Раздел 4. исследование формы сигналов

Осциллографы относятся к приборам, позволяющим наблюдать форму различных сигналов и измерять параметры этих сигналов. Отличительной особенностью осциллографов является их многофункциональность.

Современные осциллографы делятся на электромеханические (самописцы) и электронные (электронно-лучевые) и различаются между собой принципом построения, областями измерения, а часто и типами решаемых задач.

В настоящее время для анализа формы сигнала чаще всего используют осциллографы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) - электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО). Эти измерительные приборы относятся к наиболее универсальным, и предназначены для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. В настоящее время разработаны и используются различные типы ЭЛО: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, специальные.

В качестве «карандаша», вычерчивающего закон изменения исследуемой величины на люминесцирующем экране, в электронном осциллографе (ЭО) используется узкий луч электронов, формируемый внутри ЭЛТ особой электронно-оптической системы электронной пушкой. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча показано на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением луча

Внутри стеклянного баллона, в котором путем откачивания воздуха создается вакуум, расположен катод К с прямым или косвенным подогревом, модулятор М, изменением напряжения на котором регулируется яркость луча, фокусирующий анод А₁ ускоряющий анод А₂ и две пары отклоняющих пластин: горизонтальные — X и вертикальные — Y. Внутренняя поверхность экрана трубки покрыта слоем люминофора, светящегося под действием бомбардировки электронами. Электронная трубка, состоящая из К, М, А₁, А₂, формирует узкий луч электронов.

Осциллографические трубки имеют следующие параметры: размер по диагонали, чувствительность:

(4.1)

где h — отклонение луча на экране (в делениях); U_вх — значение напряжения на пластинах, вызвавшее отклонение h.

Рис. 4.2. Упрощенная структурная схема универсального аналогового осциллографа

В современных ЭО на лицевой панели указывается коэффициент отклонения по каналу X или Y:

, (4.2)

а также ток накала — I_н, напряжение накала — U_н, время послесвечения — t, запирающее напряжение на управляющем электроде — U_з и рабочее напряжение на анодах А₁ и А₂.

Существует большое многообразие универсальных осциллографов, однако, структурная схема, определяемая особенностями ЭЛТ, у них общая (рис. 4.2). ЭЛТ, используемые в универсальных осциллографах, относятся к низковольтным — 1...3 кВ.

Универсальный осциллограф состоит из ЭЛТ с электростатическим отклонением луча, трех электрических каналов (Y, X, Z) и блока питания.

По каналу Y подается исследуемое напряжение, отклоняющее электронный луч в вертикальном направлении. Отличительным признаком входа канала Y является указание значения входного импеданса (R_вх, С_вх) на лицевой панели прибора (рядом с входом).

По каналу X подается вспомогательное напряжение, отклоняющее электронный луч в горизонтальном направлении. Вход канала X, как и вход канала Y, расположен на лицевой панели прибора.

По каналу Z подается напряжение, управляющее яркостью луча. Вход канала Z расположен на задней панели осциллографа, так как этот вход используется реже, чем входы каналов Y и X. Блок питания обеспечивает питание различными по значению напряжениями не только ЭЛТ, но и все остальные блоки осциллографа.

Входной делитель, блок задержки и усилитель образуют канал вертикального отклонения луча (КВО). Исследуемое напряжение достаточного значения может быть подано непосредственно на пластины Y.

Канал горизонтального отклонения луча (КГО) содержит входной делитель, генератор развертки, блок синхронизации и усилитель КГО, и котором формируется развертывающее пилообразное напряжение, подаваемое непосредственно или через КГО на горизонтальные отклоняющие пластины канала X.

Для проверки работоспособности осциллографа в структурную схему прибора введен калибратор — устройство, формирующее периодический импульсный сигнал с известными высокостабильными параметрами (амплитудой, частотой и длительностью), используемый для снижения погрешности измерений.

Методика измерения параметров сигналов осциллографом. Для получения возможно меньшей погрешности измерения осциллограф должен соответствовать основным метрологическим характеристикам.

К основным метрологическим характеристикам осциллографа относятся чувствительность (либо коэффициент отклонения), полоса пропускания, значение импеданса по входу канала Y, погрешность воспроизведения формы сигнала и измерения его параметров.

Чувствительность s выражается формулой:

(4.3)

В техническом паспорте прибора приводится чувствительность по обоим каналам: по вертикальному каналу – s_x и горизонтальному каналу – s_y.

В современных осциллографах наиболее широкое применение нашел коэффициент отклонения, связанный с чувствительностью обратной зависимостью:

(4.4)

Полоса пропускания характеризует частотный диапазон сигналов, исследуемых и наблюдаемых на конкретном осциллографе. В этом частотном диапазоне сигнал измеряется с допустимой погрешностью. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) прибора приведена на рис. 4.3, где f_н и f_в — нижняя и верхняя граничные частоты соответственно. Узкополосные осциллографы, как правило, обладают большей чувствительностью, чем широкополосные.

Рис. 4.3. Амплитудно-частотная характеристика осциллографа

Значение импеданса по входу канала Y — это активная R_вx и реактивная (емкостная) С_вх составляющие входного сопротивления осциллографа. Достоинством осциллографа является большее значение входного сопротивления, что влечет за собой малое собственное потребление мощности от источника исследуемого сигнала. Значение входной емкости прямо пропорционально связано с полосой пропускания осциллографа: чем меньше входная емкость прибора, тем шире частотный диапазон.

Погрешность воспроизведения формы сигнала (искажение) и измерения его параметров обусловлена кривизной экрана, трудностью точного отсчета линейных размеров по вертикали и горизонтали, неумением оператора настроить прибор. Такая погрешность может достигать 10... 15% и является главным недостатком аналоговых осциллографов.

Осциллографические развертки. Напряжение, обеспечивающее перемещение электронного луча по горизонтали (оси времени), называется в осциллографах развертывающим напряжением; траектория, описываемая на экране ЭЛТ при отсутствии исследуемого напряжения, — разверткой; время, в течение которого описывается эта траектория, — длительностью развертки, а ее линейный размер по оси времени — длиной развертки.

Развертки, применяемые в современных аналоговых осциллографах, различаются по нескольким признакам:

- по форме развертывающего напряжения — пилообразные и синусоидальные;

- по форме траектории на экране ЭЛТ (при одновременной подаче исследуемого и развертывающего напряжений) — линейные, круговые и спиральные;

- по временным соотношениям — непрерывные, ждущие, ждущезадержанные (лупа времени) и однократные.

Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая напряжением U_X пилообразной формы и вырабатываемая генератором развертки. В зависимости от режима работы генератора развертки, как уже отмечалось ранее, линейная развертка может быть непрерывной или ждущей.

Непрерывная линейная развертка применяется для исследования гармонических процессов. Генератор развертки вырабатывает сигнал даже при отсутствии на его входе запускающего сигнала. К пластинам канала Y подводится исследуемое напряжение, а к пластинам канала X — напряжение, нарастающее (или убывающее) линейно, т.е. изменяющееся пропорционально времени (рис 4.4).

Рис. 4.4. Примеры линейно-нарастающего (а) и линейно-убывающего (б) идеального и реального развертывающего напряжения

Параметрами непрерывного реального развертывающего напряжения являются t_рх — время рабочего (прямого) хода луча, t_ох — время обратного хода луча, Т_х — период повторения развертывающего напряжения. Для получения возможно меньших искажений осциллограммы развертывающее напряжение должно иметь высокую линейность с возможно меньшим временем t_ox

Ждущая линейная развертка применяется для исследования импульсных сигналов. При этом генератор развертки запускается только с помощью сигнала запуска. К уже записанным ранее временным параметрам добавляется t_ож — время ожидания. Под действием ждущего напряжения электронный луч, проделав за время t_рх один прямой ход (слева направо) и за время t_ох — один обратный ход, остается некоторое время t_ож в состоянии ожидания (покоя). Затем процесс перемещения луча повторится.

Ждущая развертка должна отвечать некоторым требованиям:

- для получения минимальных искажений исследуемого сигнала развертка должна быть линейной (неэкспоненциальной), как и непрерывная пилообразная, с возможно меньшим обратным ходом;

- для получения неподвижной осциллограммы при использовании ждущей и непрерывной линейной развертки необходимо применять синхронизацию.

- для получения исследуемого сигнала в крупном масштабе по горизонтали необходимо выбрать положение органа управления, задающего масштаб, — переключателя «Длительность» («Время/дел.»).

Например, необходимо исследовать и измерить импульсный сигнал прямоугольной формы длительностью t_и = 5 мкс осциллографом, у которого переключатель «Время/дел.» имеет положения: 0,1 – 0,2 – 0,5 – 1 – 2 – 5 – 10 – 20 – 50 μs – 0,1 - 0,2 – 0,5 – 1 – 2 – 5 -10 – 20 – 50 ms.

Рис. 4.5. Осциллограммы импульсного сигнала с t_и = 5 мкс при разных положениях переключателя

На рис. 4.5. представлены осциллограммы импульсного сигнала с t_и = 5 мкс при разных положениях переключателя для четырех значений калиброванной развертки:0,5 – 1 – 5 мкс - μs

Анализ этих осциллограмм показывает, что из всех положений переключателя «Время/дел.» оптимальным является положение «1 μs», поскольку при этом положении хорошо видна форма сигнала и длительность импульса можно измерить с наименьшей погрешностью.

Синхронизация развертки — это принудительная «подгонка» частоты развертки к кратности частоты сигнала.

Наблюдать исследуемый сигнал на экране осциллографа и измерить его параметры можно только при неподвижной осциллограмме, что обеспечивается при условии равенства или кратности частот (периодов) развертывающего и исследуемого сигналов, т.е. при:

, (4.5)

где n — коэффициент частоты (периодов) сигнала: n = 1, 2, 3 ...

Для выполнения этого условия и необходима синхронизация.

Внутренняя синхронизация осуществляется от внутреннего источника осциллографа. В качестве источника внешней синхронизации используется напряжение внешнего генератора. Синхронизация осуществляется короткими импульсами, вырабатываемыми блоком синхронизации, запускающими генератор развертки и управляющими его работой. Эти импульсы можно синхронизировать не только с U_y, но и со специальным внешним сигналом, поступающим на блок синхронизации при установке переключателя вида синхронизации в положение «Внеш.».

Двухлучевые осциллографы позволяют одновременно наблюдать за двумя сигналами, характеризующими исследуемый объект, благодаря получению дополнительной информации. Эту задачу можно выполнить также и однолучевым осциллографом с внешним электроным коммутатором.

Основными узлами, отличающими двухлучевой осциллограф от однолучевого, является особая ЭЛТ, внутри которой помещены две отдельные электронно-оптические системы и две отдельные системы отклоняющих пластин, т.е. двухлучевая трубка представляет собой две однолучевые трубки, работающие на общий экран.

Соответственно, в двухлучевом осциллографе имеются два канала вертикального отклонения и один общий генератор развертки. Калибратор амплитуды и длительности чаще всего также общие для двух лучей.

Для получения неподвижной осциллограммы (синхронизации) необходимо обеспечить кратность исследуемых сигналов:

, (4.6)

где F_y1, F_y2 - частота исследуемых сигналов.

Двухлучевой осциллограф отличается от однолучевого внешними признаками: он имеет два входа канала Y и по две регулировки «Яркость», «Фокус», «Астигматизм», «Перемещение по вертикали ↨».

Двухканальные осциллографыпозволяют получить на экране изображение двух исследуемых сигналов с помощью электронного коммутатора, который периодически включает разные входы осциллографа. В таком осциллографе имеется также два одинаковых канала вертикального отклонения и однолучевая ЭЛТ. В зависимости от режима работы коммутатора реализуется один из режимов работы осциллографа: одноканальный (когда на экране виден один сигнал, подаваемый на один из входов — Y₁ или Y₂) или поочередный (когда на экране видны оба сигнала за счет переключения коммутатора во время каждого обратного хода развертки). По такому же принципу, как двухканальные осциллографы, строятся многоканальные осциллографы (с количеством каналов до восьми).

Двухканальный осциллограф отличается от двухлучевого таким внешним признаком, как наличие по одной регулировки: «Яркость», «Фокус», «Астигматизм».

Двухканальные осциллографы намного проще схематически и дешевле двухлучевых.

Алгоритм подготовки осциллографа к работе:

1. включить тумблер «Сеть». При этом должна загореться индикаторная лампочка;

2. через 1—2 мин после прогрева прибора при повороте ручки «Яркость» вправо на экране должна появиться светящаяся линия развертки. Если на экране появилась не линия развертки, а точка, то во избежание выхода из строя ЭЛТ яркость свечения следует уменьшить до едва различимой и включить внутреннюю синхронизацию для получения на экране линии развертки. Если после выполнения описанных процедур на экране не появится линия развертки или точка, то следует проверить, установлены ли регулировочные органы «↔» и «↕» в среднее положение. Если и тогда на экране ничего не появится, то следует повращать регулировки «Уровень» и «Стаб.»;

3. с помощью регулировок «Яркость», «Фокус» и «Астигматизм» установить оптимальные значения перечисленных параметров горизонтальной линии развертки: линия развертки должна быть буквально волосяной, тогда измерение линейных размеров параметров обеспечит минимально возможную погрешность;

4. поскольку выбор режима работы осциллографа определяется характером и значением исследуемого сигнала, то гармонические сигналы исследуются, как правило, при положении «Внутр.» переключателя синхронизации, а импульсные — при положении «Внеш.», При этом на разъем «Вход X» подаются импульсы синхронизации от внешнего источника;

5. переключатель по входу Y «~ – ~» устанавливают чаще всего в положение « ~ », что обеспечивает связь с источником исследуемого сигнала по постоянному току и дает возможность совместить линию развертки с осью времени;

6. осциллограф готов к работе, и можно подавать исследуемый сигнал через специальный кабель на вход Y. Если значение напряжения исследуемого сигнала даже приблизительно неизвестно, то необходимо переключатель « Вольт/дел. » установить в максимальное положение (чтобы не сгорела входная цепь), затем вывести его в положение, обеспечивающее оптимальный размер по вертикали. Во избежание появления большой погрешности перед измерением необходимо ручки плавного регулирования усиления по X и Y установить в крайнее правое положение «Калибр».

Цена одного деления сетки перед измерением устанавливается с помощью калибраторов амплитуды и длительности («Вольт/ дел.» и «Время/дел.»).

На размеры осциллограммы по вертикали влияют следующие органы управления: многоступенчатый переключатель «Вольт/дел.», а в некоторых осциллографах —тумблер «Усилитель» на два положении (например ). Произведение положений переключателя «Вольт/дел.» и тумблера «Усилитель» определяет цену одного деления масштабной сетки — с_в.

На размеры осциллограммы по горизонтали влияют два органа управления: многоступенчатый переключатель «Время/дел.» и тумблер «Развертка» на два положения. Произведение положений этих органов управления определяет цену одного деления масштабной сетки осциллографа с_г.