Электронный осциллограф – устройство, принцип работы
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.
Рисунок 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.
Рисунок 11
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.
Продолжение статьи: Как пользоваться осциллографом
Борис Аладышкин
