Осциллограф

Осцилло́граф

(от лат. oscillo — качаюсь и...граф)

электроннолучевой, прибор для наблюдения функциональной связи между двумя или несколькими величинами (параметрами и функциями; электрическими или преобразованными в электрические). Для этой цели сигналы параметра и функции подают на взаимно перпендикулярные отклоняющие пластины осциллографической электроннолучевой трубки (См. Осциллографическая электроннолучевая трубка) и наблюдают, измеряют и фотографируют графическое изображение зависимости на экране трубки. Это изображение называют осциллограммой. Чаще всего осциллограмма изображает форму электрического сигнала во времени. По ней можно определить полярность, амплитуду и длительность сигнала. О. часто имеет проградуированные в в по вертикали и в сек по горизонтали шкалы на экране трубки. Это обеспечивает возможность одновременного наблюдения и измерения временных и амплитудных характеристик всего сигнала или его части, а также измерения параметров случайных или однократных сигналов. Иногда изображение исследуемого сигнала сравнивают с калибровочным сигналом или применяют Компенсационный метод измерений.

Исследуемый сигнал А (рис. 1) поступает на вход усилителя вертикального отклонения, предназначенного для согласования величины отклонения луча с величиной входного сигнала. Коэффициент усиления регулируется. Горизонтальное перемещение луча создаётся генератором развёртки, который формирует для этой цели пилообразное напряжение Г (линейно изменяющееся во времени). Пилообразное напряжение поступает на вход усилителя горизонтального отклонения, который обеспечивает на выходе напряжение Е, подаваемое на горизонтально отклоняющие пластины трубки. Электронный луч перемещается по горизонтали с постоянной скоростью, создавая таким образом линейную развертку времени. Скорость развертки регулируется.

Для получения стабильного изображения исследуемого сигнала на экране трубки каждая новая развёртка должна начинаться с одной и той же фазы сигнала. Это обеспечивается подачей исследуемого сигнала с вертикального усилителя на синхронизатор, который формирует импульс В запуска генератора развёртки в момент, соответствующий выбранной точке исследуемого сигнала. Для того чтобы электронный луч был виден только во время прямого хода луча (t₂ — t₁), генератор вырабатывает импульс Д подсвета луча, который подаётся на управляющую сетку (модулятор) трубки. Он имеет положительную полярность, прямоугольную форму и длительность, равную длительности прямого хода развёртки. Т. к. для запуска генератора развёртки используется исследуемый сигнал, а синхронизатор и генератор развёртки срабатывают не мгновенно, а с некоторым запаздыванием (доли мксек), то для наблюдения начального участка сигнала в тракт вертикального отклонения вводится Линия задержки, компенсирующая время срабатывания синхронизатора и генератора развёртки (время задержки сигнала несколько превышает время срабатывания). При отсутствии линии задержки на экране трубки можно видеть только ту часть исследуемого сигнала, которая следует после момента t₁ (кривая Б).

О. содержит также источники высоковольтного и низковольтного питания. Первый используется только для питания трубки, а второй — для питания электронной схемы остальных узлов и блоков прибора.

Важными характеристиками О., определяющими его эксплуатационные возможности, являются: 1) коэффициент отклонения — отношение напряжения входного сигнала к отклонению луча, вызванному этим напряжением (в /см или в /дел); 2) Полоса пропускания — диапазон частот, в пределах которого коэффициент отклонения О. уменьшается не более чем на 3 дб относительно его значения на средней (опорной) частоте; 3) время нарастания τ_н, в течение которого переходная характеристика О. нарастает от 0,1 до 0,9 от амплитудного значения (часто употребляется вместо полосы пропускания); верх. граничная частота полосы пропускания f _в связана с τ_н соотношением: ; 4) коэффициент развертки — отношение времени τ_н к величине отклонения луча, вызванного напряжением развёртки за это время (в сек /см или сек /дел); 5) скорость записи — максимальная скорость перемещения луча по экрану, при которой обеспечивается фотографирование или запоминание (для запоминающего О.) однократного сигнала. Перечисленные параметры определяют амплитудный, временной и частотный диапазоны исследуемых сигналов.

Погрешность измерения сигналов зависит от погрешностей коэффициента отклонения и коэффициента развёртки (обычно ~2—5%). от частоты (длительности) исследуемого сигнала и полосы пропускания (времени нарастания сигнала τ_н). Если измеряемый параметр сигнала ≥ 5 τ_н, то он воспроизводится на экране О. с погрешностью ≤ 2%.

Вместо погрешностей коэффициентов отклонения и развёртки для О. часто указывают близкие им погрешность измерения амплитуды стандартного сигнала (синусоидального определённой частоты или прямоугольного импульса достаточно большой длительности) и погрешность измерения временны́х интервалов.

Для одновременного исследования двух или более сигналов используются многолучевые О., а также многоканальные электронные коммутаторы, встраиваемые в тракт вертикального отклонения. Электронный коммутатор обеспечивает получение изображения нескольких сигналов на однолучевой трубке при последовательном подключении источников этих сигналов к тракту вертикального отклонения. Электронные коммутаторы используются, как правило, для исследования временны́х (фазовых) соотношений нескольких синхронных сигналов.

Для изучения части исследуемого сигнала, в том числе отстоящей на значительное время от его начала, применяется растяжка развёртки (часть пилообразного напряжения, подаваемого на вход усилителя горизонтального отклонения, усиливается в несколько раз, что эквивалентно увеличению в несколько раз длины развёртки) или задержка запуска развёртки (задержанная развёртка). Задержанная развёртка эквивалентна растяжке развёртки в несколько тысяч раз.

Наибольшими функциональными возможностями обладают О. со сменными блоками в трактах вертикального и горизонтального отклонения (рис. 2). Перестановкой блоков можно получить О. с различными характеристиками: широкополосный, высокочувствительный, 2- или 4-канальный, дифференциальный и т.д. В зависимости от особенностей схемы О. делятся на универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные (см. табл.).

Некоторые типы осциллографов и их характеристики

Универсальными называются О., построенные по функциональной схеме рис. 1. Запоминающие О. имеют трубку с накоплением заряда. Они сохраняют изображение сигнала длительное время и поэтому удобны для исследования однократных и редко повторяющихся сигналов (см. Запоминающая электроннолучевая трубка). Скорость записи запоминающих О. достигает нескольких тыс. км /сек. Время воспроизведения записанного изображения для различных моделей лежит в пределах 1—30 мин. Запоминающие О., как правило, обладают свойством сохранять изображение при выключении О. и последующем его включении через несколько суток, функциональная схема запоминающих О. отличается от рис. 1 дополнительным блоком, управляющим режимом работы запоминающей трубки (запись, воспроизведение изображения и его стирание).

В стробоскопическом О. используется принцип последовательного стробирования мгновенных значений сигнала для преобразования (сжатия) его спектра; при каждом повторении сигнала определяется (отбирается) мгновенное значение сигнала в одной точке. К приходу следующего сигнала точка отбора перемещается по сигналу, и так до тех пор, пока он не будет весь простробирован. Преобразованный сигнал, представляющий собой огибающую мгновенных значений входного сигнала, повторяет его форму. Длительность преобразованного сигнала во много раз превышает длительность исследуемого, и, следовательно, имеет место сжатие спектра, что эквивалентно соответствующему расширению полосы пропускания О. Стробоскопический О. наиболее широкополосны и позволяют исследовать периодические сигналы длительностью ~ 10^—11 сек.

Скоростные О. имеют трубки с вертикально отклоняющей системой типа «бегущей волны». Они характеризуются широкополосностью (1—5․10⁹ Мгц) и большой скоростью записи. Скоростные О. не имеют усилителя в тракте вертикального отклонения и, в отличие от стробоскопических, позволяют исследовать не только периодические, но и однократные быстропротекающие сигналы. Специальные О. служат для исследования телевизионных или высоковольтных сигналов и т.п.

Лит.: Вишенчук И. М., Соголовский Е. П., Швецкий Б. И., Электроннолучевой осциллограф и его применение в измерительной технике, М., 1957; Новопольский В. А., Электроннолучевой осциллограф, М., 1969; Чех И., Осциллографы в измерительной технике, пер. с нем. М., 1965; Выражение свойств электроннолучевых осциллографов. Рекомендации по стандартизации Международной электротехнической комиссии. Публикация № 351, М., 1971; Осциллографы электронно-лучевые. Каталог, М., 1971.

А. А. Каламкаров, А. И. Федоренчик.

Рис. 2. Универсальный осциллограф со сменными блоками.

Рис. 1. Упрощённая блок-схема электроннолучевого осциллографа.