Универсальные осциллографы

В зависимости от характера измерительной задачи, условий эксплуатации и т. п. применяют различные виды осциллографов. Устройство, характеристики и особенности использования различных видов осциллографов имеют много общего, поэтому вначале в качестве примера рассмотрим самый простой вид осциллографов – универсальные электронно-лучевые осциллографы реального времени.

Рис. 3.1. Структурная схема универсального осциллографа
реального времени

Эти осциллографы, как правило, содержат следующие узлы и блоки (рис. 3.1):

· электронно-лучевую трубку с системами отклонения электронного луча по вертикали и горизонтали, фокусировки и управления током луча;

· канал вертикального отклонения (Y), включающий входные цепи, усилители, линию задержки;

· канал горизонтального отклонения (развертки) (X), включающий синхронизатор, генератор развертки и оконечный усилитель;

· канал управления яркостью луча;

· встроенный калибратор;

· коммутатор (при двух- или четырехканальной работе);

· блок питания осциллографа.

Основные характеристики универсального осциллографа определяются в значительной мере характеристиками и особенностями ЭЛТ. К числу основных технических характеристик осциллографов относятся следующие.

Рабочая полоса частот, являющаяся мерой быстродействия осциллографа, характеризующей способность прибора к воспроизведению быстрых изменений сигнала и кратковременных импульсов. Частоту, при которой коэффициент передачи тракта вертикального отклонения спадает до 0,707 от его значения на опорной частоте внутри рабочей полосы, обычно и принимают за верхнюю границу рабочей полосы осциллографа.

Время нарастания переходной характеристики (ПХ) непосредственно характеризует скорость реакции осциллографической системы на быстрые изменения сигнала. Для современных осциллографов с достаточной для практики точностью выполняется соотношение Δf = 0,35 / t_н, где Δf – рабочая полоса частот осциллографа, t_н – время нарастания ПХ между уровнями 0,1 и 0,9. Кроме времени нарастания ПХ в документации на осциллограф указывают выброс, неравномерность и время установления значения ПХ. Время установления определяет минимальное значение временного интервала, за пределами которого гарантируется допустимая неравномерность установившегося значения ПХ, а следовательно, и точность измерений. Время установления обычно в несколько раз превышает время нарастания ПХ. Выброс ПХ характеризует возможную погрешность весьма кратковременных сигналов (соизмеримых с длительностью выброса). Указанные параметры и характеристики определяются целиком трактом вертикального отклонения: рабочей полосой отклоняющей системы ЭЛТ и усилителей.

Коэффициент отклонения – масштабный коэффициент, определяющий цену деления масштабной сетки на экране осциллографа по вертикали. Для конкретного типа осциллографа указывают диапазон изменения коэффициента отклонения и погрешность. Для универсальных осциллографов реального времени диапазон коэффициентов отклонения определяется чувствительностью ЭЛТ и коэффициентом усиления усилителей в тракте вертикального отклонения. Последний зависит от требуемой полосы усиления и влияния внутренних шумов усилителя. На погрешность измерений могут существенно влиять параметры входа канала вертикального отклонения – входное активное сопротивление и входная емкость. Влияние емкостной составляющей входа осциллографа может даже качественно повлиять на измеряемую цепь (значимо изменить ее характеристики). При измерении в согласованных трактах имеет значение степень согласования тракта сигнала с осциллографом, так как отражения от входа осциллографа, а затем и от источника сигнала могут создать существенно искаженную картину процесса.

Коэффициент развертки – масштабный коэффициент, определяющий цену деления масштабной сетки на экране ЭЛТ (вместе с коэффициентом растяжки развертки). Характеризуется диапазоном значений и погрешностью. Диапазон значений зависит от требуемого диапазона длительностей исследуемых сигналов. Наименьшее значение обычно соответствует скорости развертки, при которой фронтальный участок ПХ укладывается на 1–3 делениях шкалы ЭЛТ. Значения коэффициента развертки обусловлены скоростью нарастания пилообразного напряжения на пластинах горизонтального отклонения ЭЛТ. Линейность во времени этого напряжения в значительной мере определяет погрешность временных измерений.

Параметры синхронизации – диапазон частот синхронизации. Предельные уровни и нестабильность определяются согласно стандартам. Диапазон частот синхронизации должен соответствовать рабочей полосе, а уровни синхронизации – диапазону амплитуд импульсных сигналов. Нестабильность синхронизации определяет предельные возможности по точности при измерении временных параметров сигнала.

К дополнительным параметрам, характеризующим качество воспроизведения в осциллографах, относятся: нелинейность характеристик отклонения и развертки; параметры АЧХ, в частности нормальный и расширенный диапазоны; параметры, определяющие нестабильность положения луча (дрейф, шумы и т. п.); задержка изображения сигнала; некоторые параметры ЭЛТ (геометрические искажения, погрешность ортогональности и др.), параметры, модуляции по яркости, цветность изображения. К дополнительным параметрам также относятся параметры калибраторов, параметры входа синхронизации, несинхронность разверток, несинфазность каналов вертикального отклонения и некоторые другие, определяющие детали воспроизведения сигнала и искажения в трактах отклонения и развертки.