таким образом, минимальный  коэффициент развертки равен  времени нарастания переходной характеристики в канале Y, приходящемуся на одно деление шкалы ЭЛТ.

Общий принцип работы генератора линейной развертки состоит в  использовании напряжения на обкладках  конденсатора при его заряде и  разряде и автоматического переключения с заряда на разряд (рис. 3).

Конденсатор С1 заряжается через резистор R1, когда электронный переключатель S1 находится в положении 1, и разряжается через r, когда S1 находится в положении 2.

Если R1×C1 ³ r×C1, то напряжение U_c при заряде используется для создания прямого хода развертки, а при разряде – обратного хода.

Рис. 3. Принципиальная схема  и диаграмма работы генератора  
линейной развертки.

Вспомним попутно определение  коэффициента нелинейной развертки.

Если коммутирующая схема  работает в автоколебательном режиме, то получается модель периодической  развертки. Длительность или частота  развертки определяется длительностью  замкнутого и разомкнутого состояния  коммутирующей цепи, она в реальной схеме коммутатора зависит от параметров R₁, C₁, r. Коммутатор срабатывает автоматически, когда напряжение на конденсаторе достигает определенного уровня – максимального или минимального. Напряжение на конденсаторе U_с при заряде, как известно, изменяется по экспоненциальному закону, а необходимо, чтобы менялась линейно. Один из способов линеаризации заряда емкости состоит в замене источника напряжения U_о, генератором тока. Тогда если в формулу интегрирующей цепи подставить i=I=const, получим  , что и требовалось доказать.

Другой способ состоит  в использовании вместо интегрирующей  цепи активного интегратора.

Коэффициент нелинейности выходного  напряжения интегратора теоретически в К-1 ниже, чем в случае применения простой интегрирующей цепи. Например, g=1% может быть достигнут при использовании большего участка экспоненты (t_р/t=1) и сравнительно небольшого коэффициента усиления УПТ (К=100).

Подобного типа генераторы развертки применены, например в универсальных осциллографах С1-65, С1-68, С1-72.

Рабочая частьэкрана              

60X80 мм

Питание 

220 В, 50, 60 и 400 Гц; от источника постоянного тока 27 В

Потребляемая мощность

65 В • А

Габариты

285X135X360 мм

Масса       

С9-7 7,5 кг

Таблица 2. Технические характеристики телевизионных осциллографов и вектороскопов

1 
7 
0 
5 
A

1 
7 
1 
1 
J

1 
7 
2 
1

1 
7 
2 
5

1 
7 
3 
1

1 
7 
3 
5

1 
7 
3 
5 
H 
D

1 
7 
4 
1

1 
7 
4 
5

1 
7 
5 
1

1 
7 
5 
5

1 
7 
6 
1

1 
7 
6 
5

1 
7 
8 
1 
R

W 
F 
M 
9 
1

W 
F 
M 
3 
0 
0 
A

W 
F 
M 
6 
0 
1 
A

W 
F 
M 
6 
0 
1 
E

W 
F 
M 
6 
0 
1 
M

W 
F 
M 
1 
1 
2 
5

V 
M 
1 
0 
1

V 
M 
7 
0 
0 
T

Видеостандарт

NTSC

доп.

PAL

доп.

ТВЧ

Входные сигналы

Композитный аналоговый

2

2

2

2

2

6

8

8

8

8

8

8

4

1

1

1

Компонентный аналоговый

2

2

2

2

2

2

2

1

1

Последовательный цифровой композитный

Последовательный цифровой компонентный

2

2

2

2

Стереозвук

Выходные сигналы

Для аналогового монитора

Для цифрового монитора

Режимы набюдения

Анализ спектра

Форма сигнала

Мониторинг RGB/YRGB

Выделение/измерение строк

Расположение векторов в  композитном сигнале

Компонентные сигналы: с  последовательным располоением на экране/с наложением

Расположение векторов в  компонентном сигнале/яркость/ 
"бабочка"

доп.

Diamond (для RGB)

Режим "картинки"

Eye Pattern

Измерение  
SCH-фазирования

доп.

доп.

Измерение амплитуды/фазы звука

доп.

Запоминание формы сигнала

Прочие

Измерительный курсор

Полоса частот, МГц

950- 
1800

6

6

6

6

6

15/30

10

10

10

10

10

10

20

6

6

30

5

6

Увеличение по вертикали

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

10

10

10

300