книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

в прямоугольные или остроконечные импульсы положительной полярности с амплитудой, достаточной для запуска генератора раз­ вертки. Запускающие импульсы формируются от исследуемого сигнала (внутренняя синхронизация) или от внешнего источника (внешняя синхронизация).

Синхронизация тем лучше, чем частота генератора развертки ближе к частоте напряжения синхронизации. Устойчивость син­ хронизации зависит от значения синхронизирующего напряжения.

Исследуемый сигнал и напряжение генератора развертки соз­ даются разными источниками, их параметры поэтому независимы, но изменение частоты одно­ го из этих сигналов при­ водит к нарушению усло­ вий неподвижности /р = //п изображения исследуемого сигнала на экране. Часто­ та напряжения генератора развертки обычно синхро­ низирована с частотой на­ пряжения исследуемого сигнала с помощью схемы синхронизации и запуска генератора развертки. Уро­ вень синхронизирующего сигнала, при котором сра­ батывает синхронизация, плавно регулируется и на­ ходится в пределах от де­ сятых долей вольта до де­ сятков вольт.

Схемы синхронизации и запуска преобразовывают сигнал любой формы и по­ лярности, поступающий ли­ бо от усилителя ВО, либо

от внешнего источника, в остроконечные импульсы положительной полярности, имеющие амплитуду, достаточную для запуска гене­ ратора развертки, и синхронизированные по частоте повторения с исследуемым сигналом. При запуске генератора развертки син­ хронизирующим импульсом обеспечивается ждущий режим, без синхронизирующего импульса — автоколебательный.

На рис. 4.10 показаны временные диаграммы напряжений при исследовании синусоидального сигнала и работе генератора раз­ вертки в автоколебательном режиме: а — изображение устойчи­ вое (выполнено условие синхронизации); б — изображение неустой­ чивое (синхронизация нарушена).

На рис. 4.11, а представлены временные диаграммы напряжений при исследовании прямоугольных импульсов с внутренней син­ хронизацией, режим работы генератора развертки ждущий.

схему с изменяющимся скачкообразно (например, в пять раз) коэффициентом усиления усилителя ГО, что позволяет соответ­ ственно увеличить напряжения развертки в 1 /Мр раз и растянуть изображение, тем самым изменить временной масштаб (Мр— мно­ житель развертки). Новое значение калиброванной длительности развертки Д'р = Д рМр. На рис. 4.12 показано построение изобра­ жения исследуемого сигнала на экране осциллографа при двух значениях Мр. Усилитель ГО имеет возможность усиливать сиг­ нал непосредственно от внешнего источника (при выключенном гене­ раторе развертки).

§ 4.3. Классификация электронных осциллографов

П о н а з н а ч е н и ю и п р и н ц и п у д е й с т в и я осцил­ лографы могут быть общего назначения, универсальные, скорост­ ные, стробоскопические, запоминающие, специальные.

П о ч и с л у о д н о в р е м е н н о н а б л ю д а е м ы х с и г ­ н а л о в осциллографы делятся на одно-, двух- и многоканальные.

Моноблочные осциллографы общего назначения имеют наиболь­ шее распространение и применяются для исследования низкоча­ стотных процессов, импульсных сигналов, поверки радиоэлектрон­ ной аппаратуры. Полоса пропускания у этих осциллографов — от постоянного тока до 100 МГц, диапазон амплитуд исследуемых сигналов — от единиц милливольт до сотен вольт.

Универсальные осциллографы отличаются многофункциональ­ ностью, достигаемой за счет применения сменных блоков, и пред­ назначены для исследования гармонических и импульсных сигна­ лов. Полоса пропускания у универсальных осциллографов — от постоянного тока до сотен мегагерц, диапазон амплитуд иссле­ дуемых сигналов — от десятков микровольт до сотен вольт.

Скоростные осциллографы предназначены для наблюдения и регистрации однократных и повторяющихся импульсных сигналов и периодических колебаний в полосе частот порядка единиц гига­ герц. У скоростных осциллографов отсутствует усилитель в канале вертикального отклонения. Исследуемый сигнал подается непо­ средственно на сигнальную отклоняющую систему ЭЛТ, построен­ ную по принципу бегущей волны, которая исключает влияние времени пролета электронов через пространство отклоняющих пластин, за счет чего увеличивается широкополосность. Сигналь­ ный вход скоростного осциллографа коаксиальный с волновым сопротивлением 50—100 Ом. В этих осциллографах применяются ЭЛТ с волоконно-оптическими экранами, а также квадрупольная фокусировка системой магнитных линз, позволяющая увеличить скорость записи при фоторегистрации за счет лучшей фокусировки.

Стробоскопические осциллографы предназначены для регистра­ ции повторяющихся сигналов в широкой полосе частот — от по­ стоянного тока до нескольких гигагерц. Амплитудный диапазон исследуемых сигналов — от единиц милливольт до единиц вольт

при одновременной регистрации до двух сигналов. Измерения осуществляются в трансформированном масштабе времени.

Запоминающие осциллографы предназначены для регистрации однократных и редко повторяющихся сигналов. Эти осциллографы имеют ЭЛТ с запоминанием. Полоса пропускания их — до 100 МГц при скорости записи до 4000 км/с, при уровнях сигналов десятки милливольт — сотни вольт при одновременной регистрации не более двух сигналов.

Специальные осциллографы предназначены для исследования те­ левизионных сигналов, имеют счетно-фазирующее устройство и позволяют исследовать любую часть телевизионного сигнала с вы­ сокой временной стабильностью.

Выбор типа осциллографа производится в зависимости от его назначения и измерительных возможностей (предела измерений времени, частоты следования, амплитуды и длительности сигна­ лов, наличия открытого входа, степени точности воспроизведения и погрешности измерения амплитудных и временных параметров сигнала, числа одновременно регистрируемых сигналов, возмож­ ности запоминания сигналов и т. д.). Наличие в электронных осциллографах преобразователей аналоговых сигналов в цифро­ вую форму и возможность выдачи результатов измерения на циф­ ровое табло сокращают время измерения и упрощают работу с ос­ циллографом.

Современные ЭЛТ могут воспроизводить сигналы без искажений с частотой до сотен и тысяч мегагерц, поэтому полоса пропускания осциллографа определяется в основном частотной характеристи­ кой усилителя ВО. Неправильный выбор амплитудно-частотной характеристики усилителя ВО, а следовательно, и осциллографа приводит к искажениям при исследовании импульсных и несину­ соидальных сигналов. Наибольшая полоса пропускания необхо­ дима при исследовании быстрых импульсных сигналов, поскольку она должна обеспечить прохождение большинства гармонических составляющих спектра импульса.

Полоса пропускания электронного осциллографа связана с вре­ менем нарастания переходной характеристики канала вертикального

Если нужно воспроизвести без искажений амплитуду прямо­ угольного импульса длительностью 2И(нс), а неискаженное воспро­ изведение фронтов не требуется, то достаточно, чтобы /„ = 700/2„.

Нижняя граничная частота /н (Гц) полосы пропускания, опре­

При любых измерениях необходимо учитывать влияние входной цепи (сопротивления 1 МОм шунтированной емкостью 40—50 пФ, а с учетом соединительного кабеля — 100 пФ) осциллографа на

источник исследуемого сигнала. Поэтому при исследовании прямо­ угольных импульсов с крутыми фронтами выбирают осциллограф с малой входной емкостью, т. е. с более широкой полосой пропу­ скания (большая емкость увеличивает длительность фронта из-за длительного времени заряда конденсатора), ждущую развертку.

При исследовании одиночных, импульсных сигналов большой скважности, а также при тщательном исследовании отдельных участков несинусоидальных сигналов применяют ждущую раз­ вертку с внутренней или внешней синхронизацией. При работе в ждущем режиме длительность развертки должна быть согласо­ вана с частотой повторения исследуемых сигналов. Для исследо­ вания сигналов периодических синусоидальных, импульсных ма­ лой скважности применяют автоколебательную развертку.

Электронные осциллографы применяют для измерения: ампли­ туды и мгновенных значений электрического сигнала (напряжения, тока); временных параметров сигнала (длительности фронта, среза, частоты следования, скважности, задержки); частоты гармониче­ ского сигнала (методами линейной и круговой развертки, мето­ дами фигур Лиссажу); сдвига фаз между двумя сигналами; мощ­ ности (импульсного, среднего значений); полного сопротивления и отдельных составляющих; амплитудно-частотных и фазочастот­ ных характеристик четырехполюсников; коэффициента амплитуд­ ной модуляции, равного отношению разности максимального и минимального значений модулированного сигнала к их сумме; характеристик электронных ламп, транзисторов, диодов, инте­ гральных схем; характеристик магнитных материалов и др.

§ 4.4. Стробоскопические электронные осциллографы

Стробоскопические осциллографы позволяют наблюдать форму и измерять амплитудно-временные параметры периодических сиг­ налов милли-, микро-, нано- и пикосекундного диапазонов. Эти осциллографы предназначены для исследования переходных про­ цессов в быстродействующих полупроводниковых приборах, микромодульной и интегральной схемотехнике, при производстве быстродействующих ЭВМ, экспериментальных исследованиях на ускорителях заряженных частиц, в ядерной физике, технике связи, измерительной технике и т. п. Наиболее эффективно стробоскопи­ ческие осциллографы можно использовать при определении дина­ мических параметров полупроводниковых приборов, интеграль­ ных схем и параметров импульсных схем.

Для наблюдения слабых наносекундных импульсов потребова­ лись бы осциллографические трубки с очень высокой чувствитель­ ностью и широкой полосой пропускания частот или сочетание широкополосных трубок малой чувствительности и широкополос­ ных высокочувствительных усилителей сигнала. Эти требования противоречивы, поэтому при построении осциллографов возни­ кают трудности, когда необходимо обеспечить высокую чувствитель­ ность и широкую полосу пропускания, частот. Эти противоречия удается преодолеть в стробоскопических осциллографах, где не

требуются специальные трубки и широкополосные усилители. Полоса пропускания усилителей стробоскопических осциллогра­ фов достигает нескольких гигагерц при довольно высоком мини­ мальном коэффициенте отклонения (5—10 мВ/дел). В этих осцилло­ графах используют метод увеличения масштаба времени исследуе­ мого импульса с сохранением формы, в результате чего как бы умень­ шается скорость нарастания импульса, а следовательно, умень­ шается и ширина его частотного спектра. Эквивалентная полоса пропускания усилителя вертикального отклонения при этом увели­ чивается во столько раз, во сколько раз расширяется исследуемый

ного ДО4, то эквивалентная полоса пропускания обычных усилите­ лей вертикального отклонения возрастает от сотен килогерц до нескольких гигагерц.

Принцип действия стробоскопического осциллографа основан на масштабно-временном преобразовании спектра исследуемого сигнала методом амплитудно-импульсной модуляции, усилении и расширении промодулированного сигнала и выделении исходной формы сигнала — демодуляции. На рис. 4.13, а представлена упро­ щенная схема стробоскопического осциллографа.

От внешнего или собственного генератора стробоскопического осциллографа запускающие импульсы синхронизации (импульсы положительной и отрицательной полярности, синусоидальные им­ пульсы) подаются на вход схемы синхронизации, в которой осущест­ вляется формирование основного синхроимпульса стандартной формы, запускающего схему развертки. Основной синхроимпульс (рис. 4.13, б) поступает на вход схемы запуска генератора быстрого пилообразного напряжения и генератора медленного ступенчатого пилообразного напряжения. Генератор медленного ступенчатого пилообразного напряжения является также и генератором раз­ вертывающего напряжения осциллографа. Генератор быстрого пи­ лообразного напряжения работает в ждущем режиме, крутизна 5 генерируемого напряжения, а период повторения равен периоду исследуемого сигнала Ги (рис. 4.13, а). С приходом каждого синхро­ импульса (рис. 4.13, в) напряжение с генератора медленного пило­ образного напряжения возрастает на ступеньку ДУСТ(рис. 4.13, г). Период Тр медленного ступенчатого пилообразного напряжения много больше периода быстрого пилообразного напряжения и ра­ вен пТн (п — число интервалов, на которые разбит исследуемый импульс). Формируемые этими генераторами напряжения посту­ пают в схему сравнения. В пределах одного периода развертки Тр сравнение быстрого пилообразного напряжения со ступенчатым происходит п раз и каждый раз на более высоком уровне: Д1УСТ; 2(/ст; ...; яД[/ст.

Таким образом, момент равенства напряжений смещен на время относительно предыдущего момента. Значение временного сдвига выходного импульса схемы сравнения Д/ = Д(/ст/$.

В момент сравнения напряжений на выходе схемы сравнения образуется импульс, запускающий генератор строб-импульсов, ко­ торый вырабатывает короткие прямоугольные импульсы (стробимпульсы) длительностью Д_н, много меньше длительности иссле­

сительно предыдущего на время М. Таким образом, строб-импульсы в определенной временнбй последовательности поступают на вход смесителя-модулятора (см. рис. 4.13, а). Одновременно генератор строб-импульсов вырабатывает импульс, который, поступая в ге­ нератор быстрого пилообразного напряжения, срывает его колеба­ ния и переводит последний в ждущий режим до прихода следую­ щего синхроимпульса. Через линию задержки на другой вход сме­ сителя-модулятора поступает исследуемый сигнал и {I) периодом Т„ (рис. 4.13, б).

Смеситель-модулятор представляет собой электронный ключ, открываемый на время, равное длительности строб-импульса (стро­ бирующие «дорота»). Но так как на вход смесителя подан еще и исследуемый сигнал, то на выходе смесителя-модулятора возникают строб-импульсы, промодулированные по амплитуде исследуемым сигналом. Амплитуда строб-импульса пропорциональна мгновен­ ному значению исследуемого сигнала в момент прихода стробимпульса (рис. 4.13, д).

Модулированный по амплитуде строб-импульс при необходимо­ сти усиливается импульсным усилителем и расширяется в схеме расширителя (рис. 4.13, е). Огибающая расширенных строб-им­ пульсов повторяет форму исследуемого сигнала, но следует во вре­ мени с более низкой частотой, т. е. период преобразованного сиг­ нала растянут (трансформирован) во времени. Расширенные им­ пульсы через усилитель ВО поступают на вертикально отклоняю­ щие пластины ЭЛТ. Для большей контрастности изображения пло­ ские участки строб-импульсов расширенного сигнала подсвечива­ ются импульсами подсвета. В результате на экране осциллографа создается огибающая строб-импульсов в виде светящихся черточек (точек), воспроизводящая форму исследуемого сигнала в расши­ ренном виде (рис. 4.13, ж).

Возможность демодуляции сигнала позволяет после интегра­ тора получать аналоговое напряжение. Период преобразованного сигнала' оказывается в пг раз больше исследуемого сигнала и в л раз больше периода строб-импульса Тс_и. Масштаб увеличения т длительности исследуемого импульса равен отношению периода

скретизации.

1) получение на входе смесителя строб-импульсов, сдвинутых относительно начала исследуемого сигнала на интервалы А/, 2Д/, ЗД^, ...» пД?;

2)синхронизацию первого строб-импульса с исследуемым сиг­ налом;

3)синхронизацию начала развертывающего напряжения с пер­ вым строб-импульсом.

Результаты исследования сигналов можно наблюдать на экране ЭЛТ, фотографировать или записывать на двухкоординатный само­ писец. По схеме, аналогичной схеме на рис. 4.13, а, выполнен осцил­ лограф С7-8 с бистабильной запоминающей ЭЛТ, которая может выполнять двойную функцию: в качестве устройства памяти и в обыч­ ном осциллографическом режиме.

Осциллограф имеет два идентичных канала в вертикальном тракте

иобеспечивает раздельные и одновременные режимы работы двух каналов; сложение и вычитание сигналов этих каналов и др. Как

иво всех осциллографах, в стробоскопическом осциллографе из­ мерение напряжения и временных интервалов осуществляется по заранее откалиброванным шкалам коэффициента отклонения и дли­ тельности развертки. Осциллограф снабжен калибратором напря­

жения и калибратором времени.

§ 4.5. Универсальные электронные осциллографы

Универсальные осциллографы — многофункциональные при­ боры, содержащие сменные блоки в каналах вертикального и гори­ зонтального отклонений и предназначенные для исследования пе­ риодических и однократных импульсных сигналов от 10 мкВ др 500 В в полосе частот от постоянного тока до 3,5 ГГц визуальным наблюдением и фотографированием. К сменным блокам универсаль­ ного осциллографа относят: усилители дифференциальный, двух­ канальный, высокочувствительный, стробоскопический; блоки раз­ вертки сдвоенной, стробоскопической, логарифмирующий.

Характеристики осциллографа находятся в зависимости от ис­ пользуемых сменных блоков. Исследуемый сигнал подается на вход­ ную цепь канала вертикального отклонения (см. рис. 4.1). Затем он поступает на предварительный усилитель для усиления и преоб­ разования фазы. В зависимости от типа сменного блока в составе предварительного усилителя может находиться двухканальный усилитель (коммутатор), стробоскопический усилитель (смесительмодулятор), логарифмирующий блок (логарифмирующее устрой­ ство) или другое функциональное устройство, выполняющее основ­ ную функцию предварительного усиления и обработки сигнала. Далее сигнал, преобразованный в парафазный, поступает на ли­ нию задержки для компенсации времени срабатывания (запазды­ вания) канала горизонтального отклонения. Линия задержки вы­ полняет свои функции при работе с блоками, функционирующими в реальном масштабе времени. С нее сигнал поступает на выходной усилитель, возбуждающий сигнальные пластины ЭЛТ.

В режиме внутренней синхронизации из канала вертикального отклонения снимается часть исследуемого сигнала и поступает в схему синхронизации, а затем в схему запуска. Запускающий сигнал подается на генератор развертки, который формирует пило­ образное линейное напряжение или ступенчатое (стробоскопиче­ ский блок) напряжение для отклонения луча ЭЛТ пропорционально времени. Генератор развертки содержит регулировки режимов и длительности.

Выходные сигналы генератора развертки (пилообразное напря­ жение и импульс подсвета) поступают на выходной усилитель раз­ вертки и модулятор ЭЛТ для отпирания электронного луча во время прямого хода развертки. Усилитель развертки преобразует фазу, усиливает пилообразное напряжение до значения, необходимого для получения требуемого временного масштаба изображения на экране.

Для повышения точности измерений в состав осциллографа вхо­ дят калибраторы амплитуд и времени, предназначенные для калиб­ ровки коэффициентов отклонения канала вертикального отклонения и длительности (коэффициентов) развертки канала горизонтального отклонения. Измерение амплитудных и временных параметров мо­ жет осуществляться разными методами. Наличие в осциллографе калибратора с плавной регулировкой выходного напряжения поз­ воляет реализовать следующие методы измерений амплитудных па­ раметров исследуемого сигнала: калиброванной шкалы; сравнения; компенсации. Два последних метода не реализуются со стробоско­ пическими блоками.

Наличие сменного блока с 2-мя развертками и входа 2 дает воз­ можность реализовать следующие методы измерения временных параметров исследуемого сигнала: калиброванной шкалы; измере­ ния с помощью калиброванных меток; измерения с помощью задер­ жанной развертки.

Метод измерения амплитуд или временных интервалов по ка­ либрованной шкале основан на измерении линейных размеров изо­ бражения непосредственно по шкале экрана ЭЛТ.

где Н— число делений по вертикали; Су — значение коэффициента отклонения по вертикали при максимальном усилении (ручка уси­ ления находится в крайнем правом положении).

Измеряемый временной интервал

где I — число делений по горизонтали; Др — длительность раз­ вертки; Мр — множитель развертки.

Метод измерения по калиброванной шкале — основной.

Измерение амплитуд методом сравнения основано на замещении значения измеряемой части сигнала калибрационным напряжением. Отсчет измеряемого значения производится по показателям шкал регулировок калибрационного напряжения. Измерение амплитуд