Радиолюбительство, как хобби, занятие очень увлекательное, и, можно сказать, затягивающее. Многие вступают в него еще в чудесные школьные годы, а со временем это увлечение может стать профессией на всю жизнь. Даже, если не удается получить высшего радиотехнического образования, самостоятельное изучение электроники позволяет добиться весьма высоких результатов и успехов. В свое время журнал «Радио» называл таких специалистов инженерами без дипломов.
Первые опыты с электроникой начинаются, как правило, со сборки простейших схем, которые начинают работать сразу без наладки и настройки. Чаще всего это различные генераторы, звонки, простенькие блоки питания. Все это удается собрать, прочитав минимальное количество литературы, просто описания к повторяемым схемам. На этом этапе, как правило, удается обойтись минимальным набором инструмента: паяльник, бокорезы, нож и несколько отверток.
Постепенно конструкции усложняются, и рано или поздно выясняется, что без наладки и настройки работать они просто не будут. Поэтому приходится обзаводиться тонкими измерительными приборами, причем, чем раньше, тем лучше. У старшего поколения электронщиков таким прибором был стрелочный тестер.
В настоящее время на смену стрелочному тестеру, часто называемому авометром, пришел цифровой мультиметр. Об этом можно почитать в статье «Как пользоваться цифровым мультиметром». Хотя старый добрый стрелочный тестер своих позиций не сдает, а в некоторых случаях его использование предпочтительно в сравнении с цифровым прибором.
Оба этих прибора позволяют измерить постоянные и переменные напряжения, токи и сопротивления. Если постоянные напряжения измерить просто, достаточно узнать только величину, то с переменными напряжениями имеют место быть некоторые нюансы.
Дело в том, что как стрелочные, так и современные цифровые приборы рассчитаны на измерение синусоидального переменного напряжения, причем, в довольно ограниченном диапазоне частот: результатом измерения будет действующее значение переменного напряжения.
Если такими приборами измерять напряжения прямоугольной, треугольной или пилообразной формы, то показания на шкале прибора, конечно, будут, но за точность измерений ручаться не приходится. Ну, просто есть напряжение, а какое, точно неизвестно. И как в таких случаях быть, как продолжать ремонт и разработку новых, все более сложных электронных схем? Вот тут радиолюбитель и подходит к тому этапу, когда приходится приобретать осциллограф.
Немного истории
С помощью этого прибора можно воочию увидеть, что происходит в электронных схемах: какова форма сигнала, где он появился или пропал, временные и фазовые соотношения сигналов. Для наблюдения нескольких сигналов потребуется, как минимум, двухлучевой осциллограф.
Вот тут можно вспомнить уже далекую историю, когда 1969 году был создан аж пятилучевой осциллограф С1-33, серийно выпускавшийся Вильнюсским заводом. В приборе использовалась ЭЛТ 22ЛО1А, применявшаяся только в этой разработке. Заказчиком такого прибора являлся, конечно же, военно-промышленный комплекс.
Конструктивно этот аппарат был выполнен из двух блоков, помещенных на стойку с колесиками: собственно осциллограф и блок питания. Общий вес конструкции составлял 160 кг! В комплект осциллографа входила регистрирующая фотокамера РФК-5, прикрепленная к экрану, что обеспечивало съемку осциллограмм на фотопленку. Внешний вид пятилучевого осциллографа С1-33 с установленной фотокамерой показан на рисунке 1.
Рисунок 1. Пятилучевой осциллограф С1-33, 1969 год
Современная электроника позволяет создавать карманные цифровые осциллографы размером с мобильный телефон. Один из таких приборов показан на рисунке 2. Но об этом будет рассказано несколько позже.
Рисунок 2. Карманный цифровой осциллограф DS203
Осциллографы различных типов
До недавнего времени выпускалось несколько типов электронно-лучевых осциллографов. В первую очередь это осциллографы универсальные, которые чаще всего используются в практических целях. Кроме них выпускались также запоминающие осциллографы на базе запоминающих ЭЛТ, высокоскоростные, стробоскопические и специальные. Последние типы предназначались для различных специфических научных задач, с которыми в настоящее время успешно справляются современные цифровые осциллографы. Поэтому далее речь пойдет именно об универсальных электронных осциллографах общего назначения.
Устройство ЭЛТ
Основной частью электронного осциллографа, несомненно, является электронно-лучевая трубка – ЭЛТ. Ее устройство показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Устройство ЭЛТ
Конструктивно ЭЛТ представляет собой длинный стеклянный баллон 10 цилиндрической формы с конусообразным расширением. Дно этого расширения, являющееся экраном ЭЛТ, покрыто люминофором, который излучает видимое свечение при попадании на него электронного луча 11. Многие ЭЛТ имеют прямоугольный экран с нанесенными прямо на стекло делениями. Именно этот экран и является индикатором осциллографа.
Электронный луч формируется электронной пушкой
Подогреватель 1 нагревает катод 2, который начинает излучать электроны. В физике это явление называется термоэлектронной эмиссией. Но электроны, излучаемые катодом, далеко не улетят, просто будут садиться обратно на катод. Чтобы из этих электронов получить луч, требуется еще несколько электродов.
Это фокусирующий электрод 4 и анод 5, соединенный с аквадагом 8. Под действием электрического поля этих электродов электроны отрываются от катода, ускоряются, фокусируются в тонкий луч и устремляются к экрану, покрытому люминофором, вызывая свечение люминофора. Все вместе эти электроды называются электронной пушкой.
Достигая поверхности экрана, электронный луч не только вызывает свечение, но еще и выбивает из люминофора вторичные электроны, которые вызывают расфокусировку луча. Для удаления этих вторичных электронов и служит упомянутый выше аквадаг, который представляет собой графитовое покрытие внутренней поверхности трубки. Кроме того, аквадаг в некоторой степени экранирует луч от внешних электростатических полей. Но такой защиты оказывается недостаточно, поэтому цилиндрическую часть ЭЛТ, где расположены электроды, помещают в металлический экран из электротехнической стали или пермаллоя.
Между катодом и фокусирующим электродом располагается модулятор 3. Его назначение управлять током луча, что позволяет гасить луч во время обратного хода развертки и подсвечивать во время прямого хода. В усилительных лампах этот электрод называется управляющей сеткой. Модулятор, фокусирующий электрод и анод имеют центральные отверстия, через которые и пролетает электронный луч.
Отклоняющие пластины ЭЛТ имеет две пары отклоняющих пластин. Это пластины вертикального отклонения луча 6 – пластины Y, на которые подается исследуемый сигнал, и пластины горизонтального отклонения 7 – пластины X, на них подается напряжение горизонтальной развертки. Если отклоняющие пластины никуда не подключены, то в центре экрана ЭЛТ должна появиться светящаяся точка. На рисунке это точка О2. Естественно, что на трубку должны быть поданы напряжения питания.
Вот тут следует сделать важное замечание. Когда точка стоит на месте, никуда не двигаясь, она может попросту прожечь люминофор, и на экране ЭЛТ навсегда останется черная точка. Подобное может случиться в процессе ремонта осциллографа или при самостоятельном изготовлении простенького любительского прибора. Поэтому в таком режиме следует снизить яркость до минимума и расфокусировать луч, – все равно можно увидеть есть луч или он отсутствует.
При подаче на отклоняющие пластины некоторого напряжения луч будет отклоняться от центра экрана. На рисунке 3 луч отклоняется в точку О3. Если напряжение будет изменяться, то луч прочертит на экране прямую линию. Именно это явление и используется для создания на экране изображения исследуемого сигнала. Для получения на экране двухмерного изображения необходимо подать два сигнала: исследуемый, – подается на пластины Y, и напряжение развертки, – подается на пластины X. Можно сказать, что на экране получается график с координатными осями X и Y.
Горизонтальная развертка
Именно горизонтальная развертка формирует на экране ось X графика.
Рисунок 4. Напряжение развертки
Как видно на рисунке горизонтальная развертка осуществляется пилообразным напряжением, которое можно разделить на две части: прямой и обратный ход (рис. 4а). Во время прямого хода луч равномерно перемещается по экрану слева направо, и по достижению правого края быстренько возвращается назад. Это называется обратным ходом. Во время прямого хода вырабатывается импульс подсветки, который подается на модулятор трубки, и на экране появляется светящаяся точка, рисующая горизонтальную линию (рис. 4б).
Напряжение прямого хода, как показано на рисунке 4, начинается с нуля (луч в центре экрана) и изменяется до напряжения Uмакс. Поэтому луч будет перемещаться от центра экрана до правого края, т.е. всего на половину экрана. Чтобы развертка начиналась с левого края экрана, луч смещается влево подачей на него напряжения смещения. Смещение луча регулируется ручкой, выведенной на лицевую панель.
Во время обратного хода импульс подсветки заканчивается, и луч гаснет. Взаимное расположение импульса подсветки и пилообразного напряжения развертки можно увидеть на функциональной схеме осциллографа, показанной на рисунке 5. Несмотря на разнообразие принципиальных схем осциллографов, их функциональные схемы примерно одинаковы, подобны показанной на рисунке.
Рисунок 5. Функциональная схема осциллографа
Чувствительность ЭЛТ
Определяется коэффициентом отклонения, показывающим, на сколько миллиметров отклонится луч при подаче на пластины напряжения постоянного напряжения в 1В. Для различных ЭЛТ эта величина находится в пределах 0,15…2 мм/В. Получается, что подавая на отклоняющие пластины напряжение 1В, луч можно переместить луч всего на 2 мм, и это в лучшем случае. Чтобы отклонить луч на один сантиметр (10 мм), потребуется напряжение 10/2=5В. При чувствительности 0,15 мм/В для такого же перемещения понадобится уже 10/0,15=66,666В.
Поэтому для того, чтобы получить заметное отклонение луча от центра экрана исследуемый сигнал усиливается усилителем вертикального канала до нескольких десятков вольт. Такие же выходные напряжения имеет и канал горизонтального усиления, с помощью которого осуществляется развертка.
Большинство универсальных осциллографов имеют максимальную чувствительность 5мВ/см. При использовании ЭЛТ типа 8ЛО6И при входном напряжении 5мВ на отклоняющие пластины для перемещения луча на 1 см потребуется подать напряжение 8,5В. Нетрудно подсчитать, что для этого понадобится усиление более, чем в 1500 раз.
Такое усиление необходимо получить во всей полосе пропускания, и чем выше частота, тем ниже усиление, что присуще любым усилителям. Полоса пропускания характеризуется верхней частотой fверх. При этой частоте усиление канала вертикального отклонения снижается в 1,4 раза или на 3дБ. Для большинства универсальных осциллографов эта полоса составляет 5МГц.
А что будет, если частота входного сигнала превысит верхнюю частоту, например, 8…10МГц? Удастся ли ее увидеть на экране? Да, видно ее будет, но амплитуду сигнала измерить не удастся. Можно лишь убедиться в том, есть сигнал или его нет. Иногда таких сведений бывает вполне достаточно.
Канал вертикального отклонения. Входной делитель
Исследуемый сигнал поступает на вход канала вертикального отклонения через входной делитель, показанный на рисунке 6. Часто входной делитель называют аттенюатором.
Рисунок 6. Входной делитель канала вертикального отклонения
С помощью входного делителя появляется возможность исследования входного сигнала от нескольких милливольт до нескольких десятков вольт. В случае, когда входной сигнал превышает возможности входного делителя, применяются входные щупы с коэффициентом деления 1:10 или 1:20. Тогда предел 5В/дел становится 50В/дел или 100В/дел, что дает возможности для исследования сигналов со значительными напряжениями.
Открытый и закрытый вход
Здесь же (рисунок 6) можно видеть переключатель В1, который дает возможность подавать сигнал через конденсатор (закрытый вход) или непосредственно на вход делителя (открытый вход). При пользовании в режиме «закрытый вход» возможно исследование переменной составляющей сигнала, игнорируя его постоянную составляющую. Пояснить сказанное поможет простая схема, показанная на рисунке 7. Схема создана в программе Multisim, так что все на этих рисунках хотя и виртуально, но достаточно справедливо.
Рисунок 7. Усилительный каскад на одном транзисторе
Входной сигнал амплитудой 10мВ через конденсатор C1 подается на базу транзистора Q1. Подбором резистора R2 напряжение на коллекторе транзистора устанавливается равным половине напряжения питания (в данном случае 6В), что позволяет транзистору работать в линейном (усилительном) режиме. Выходной сигнал контролируется осциллографом XSC1. На рисунке 8 показан результат измерения в режиме открытого входа, на осциллографе нажата кнопка DC (постоянный ток).
Рисунок 8. Измерения в режиме открытого входа (канал А)
Здесь можно увидеть (канал А) лишь напряжение на коллекторе транзистора, те самые 6В, о которых только что было упомянуто. Луч в канале A «взлетел» на 6В, а усиленной синусоиды на коллекторе как не бывало. Ее просто нельзя разглядеть при чувствительности канала 5V/Div. Луч канала A на рисунке показан красным цветом.
На вход B подан сигнал с генератора, на рисунке показан синим цветом. Это синусоида амплитудой 10 мВ.
Рисунок 9. Измерения в режиме закрытого входа
Теперь нажмем в канале A кнопку AC – переменный ток, это собственно и есть закрытый вход. Здесь можно увидеть усиленный сигнал – синусоиду амплитудой 87 милливольт. Получается, что каскад на одном транзисторе усилил сигнал амплитудой 10 мВ в 8,7 раз. Цифры в прямоугольном окошке под экраном показывают напряжения и времена в местах расположения маркеров T1, T2. Подобные маркеры имеются в современных цифровых осциллографах. Вот собственно и все, что можно сказать по поводу открытых и закрытых входов. А теперь продолжим рассказ об усилителе вертикального отклонения.
Предварительный усилитель
После входного делителя, исследуемый сигнал попадает на предварительный усилитель, и, пройдя через линию задержки, поступает на оконечный усилитель канала Y (рисунок 5). После необходимого усиления сигнал поступает на вертикальные отклоняющие пластины.
Предварительный усилитель расщепляет входной сигнал на парафазные составляющие для подачи его на оконечный усилитель Y. Кроме этого, входной сигнал из предварительного усилителя подается на формирователь импульсов запуска развертки, что обеспечивает получение синхронного изображения на экране во время прямого хода развертки.
Линия задержки задерживает входной сигнал относительно начала напряжения развертки, что дает возможность наблюдать передний фронт импульса, как показано на рисунке 5 б). Некоторые осциллографы линии задержки не имеют, что, в сущности, не мешает исследованию периодических сигналов.
Канал развертки
Входной сигнал из предварительного усилителя также поступает на вход формирователя импульсов запуска развертки. Сформированный импульс запускает генератор развертки, вырабатывающий плавно нарастающее пилообразное напряжение. Скорость нарастания и период напряжения развертки выбирается переключателем «Время/дел», что дает возможность исследования входных сигналов в широком диапазоне частот.
Такая развертка называется внутренней, т.е. запуск происходит от исследуемого сигнала. Обычно осциллографы имеют переключатель запуска развертки «Внутр./Внешн.», почему-то не показанный на функциональной схеме на рисунке 5. В режиме внешнего запуска развертку можно запустить не исследуемым сигналом, а каким-то другим, от которого зависит исследуемый сигнал.
Это может быть, например, импульс запуска линии задержки. Тогда, даже с помощью однолучевого осциллографа, можно измерить временное соотношение двух сигналов. Но лучше это делать с помощью двухлучевого осциллографа, если он, конечно, есть под рукой.
Длительность развертки следует выбирать исходя из частоты (периода) исследуемого сигнала. Предположим, что частота сигнала 1КГц, т.е. период сигнала 1мс. Изображение синусоиды при длительности развертки 1мс/дел показано на рисунке 10.
При длительности развертки 1мс/дел один период синусоиды частотой 1КГц занимает ровно одно деление шкалы по оси Y. Синхронизация развертки производится от луча A по восходящему фронту по уровню входного сигнала 0В. Поэтому синусоида на экране начинается с положительного полупериода.
Если длительность развертки изменить на 500мкс/дел (0,5мс/дел), то один период синусоиды займет на экране два деления, как показано на рисунке 11, что, безусловно, удобней для наблюдения сигнала.
Кроме собственно пилообразного напряжения генератор развертки вырабатывает также импульс подсвета, который подается на модулятор и «зажигает» электронный луч (рис. 5 г). Длительность импульса подсвета равна длительности прямого хода луча. Во время обратного хода импульс подсвета отсутствует и луч гаснет. Если гашение луча отсутствует, на экране получится нечто непонятное: обратный ход, да еще и модулированный входным сигналом, попросту перечеркивает все полезное содержимое осциллограммы.
Пилообразное напряжение развертки поступает на оконечный усилитель канала X, расщепляется в парафазный сигнал и подается на горизонтальные отклоняющие пластины, как показано на рисунке 5 д).
Внешний вход усилителя X
На оконечный усилитель X может подаваться не только напряжение с генератора развертки, но и внешнее напряжение, что дает возможность измерения частоты и фазы сигнала с использованием фигур Лиссажу.
Рисунок 12. Фигуры Лиссажу
Но на функциональной схеме по рисунку 5 не показан переключатель входа X, также как и переключатель рода работ развертки, о котором было сказано чуть выше.
Кроме каналов X и Y осциллограф, как и любое электронное устройство, имеет блок питания. Малогабаритные осциллографы, например, С1-73, С1-101 могут работать от автомобильного аккумулятора. Кстати, для своего времени эти осциллографы были очень хороши, да и до сих пор успешно используются.
Рисунок 13. Осциллограф С1-73
Рисунок 14. Осциллограф С1-101
Внешний вид осциллографов показан на рисунках 13 и 14. Самое удивительное в том, что их до сих пор предлагают купить в интернет магазинах. Но цена такая, что дешевле купить малогабаритные цифровые осциллографы на Алиэкспресс.
Дополнительными устройствами осциллографов являются встроенные калибраторы амплитуды и развертки. Это, как правило, достаточно стабильные генераторы прямоугольных импульсов, подключая которые на вход осциллографа, с помощью подстроечных элементов можно настроить усилители X и Y. Кстати, такие калибраторы есть и у современных цифровых осциллографов.
О том, как пользоваться осциллографом, о методах и способах измерения будет рассказано в следующей статье.
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.
Основной трудностью в создании аналоговых осциллографов является проектирование широкополосных и сверхширокополосных усилителей с высоким выходным напряжением, достаточным для возбуждения отклоняющих систем ЭЛТ. Между тем, чтобы получить изображение формы сигнала вовсе не обязательно усиливать его до уровня возбуждения пластин ЭЛТ в десятки и сотни В. Одним из основных направлений совершенствования осциллографов является использование в их схемах микропроцессоров и цифровых методов обработки сигналов, что позволяет отображать информацию на плоских жидкокристаллических дисплеях.
Функциональная схема цифрового осциллографа упрощенно показана на (рис. 8.1). Исследуемый сигнал, пройдя делитель (Д) и аналоговый усилитель А с малым выходным напряжением, поступает на схему выборки (СВ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для этого сигнал y1,у2. yN, которые представляются в цифровой форме и размещаются в устройстве памяти цифрового осциллографа. Это говорит о том, что такой осциллограф заодно является запоминающим. Такие приборы часто называют цифровыми запоминающими осциллографами (ЦЗО).
Рисунок 8.1 – Функциональная схема цифрового осциллографа
Новым важным параметром осциллографа является объем памяти (как общий, так и на канал или осциллограмму). Извлекаемые из памяти цифровые данные подаются на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и могут быть превращены вновь в аналоговый сигнал, но трансформированный во времени. Он отображается на ЭЛТ или ЖКИ. В случае применения цифрового ЖКИ, ЦАП может и не потребоваться. Для создания развертки обычно используется тактовый генератор и счетчик импульсов. Последний управляет адресами выборки цифровых данных из памяти.
Помимо объема памяти, другим важным параметром АЦП является частота работы или частота выборки. В случае сложных форм исследуемых сигналов она должна быть в десятки, а иногда и в сотни раз выше частоты повторения периодического сигнала. В случае регистрации однократных сигналов с длительностью tИ для его представления также надо иметь определенное число N отсчетов, так что период равномерного по времени квантования сигнала будет равен dt=tИ/N частота квантования fK= l/dt = N/tИ . Например, если сигнал с длительностью tИ = 0,1 мкс представить 100 отсчетами, то получим dt = 1нс и fк=1 ГГц. Чтобы исключить путаницу между обычной граничной частотой и частотой выборок последнюю обычно указывают в числе выборок в секунду, например, Мвыб/с или Мв/с. Этот пример наглядно иллюстрирует основную проблему в построении цифровых осциллографов, работающих в реальном масштабе времени, – необходимость в быстродействующих АЦП. Частота квантования сигналов АЦП должна хотя бы на порядок превышать максимальную частоту наблюдаемого сигнала, с тем, чтобы на самый короткий сигнал пришлось бы хотя бы десять отчетов. При этом возможно исследование как однократных, так и периодических сигналов. В случае периодических сигналов возможна статистическая обработка отсчетов, например усреднением тем или иным способом и построение усредненной осциллограммы, Промышленность выпускает множество АЦП и наиболее скоростные из них могут использоваться для создания цифровых осциллографов с эффективной полосой тракта Y до 50—100 МГц. Это означает, что АЦП для таких осциллографов должны иметь частоты дискретизации до 0,5 – 1 ГГц. Однако для получения более высоких частот нужны специализированные АЦП. Бесспорным лидером в разработке скоростных АЦП для цифровых осциллографов является корпорация Tektronix – мировой лидер в разработке осциллографических измерительных приборов. Она имеет свои уникальные АЦП с частотой квантования до 10—20 ГГц.
Другим важным параметром АЦП является их разрядность – число уровней квантования сигнала в двоичной форме. Подавляющее большинство АЦП для стробоскопических осциллографов имеет стандартную разрядность, равную 8. Это значит, что число различимых уровней сигнала составляет 28 = 256. Однако при этом ступенчатость осциллограмм обычно заметна на глаз. Поэтому некоторые АЦП для цифровых осциллографов могут иметь большую разрядность. Эту разрядность не надо путать с разрядностью встроенного в осциллограф управляющего микропроцессора – она обычно равна 16 или даже 32 битам.
В конечной разрядности квантования (как по уровню, так и по времени) кроется «ахиллесова пята» цифровой осциллографии. Например, если в осциллограмме сложного сигнала присутствуют мелкие детали, то цифровой осциллограф их может просто не заметить. Между тем аналоговый осциллограф с помощью растяжки изображения по вертикали и по горизонтали вполне в состоянии развернуть изображение детали на весь экран.
Наконец, третьим специфическим параметром цифровых осциллографов является объем памяти — общий и на одну осциллограмму. Большинство современных цифровых осциллографов способно хранить в памяти несколько осциллограмм и выводить их на экран своего дисплея.
Не следует забывать, что три перечисленные выше параметра являются хотя и важными, но дополнительными. Кроме них цифровой осциллограф характеризуется рядом тех же параметров, что и аналоговые осциллографы. Прежде всего это относится к ширине полосы частот и времени нарастания капала Y, чувствительности и диапазона длительностей развертки.
Первые осциллографы с оцифровкой сигналов были построены па основе обычных аналоговых осциллографов с обычной ЭЛТ. Они обладали всеми параметрами, характерными для аналоговых осциллографов, Вначале цифровые методы использовались лишь для измерения параметров исследуемых сигналов с выводом их значений на экран дисплея или на отдельный светодиодный или жидкокристаллический индикатор. Затем стала использоваться трансформация высокоскоростных сигналов в низкоскоростные, отображаемые обычной ЭЛТ.
Такие приборы обычно называются аналого-цифровыми осциллографами, поскольку они содержат аналоговый тракт, задающий частотно-временные параметры осциллографа и цифровую часть. Они выпускаются и поныне, но этот выпуск постепенно сокращается из-за дороговизны таких приборов, их больших размеров и массы. В тоже время выпуск чисто цифровых приборов постоянно растет. Это связано с применением в новых моделях цифровых осциллографов малогабаритных плоских ЖК-дисплеев (нередко цветных), расширенными средствами цифровой обработки осциллограмм и возможностью уменьшения габаритов и веса приборов. Но цифровые осциллографы среднего класса стоят намного дороже аналоговых приборов, так что к числу общедоступных их не отнесешь.
Несколько слов следует сказать о стробоскопических осциллографах. Они похожи на цифровые (наличием блока выборки с запоминанием), но для построения их трансформируемого по времени (растянутого) изображения используют ответы от разных периодов исследуемого сигнала, со сдвигом отсчетов от периода периоду. Это означает, что такие осциллографы могут отображать только периодические сигналы с множеством повторяющихся периодов. Это крупный недостаток стробоскопических осциллографов. Исследовать однократные и редко повторяющиеся процессы они не могут. Кроме того, преобразований выборок в числа у таких осциллографов нет, так что к цифровым они не относятся. Основной областью их применения является исследование сверхскоростных процессов с частотами выше 10-20 ГГц.
Современные цифровые осциллографы в реальном масштабе времени способны отображать даже однократные сигналы с частотами их спектра до 10-20 ГГц, при этом максимальная фиксированная частота выборок достигает 50 ГГц.
Теорема Котельникова
Принципиально важным теоретически и практически является вопрос о выборе числа отсчетов сигнала для его преобразования в цифровую форму и дальнейшего восстановления сигнала по его отсчетам. Как часто надо делать равномерные выборки произвольного сигнала, чтобы после преобразования в цифровую форму, а затем снова в аналоговую была сохранена форма сигнала? Ответ на этот важный вопрос дает теорема об отсчетах или теорема Котельникова (за рубежом именуемая также теоремой Найквиста, теоремой об отсчетах и т. д.): «Если спектр сигнала eB, то он без потери информации может быть представлен дискретными отсчетами с числом, равным 2fB ». При этом сигнал восстанавливается по его отсчетам e(kdt), следующим с интервалом времени dt=1/fB, с помощью фильтра, реализующего восстановление по формуле:
(8.1)
Для восстановления непрерывного сигнала по его выборкам достаточно располагать функцией sinc(t)=sin(t)/t с учетом ее особого значения sinc(t)=l при x = 0.
Чтобы восстановить исходный сигнал по его отсчетам надо иметь численные значения их и значение интервала дискретизации dt. Все эти данные нетрудно хранить в запоминающем устройстве. Если увеличить dt при восстановлении сигнала по формуле (8.1) в к раз, то восстановленный сигнал без изменения формы будет растянут в к раз и его можно отобразить на экране достаточно низкочастотной ЭЛТ с простым низкочастотным усилителем.
Для восстановления сигнала не обязательно пользоваться фильтром на основе базиса Котельникова. Возможно применение и более простых фильтров, вплоть до обычного конденсатора или RС-фильтров нижних частот. Правда, при этом нужно несколько увеличивать частоту выборок.
Обычно низкочастотные сигналы воспроизводятся с тем же шагом, что и при их дискретизации. Это означает работу в реальном масштабе времени. Однако высокочастотные сигналы обычно воспроизводятся при умножении периода дискретизации. Этот переход иногда заметен и бросается в глаза.
Однако увеличение частоты работы АЦП является не единственным путем повышения временной разрешающей способности современных цифровых и аналогово-цифровых осциллографов. У некоторых моделей осциллографов для повышения разрешающей способности вместо равномерно распределенных отсчетов используются неравномерно распределенные отсчеты с периодом, уменьшающимся при высокой крутизне изменения входного сигнала. Другой путь – выполнение дискретизации при случайном положении отсчетов. Для высокочастотных периодических сигналов такая мера вместе со статистической обработкой (накоплением, усреднением и сглаживанием) нередко позволяет резко повысить разрешающую способность осциллографа во времени, упростить построение осциллографов и сделать их цену более доступной.
Итак, специфика цифровых осциллографов заключается в представлении реальных процессов их отдельными отсчетами. Для того чтобы получить изображение процесса не в виде отдельных точек, а непрерывных линий, нужно использовать тот или иной вид интерполяции. Напомним, что математически интерполяция является вычислением значений некоторой функции, заданной отдельными узловыми точками, в промежутках между узлами.
Простейшей является линейная интерполяция, которая сводится к соединению узловых точек отрезками прямых. Однако при изображении даже простых плавных процессов, например, синусоидальных, получаемая из отрезков прямых осциллограмма выглядит очень грубой, если число отсчетов менее 10. при большем числе отсчетов, порядка 100 и более, результат оказывается намного лучше.
В большинстве случаев (но вовсе не всегда) желательно применять более тонкую интерполяцию, обеспечивающую плавность осциллограмм. Наиболее распространенной является интерполяция вида sin(t)/t. Однако панацеей всех бед и эта интерполяция служить не может. На самом деле точная зависимость сигнала в промежутках между узлами неизвестна, поэтому любая зависимость не может быть точной или предпочтительной для любой формы сигнала.
Бюджетные стационарные ЦЗО
Уровень финансирования бюджетной сферы у нас настолько низок, что приобретение современных цифровых осциллографов для научных и учебных
лабораторий стало довольно затруднительным делом. В связи с этим возник термин «бюджетные приборы», т. е, приборы с достаточно низкой ценой, но, тем менее, имеющие характерные признаки типовых рыночных моделей той или иной фирмы. К «бюджетным» цифровым осциллографам относятся приборы, стоимость которых не превышает 1000—1500 $.
В последнее время даже такие известные производители рынка осциллографов как Tektronix и Agilent Technologies, сочли нужным дополнить ряды своей продукции «бюджетными» моделями, спрос на которые намного превышает спрос на куда более дорогие обычные модели. Отнесение приборов к категории «бюджетных» достаточно условное. Некоторые типы «обычных» цифровых осциллографов, рассмотренные выше (например, приборы фирмы Good Will) по своим возможностям и стоимости уже приближаются к «бюджетным» моделям, Этому способствует разработка типовой унифицированной элементной базы для массовых иифро-вых осциллографов.
Цифровые осциллографы этого класса характеризуются прежде всего частотой выборок или числом выборок сигналов в единицу времени (Мв/с или Гв/с). Такие приборы делятся на два обширных класса:
1. Приборы с частотой выборки, изменяющейся по случайному закону со сред
ней величиной, близкой к максимальной частоте исследуемых сигналов.
2. Приборы с высокой неизменной частотой выборки, которая примерно на по
рядок превышает максимальную частоту исследуемого сигнала.
Большинство «бюджетных» цифровых осциллографов сейчас относятся к 1 типу или к комбинированному типу (для периодических высокочастотных сигналов используется высокая частота выборки). Лишь осциллографы корпорации Tektronix относятся ко 2 типу и обеспечивают наблюдение сигналов в реальном времени, без частых срывов в стробоскопический режим, характерный для наиболее высокоскоростных стробоскопических осциллографов. Все цифровые приборы имеют память для хранения осциллограмм и являются, как правило, запоминающими осциллографами. Многие приборы имеют возможности автоматического измерения ряда (до 10—20) параметров сигналов и обычные для цифровых приборов и интерфейсы: USB, GPIB и RS-232.
Осциллографы фирмы Tektronix, даже низшей категории, можно сразу узнать по их характерному прямоугольному корпусу и строгому виду в стиле «ретро». Это относится и к самым дешевым приборам серии TDS-1000 этой фирмы (рис.8.2). В приборах используются кнопки с плавными обводами и круглые ручки, по виду напоминающие ручки в старых радиоприемниках. Экран занимает значительную часть площади передней панели и позволяет отображать осциллограммы и результаты измерений.
Цифровые осциллографы серии TDS-1000 фирмы Tektonix пока единственные приборы этой фирмы, которые можно действительно отнести к «бюджетным». Так, осциллографы с полосой 60 МГц имеют стоимость около 1000 $. Однако по мере увеличения полосы частот стоимость приборов фирмы TEKTRONIX быстро возрастает.
Рисунок 8.2 – «Бюджетный» двухканальный цифровой осциллограф TDS-I012 фирмы Tektronix с монохромным дисплеем
В последнее время даже фирма Agilent Technologies, известная своими уникальными и дорогими приборами, реализует программу выпуска относительно дешевых осциллографов.
Новая серия Agilent 3000 это осциллографы низшего ценового диапазона — от 1000 $ для прибора с полосой частот до 60 МГц и 1895 $ для осциллографа с полосой частот до 200 МГц. Частота выборок у этих приборов 1 бит/с, предусмотрено автоматическое измерение 20 параметров и задание 4 математических функций, включая быстрое преобразование Фурье. Возможны обычные для цифровых приборов интерфейсы: USB, GPIB и RS-232.
EZ Digital — южно-корейский производитель измерительной техники высокой надежности и качества, отличающейся вполне умеренной ценой. Фирма выпускает как аналоговые, так и цифровые осциллографы с полосой пропускания до 250МГц.
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; Нарушение авторского права страницы