 |
Многоканальный осциллограф
|
|
|
|
НАБЛЮДЕНИЕ ФОРМЫ КРИВОЙ НЕПРЕРЫВНЫХ
И ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ И ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНЫХ
И ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ С ПОМОЩЬЮ
ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА
Цель работы. Изучить назначение органов управления электронного осциллографа и их действие для получения на экране осциллограмм формы кривой электрических сигналов при непрерывной и ждущей развертке. Применить электронный осциллограф для измерения амплитудных и временных параметров непрерывных и импульсных сигналов.
Пояснения. Осциллограф является электронным прибором, очень часто применяемым для исследования формы электрических колебаний. Воспроизводя электрический сигнал y(t) на экране ЭЛТ, осциллограф делает его видимым как функцию времени. Достигается это одновременным изображением графика у = у(t)‚ возникающего на экране ЭЛТ в результате согласованной подачи наблюдаемого сигнала у(t) и сигнала х(t) = сt, генерируемого внутри осциллографа. Новому моменту времени в сигнале у(t) соответствует очередное мгновенное значение сигнала х(t). Так как у(х) = у(сf)‚ изменением константы с можно увеличивать или уменьшать масштаб по оси времени.
При этом будет казаться, что величина у меняется быстрее или медленнее.
Осциллографу необходим генератор временной развертки для формирования сигнала х(t) и аналоговый двухкоординатный дисплей, позволяющий показывать у как функцию х. Из-за ограниченных размеров дисплея сигнал у(t) можно наблюдать только в течение короткого интервала времени. Однако в случае, когда у(2) является периодическим и его период равен Т, очевидно, можно получить непрерывное изображение этого сигнала, периодически повторяя у(t + nТ)‚ при условии, что с переходом к новому значению п развертка каждый раз начинается в одной и той же фазе сигнала у(t + nТ). Для этого необходима схема, способная вырабатывать сигнал запуска развертки х(t) в момент времени, когда фаза сигнала у(t + nT) имеет заданное значение.
|
|
|
Чтобы обеспечить большую гибкость и возможность анализа множества
сигналов самой различной формы, осциллографы выполняются иногда в
виде так называемого базового блока, в который можно вставлять различ-
ные сменные блоки. Фактически в базовом блоке уже содержится осциллограф с ЭЛТ в качестве аналогового (х, у)-дисплея, генератором временной развертки, схемой запуска и блоком питания. Сменные блоки предоставляют возможность измерения различных параметров входного сигнала, таких‚ как амплитуда, частота, интервал времени, спектр и т. д.
На рис. 1.1 показано внутреннее устройство осциллографа. ЭЛТ является сердцем осциллографа. Наблюдаемый сигнал поступает на пластины вертикального отклонения ЭЛТ, пройдя по каналу вертикального отклонения (по каналу у). В этом канале происходит усиление (малых сигналов) и ослабление (больших сигналов); иногда в этом канале осуществляется регулируемая фильтрация (искаженных шумом сигналов). В высоко-частотных осциллографах (предназначенных для работы на частотах выше
25 МГЦ) в канал вертикального отклонения включена линия задержки,
представляющая собой бобину с намотанным на нее коаксиальным кабелем или ряд LC-звеньев. Эта линия задержки необходима для того, чтобы сделать видимым начальный перепад в импульсных сигналах. Введение задержки приводит к тому, что запуск развертки происходит раньше момента времени, когда сигнал у(f) начинает поступать на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ. Таким образом, устраняется влияние задержки в схеме запуска. Кроме того, для сигналов, нарастающих очень быстро, делается видимой часть сигнала, предшествующая моменту запуска.
|
|
|
Через усилитель отклонения в канале х на пластины горизонтального
отклонения ЭЛТ может поступать внешний сигнал. Таким образом, можно
создать фигуры Лиссажу для измерения разности фаз. Внутри сигнал раз-
вертки создается путем интегрирования постоянного тока, благодаря чему
отклоняющее напряжение имеет пилообразную форму. Сигнал запуска
развертки генерируется схемой запуска, в которой этот сигнал формируется либо из сигнала у(f), либо из сигнала, поступающего извне.
Чтобы подавить электронный луч ЭЛТ на время обратного хода, схемой
развертки вырабатывается также сигнал гашения луча. Кроме того, часто имеется возможность изменять интенсивность электронного луча (осуществлять модуляцию по оси 2), подавая нужный для этого сигнал. Рассмотрим теперь работу наиболее важных узлов в осциллографе.
Рис. 1.1
Развертка
На рис. 1.2 изображено вырабатываемое генератором развертки напряжение горизонтального отклонения Vx. В момент появления запускающего импульса гашение электронного луча заканчивается и начинается нарастание пилообразного напряжения. Электронный луч начинает движение по экрану ЭЛТ, показывая на нем исследуемый сигнал. Как только луч достигает конца экрана (при этом Vx максимально), его движение прерывается и напряжение развертки и возвращается к своему начальному значению. На время обратного хода луч гасится. Теперь осциллограф готов показать следующий
цикл колебания и ждет следующего импульса запуска. Время между двумя
проходами луча занимает по крайней мере один период наблюдаемого сигнала. В случае высокочастотных сигналов обычно пропускается несколько периодов входного сигнала, прежде чем осциллограф готов воспроизвести следующую кривую. Задержка необходима в основном для восстановления генератора развертки. Регулируя наклон пилообразного сигнала, можно выбирать длительность изображаемого на экране отрезка входного сигнала.
Изменяя время горизонтальной развертки, получим больший или меньший
интервал наблюдения сигнала у(t). Масштаб развертки может изменяться от
5 с/см до 0,5 нс/см у высокочастотных осциллографов.
В большинстве осциллографов имеется возможность увеличения коэффициента усиления усилителя в канале х в 5 или в 10 раз. Это приводит к увеличению размера изображаемого сигнала по горизонтали относительно центра экрана. Добавляя к напряжению, отклоняющему луч по оси х, необходимое постоянное напряжение, можно получить на экране растянутое изображение любой части входного сигнала. При этом сигнал сдвигается по горизонтальной оси. На рис. 1.2с показано, в частности, отклоняющее
|
|
|
напряжение Vx, соответствующее выводу на экран начальной части входного сигнала, непосредственно следующей за сигналом запуска. Однако при таком растягивании развертки погрешность в сигнале развертки также увеличивается, а точность временной привязки момента запуска и сдвинутого сигнала теряется.
Метод, свободный от этого недостатка, основан на запуске развертки с задержкой. Когда представляет интерес лишь часть входного сигнала на протяжении небольшого отрезка спустя какое-то время после момента t1 (например, между точками t2 и t3, где сигнал изменяется резко), оказывается полезным задержать начало развертки, как показано на рис. 1.2d. Начало развертки не совпадает с моментом появления сигнала на выходе обычной схемы запуска, а сдвинуто по времени до момента t2. Задержку t2 — t1, можно задать точно с помощью таймера. Если задержку выбрать так, чтобы окончание пилообразного сигнала совпало с моментом из, то на всю ширину экрана будет растянуто изображение сигнала, имеющегося только в течение интервала (t2, t3). Таким образом, с помощью растягивания временной шкалы можно детально изучить отрезок сигнала, начинающийся спустя точно заданное время после момента запуска. Это особенно полезно при анализе импульсных сигналов.
Рис. 1.2
Запуск развертки
С помощью схемы запуска можно осуществить запуск развертки от сигнала
у(t). Если сигнал у(t) привязан к частоте силовой сети 50 ГЦ, то для создания
сигнала запуска можно воспользоваться напряжением сети (то есть производить запуск от сети). Это приведет к тому, что все сигналы, синхронные с электрическими колебаниями в сети, на экране ЭЛТ будут неподвижны. Кроме того, часто осциллограф можно запустить от внешнего сигнала.
|
|
|
В генераторе запускающего импульса напряжение входного сигнала Vy
сравнивается с регулируемым постоянным напряжением, как показано на рис. 1.3 Входной сигнал пересекает уровень запуска как во время нарастания сигнала‚ так и во время спада. Схему можно установить в режим формирования импульса запуска либо при положительном, либо при отрицательном наклоне входного сигнала. Из рис. 1.3 видно, что запуск можно осуществлять в любой точке сигнала, изменяя уровень запуска и переключая полярность наклона входного сигнала. например, если требуется осуществить запуск развертки в момент времени y1, то уровень запуска и полярность наклона выбираются положительными. Для запуска в момент времени t2 уровень запуска должен быть отрицательным, а нужный наклон остается положительным.
Рис. 1.3
Многоканальный осциллограф
Если мы хотим одновременно наблюдать несколько сигналов с целью исследования их когерентности во времени, то можно воспользоваться осциллографом с ЭЛТ с несколькими электронными пушками и несколькими парами пластин вертикального отклонения. По горизонтали все электронные лучи отклоняются одной парой пластин. Очевидно, что это дорогое решение. Проще и дешевле применить метод (временного) мультиплексирования.
Однако, чтобы сделать это, ширина полосы ЭЛТ и усилителей отклонения должна быть достаточно большой. Временное мультиплексирование ЭЛТ можно осуществить следующим образом: сигнал запуска формируется из входного сигнала с самым крутым наклоном.
После запуска развертки на экране индицируется первый сигнал. Затем на вход усилителя в канале y подается второй сигнал. Этот второй сигнал индицируется, начиная с очередного момента запуска развертки первым сигналом. Между двумя осциллограммами устанавливается смещение по вертикали путем подачи на пластины вертикального отклонения нужного постоянного напряжения. Такой метод работы называется режимом чередования. К сожалению, он имеет два недостатка. При медленной развертке оба луча начинают мерцать. Кроме того, временное соотношение между двумя сигналами сохраняется неточно, поскольку обе осциллограммы синхронизованы первым сигналом и вторая осциллограмма воспроизводится спустя некоторое время после первой. Эти недостатки можно устранить, очень быстро переходя от одного сигнала к другому (с частотой порядка 250 кГц), в так называемом режиме переключения. Обе осциллограммы вычерчиваются в этом случае практически одновременно. Часть одной осциллограммы рисуется в течение паузы в изображении другой. Если время развертки установлено большим по сравнению с временем переключения, то части осциллограммы сливаются и каждая из них выглядит как непрерывная.
|
|
|
