Осциллограф

Осциллограф входит в комплект необходимых измерительных приборов при работе с электронными устройствами. Осциллограф – это единственный вид измерительных устройств, который позволяет наблюдать форму сигнала непосредственно, а также оценивать его амплитудные и временные характеристики. Современные осциллографы по точности измерения параметров не уступают специализированным измерительным приборам – вольтметрам, частотомерам.

Осциллограф

Назначение осциллографа – это наблюдение формы сигнала, измерение его мгновенных параметров в любой момент времени наблюдения, сравнение формы и фазовых сдвигов с другими колебаниями.

Устройство и принцип действия

Устройство электронного осциллографа можно без преувеличения назвать одним из самых сложных среди большинства измерительных приборов. По принципу работы он практически идентичен телевизионному приемнику, с той разницей, что вместо сигнала изображения на его вход подается исследуемый сигнал.

В основе устройства лежит электронно-лучевая трубка, на которой визуально отображается состояние входного электрического сигнала. Для того чтобы согласовывать изображение на экране с реальной формой колебаний, электронный луч осциллографа управляется генератором строчной развертки.

Электронно-лучевая трубка осциллографа имеет в составе две пары отклоняющих пластин, которые управляют положением электронного луча на экране. Первая пара расположена горизонтально и отвечает за отклонение луча по горизонтали. Для этого на нее подается напряжение пилообразной формы от генератора горизонтальной развертки. Постепенно увеличивающееся напряжение вызывает линейное отклонение луча по горизонтали. Во время резкого спада импульса развертки луч возвращается назад для того, чтобы начать движение заново. Момент возврата луча не должен быть виден на экране, поэтому в это время на экран подается напряжение гашения луча.

Наиболее полно уяснить работу осциллографа можно, рассмотрев блок-схему внутреннего устройства.

Блок-схема

Схема осциллографа позволяет более детально понять принцип его работы. По ней видно, что в состав прибора входит два канала: вертикального и горизонтального отклонения.

Горизонтальная развертка

Канал горизонтального отклонения (называется канал X) подключен к генератору развертки, который вырабатывает сигнал горизонтального отклонения лучей ЭЛТ. Генератор развертки может работать в нескольких режимах:

• Внутренняя синхронизация. Работает в режиме автоколебаний с вручную выставленной частотой;
• Внешняя синхронизация. Запуск генератора происходит от входных импульсов. Включает три подрежима: запуск по фронту или по спаду импульсов и от внешнего источника колебаний;
• Синхронизация от питающей сети (50Гц);
• Ручной (однократный) запуск.

Режим внутренней синхронизации удобен при исследованиях сигналов стабильной частоты, поскольку только при таком условии наблюдается стабильное неподвижное изображение. Для увеличения стабильности в данном режиме может быть организован захват частоты на входе собственным генератором развертки.

В режиме внешней синхронизации, его еще называют ждущий режим, запуск генератора производится в момент достижения входным сигналом определенного уровня или от внешнего источника. Данный режим удобен для исследования недостаточно стабильных колебаний, особенно, когда используется синхронизация генератора развертки и исследуемой схемы от одного источника колебаний. Для точной установки уровня, с которого начинается запуск генератора, в приборе предусмотрена регулировка.

Зачем предусмотрена синхронизация от сети? При синхронизации от питающей сети запуск развертки происходит синхронно с колебаниями сетевого напряжения, что очень удобно при наблюдении помех и искажений, вносимых устройствами питания.

К сведению. Ручная синхронизация используется при исследовании непериодических сигналов, например, в логических схемах.

Вертикальная развертка

По аналогии с координатной сеткой канал вертикального отклонения именуется канал Y. В нем происходит обработка входного исследуемого сигнала, который подается в канал через аттенюатор – ступенчатый регулятор уровня. Так сделано для того, чтобы амплитуда измеряемого параметра не превышала допустимого уровня, и наблюдаемая картинка не выходила за границы экрана. Канал вертикального отклонения имеет возможность передачи сигнала на задающий генератор горизонтального отклонения для синхронизации последнего.

Обычный режим работы канала Y – открытый. Это означает, что вертикальное отклонение луча будет в точности соответствовать уровню сигнала. Когда имеется постоянная составляющая, она может мешать наблюдению колебаний, поскольку картинка на экране будет сильно смещена к верхней или нижней границе экрана или даже выходить за нее. Либо же придется подгонять аттенюаторов в размер экрана. Постоянную составляющую можно убрать, переключив канал в режим закрытого входа.

Что такое закрытый вход? В таком случае сигнал поступает через конденсатор, который не создает препятствий для переменного напряжения.

Переключатель режима входа

Оба канала имеют оконечные усилители, которые формируют необходимые уровни сигналов, подаваемых на отклоняющие пластины.

Основные параметры

Как и любой другой измерительный прибор, электронный осциллограф имеет характеристики, которые определяют возможную область применения:

• Для того чтобы вход устройства не вносил искажения в исследуемую схему, его сопротивление должно быть достаточно велико. Подавляющее большинство осциллографов имеет сопротивление входа 1 Мом;
• Второй важный параметр – верхняя граничная частота исследуемого сигнала. Современные осциллографы способны работать с колебаниями гигагерцовой частоты. Здесь имеется в виду не только частота сигнала, но и длительность фронта или спада отдельных импульсов, то есть время изменения амплитуды. Это важно при исследовании сигналов несинусоидальной формы. Чем ближе форма сигнала к прямоугольной, тем больше в нем присутствие высокочастотных гармонических составляющих. Если входные цепи не рассчитаны на такую частоту, то на изображении передняя и задняя стенки импульсов будут передаваться с искажениями. Частота будет отображаться верно, но форма импульса уже не будет соответствовать реальной;

• Диапазон допустимых значений уровня. Разумеется, что колебания малого уровня не будут способны вызвать отклонения электронного пучка ЭЛТ или выйдут из допустимых пределов разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя частоты. Высокие значения мало того что вызовут искажения изображения, но могут и вывести из строя входные цепи устройства.

Области применения

Как уже понятно из предыдущих описаний, осциллографы служат для исследований формы периодических и дискретных сигналов. В некоторых случаях измерений без них обойтись практически невозможно. Вольтметр и амперметр дают только понятие об уровнях сигнала, частотомер – об их частоте, но полной картины без использования осциллографа достигнуть невозможно.

Одна из значительных областей применения – исследование формы телевизионного сигнала, где, кроме сигнала, несущего информацию о передаваемом изображении, присутствуют данные о сигналах синхронизации кадровой и строчной разверток, импульсах цветовой синхронизации и прочей дополнительной информации. Наблюдения осциллографических изображений телевизионного сигнала позволяют значительно облегчить ремонт и регулировку трактов изображения телевизионных приемников.

Телевизионный осциллограф

Типы осциллографов

По принципу построения внутренней схемотехники электронно лучевые осциллографы делятся на:

• Аналоговые;
• Цифровые;
• Аналоговые с цифровой обработкой сигнала.

Исторически первыми появились аналоговые устройства, так как требовали наличия обычных аналоговых компонентов для работы внутренних составляющих. При этом они обеспечивали достаточно точное отображение формы сигнала, но не имели возможности производить замеры амплитудных и частотных характеристик. Движение электронного луча вкупе с искажениями, вносимыми входным трактом, давали большую нелинейность при определении амплитуды и частоты сигнала. Таким образом, по этим параметрам можно было производить только оценочные измерения.

Наблюдения были возможны только для периодических сигналов.

Появление специальных электронно-лучевых трубок позволило организовать память на одно движение луча горизонтальной развертки. Это было необходимо для оценки однократных сигналов или импульсных помех.

Более широкие возможности имеют устройства с цифровым трактом обработки сигнала, который после входных цепей осциллографа подавался на аналого-цифровой преобразователь. Данный алгоритм позволил производить точные измерения параметров, в том числе напряжение и частоту следования, длительность импульсов. Используя запоминающее устройство, легко можно было организовать запоминание любых участков формы сигнала без применения специальных трубок.

Цифроаналоговые осциллографы бывают двух подвидов. В первых из них цифровой тракт использовался только как дополнение к аналоговому для измерения параметров, во вторых – использовался для формирования изображения на ЭЛТ. Первый тип устройств по своим параметрам ничем не отличался от классических аналоговых, имея дополнительную опцию по измерению параметров. Второй подвид вплотную приблизился к полностью цифровым приборам, отличаясь только устройством отображения информации.

Цифровой осциллограф

Цифровые осциллографы используют для отображения информации жидкокристаллический дисплей, на котором, кроме формы сигнала, отображаются все измеряемые параметры:

• Напряжение: амплитудное, среднее;
• Частота сигнала;
• Длительность импульсов;
• Длительность фронта и спада импульсов;
• Фазовые сдвиги.

Таким образом, один прибор способен заменить собой большую часть измерительных приборов.

Первые цифровые осциллографы характеризовались малой разрешающей способностью экрана и в этом качестве сильно уступали аналоговым устройствам, рисуя на дисплее сильно искаженную картинку сигнала. В настоящее время это ограничение снято, и качество изображения не уступает электронно-лучевой трубке.

Методика измерений

Перед началом работы производится калибровка прибора. Для этой цели предусмотрены выходы встроенного калибратора со строго фиксированными значениями частоты и напряжения. Регулировкой чувствительности и частоты устанавливают изображение на экране в соответствии с нормой.

Для измерений следует иметь в виду, что щупы осциллографа имеют два вывода, один из которых подключается к общей точке электросхемы – массе.

Предварительно на входном аттенюаторе выставляется уровень, соответствующий напряжению измеряемого сигнала. Если это значение неизвестно, то следует начинать с максимального положения. Обычно это 100 В на одно деление экрана. Переключая положение аттенюатора, добиваются того, чтобы картинка занимала большую часть экрана.

Далее выставляют требуемый режим синхронизации и частоту развертки задающего генератора. На регуляторе частоты установлены значения длительности периода колебаний. То есть, если переключатель установлен в положение 20 мс/дел, это означает, что период колебаний длительностью 20 мс будет укладываться в одно деление координатной сетки. Это соответствует частоте 50 Гц.

Регулятором уровня и синхронизации добиваются неподвижности изображения.

Для измерений используется следующая методика:

1. Уровень сигнала определяют, подсчитывая, сколько делений по вертикали занимает изображение. Полученное число умножают на значение аттенюатора;
2. Также определяют и длительность сигнала, с тем отличием, что отсчитывают деления по горизонтали и умножают число на значение регулятора длительности. Частоту определяют по формуле:

F=1/T.

Дополнительные возможности

Существуют многоканальные осциллографы, у которых имеется несколько входов Y и, соответственно, можно наблюдать сразу несколько сигналов. Для чего нужен многоканальный осциллограф? Он незаменим для определения фазовых сдвигов колебаний относительно друг друга и их сравнения.

Четырехканальный прибор

Для увеличения входного диапазона применяются входные делители 1:10 или 1:100, которые поднимают допустимое верхнее значение сигнала в 10 и 100 раз, соответственно. Этот факт нужно учитывать при измерениях в дальнейшем. Наличие входного делителя при этом пропорционально увеличивает и входное сопротивление прибора.

Внешний делитель

Цифровые осциллографы избавляют от необходимости ручного подсчета амплитуды и частоты, выводя эти значения на экран. Кроме того, они позволяют заносить изображение в память и передавать его на внешнее печатающее устройство.

При отсутствии дополнительных входов Y для определения фазовых сдвигов нужен осциллограф, у которого предусмотрен вход Х с отключенным внутренним генератором развертки. Подавая колебания на входы X и Y, можно сравнивать фазы и частоты по так называемым фигурам Лиссажу.

Фигуры Лиссажу

Видео