Осциллография

Содержание
  1. Осциллографы. Виды и особенности. Устройство и работа. Применение
  2. Устройство и принцип действия
  3. Переключатель синхронизации работает в положениях синхронизации от:
  4. Классификация
  5. Аналоговые осциллографы
  6. Цифровые запоминающие
  7. Цифровые люминофорные
  8. Цифровые стробоскопические
  9. Виртуальные осциллографы
  10. Портативные осциллографы
  11. Похожие темы:
  12. Что такое осциллограф?
  13. Устройство и принцип действия прибора
  14. Принцип работы
  15. Устройство
  16. Виды осциллографов
  17. Виды развёрток
  18. Измеряемые процессы
  19. Где применяют осциллографы?
  20. Методика измерений
  21. Как выбрать
  22. Количество каналов
  23. Тип питания
  24. Частота дискретизации
  25. Полоса пропускания
  26. Настройка осциллографа
  27. Назначение осциллографа, принцип работы и устройство прибора
  28. Общие определения
  29. Устройство
  30. Экран
  31. Сигнальные входы
  32. Управление развёрткой
  33. Синхронизация развёртки с исследуемым сигналом
  34. Основные параметры
  35. Области применения
  36. Наблюдение фигур Лиссажу
  37. Курсорные измерения
  38. Математические функции
  39. Захват строки телевизионного сигнала
  40. Настройка
  41. Дополнительные возможности
  42. История
  43. Интересные факты
  44. Сверхскоростная осциллография вчера, сегодня и завтра
  45. Типы сверхскоростных осциллографов
  46. Обычные осциллографические электронно-лучевые трубки (ЭЛТ)
  47. Фундаментальные ограничения ЭЛТ в регистрации быстрых процессов
  48. Осциллографические трубки специального назначения
  49. Сверхскоростные осциллографы без усилителей
  50. Переход к осциллографам с транзисторными усилителями
  51. Требования к транзисторным усилителям осциллографа
  52. Принципы построения генераторов развертки

Осциллографы. Виды и особенности. Устройство и работа. Применение

Осциллография

Для любого профессионального настройщика электронных устройств или для инженера по радиоэлектронным устройствам основным рабочим устройством является осциллограф. Без него нельзя обойтись при настройке телевизора, передатчика.

Осциллографы служат для контроля и наблюдения за периодическими сигналами различных форм, в том числе синусоидальной. Благодаря широкому интервалу развертки он дает возможность развернуть импульс даже для контроля наносекундных промежутков времени.

Осциллограф подобен работе телевизора, который изображает электрические сигналы.

Устройство и принцип действия

Для лучшего понимания действия прибора, разберем блок-схему типового осциллографа, так как все их основные виды имеют аналогичное устройство.

На этой схеме не изображены блоки питания: низковольтный блок, подающий питание для работы узлов, и источник повышенного напряжения, применяющийся для генерирования высокого напряжения, приходящего на электронно-лучевую трубку. Также на схеме нет калибратора для настройки и подготовки прибора к работе.

Тестируемый сигнал поступает на канал вертикального отклонения «Y», далее на аттенюатор, выполненный в виде многопозиционного переключателя, настраивающего чувствительность осциллографа.

Его шкала размечена в вольтах на сантиметр или в вольтах на одно деление. Это обозначает одно деление сетки координат на экране лучевой трубки. Там же изображены сами величины.

Если амплитуда сигнала неизвестна, то устанавливается наименьшая чувствительность. В этом случае даже большой сигнал на 300 В не повредит прибору.

Обычно в комплекте с осциллографом есть делители, в виде специальных насадок с разъемами. Они работают так же, как аттенюатор. Эти насадки компенсируют емкость кабеля при работе с малыми импульсами. На фото показан делитель. Коэффициент деления равен 1:10.

С помощью делителя возможности прибора расширяются, можно исследовать сигналы в несколько сотен вольт.

После делителя сигнал проходит на предварительный усилитель, раздваивается и приходит на переключатель синхронизации и линию задержки, которая служит для компенсации времени сработки генератора развертки. Оконечный усилитель создает напряжение, поступающее на «Y» -пластины, и отклоняет луч в вертикальной плоскости.

Генератор развертки создает пилообразное напряжение, поступающее на пластины «Х» и горизонтальный усилитель, при этом луч отклоняется в горизонтальной плоскости.

Устройство синхронизации создает условия для работы генератора развертки в одно время с появлением сигнала. В итоге на дисплей осциллографа выводится изображение импульса.

Переключатель синхронизации работает в положениях синхронизации от:

  • Исследуемого сигнала.
  • Сети.
  • Внешнего источника.

Первое положение применяется чаще, так как оно более удобно.

Классификация

Осциллографы являются распространенным видом измерительных приборов. Существует несколько видов осциллографов, имеющих разные характеристики, устройство и работу.

Аналоговые осциллографы

Такие осциллографы являются классическими моделями этого типа измерительных приборов. Любые аналоговые осциллографы имеют делитель, вертикальный усилитель, синхронизацию и отклонение, блок питания и лучевую трубку.

Такие трубки имеют больший диапазон частоты. Отклонение луча на экране прямо зависит от напряжения пластин. Горизонтальная развертка работает по линейной зависимости от напряжения горизонтальных пластин.

Нижний предел частоты равен 10 герцам. Верхняя граница определяется емкостью пластин и усилителем. Сегодня аналоговые устройства вытесняются цифровыми приборами со своими достоинствами. Но аналоговые приборы пока не исчезают ввиду их малой стоимости.

Цифровые запоминающие

Если цифровые приборы сравнивать с аналоговыми, у них больше возможностей. Стоимость их постепенно снижается. Цифровой осциллограф включает в себя делитель, усилитель, преобразователь аналогового сигнала, памяти, блока управления и выведения на ЖК панель.

Принцип действия такого вида осциллографов придает им большие возможности. Входящий аналоговый сигнал модифицируется в цифровую форму, и сохраняется. Скорость сохранения определяется управляющим устройством. Ее верхняя граница задается скоростью преобразователя, а нижняя граница не имеет ограничений.

Преобразование сигнала в цифровой код дает возможность увеличить устойчивость отображения, сохранять данные в память, сделать растяжку и масштаб проще.

Применение дисплея вместо электронной трубки позволяет отображать любые данные и осуществлять управление прибором.

Дорогостоящие приборы оснащаются цветным экраном, что позволяет различать сигналы других каналов, курсоры, выделять цветом разные места.

Параметры цифровых осциллографов намного выше аналоговых моделей, в больших пределах находится растяжка сигнала. Кроме простых схем включения синхронизации, может использоваться синхронизация при некоторых событиях или параметрах сигнала. Синхронизацию можно увидеть непосредственно перед включением развертки.

Применяемые процессоры обработки сигнала дают возможность обработки спектра сигнала с помощью анализа преобразованием Фурье. Информация в цифровом виде позволяет записать в память экран с итогами измерения, а также распечатать на принтере. Многие приборы оснащены накопителями для записи изображения в архив и последующей обработки.

Цифровые люминофорные

Такой тип осциллографов работает на новой структуре построения, основанной на цифровом люминофоре. Он имитирует по подобию с аналоговыми приборами изменение изображения на экране. Люминофорные цифровые типы осциллографов дают возможность наблюдать на дисплее все подробности модулированных сигналов, как и аналоговые типы. При этом обеспечивается их анализ и хранение в памяти.

Люминофорные приборы, как и предыдущая рассмотренная модель, имеет свою память для хранения различной информации, в том числе хранится разница задержки времени между разными пробниками.

Возможность люминофорных осциллографов выводить данные с изменяемой интенсивностью значительным образом упрощает поиск повреждений в импульсных блоках.

Это выражено при вычислении глубины модуляции сигнала при регулировке напряжения на выходе, приводящее к нестабильному функционированию блоков.

В люминофорных цифровых осциллографах объединены достоинства цифровых и аналоговых устройств, а во многом превосходят их. Люминофорные приборы обладают всеми преимуществами запоминающих осциллографов, обеспечивая возможности аналоговых приборов: быструю реакцию на смену сигнала и его отображение с разной яркостью.

Цифровые стробоскопические

В этом виде осциллографов применяется эффект последовательного стробирования сигнала. При повторении сигнала выбирается мгновенное значение в определенной точке.

При поступлении нового сигнала точка выбора смещается по сигналу. Так продолжается до полного стробирования сигнала.

Модифицированный таким образом сигнал в виде огибающей линии мгновенных величин сигнала входа, повторяет форму сигнала.

Продолжительность модифицированного сигнала на много больше продолжительности тестируемого сигнала, а значит, имеется сжатие спектра. Это соответствует увеличению полосы пропускания.

Стробоскопические виды осциллографов имеют большие полосы пропускания, и дают возможность производить исследования периодических сигналов с наименьшей продолжительностью.

Стоимость стробоскопических осциллографов очень высока, поэтому их применяют чаще всего для сложных задач.

Виртуальные осциллографы

Новый вид приборов может быть отдельным устройством с параллельным портом для вывода или ввода информации, а также с портом USB, а также встроенным вспомогательным прибором на базе карт ISA.

Программная оболочка виртуальных осциллографов позволяет полностью управлять устройством, и имеет несколько возможностей сервиса: импорт и экспорт информации, цифровая фильтрация, разнообразные измерения, обработка информации математическим способом и т.д.

Осциллографы с применением персонального компьютера могут применяться для широких возможностей измерения.

Например, для обслуживания и разработки радиотехнической и электронной аппаратуры, в телекоммуникационной связи, при изготовлении компьютеризированного оборудования, при выполнении диагностических мероприятий средств автотранспорта на станциях технического обслуживания и для многих других случаев, где требуется оценка и тестирование неустойчивых переходных процессов.

Виртуальные модели осциллографов являются хорошим альтернативным вариантом для стандартных запоминающих цифровых осциллографов, так как они обладают достоинствами в виде малой стоимости, простоте применения, компактных размеров и высокого быстродействия. К недостаткам виртуальных осциллографов относится невозможность измерения и отображения постоянной величины сигналов.

Портативные осциллографы

Цифровые технологии быстро развиваются, в результате чего цифровые стационарные приборы модифицируют в портативные устройства с хорошими параметрами габаритных размеров и массы, а также низким расходом электрической энергии.

При этом портативные осциллографы с питанием от гальванических элементов не уступают по характеристикам стационарным приборам по количеству функций, имеют большие возможности использования в разных областях научных исследований, промышленном производстве.

Похожие темы:

Что такое осциллограф?

Осциллография

Осциллограф – электронный прибор для измерения электрических сигналов в цепи и наблюдения за ними. Определение формы и параметров колебаний необходимо для отслеживания корректности работы оборудования.

Первые попытки создать прибор для определения электрических колебаний относятся ещё к 1880 году. Их делали французские и русские физики. Первые осциллографы были аналоговыми. С 1980-х годов сигналы стали фиксироваться с помощью цифрового оборудования.

Устройство и принцип действия прибора

Объясним устройство аналогового осциллографа просто, «для чайников». Прибор состоит из следующих элементов:

  • лучевая трубка;
  • блок питания;
  • канал вертикального / горизонтального отклонения;
  • канал модуляции луча;
  • устройство синхронизации и запуска развёртки.

Для управления параметрами сигнала и его отображения на экране есть регуляторы. У старых моделей экрана не было. Изображение фиксировалось на фотоленте.

Принцип работы

При запуске прибора сигнал подаётся на вход канала вертикального отклонения. Он имеет высокое входное сопротивление. По тому же принципу работает вольтметр, измеряющий напряжение. Однако вольтметр не показывает временного графика колебаний напряжения.

Сигнал усиливается до необходимого уровня после подачи на вход. Он отображается на экране по вертикальной оси. Усиление требуется для работы отклоняющей системы лучевой трубки или преобразователя сигнала из аналогового в цифровой. Оно позволяет менять масштаб отображения колебаний на экране от крупного до мелкого.

Устройство

Лучевая трубка чувствительна к электрическим импульсам. Чем ниже их частота, тем выше чувствительность. В нынешних трубках количество лучей может составлять от одного до 16. Их количеству соответствует число сигнальных входов и отображающихся одновременно графиков.

Особенность цифрового осциллографа в том, что он имеет экран и преобразователь аналогового сигнала. У него есть память для сохранения данных о полученном графике колебаний. Часть информации анализируется в автоматическом режиме и отображается в обработанном виде. Аналоговый осциллограф не запоминает данные, а только показывает их в реальном времени.

Разверткой называется траектория движения луча, который улавливает колебания и выводит изображение на экран. Она бывает разной формы — эллиптической, круговой. Значение развёртки регулируется в зависимости от исследуемого сигнала по горизонтальной оси (временнóй).

Блок питания подаёт напряжение от сети 220 В на электронные схемы. Есть и аккумуляторные модели, способные работать автономно.

Виды осциллографов

По принципу действия осциллографы бывают цифровыми и аналоговыми. Существуют смешанные аналого-цифровые приборы. Всё чаще выпускают виртуальные. Там в качестве экрана используется другой прибор – монитор компьютера, телевизора.

Работа некоторых моделей основана на электромеханическом принципе:

  • электродинамический;
  • электростатический;
  • выпрямительный;
  • электромагнитный;
  • магнитоэлектрический;
  • термоэлектрический.

Прибор может работать самостоятельно или являться приставкой к другому оборудованию (например, компьютеру). Во втором случае цена ниже, но сам прибор зависим от внешнего устройства.

Виды развёрток

В разных режимах работы осциллографа линейные (создаваемых пилообразным напряжением) развёртки могут различаться:

  • Однократная. Генератор запускается один раз, затем блокируется. Такая развёртка нужна для фиксирования неповторяющихся сигналов.
  • Ждущая. Запуск происходит сразу после сигнала. Нужна для наблюдения за редкими колебаниями.
  • Автоколебательная. Генератор периодически включается при отсутствии сигнала. Удобна для отображения частых периодических импульсов.

Измеряемые процессы

По принципу работы приборы делят на:

  • Специальные. Имеют блоки для целевого использования (например, телевизионные осциллографы).
  • Стробоскопические. Чувствительные приборы для исследования кратковременных повторяющихся процессов.
  • Скоростные. Используют для фиксации процессов с высокой скоростью (с точностью до нано- и пикосекунд).
  • Запоминающие. Сохраняют полученное изображение. Обычно применяют для изучения редких однократных действий.
  • Универсальные. Исследуют разные процессы.

Где применяют осциллографы?

Информация, которую даёт осциллограф:

  • значения напряжения, временные параметры колебаний;
  • сдвиг фаз, искажение импульса на разных участках цепи;
  • частота (определяется путем фиксирования его временных характеристик);
  • переменная и постоянная составляющие колебаний;
  • процессы в цепи.

Осциллографы используют как в практических, так и в научно-исследовательских целях. Для простых измерений можно воспользоваться мультиметром, но в большинстве случаев осциллограф незаменим.

Приборы для измерения колебаний применяют при настройке электронного оборудования. К примеру, для регулировки телевизионного сигнала необходимо получить его осциллографическое изображение. Приборы также используются при ремонте блоков питания, диагностике печатных плат.

При ремонте автомобилей устройство поможет получить данные о положении коленчатого и распределительного валов, датчиков положения. Данные осциллограммы расскажут о наличии импульса на катушке, укажут на неисправность свечей и проводов, диодного моста генератора.

Медицинское оборудование (кардиографы, энцефалографы) тоже работает по принципу осциллографирования. Только электрические колебания, измеряемые ими, происходят в живых организмах.

Методика измерений

Осциллограф измеряет электрическое напряжение и формирует амплитудный график электрических колебаний. Цифровые приборы могут запоминать полученный график, возвращаться к нему.

Колебания отображаются на экране в двухмерной системе координат (напряжение – вертикальная ось, время – горизонтальная ось), формируя график — осциллограмму. Есть ещё третий компонент исследований – интенсивность сигнала (или яркость).

При отсутствии входных импульсов на экране горизонтальная линия – «нулевая», обозначающая отсутствие напряжения. Как только на вход (или входы) прибора подаётся напряжение, на экране становятся видны один или несколько графиков одновременно (зависит от количества измеряемых сигналов).

График электрических колебаний по форме может представлять собой:

  • синусоиду;
  • затухающую синусоиду;
  • прямоугольник;
  • меандр;
  • треугольники;
  • пилообразные колебания;
  • импульс;
  • перепад;
  • комплексный сигнал.

Для получения стабильного графика колебаний в приборе стоит блок синхронизации. Получить цикличное отображение колебаний можно только после установки значения синхронизации. Оно принимается за «стартовое», служит отправной точкой графика. Все скачки отображаются по отношению к этой точке.

Как выбрать

Нужно представлять, в каких целях и как часто будет использоваться прибор, для изучения каких сигналов он предназначен. Учитывайте количество точек для одновременного измерения, одиночность или периодичность колебаний. Иногда используются устройства советского производства. Но получить точную настройку с их помощью трудно.

Количество каналов

По количеству каналов осциллографы могут быть одноканальными, простыми (2-4 канала), продвинутыми (до 16 каналов). Несколько каналов позволяют одновременно анализировать поступающие сигналы.

Тип питания

Прибор с аккумулятором можно брать с собой на выезд. Это удобно для мастеров, которые проверяют оборудование по месту его нахождения. Если выезды не производятся, лучше брать работающий от сети осциллограф, поскольку он стабильнее и надёжнее.

Частота дискретизации

Частота дискретизации важна для измерения однократных и переходных процессов. Чем выше этот параметр, тем более точное изображение сигнала на экране удастся получить.

Полоса пропускания

Для простых исследований цифровых схем и усилителей оптимальная звуковая частота — 25 МГц. Для профессионального измерения нужен прибор, у которого этот параметр — до 200 или даже до 500 МГц. Современные линии связи работают на очень высоких частотах. Частота исследуемых сигналов должна быть в 3-5 раз меньше величины полосы пропускания.

Настройка осциллографа

Перед использованием нового устройства проводится его калибровка с помощью находящихся на корпусе генератора прямоугольных импульсов. Сигнальный щуп подключают к калибровочному выходу, при этом на экране появляется «пила» — зигзагообразная линия. Нужно проверить работу всех функций и регуляторов.

Сейчас осциллографы регулярно используют в сфере электроники. Есть большой выбор устройств, позволяющих наблюдать за параметрами электрических колебаний. Без осциллографа не обойтись ни инженеру-профи, ни рядовому любителю радиоэлектроники.

Назначение осциллографа, принцип работы и устройство прибора

Осциллография

Осциллограф – это измерительный прибор, который показывает изменение амплитуды сигнала с учетом временного графика. Такое оборудование применяют в домашних и профессиональных лабораториях. С помощью этого преобразователя настраивают электрические схемы, находят и устраняют неисправности компьютеров, телевизоров, усилителей, блоков питания.

Общие определения

Электронно-лучевой осциллограф, или осциллоскоп (oscilloscope), отображает на своем экране график зависимости амплитуды сигнала от времени. Несмотря на сложный внешний вид, работа с прибором не вызывает существенных затруднений. Многочисленные элементы управления помогают настроить удобный для пользователя масштаб изображения.

Этот проверочный цикл работы форсунок двигателя внутреннего сгорания используют для ремонта электронных блоков и регулировки угла зажигания. Рисунок наглядно демонстрирует, для чего нужен осциллограф. С применением обычного мультиметра невозможно получить аналогичный результат, чтобы объективно оценить форму сложного сигнала.

Назначение осциллографа определить несложно по перечню типовых задач:

  • измерение временных, амплитудных и частотных характеристик;
  • изучение сдвига фаз в разных участках цепей;
  • выявление искажений формы, постоянной и переменной составляющих сигнала.

Устройство

Что такое осциллограф, можно выяснить на примере типовой конструкции:

  • вакуумная трубка (ЭЛТ) покрыта изнутри люминофором, который светится при попадании электронных лучей;
  • блок горизонтальной развертки формирует пилообразные сигналы вместе с импульсами «гашения» луча при возврате в исходное положение;
  • усилитель увеличивает амплитуду входного сигнала до необходимого уровня чувствительности ЭЛТ;
  • для синхронизации развертки применяют внутренний генератор тактовой частоты или внешний источник.

Экран

На картинке выше приведена блок схема осциллографа с электронно-лучевой трубкой. В современных моделях часто применяют дисплеи, созданные с применением технологий жидких кристаллов. Они экономичнее и надежнее, весят меньше. Координатную сетку наносят на прозрачную накладку либо формируют программным способом.

Современный экран позволяет уменьшить осциллограф что это такое на практике демонстрирует данная картинка

Сигнальные входы

В многолучевых осциллографах сохранен базовый принцип работы, однако сигналы подают на отдельные каналы. В каждом из трактов установлен собственный усилитель. Регулировкой выравнивают амплитуды для удобного сравнения нескольких показателей.

К сведению. При наличии слишком большой постоянной составляющей луч отклоняется за пределы экрана. Чтобы вернуть его в рабочую область, применяют переключение в режим «закрытого» входа с разделительным конденсатором.

Управление развёрткой

В осциллографии применяют следующие виды развертки:

  1. «Автомат» – импульсы генерируются по заданному режиму без дополнительного вмешательства со стороны пользователя.
  2. Ждущий – применяют при малых уровнях (отсутствии) сигнала. Он запускается по определенному уровню фронта (спада). В некоторых случаях используют внешнее управление.
  3. Однократный – активируется принудительно. Его применяют для исследования одиночных сигналов (последовательностей из нескольких импульсов).

Синхронизация развёртки с исследуемым сигналом

Чтобы обеспечить неподвижность «картинки», траекторию движения луча по экрану необходимо согласовать с процессом прохождения сигнала. Задачу решают с помощью запуска развертки по нулевому или другому уровню на входе. Ограничением является порог восприятия частоты человеческим глазом. От 18-22 Гц и выше мерцания не заметны.

К сведению. Отсутствие синхронизации проявляется как движущееся изображение. Ручной настройкой устанавливают запуск по фронту (спаду), выбирают оптимальный уровень для стабилизации.

Основные параметры

Программа осциллограф для ПК

Для выбора осциллографа рекомендуется правильно оценивать следующие характеристики:

  • чтобы исключить искажения при работе с несколькими высокочастотными сигналами, следует приобрести двух,- или многолучевой прибор;
  • в разных моделях погрешность составляет 5-15%, поэтому следует учитывать ограниченную точность измерений;
  • цифровые аппараты оснащают цветными экранами, разнообразными устройствами для синхронизации, дополнительными сервисными режимами;
  • функциональность аналоговых приборов скромнее, но стоят они дешевле;
  • ограниченные возможности амплитудно-частотных преобразователей затрудняют качественную обработку цифровой электроникой высокочастотных сигналов;
  • режим застывшей картинки с функцией увеличения поможет изучить мельчайшие детали сложных изображений.

Перед детальным анализом нужно уточнить, для чего именно предназначается прибор. Далее оценивают соответствие по следующим параметрам:

  • полоса пропускания;
  • частотный диапазон;
  • входное сопротивление;
  • допустимые значения амплитуды (переменной и постоянной составляющей);
  • погрешность измерений;
  • развязка между каналами;
  • объем внутренней памяти (цифровая техника).

Области применения

Осциллограф предназначен для изучения динамических процессов. Чтобы пользоваться прибором правильно, следует не превышать конструкционные возможности. Ниже представлены примеры решения практических задач.

Наблюдение фигур Лиссажу

При одновременной подаче на входы осциллографа сигналов с приблизительно равными частотами на экране будут видны характерные изображения. Этот метод используют для настройки генератора по эталонному образцу.

https://www.youtube.com/watch?v=3TGGR5LAd9Qu0026t=611s

Фигура Лиссажу на ЭЛТ аналогового прибора

Курсорные измерения

Для повышения точности измерений на экран выводят вспомогательные координатные полосы (курсоры). При хорошей оснащенности осциллограф индицирует отдельные показатели в цифровом виде.

Математические функции

Некоторые модели современных осциллографов (блоки для подключения к компьютеру) способны обрабатывать сигналы по сложному алгоритму. Необходимый вариант описывают соответствующей математической функцией: сложение, вычитание или др.

Захват строки телевизионного сигнала

В соответствии с названием такой режим предназначен для изучения телевизионного сигнала. особенность – специальная синхронизация, позволяющая выводить на экран необходимое количество строк.

Настройка

Калибровку выполняют с помощью встроенного генератора образцового сигнала. Точные характеристики импульсов указаны в сопроводительной документации. Коррекцию формы можно сделать вручную.

Дополнительные возможности

В современной электронике часто приходится проверять аналоговые и цифровые сигналы одновременно. Для работы с такими задачами пригодится осциллограф с встроенным логическим анализатором.

Некоторые современные приборы оснащают режимом сегментации блока памяти. Это пригодится для длительного контроля сигнала с автоматическим сравнением по образцовой форме. Регистрироваться и записываться будут только отклонения (шумы, искажения).

Для автомобильных сервисных станций выпускают специализированные осциллографы (сканеры). Кроме особых переходников, такие аппараты дополняют программным обеспечением. Это оборудование применяют для контроля функционального состояния датчиков и других электронных компонентов через бортовой компьютер.

История

Первые попытки записи динамического процесса электромагнитных колебаний были выполнены успешно в конце 19-го века. В инженерных решениях того времени пользовались механическим приводом и твердыми светочувствительными носителями. Первый кинескоп с горизонтальной разверткой был применен в 1889 г.

Интересные факты

Экран осциллографа был использован для создания первой электронной игры «Теннис». Изображение формировалось сигналами, которые подавали на соответствующие входы.

До появления специализированных приставок опытные радиолюбители самостоятельно создавали действующие измерительные приборы с подключением к настольному компьютеру.

В настоящее время подобные эксперименты экономически нецелесообразны.

Сверхскоростная осциллография вчера, сегодня и завтра

Осциллография

Одним из первых промышленных элек-тронных осциллографов был прибор 224-A фирмы Dumond (США) на ЭЛТ с электростатическим отклонением и с ламповым усилителем с полосой исследуемых частот от 20 Гц до 2 МГц. Он легко преодолел частотный барьер в 1 МГц.

В годы Второй мировой войны это был прорыв в области анализа высокочастотных сигналов.

В нашем веке к сверхскоростным осциллографам, пожалуй, стоит относить приборы с временем нарастания переходной характеристики менее 1 нс и полосой усиливаемых частот выше 300 МГц.

Осциллограф 224-A был выпущен в 1943 г. и стоил $150. Ныне этот прибор можно приобрести почти как антиквариат за $2740 [2]. Заметно позже (в 1956 г.) компания Tektronix выпустила осциллограф с ламповым усилителем с распределенным усилением с полосой от 0 до 24 МГц стоимостью $1725 (в наше время — $17 780) [2]. Эта фирма впервые применила двойную развертку для создания «лупы времени».

В 1960-е и 1970-е годы осциллография перешла на транзисторную и микроэлектронную элементную базу. Появились первые транзисторные осциллографы с полосой частот в сотни МГц [3]. Получили быстрое развитие стробоскопические осциллографы, уверенно преодолевшие частотный барьер

в 1 ГГц [5-7]. Затем (конец 1980-х — начало 1990-х) появились (и в наше время интенсивно развиваются) цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО), в том числе с полосой частот до 20 ГГц и выше [9-12]. В 2005 г. стробоскопические осциллографы достигли предела в 100 ГГц. Стоимость лучших из таких приборов с опциями в наши дни достигает $200 000.

Типы сверхскоростных осциллографов

В настоящее время сверхскоростные осциллографы можно разделить на пять типов:

  • аналоговые осциллографы с подачей сигнала прямо на систему вертикального отклонения луча ЭЛТ;
  • осциллографы на основе широкополосной ЭЛТ с усилителями сигналов;
  • цифровые запоминающие осциллографы реального времени;
  • стробоскопические осциллографы;
  • оптикоэлектронные осциллографы с лазерным сканированием.

В таблице приведены данные о полупроводниковых приборах, для исследования которых необходимы сверхскоростные осциллографы.

Таблица. Типичные времена нарастания и полосы частот осциллографов, необходимые для исследования устройств на интегральных микросхемах

Тип интегральнойТипичное времяТипичная полоса частот
микросхемынарастанияосциллографа
TTL2 нс175 МГц
CMOS1,5 нс230 МГц
GTL1 нс350 МГц
LVDS400 пс850 МГц
ECL100 пс3,5 ГГц
GaAs40 пс8,75 ГГц
Si-Ge гетеропереходныеменее 1 псболее 350 ГГц

Обычные осциллографические электронно-лучевые трубки (ЭЛТ)

Аналоговые осциллографы строились на основе ЭЛТ с электростатическим отклонением электронного луча — рис. 1 [1-4]. Для получения временной зависимости сигнала канала Y в канал X подается пилообразное напряжение от генератора развертки. Есть и канал Z управления яркостью луча.

Рис. 1. Осциллографическая ЭЛТ с электростатическим отклонением

Важнейшим параметром ЭЛТ является чувствительность по отклонению по вертикали — в вольтах на 1 мм (или см).

При этом нужно, чтобы электронный луч при отклонении не попадал на пластину, к которой он приближается, иначе луч поглотится ею и не попадет на покрытый люминофором экран.

Поэтому предельный угол отклонения луча в ЭЛТ обычно не превышает 15°, и осциллографическая ЭЛТ, с размером экрана 10 см по диагонали и выше, оказывается довольно громоздкой и имеет длину до полуметра. К тому же она требует питания от высоковольтных источников.

Фундаментальные ограничения ЭЛТ в регистрации быстрых процессов

Вертикальную составляющую скорости, с которой луч чертит изображение синусоиды с амплитудой A и частотой /на экране ЭЛТ, можно вычислить как:

Тогда максимальная графическая скорость, с учетом скорости движения луча при горизонтальной развертке νz, будет равна:

В общем случае регистрации графическая скорость равна:

где σ — чувствительность трубки по вертикальному отклонению (в см/В).

Максимальная графическая скорость при регистрации видеоимпульса имеет место на его фронтах, где максимальна скорость изменения сигнала. Расчеты показывают, что при размере осциллограммы по вертикали около 1 см и минимально возможной яркости следа от луча максимальные частоты регистрации синусоидального сигнала составляют около 3 ГГц.

На деле частотные ограничения наступают намного раньше из-за емкости пластин C (единицы-десятки пФ) и индуктивности подводящих проводов L (десятки нГ), образующих колебательный контур (рис. 2).

Рис. 2. Эквивалентная схема тракта отклонения

Если на вход такого контура подать идеальный перепад напряжения с уровнем E, то временная зависимость напряжения на C будет иметь вид:

где α = R/2L и δ = (1/LC-R2/4L2)1/2.

Расчеты показывают, что эта зависимость может иметь значительный выброс при малых R. При α/δ = 1 этот выброс составляет не более 4% от амплитуды перепада, что является вполне удовлетворительным показателем. Для этого величину R нужно выбирать согласно формуле:

Если воспользоваться известным значением резонансной частоты контура:

то можно выразить значение R через резонансную частоту контура, определяющую предельную частоту тракта отклоняющей системы:

Нетрудно доказать, что время достижения напряжением u(t) значения E составит:

t = 3πRC/4 = 2,2RC. (7)

Данное значение обычно и принимают за время установления отклоняющей системы с оптимальной (Гауссовой) АЧХ.

Эти расчеты (справедливые также для канала X) и учет конечной скорости движения электронов в пучке показывают, что у обычной ЭЛТ максимальная частота регистрируемых сигналов в канале Y не превышает 300 МГц, а время установления ограничено величиной не менее 1 нс. Таким образом, обычные ЭЛТ просто непригодны для сверхскоростных осциллографов.

Осциллографические трубки специального назначения

Существенное повышение полосы частот осциллографических трубок было достигнуто при разработке широкополосных отклоняющих систем в виде линий передачи с бегущей волной (рис. 3).

Слева показаны входы системы, справа — выходы, подключаемые к согласующим резисторам. Разделение емкости пластин и индуктивностей проводов повышает граничную частоту отклоняющей системы.

Были созданы особо широкополосные отклоняющие системы на основе распределенных коаксиальных линий передачи.

Рис. 3. Широкополосная отклоняющая система в виде линии передачи

В таких ЭЛТ нужно обеспечить согласование линий на входе и на выходе. Для этого сопротивления источника сигналов и нагрузки (включаемой на конце линии) выбираются равными волновому сопротивлению линий:

Здесь L1 и C1 — значения индуктивности и емкости одной секции для линий с сосредоточенными параметрами или погонные (на единицу длины) — для линии с распределенной постоянной.

Обычно волновое сопротивление выбирается из диапазона от 50 до 500 Ом. Уменьшение его расширяет полосу частот отклонения, но затрудняет получение нужного уровня выходных напряжений усилителей.

Задержка сигнала во времени у таких линий равна:

В СССР выпускались трубки 10Л0101М и 13Л0101М с отклоняющими системами в виде линий передачи, дожившие до наших дней. Они позволяли наблюдать сигналы с частотами до 1 ГГц. Трубки 13Л0102М с отклоняющей системой на основе распределенных линий передачи обеспечивали возможность просмотра процессов с частотами до 3 ГГц.

Дальнейшее усовершенствование ЭЛТ привело к созданию трубок с последующим ускорением луча после прохождения отклоняющих систем, например, с помощью рассеивающей сетки, установленной на пути выхода электронного пучка из отклоняющей системы [1-4].

Это позволило довести чувствительность ЭЛТ до 3-5 В/см. Благодаря этому стало возможным применение широкополосных транзисторных усилителей. Осциллографы на ЭЛТ с рассеивающей сеткой выпускались фирмами CRT (Франция) и Tektronix (США).

Минус этой конструкции ЭЛТ — ухудшение фокусировки.

Сверхскоростные осциллографы без усилителей

В СССР в 1960-70-е годы были созданы уникальные высокочувствительные ЭЛТ с послеотклонением луча, фокусируемого с помощью триплета квадрупольных линз [4].

Такая серийная трубка 10Л0102М была применена в советском осциллографе С7-10А (С1-61) без усилителя с полосой частот 0-1,5 ГГц и чувствительностью по вертикали 1 или 0,5 В/см. Максимальная скорость развертки составляла 2,5 нс/см.

Прибор имел большие габариты (345·490·880 мм) и массу 70 кг (!). Потребляемая мощность — 700 ВА. Он широко применялся в исследованиях в области ядерной и СВЧ-техники.

Затем была создана ЭЛТ 10ЛО105А с полосой частот усиливаемых сигналов уже до 5 ГГц. Она стала основой нашего «последнего из могикан» — осциллографа С7-19 с подачей исследуемых сигналов прямо на отклоняющую систему ЭЛТ и с чувствительностью 1,7 В/см. Скорость фотозаписи у прибора близка к скорости света и достигала 250 000 км/c.

Прибор обеспечивал время нарастания переходной характеристики 70 пс при входном сопротивлении 50 Ом. Он имел регулируемую задержку ±2 нс и задержку запуска развертки 40 нс. Рабочая часть экрана — 4·6 дел (1 дел — 10 мм). Потребляемая мощность — 170 ВА, масса прибора — 30 кг, габариты 488·214·655 мм.

Разработка прибора была большим достижением.

Спецификой применения таких приборов была необходимость подачи сигнала на вход через линию задержки — обычно в виде бухты коаксиального кабеля. Иначе из-за задержки запуска развертки фронт импульсов не будет виден на экране. Единственной возможностью запоминания осциллограмм является их фотографирование с помощью специальных фотоприставок.

Переход к осциллографам с транзисторными усилителями

В 60-х годах XX века окончательно сформировался переход элементной базы большинства осциллографов на транзисторы вместо ламп.

Это было время бурного расцвета отечественной микроэлектроники, работающей на оборонные заказы и фундаментальные исследования. Для развития науки и техники тех лет требовались крупные и обширные научные разработки.

Осциллографы стали одними из первых инструментов, которые были широко востребованы для промышленности и науки.

Были созданы осциллографы на специальных запоминающих ЭЛТ. Но они оказались чрезмерно сложными и дорогими. Номенклатура приборов была узкой и широкого применения запоминающие осциллографы так и не нашли. Их сменили цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО).

Требования к транзисторным усилителям осциллографа

В осциллографах применяются усилители постоянного напряжения (тока) без спада усиления в области низких частот. Для количественной оценки частотных искажений вводится понятие граничной частоты. Это частота, при которой модуль коэффициента усиления K(w) уменьшается до значения KQ/V2 ≈ 0,7К0, где К0 — коэффициент усиления на нулевой частоте.

Для обычного одиночного резисторного каскада с интегрирующей RC-цепью на выходе время нарастания и спада импульсов tφ = 2,2RC. В то же время граничная частота /В = 1/2πRC. Отсюда можно найти:

Эта простая формула довольно точно описывает соотношение между временем нарастания переходной характеристики и верхней граничной частотой АЧХ многокаскадного усилителя. В связи с этим формула (10) является одной из важнейших в осциллогра

фии и служит основой для определения времени нарастания и спада переходной характеристики осциллографа в области малых времен в целом, на уровнях отсчета 0,1 и 0,9. Видимое на экране осциллографа время нарастания перепада с длительностью tИ определяется как:

Принципы построения генераторов развертки

Генератор развертки аналогового осциллографа служит для выработки линейно-изменяющегося напряжения развертки, которое преобразуется усилителем канала X и используется для перемещения луча по горизонтали. Коэффициент нелинейности пилообразной части напряжения развертки

обычно имеет значение КН

Знай об организме
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: