Что такое генератор развертки осциллографа - NEVINKA-INFO.RU

Что такое генератор развертки осциллографа

Схема генератора развёртки для осциллографа

Что такое генератор развертки осциллографа

Генератор развёртки для осциллографа

В некоторых конструкциях самодельных осциллографов (а порой м в промышленных образцах) при изменении уровня исследуемого сигнала и его частоты в больших пределах нарушается синхронизация, а при его отсутствии (в ждущем режиме) не запускается развёртка. При эксплуатации таких осциллографов часто приходится пользоваться ручкой «УРОВЕНЬ СИНХРОНИЗАЦИИ», что, конечно, неудобно.

От указанных недостатков свободен предлагаемый генератор развёртки. Он обеспечивает время формирования линейно-нарастающего напряжения (ЛНН) от 1 мкс до 100 мс. Амплитуда сигналов синхронизации может изменяться в пределах от 50 мВ до 5 В, а их частота — в диапазоне до 20 МГц. При отсутствии исследуемого сигнала генератор автоматически переключается в автоколебательный режим. Генератор может работать и в чисто ждущем режиме.

Схема генератора приведена на рисунке. ЛНН формируется на конденсаторах С1 и С2 Высокая линейность обеспечена тем, что конденсаторы заряжаются от генератора тока, выполненного на транзисторе VT1, который запитывается от стабилизированных источников.

Величина тока через транзистор VT1 определяется сопротивлением одного из резисторов Rl-R3 а цепи его эмиттера (выбирают переключателем SA1).

Период ЛНН (в секундах) можно рассчитать по формуле:

где С — ёмкость конденсаторов C1+C2, Ф;
Um — амплитуда ЛНН, В;
fк — ток коллектора VT1, А;

В данной конструкции генератора период развёртки устанавливается дискретно переключателями SA1 и SB1.1 (он изменяет ёмкость времязадающего конденсатора). Переключателем SA1 период развёртки изменяется в 10 и 100 раз, a SB1 — в 1000 раз (при каждом из положений переключателя SA1). Таким образом, набор из трёх резисторов (R1-R3) и двух конденсаторов (С1-С2) позволяет иметь шесть значений периода развёртки. Их число и дискретизацию можно изменять соответствующим выбором элементов.

ЛНН через буферный каскад (VT2, VT4) подаётся на одновибратор, выполненный на элементах VT5, DD1.1. Порог срабатывания одновибратора и, следовательно, амплитуда ЛНН зависят от делителя R7R8. Для указанных на схеме сопротивлений резисторов R7 и R8 амплитуда ЛНН равна примерно 3,5 В. По окончании формирования ЛНН одновибратор вырабатывает импульс, который подаётся не транзисторы VT3, VT6. Транзистор VT3 открывается и разряжает конденсаторы С1 и С2 почти до нуля, а транзистор VT6 формирует импульс гашения обратного хода луча. Амплитуда этого импульса около 15 В. Если потребуется большая амплитуда, то необходимо увеличить напряжение питания каскада и выбрать соответствующий тип транзистора. По окончании действия импульса одновибратора процесс повторяется.

При наличии на входе осциллографа исследуемого сигнала он поступает на триггер Шмитта, выполненного на элементах DD1.3, DD1.4 и транзисторе VT7. Триггер Шмитта формирует импульсы с крутыми фронтами Эти импульсы выпрямляются диодами VD2, VD4 и заряжают конденсатор С9. Напряжение на конденсаторе С9 открывает транзистор VT8, и на вход 10 элемента DD1.2 подаётся уровень напряжения логической единицы. Элементы DD1.1 и DD1.2 составляют RS-триггер. По окончанию действия импульса одновибратора RS — триггер остаётся в таком состоянии, при котором транзистор VT3 остаётся открытым. При этом невозможен заряд конденсатора С2. Из этого состояния RS-триггер выводит продифференцированный импульс триггера Шмитта, после чего вновь начинается заряд конденсатора С2. Роль дифференцирующей цепочки выполняют элементы С7, R16.

В автоколебательном режиме (когда сигнал на входе синхроимпульсов отсутствует) конденсатор С9 разряжен и транзистор VT8 закрыт. Уровень логического нуля на входе 10 элементе DD1.2 и логической единицы на его выходе на работу генератора ЛНН не влияют.

Для перевода генератора в ждущий режим на дополнительный вход устройстве необходимо подать напряжение +4 В.

Транзистор VT1 необходимо отобрать с минимальным значением обратного тока коллектора. Конденсаторы С1 и С2 должны быть плёночными или металлоплёночными, C5 — типа K15-5-H70-1.6 кВ — 4700 пФ, С9 — К50-6. Остальные конденсаторы типа КМ-5 или КМ-6. Переключатель SA1 может быть галетный или кнопочный с необходимым количеством положений, SB1 — типа П2К.

Налаживание генератора сводится к подбору резисторов R1-R3 по требуемому масштабу развёртки в каждом положении переключателя SA1. Конденсатор С2 подбирают так, чтобы масштаб развёртки изменялся в тысячу раз при включении переключателя SB1 (мкс — мс). Для более точного подбора С2 можно составить из двух конденсаторов.

Генераторы развертки. Назначение. Схема. Синхронизация генераторов развертки

Для получения на экране осциллографа неподвижного изображения исследуемого сигнала на вертикальные отклоняющие пластина подается напряженнее линейно изменяющееся во времени (ЛИН). Это напряжение генерируется в электронном осциллографе генератором развертки.

Рис. 2.12. График ЛИН

Для обеспечения неподвижности изображения генератор синхронизируется исследуемым процессом. Типичный график ЛИН показан на рис.2.12. Такое напряжение U(t) характеризуется следующими параметрами:

Длительностью прямого хода Тпр периодом повторения Тр, длительно­стью обратного хода Тобр, временем восстановления. TУ, амплитудой Um и линейностью прямого хода bР:

, (2.16)

В общем случае генераторы развертки осциллографа должны генерировать напряжение с высокой линейностью прямого хода, малым временем обратного хода, иметь малое время восстановления, допускать возможность синхронизации их работы, иметь высокий к.п.д. использования напряжения источника питания.

Генераторы разверток осциллографа делят: по скорости изменения ЛИН – на генераторы медленной развертки (Тр=10с – 20мс); средней скорости развертки (Тр = 0,1с –1мкс) и быстрой развертки (Тр

Рис. 2.13, б. Генератор с последовательным включением коммутирующего элемента
Рис. 2.13, а. Генератор с параллельным включением коммутирующего элемента

В первой схеме (Рис. 2.13,а) элемент, запасающий энергию элект­рического тока во время прямого хода, заряжается от источника Е, а в течение обратного хода разряжается. Во второй схеме (Рис. 2.13,б) этот элемент во время прямого хода разряжается через разрядную цепь, а во время обратного хода быстро заряжается через коммутирующий элемент. Для синхронизации имеется возможность управлять моментом начала нового периода работы генератора подачей синхронизирующего импульса, например, на коммутирующий элемент.

В настоящее время предложено большое количество схем генераторов ЛИН. Характерным для большинства из них является наличие емкостной интегрирующей цепи. Для получения возможно более линейного напряжения на выходе такого генератора стараются тем или иным способом получить, возможно, более постоянным ток заряда емкости. В этом случае

, (2.17)

если i = const, то UЛИН(t) = U ± Kt.

Постоянство зарядного тока можно получить применением высокого по сравнению с Um напряжения для заряда емкости, т. е. использованием для формирования ЛИН только начального участка экспоненциального напряжения (основной недостаток такой схемы – малый к.п.д. использования напряжения источника питания); применением токостабилизирующих двухполюсников и компенсационных методов с использованием положительной и отрицательной обратных связей. В современных осциллографах генераторы ЛИН, построенные по одному из перечисленных способов, управляются прямоугольными импульсами, длительность которых равна ТП. Для этой цели в каждом генераторе развертки имеется управляющее устройство УУ.

Усилитель X
Генератор пилообразных сигналов
Устройство синхронизации и запуска
Мультивиб-ратор

Рис. 2.14. Структурная схема генератора развертки с мультивибратором управления

В схеме УУ (рис.2.14) с мультивибратором в ждущем или автоколебательном режиме он вырабатывает прямоугольные импульсы, которые используются для управления глин. В ждущем режиме мультивибратор запускается короткими импульсами, поступающими от устройства синхронизации и запуска. В непрерывном режиме (периодическая развертка) мультивибратор синхронизируется схемой синхронизации с исследуемым сигналом. Для того, чтобы размах um ЛИН не менялся при переключении длительности развертки в генераторе, одновременно переключают время, задающее элементы мультивибратора и глин.

В схеме УУ с триггером (рис. 2.15) генератор развертки работает в ждущем режиме. Изменяя режим работы УУ с помощью резистора «стабильность», триггер можно превратить в управляющее устройство с одним устойчивым состоянием, которое соответствует прямому ходу развертки, которая в этом случае работает в непрерывном режиме.

Триггер
Усилитель X
Генератор пилообразных сигналов

Вход Выход

Устройство синхронизации и запуска

Рис. 2.15. Структурная схема генератора развертки с триггером

Генератор ждущей развертки позволяет устанавливать длительность прямого хода, переключая только времязадающие элементы глин. Длительность импульсов УУ устанавливается автоматически благодаря триггеру. Импульс, поступающий от устройства синхронизации и запуска, переводит триггер из исходного состояния в рабочее. Линейно изменяющееся напряжение глин подается на сравнивающее устройство, выходной сигнал которого в момент достижения ЛИН определенного уровня переводит триггер в исходное состояние, после чего прекращается прямой ход развертки. На выходе триггера образуются прямоугольные управляющие импульсы, длительность которых определяется скоростью развертки. При постоянном уровне сравнения размах um не меняется при переключении времязадающих элементов глин. При этом генератор развертки «блокируется», т. е. Становится нечувствительным к запускающим импульсам.

Осциллограф

Назначение, устройство и описание осциллографа

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.

Читайте также  Что бы лампочка генератора тухла

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.

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.

Что такое осциллограф?

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.

Читайте также  Что такое электромашинные генераторы

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.

А) Генератор развертки

Генератор развертки служит для получения на экране трубки развернутого во времени изображения сигнала, поданного на вертикально отклоняющие пластины.

Если подать переменное напряжение на пластины Y, электронный луч будет отклоняться только в вертикальном направлении, прочерчивая на экране вертикальную линию. Для изучения повторяющихся процессов и получения временной диаграммы необходимо заставить луч равномерно перемещаться вдоль оси X от левого края экрана до правого, а затем быстро возвращаться в исходное положение. В соответствии с этим развертывающее напряжение, подаваемое на пластины X, должно равномерно (и достаточно медленно) нарастать во времени, а затем очень резко падать до первоначального значения.

Поэтому на горизонтально отклоняющие пластины подают периодическое напряжение, изменяющееся так, что луч смещается слева направо пропорционально времени, а, дойдя до правого края экрана, быстро возвращается назад, после чего процесс повторяется.

Напряжение такой формы(рисунок 9) называется пилообразным и вырабатывается генератором развертки. Для улучшения линейности пилообразное

напряжение делают симметричным относительно нуля, так чтобы при включенной развертке луч находился в центре экрана.

Рисунок 9 График Ux от t пилообразного напряжения

Время t1 нарастания пилообразного напряжения называется временем прямого хода, время спадания напряжения называется временем обратного хода (t2). Обратный ход должен быть очень кратковременным (в идеале t2=0). Период развертки . Подадим на вертикально отклоняющие пластины переменное напряжение Uy с периодом Tc:

, (3)

а на горизонтально отклоняющие пластины – напряжение развертки с периодом Тр. Очевидно, траектория луча на экране будет представлять собой синусоиду и при равенстве периодов исследуемого сигнала Тс и развертки Тр (рисунок 10) на экране получится один период колебаний. Через время Тр луч вернется в крайнее левое положение и снова начнет вычерчивать синусоиду, которая точно ляжет на первую, и на экране возникнет неподвижная осциллограмма.

Если уменьшить частоту развертки вдвое, то за увеличенное время развертки луч успеет совершить два полных колебания в вертикальном направлении (рисунок 10).

И вообще, если (n – целое число), осциллограмма будет представлять собой кривую из n периодов исследуемого напряжения. Если Тр не является целым кратным Тс, то электронный луч будет начинать движение слева направо каждый раз в различных фазах, и создается иллюзия бегущей осциллограммы.

Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение развёртки, которое осуществляет горизонтальную развёртку ЭЛТ, а также сигналы управления яркостью ЭЛТ. Пилообразное напряжение усиливается до необходимой величины усилителем горизонтального отклонения и поступает на горизонтально-отклоняющие пластины ЭЛТ.

Вход усилителя горизонтального отклонения может быть переключен на гнездо «Вход Х» при помощи переключателя 3 — S (разв./Вх.Х).

Схема генератора развёртки содержит: триггер управления разверткой, генератор пилообразного, генератор пилообразного напряжения, схему возвращения в исходное состояние.

Триггер управления разверткой предназначен для управления работой генератора пилообразного напряжения. Он представляет собой сочетание триггера Шмидта на микросхеме V15 и усилителя на транзисторе V17.

Основы использования осциллографов, анализаторов спектра и генераторов

Работа с осциллографом.

Всё начинается с измерительного щупа!

Провод щупа коаксиальный. Центральная жила щупа сигнальная, оплётка земля (минус или общий провод).

Читайте также  Шкив генератора нивы 21214

На некоторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения (1:10 или 1:100), который позволяет измерять широкий диапазон напряжений. Перед проведением измерений обращайте внимание на положение тумблера на щупе, во избежании ошибок измерения.

Щуп имеет встроенный компенсационный конденсатор. В полосе низких частот (ниже 300Гц) его влияния на усиление нет, но в полосе 3кГц — 100МГц очевидно существенное изменение усиления.

В осциллографах имеется внутренний генератор меандра, сигнал которого выведен на переднюю панель, на клемму «калибровка». Калибровочный сигнал предусмотрен специально для подстройки компенсационной емкости. Частота этого сигнала обычно равна 1кГц, при размахе в 1В. Щуп подключается к клемме «калибровка» и подстраивается для получения наиболее правильной формы сигнала.

Подключаем щуп к осциллографу.

Вход осциллографа может быть закрытым или открытым. Это позволяет подключать сигнал к усилителю Y либо напрямую, либо через разделительный конденсатор. Если вход открытый, то на усилитель Y будет подана и постоянная составляющая и переменная. Если закрытый только переменная.

Пример 1. Нам нужно посмотреть уровень пульсаций блока питания. Допустим, что напряжение блока питания 12 вольта. Величина пульсаций может быть не более 100 милливольт. На фоне 12 вольт пульсации будут совсем незаметны. В таком случае мы используем закрытый вход. Конденсатор отфильтровывает постоянное напряжение. На усилитель Y поступает только переменный сигнал. Теперь пульсации можно усилить и проанализировать!

Для масштабирования осциллограммы на экране служат ручки Усиление и Длительность .

Ручка Усиление масштабирует сигнал по оси Y. Она определяет цену деления одной клетки по вертикали в вольтах.

Ручка Длительность масштабирует сигнал по оси X. Она определяет цену деления одной клетки по горизонтали в секундах.

Пример 2. Основываясь на значениях которые указывают эти ручки и количество клеток занимаемых сигналом можно определить временные параметры сигнала в секундах и его амплитуду в вольтах. Основываясь на этих данных можно вычислить длительность импульса, паузы, периода и частоту сигнала.

В том случае, когда осциллограмма не помещается на экране и необходимо переместить её вертикально или горизонтально используются ручки вертикального и горизонтального перемещения .

Для удобного отображения циклично повторяющихся сигналов применяется синхронизация . Синхронизация обеспечивает прорисовку отдельных импульсов, начиная всегда с одной и той же точки экрана, благодаря чему создаётся эффект неподвижного изображения.

Режим развёртки определяет поведение осциллографа. Предполагается три режима: автоматический (AUTO), ждущий (Normal), и однократный (Single).

Автоматический режим позволяет получать изображения входного сигнала даже когда не происходит выполнения условий запуска. Осциллограф ожидает выполнения условий запуска в течении определённого периода времени и при отсутствии требуемого пускового сигнала производит автоматический запуск регистрации.

Ждущий режим позволяет осциллографу регистрировать форму сигналов только при выполнении условий запуска. При отсутствии выполнения этих условий осциллограф ждёт их появления, на экране сохраняется предыдущая осциллограмма, если она была зарегистрирована.

В режиме однократной регистрации после нажатия кнопки RUN/STOP осциллограф будет ожидать выполнения условий запуска. При их выполнении осциллограф произведёт однократную регистрацию и остановится.

Система запуска Trigger , определяет момент начала регистрации данных и отображения формы сигнала осциллографом. Если система запуска настроена правильно на экране будут чёткие осциллограммы.

Осциллограф поддерживает ряд видов запуска развёртки : запуск по фронту, запуск по срезу, запуск произвольным фронтом.

Уровень запуска – это значение напряжения, по достижении которого осциллограф начинает прорисовывать осциллограмму.

Работа с анализатором спектра.

Существует общая методика исследования сигналов, которая основана на разложении сигналов в ряд Фурье при помощи алгоритма быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье, Fast Fourier Transform ( FFT ).

Данная методика основывается на том, что всегда можно подобрать ряд сигналов с такими амплитудами, частотами и начальными фазами, алгебраическая сумма которых в любой момент времени равняется величине исследуемого сигнала.

Благодаря этому стало возможным анализировать спектр сигналов в реальном времени.

Рассмотрим принцип работы типичного FFT-анализатора .

На его вход поступает исследуемый сигнал. Анализатор выбирает из сигнала последовательные интервалы («окна»), в которых будет вычисляться спектр, и производит FFT в каждом окне для получения амплитудного спектра.

Вычисленный спектр отображается в виде графика зависимости амплитуды от частоты.

Параметр FFT Length , длинна окна – число анализируемых отсчётов сигнала – имеет решающее значение для вида спектра. Чем больше FFT Length, тем плотнее сетка частот, по которым FFT раскладывает сигнал, и тем больше деталей по частоте видно на спектре.

Для достижения более высокого частотного разрешения приходится анализировать более длинные участки сигнала.

Когда нужно проанализировать быстрые изменения в сигнале, длину окна выбирают маленькой. В этом случае разрешение анализа по времени увеличивается, а по частоте – уменьшается. Таким образом, разрешение анализа по частоте обратно пропорционально разрешению по времени.

Один из простейших сигналов – синусоидальный. Как будет выглядеть его спектр на FFT-анализаторе? Оказывается, это зависит от его частоты. FFT раскладывает сигнал не по тем частотам, которые на самом деле присутствуют в сигнале, а по фиксированной равномерной сетке частот.

Если частота тона совпадает с одной из частот сетки FFT, то спектр будет выглядеть «идеально»: единственный острый пик укажет на частоту и амплитуду тона.

Если же частота тона не совпадает ни с одной из частот сетки FFT, то FFT «соберёт» тон из имеющихся в сетке частот, скомбинированных с различными весами. График спектра при этом размывается по частоте. Такое размытие обычно нежелательно, так как оно может закрыть собой более слабые сигналы на соседних частотах.

Чтобы уменьшить эффект размытия спектра, сигнал перед вычислением FFT умножается на весовые окна – гладкие функции спадающие к краям интервала.

Они уменьшают размытие спектра за счёт некоторого ухудшения частотного разрешения.

Простейшее окно – прямоугольное: это константа 1, не меняющая сигнала. Оно эквивалентно отсутствию весового окна.

Одно из популярных окон – окно Хэмминга . Оно уменьшает уровень размытия спектра примерно на 40 дБ относительно главного пика.

Весовые окна различаются по двум основным параметрам: степени расширения главного пика и степени подавления размытия спектра («боковых лепестков»). Чем сильнее мы хотим подавить боковые лепестки, тем шире будет основной пик. Прямоугольное окно меньше всего размывает верхушку пика, но имеет самые высокие боковые лепестки.

Окно Кайзера обладает параметром, который позволяет выбирать нужную степень подавления боковых лепестков.

Другой популярный выбор – окно Хана . Оно подавляет максимальный боковой лепесток слабее, чем окно Хэмминга , но зато остальные боковые лепестки быстрее спадают при удалении от главного пика.

Окно Блэкмана обладает более сильным подавлением боковых лепестков, чем окно Хана .

Для большинства задач не очень важно, какой именно вид весового окна использовать, главное, чтобы оно было. Популярный выбор – Хан или Блэкман . Использование весового окна уменьшает зависимость формы спектра от конкретной частоты сигнала и от её совпадения с сеткой частот FFT.

Чтобы компенсировать расширение пиков при применении весовых окон, можно использовать более длинные окна FFT: например, не 4096, а 8192 отсчета. Это улучшит разрешение анализа по частоте, но ухудшит по времени.

Работа с генератором сигналов.

Когда речь идёт об измерительной технике, то первое, что приходит в голову, это, как правило, осциллограф или логический анализатор ( регистрирующие приборы ).

Однако эти приборы способны выполнять измерения лишь в том случае, если на них поступает сигнал.

Можно привести множество примеров, когда такой сигнал отсутствует, пока на исследуемое устройство не будет подан внешний сигнал.

Пример. Нужно измерить характеристики разрабатываемой схемы и убедиться, что она соответствует требованиям.

Поэтому набор приборов для измерения характеристик электронных схем должен включать в себя источники воздействующего сигнала и регистрирующие приборы.

Генератор сигналов представляет собой источник воздействующего сигнала.

В зависимости от конфигурации генератор может формировать аналоговые сигналы, цифровые последовательности, модулированные сигналы, преднамеренные искажения, шум и многое другое.

Генератор может создавать «идеальные» сигналы или добавлять к сигналу заданные искажения или ошибки нужной величины и типа.

Сигналы могут иметь всевозможные формы:

  • синусоидальные сигналы;
  • меандры и прямоугольные сигналы;
  • треугольные сигналы и пилообразные;
  • перепады и импульсные сигналы;
  • сложные сигналы.

К сигналам сложной формы относятся:

  • сигналы с аналоговой, цифровой, широтно-импульсной и квадратурной модуляцией;
  • цифровые последовательности и кодированные цифровые сигналы;
  • псевдослучайные потоки битов и слов.

Одной из разновидностей генераторов является генератор качающейся частоты. Это особый вид генератора сигналов, в котором частота выходного сигнала плавно изменяется в определенном интервале, а затем быстро возвращается к начальному значению. В это время амплитуда выходного сигнала остается постоянной.

Если в распоряжении радиолюбителя есть осциллограф, то пользуясь им совместно с генератором качающейся частоты можно легко проверить и настроить кварцевые, электромеханические и LC-фильтры, радиочастотный и ПЧ тракты приемника или передатчика, исследовать АЧХ радио- и телеаппаратуры в широком интервале частот.

Результаты сравнения технических характеристик и внутреннее устройство измерительного комплекса будут подробно описаны в следующем видео.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

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