Осциллография

Содержание

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:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/ostsillografy/

Осциллография, что за процедура, что исследуют, плюсы и минусы

Осциллография

Осциллография – метод в медицине, с помощью которого можно не сделать вывод о том, имеются ли у него поражения, определить местоположение нарушений, если они были обнаружены. Более подробно о том, что такое осциллография и об основных моментах данного способа можно прочитать в статье.

Что такое осциллография

Осциллография представляет собой медицинский метод, с помощью которого происходит регистрация колебаний стенок артерий.

На основе этих колебания на приборе – осциллографе – отображается диаграмма, которая позволяет сделать вывод о состоянии больного.

Измерения можно проводить в различных условиях, и в процессе измерений можно получить наглядное отображение пульсовых колебаний в виде кривой.

Показателем осциллограммы считается осциллометрический индекс – максимальная амплитуда. У взрослых величина осциллометрического индекса колеблется в числах от 12 до 30 мм.

Наблюдая за амплитудой, можно делать выводы об эластичности сосудов. Однако методом не получится воспользоваться при коллатеральном кровообращении.

Во всех остальных случаях прибор прикрепляется к пациенту с помощью манжеты, в которую закачивается воздух.

Принцип исследования

Принцип исследования прибора заключается в выведении диаграммы на монитор, что впоследствии даст возможность сделать вывод о физическом состоянии.

Основной элемент устройства – электронно-лучевая трубка. В ней создают вакуум путем откачки воздуха и помещают положительный катод.

Катод реагирует на действие электрического тока и начинает излучать частицы отрицательного знака, которые впоследствии при помощи специальной системы фокусируются и направляются на экран монитора.

Внешне на экране это выглядит как движение светящейся точки, за которой и происходит дальнейшее наблюдение.

Благодаря движению точки можно проследить возможные изменения пульсации и выявить нарушения, если они имеются.

Как проводят

Современные технологии подарили медицине цифровой осциллограф. Преимущество его состоит в том, что он может быть подключен непосредственно к компьютеру, а также способен произвести обработку результатов и другие процессы.

Проводят осциллографию:

  • на нижней конечности;
  • на плече.

В первом случае пациент должен находиться в лежачем положении и полностью расслабить мышцы. После закрепления на его конечности манжета врач должен обязательно проследить за тем, чтобы она не сдавливалась.

Чтобы предотвратить возможное сдавливание, под пятку заранее кладут специальный валик или подушку.

Во время процесса записи прибора больному необходимо лежать спокойно и не совершать лишних движений.

Во втором случае – на плече – осциллографию можно проводить, когда пациент находится в сидячем положении.

Все остальные правила – расслабление, спокойствие и неподвижность пациента, а также закрепление манжеты – остаются такими же.

Что определяют

Кривая линия, которую можно наблюдать на экране монитора, — осциллограмма. Осциллограмма здорового пациента выглядит как ряд поначалу небольших, а затем все увеличивающихся зубцов.

Когда зубцы достигают определенной максимальной точки, они вновь идут на уменьшение.

С помощью прибора врач может определить три вида давления в артерии пациента:

  • максимальное;
  • среднее;
  • минимальное.

В дальнейшем это дает шанс сделать вывод о тонусе сосудов, а также о проходимости магистральной артерии.

Плюсом данного метода является то, что он намного превосходит обычный способ измерения пульса.

С помощью устройства врач может вовремя выявить какие-либо нарушения в кровообращении, что иногда не получается сделать, если измерять пульс рукой.

К тому же, бывает затруднительно измерить пульс стандартным способом в случае отека конечности.

Как устанавливается место поражения сосудов

Если осциллограф зафиксировал снижение пульса, то можно сделать вывод о том, что конечность поражена, а, значит, сосуды в ней претерпели какие-то изменения.

Как только это было установлено, врач с помощью различных функциональных проб конечности устанавливает место поражения сосудов.

Например, если у больного эндартериит нижних конечностей, то на экране монитора можно будет заметить значительное уменьшение амплитуды во время какой-либо физической нагрузки, хотя должно быть наоборот.

Если же осциллограф не выявил никаких нарушений, то делается вывод о том, что с пациентом все в порядке.

Осциллография до и после хирургического вмешательства

Осциллография бывает полезной также во время проведения хирургической операции.

Например, с помощью этого метода можно определить возможность или невозможность перевязки магистральной артерии в случае, если был диагностирован травматический аневризм.

Также врачам бывает проще принять решение о проведении операции среди больных эндартериитом, если осциллограф выявляет какие-либо нарушения в сосудах.

Полезным бывает проведение осциллографии до и после хирургического вмешательства. Это позволяет сделать вывод о том, как прошла операция и есть ли улучшения общего состояния больного.

В любом случае, ранняя диагностика, которую можно провести с помощью прибора, дает шанс вовремя назначить необходимое лечение.

Что можно сказать по результатам

По результатам осциллограммы специалистом делается вывод об общем физическом состоянии пациента. А также о том, какие сосуды и в каком месте имеют повреждения в случае обнаружения заболевания.

В случае если осциллограмма представляет собой стандартное колебание амплитуд, то можно сказать о том, что человек абсолютно здоров.

Данный метод можно считать простым и наглядным. К тому же, он легко переносится больными, если только у них нет проблем с кровообращением в кишечнике.

В этом случае у пациентов при сдавливании конечности манжетой могут проявиться боли, которые затруднят исследование.

: нормы сокращений стенок артерий (пульс)

Источник: https://venaprof.ru/ostsillografiya/

Осциллограф. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Осциллография

Осциллограф представляет прибор, используемый для исследования временных и амплитудных параметров электрического сигнала, который подается на его вход, или непосредственно на экране, или записываемого на фотоленте. На сегодняшний день это один из самых распространенных типов контрольно-измерительных приборов, который наряду с мультиметрами позволяет производить производственные и научные исследования.

На сегодняшний день промышленность не стоит на месте. Создаются современные приборы, которые позволяют значительно сокращать время исследований и разработок. Они обладают значительным набором измерительных приложений, емкостным сенсорным дисплеем, глубокой памятью и высочайшей скоростью обновления сигналов на экране.

Всего имеется несколько типов приборов, которые различаются по характеристикам:

  • Устройства смешанных сигналов.

По количеству лучей осциллограф может быть:

  • Однолучевой.
  • Двулучевой и так далее.

Число лучей может быть 16 и более (n-лучевой прибор имеет n сигнальных входов, в том числе может отображать на экране одновременно n графиков входных сигналов).

Приборы также классифицируются по принципу действия:

  • Электронный: аналоговый и цифровой.
  • Электромеханический: электродинамический, выпрямительный, электростатический, термоэлектрический, электромагнитный, магнитоэлектрический.

По развертке их можно поделить:

  • Специальный.
  • Запоминающий.
  • Стробоскопический.
  • Скоростной.
  • Универсальный.

Имеются также приборы, которые совместимы с иными измерительными устройствами. Это может быть не только автономное устройство, но и приставка, к примеру, компьютер, карта расширения или вовсе подключение к внешнему порту.

Устройство

Конструкция аналоговых устройств базируется на применении систем аналоговой горизонтальной развертки и электронно-лучевых трубок. Одним из главных блоков данных приборов являются генераторы линейно меняющегося напряжения пилообразной формы.

Аналоговый осциллографимеет:

  • Отклонение луча на экране определяется напряжение пластин. Трубки выделяются большим диапазоном частоты. Горизонтальная развертка функционирует от напряжения горизонтальных пластин по линейной зависимости. Верхняя граница частоты определяется усилителем и емкостью пластин. Нижний предел соответствует 10 герцам.
  • Для визуализации характеристик и формы в аналогово-цифровых приборах исследуемого сигнала используются системы аналоговой горизонтальной развертки, электронно-лучевые трубки, в том числе генераторы линейно изменяющегося напряжения. К тому же в конструкции приборов имеются встроенные запоминающие модули, которые используются для хранения изображения.
  • Запоминающие цифровые приборы применяют высокоскоростную оцифровку аналоговых сигналов, обеспечивают их хранение и выводят на жидкокристаллический индикатор, который применяется вместо электронно-лучевой трубки. Цифровой осциллографимеет преобразователь аналогового сигнала, усилитель, делитель, блок управления, память и блок выведения на ЖК панель.
  • Устройства смешанных сигналов быстро оцифровывают аналоговые сигналы, в том числе имеют функцию ввода цифровых последовательностей. Вся необходимая информация сохраняется в запоминающий модуль и выводится на жидкокристаллический монитор при необходимости.

Принцип действия

Аналоговые устройства для создания изображения на экране применяют электронно-лучевую трубку. В ней напряжение, которое подается на оси X и Y, заставляет точку передвигаться по экрану.

На горизонтали можно наблюдать зависимость от времени, тогда как по вертикали идет отображение пропорциональное входному сигналу.

В целом же сигнал усиливается и направляется на электроды, которые отклоняют по оси Y электронно-лучевой трубки с применением аналоговой технологии.

Цифровойосциллограф работает несколько по-другому:

  • Выполняется модификация входящего аналогового сигнала в цифровую форму.
  • Затем происходит его сохранение. Скорость сохранения зависит от управляющего устройства. Верхняя граница определяется скоростью преобразователя, при этом у нижней границы нет ограничений.
  • Преобразование сигнала в цифровой код позволяет повысить устойчивость отображения, сделать масштаб и растяжку проще, сохранить данные в память.
  • Использование дисплея вместо электронной трубки дает возможность отображать любые данные, в том числе выполнять управление прибором. У дорогостоящих приборов установлены цветные экраны, благодаря чему они дают возможность выделять цветом различные места, различать курсоры и сигналы иных каналов.
  • Синхронизацию можно наблюдать прямо перед включением развертки. Используемые процессоры обработки сигнала позволяют обрабатывать сигнал при помощи анализа преобразованием Фурье.
  • Информация в цифровом виде дает возможность записать экран с итогами измерения в память, в том числе распечатать на принтере. Большинство приборов имеют накопители, чтобы можно было записать изображения в архив и в дальнейшем произвести их обработку.

Применение

Осциллографпредставляет измерительный прибор, при помощи него можно.

  • Определить значения напряжения сигнала (амплитуду) и временные параметры.
  • Измерив временные характеристики сигнала, удастся определить его частоту.
  • Наблюдать сдвиг фаз, происходящий при прохождении разных участков цепи.
  • Выяснить переменную (AC) и постоянную (DC), которые составляют сигнал.
  • Наблюдать искажение сигнала, который вносит определенный участок цепи.
  • Выяснить соотношение сигнал/шум, определить стационарность шума или его изменение по времени.
  • Понять процессы, которые происходят в электрической цепи.
  • Выяснить частоту колебаний и так далее.

Эти устройства преимущественно применяются в электронике и радиотехнике. Особенно важным элементом прибор используется в электромеханических сферах производства.

Данное устройство выступает в качестве фиксирующего прибора, который наглядно отображает все колебания электрического тока, происходящие в определенном электрическом механизме.

С помощью прибора можно найти помехи, а также искажения прохождения электрического импульса в самых разных узлах схемы.

Применение в диагностике и ремонте автомобилей

Применяются эти приборы и в других областях. Так они часто используются для определения неисправностей в системе исполнительных механизмов и иной диагностике. При помощи них даже можно диагностировать механические неисправности двигателя.

К примеру, осциллограф способен:

  • Выявить неисправный катализатор.
  • Определить соответствие установки задающего шкива коленвала по отношению к датчику положения коленчатого вала.
  • Выявить сильный подсос воздуха.
  • Наблюдать сигналы с датчиков системы, отслеживать их изменение.
  • Считывать коды неисправностей, сохраненные системой.
  • Указать идентификационные данные системы, ЭБУ.
  • Выполнить проверку работу исполнительных механизмов и так далее.

Естественно, что такой прибор должен иметь логический анализатор, специальное программное обеспечение и уметь выполнять дешифровку протоколов.

На рынке представлено множество самых разных моделей. Поэтому перед покупкой следует определиться:

  • Следует узнать, где будет применяться прибор?
  • Какова амплитуда измеряемых сигналов?
  • Сигналы в скольких точках схемы будет нужно измерять одновременно?
  • Необходимость измерения одиночных и периодических сигналов?
  • Необходимость сигналов в частотной области, функции быстрого преобразования Фурье и так далее?

При выборе следует обратить внимание на следующие параметры:

  • Количество каналов. Они будут влиять на число отображаемых независимых сигналов на дисплее. Их одновременное наличие позволит наблюдать за несколькими графиками, проводить их сравнение и анализировать. Для работы с простой техникой хватит 2-4 каналов. Наиболее продвинутыми являются приборы с функцией логического анализатора и 16 каналами.
  • Частота дискретизации будет влиять на число выборок сигнала в секунду, то есть на качество разрешения изображения на экране. Большее количество точек сигнала позволит построить более точное изображение. Данный параметр важен при измерении переходных и однократных процессов.
  • Тип питания. При работе с прибором на выезде или вдали от сети лучше покупать модель с аккумулятором. В остальных случаях лучше покупать измерительные приборы, работающие от сети.
  • Полоса пропускания. Следует учесть, что полоса пропускания должна в 3-5 раз быть выше значения частот исследуемых сигналов. Для простых усилителей звуковой частоты и цифровых схем достаточно параметра в 25 МГц. Для профессиональных исследований и радиочастотных схем будет нужно устройство с полосой пропускания порядка 100-200 МГц.

Сегодня вполне можно купить устройства, выпущенные 30-40 лет назад. Однако такой осциллограф лучше не использовать, ведь:

  • Для калибровки необходимо использовать подстроечники, которых полно и сверху и сбоку. Обеспечить точную настройку будет затруднительно.
  • Высохшие электролиты.
  • Вес.
  • Габариты и так далее.

Сверхскоростная осциллография вчера, сегодня и завтра

Осциллография

Заказать этот номер

2010№4

Статья представляет собой обзор осциллографов, начиная с первых осциллоскопов Фердинанда Брауна (1897 г.) на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) и заканчивая современными моделями приборов ведущих компаний мира.

Введение

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

Источник: https://www.kit-e.ru/articles/oscillograph/2010_04_142.php

Осциллограф

Осциллография

Радиоэлектроника для начинающих

Если спросить профессионального регулировщика электронной аппаратуры или радиоинженера: “Какой самый главный прибор на вашем рабочем месте?” Ответ будет однозначным: “Конечно, осциллограф!”. И это действительно так.

Конечно, невозможно обойтись без мультиметра. Измерить напряжение в контрольных точках схемы, замерить сопротивление и ток, «прозвонить» диод или проверить транзистор все это важно и нужно.

Но когда речь заходит о регулировке и настройке любого электронного устройства от простого телевизора до многоканального передатчика орбитальной станции, то без осциллографа обойтись невозможно.

Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, измерить время нарастания импульса, а в цифровой аппаратуре это очень важный параметр.

Осциллограф – это своего рода телевизор, который показывает электрические сигналы.

Как работает осциллограф?

Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим блок-схему усреднённого прибора. Практически все осциллографы устроены именно так.

На схеме не показаны только два блока питания: высоковольтный источник, который используется для вырабатывания высокого напряжения поступающего на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) и низковольтный, обеспечивающий работу всех узлов прибора. И отсутствует встроенный калибратор, который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.

Исследуемый сигнал подаётся на вход “Y” канала вертикального отклонения и попадает на аттенюатор, который представляет собой многопозиционный переключатель, регулирующий чувствительность. Его шкала отградуирована в V/см или V/дел.

Имеется в виду одно деление координатной сетки нанесённой на экран ЭЛТ. Там же нанесены сами величины: 0,1 В,10 В, 100 В. Если амплитуда исследуемого сигнала неизвестна, мы устанавливаем минимальную чувствительность, например 100 вольт на деление.

Тогда даже сигнал амплитудой 300 вольт не выведет прибор из строя.

В комплект любого осциллографа входят делители 1 : 10 и 1 : 100 они представляют собой цилиндрические или прямоугольные насадки с разъёмами с двух сторон. Выполняют те же функции, что и аттенюатор.

Кроме того при работе с короткими импульсами они компенсируют ёмкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешний делитель от осциллографа С1-94. Как видим, коэффициент деления его составляет 1 : 10.

Благодаря внешнему делителю удаётся расширить возможности прибора, так как при его использовании становится возможным исследование электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.

С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель. Здесь он разветвляется и поступает на линию задержки и на переключатель синхронизации.

Линия задержки предназначена для компенсации времени срабатывания генератора развёртки с поступлением исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения.

Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на пластины “Y” и обеспечивает отклонение луча по вертикали.

Генератор развёртки формирует пилообразное напряжение, которое подаётся на усилитель горизонтального отклонения и на пластины “X” ЭЛТ и обеспечивает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный как время на деление (“Время/дел”), и шкалу времени развёртки в секундах (s), миллисекундах (ms) и микросекундах (μs).

Устройство синхронизации обеспечивает начало запуска генератора развёртки одновременно с возникновением сигнала в начальной точке экрана. В результате на экране осциллографа мы видим изображение импульса развёрнутое во времени. Переключатель синхронизации имеет следующие положения:

  • Синхронизация от исследуемого сигнала.

  • Синхронизация от сети.

  • Синхронизация от внешнего источника.

Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.

Осциллограф С1-94

Кроме сложных и дорогих моделей осциллографов, которые используются при разработке электронной аппаратуры, нашей промышленностью был налажен выпуск малогабаритного осциллографа C1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он хорошо зарекомендовал себя в работе и обладает всеми функциями дорогого и серьёзного прибора.

В отличие от своих более “навороченных” собратьев, осциллограф С1-94 обладает достаточно небольшими размерами, а также прост в использовании. Рассмотрим его органы управления. Вот лицевая панель осциллографа С1-94.

Справа от экрана сверху вниз.

  • Ручка: «Фокус».

  • Ручка «Яркость».

    Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.

  • Кнопка «Сеть». Кнопка включения прибора.

  • Кнопка установки времени развёртки. Грубое переключение коэффициентов развёртки. Можно установить миллисекунды (ms) и микросекунды (μs). Напомним, что 1 ms = 1000 μs. Подробнее о сокращённой записи численных величин.

  • Кнопка режима «Ждущ-Авт».

    Это кнопка выбора ждущего и автоматического режима развёртки. При работе в ждущем режиме запуск и синхронизация развёртки производится исследуемым сигналом. При автоматическом режиме запуск развёртки происходит без сигнала. Для исследования сигнала чаще используется ждущий режим запуска развёртки.

  • Вот этой кнопкой производится выбор полярности запускающего импульса. Можно выбрать запуск от импульса положительной или отрицательной полярности.

  • Кнопка установки синхронизации «Внутр-Внешн».

    Обычно используется внутренняя синхронизация, так как для использования внешнего синхросигнала нужен отдельный источник этого внешнего сигнала. Понятно, что в условиях домашней мастерской это в подавляющем случае не нужно. Вход внешнего синхросигнала на лицевой панели осциллографа выглядит вот так.

  • Кнопка выбора “Открытого” и “Закрытого” входа.

    Тут всё понятно. Если предполагается исследование сигнала с постоянной составляющей, то выбираем “Переменный и постоянный”. Этот режим называется “Открытым”, так как на канал вертикального отклонения подаётся сигнал, содержащий в своём спектре постоянную составляющую или низкие частоты.

    При этом, стоит учитывать, что при отображении сигнала на экране он уйдёт вверх, так как к амплитуде переменной составляющей добавиться и уровень постоянной составляющей. В большинстве случаев лучше выбирать “закрытый” вход (~). При этом постоянная составляющая электрического сигнала будет отсечена и не отображается на экране.

  • Клемма «корпус» служит для заземления корпуса прибора. Это делается в целях безопасности. В условиях домашней мастерской порой нет возможности заземлить корпус прибора. Поэтому приходится работать без заземления.

    При этом важно помнить, что во включенном состоянии на корпусе осциллографа может быть потенциал напряжения. При касании корпуса может “дёрнуть”.

    Особенно опасно дотрагиваться одной рукой до корпуса осциллографа, а другой рукой до батарей отопления или других работающих электроприборов.

    В таком случае опасный потенциал с корпуса пройдёт через ваше тело (“рука” – “рука”) и вы получите электрический удар! Поэтому при работе осциллографа без заземления желательно не дотрагиваться до металлических частей корпуса. Это правило справедливо и для прочих электроприборов с металлическим корпусом.

  • По центру лицевой панели переключатель «развёртка» – Время/дел. Именно этот переключатель управляет работой генератора развёртки.

  • Чуть ниже располагается переключатель входного делителя (аттенюатора) – V/дел. Как уже говорилось, при исследовании сигнала с неизвестной амплитудой, необходимо выставить максимально возможное значение V/дел.

    Так для осциллографа С1-94 нужно установить переключатель в положение 5 (5V/дел.). В таком случае одна клетка на координатной сетке экрана будет равна 5-ти вольтам.

    Если ко входу “Y” осциллографа подключить делитель с коэффициентом деления 1 к 10 (1 : 10), то одна клетка будет равна 50-ти вольтам (5V/дел. * 10 = 50V/дел.).

Также на панели осциллографа имеются:

  • Ручка «Перемещение луча по горизонтали».

    Она служит для корректировки положения луча в горизонтальном направлении. Если покрутить данную ручку, то изображение развёртки будет смешатся либо вправо, либо влево.

  • Также есть и ручка «Перемещение луча по вертикали».

    С помощью её можно отрегулировать положение развёртки на экране по вертикали.

    Ручки «Перемещение луча по горизонтали» и «Перемещение луча по вертикали» служат исключительно для настройки комфортного отображения осциллограммы сигнала на экране. Они никак не влияют на настройку работы самого осциллографа.

  • А вот ручка «Уровень синхронизации» необходима для того, чтобы “остановить” осциллограмму сигнала на экране.

    Поворотом этой ручки добиваются того, чтобы изображение сигнала “застыло”, а не “убегало”. Иногда, чтобы поймать изображение с помощью ручки “Уровень” приходится изменить время развёртки переключателем Время/дел.

  • Входной разъём “Y” , к которому подключается измерительный щуп или внешний делитель выглядит так.

    Внизу указываются параметры входа, а именно входное сопротивление (1 MΩ) и входная ёмкость (40pF). Чем выше входное сопротивление измерительного прибора, тем лучше.

    Таким образом при измерении прибор не шунтирует элементы тестируемой схемы и не вносит искажений в измеряемый сигнал.

    Входная ёмкость прежде всего влияет на возможность исследования высокочастотных сигналов.

В настоящее время, с развитием цифровой техники, стали широко внедряться цифровые осциллографы. По сути это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.

Аналоговая аппаратура всегда была надежной и удобной в работе. Кроме того она легко ремонтировалась. Цифровой осциллограф стоит на порядок дороже и очень сложен в ремонте. Плюсов конечно много.

Если аналоговый сигнал с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) перевести в цифровую форму, то с ним можно делать всё что угодно.

Его можно записать в память и в любой момент вывести на экран для сравнения с другим сигналом, складывать в фазе и противофазе с другими сигналами. Конечно, аналоговая техника это хорошо, но за цифровой электроникой будущее.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Источник: http://go-radio.ru/oscillograf.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.