Универсальные осциллографы. 
Измерения в телекоммуникационных системах

Универсальные осциллографы получили наибольшее распространение, поскольку позволяют исследовать разнообразные электрические сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне от долей милливольт до сотен вольт, а также измерять параметры сигналов с приемлемой для практики погрешностью 5…7%. Полоса пропускания универсальных осциллографов составляет 300…400 МГц и более. Изображение сигнала на экране универсального осциллографа индицируется практически одновременно с появлением сигнала на входе, поэтому такие приборы называют осциллографами реального времени. Часто универсальные осциллографы выполняют со сменными блоками, расширяющими их функциональные возможности.

Структурная схема универсальных осциллографов

Упрощенная структурная схема универсального осциллографа с использованием в качестве отображающего устройства ЭЛТ приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Структурная схема универсального осциллографа

В состав универсального осциллографа, кроме ЭЛТ, входят следующие узлы:

• — канал вертикального отклонения луча Y;
• — канал горизонтального отклонения луча Xс устройством синхронизации и запуска развертки;
• — канал управлением яркостью луча Z;
• — вспомогательные устройства (калибраторы).

Канал вертикального отклонения (КВО) луча Тслужит для передачи на отклоняющие пластины ОП_к исследуемого сигнала u_c(t), подводимого к входу Y. КВО луча Yсостоит из входного устройства, в которое входят разделительный конденсатор С_р и аттенюатор, предварительного усилителя, регулируемой линии задержки и оконечного усилителя.

При отключении разделительного конденсатора С_р обеспечивается наблюдение на экране осциллографа полного сигнала, т. е. его постоянной и переменной составляющих (вход «Открыт», условное обозначение «s «). При подключении конденсатора обеспечивается наблюдение только переменной составляющей сигнала и_с{1) (вход «Закрыт», условное обозначение «-»).

Аттенюатор предназначен для калиброванного ступенчатого ослабления уровня входного сигнала u_c(t) в целое число раз, т. е. он позволяет установить уровень исследуемого сигнала таким, чтобы предварительный усилитель работая в линейном режиме и вносил минимальные нелинейные искажения. Аттенюатор обеспечивает также высокое входное сопротивление и малую входную емкость осциллографа. Переключатель аттенюатора обычно имеет несколько фиксированных положений, обозначаемых отношением «Вольт/дел».

Предварительный усилитель КВО предназначен для усиления исследуемого сигнала u_c(t) в полосе пропускания осциллографа при минимальных допустимых амплитудных, частотных и фазовых искажениях. В предварительном усилителе, как правило, осуществляется плавное регулирование коэффициента усиления. Выходной каскад предварительного усилителя нагружается на низкоомную линию задержки, поэтому его выходное сопротивление также низкоомное, т. е. обеспечивается согласование его выходных параметров с параметрами линии задержки.

Линия задержки обеспечивает наблюдение переднего фронта импульсного сигнала при запуске развертки самим исследуемым сигналом. В этом случае генератор развертки осциллографа вследствие своей инерционности вырабатывает линейное пилообразное развертывающееся напряжение с некоторым запаздыванием по отношению к исследуемому (запускающему) импульсу. Это приводит к тому, что начальная часть импульса не будет развернута на экране. Для устранения указанного недостатка нужно, чтобы сигнал развертки поступал на отклоняющие пластины ОП^раньше, чем исследуемый сигнал и_с(1) на отклоняющие пластины ОП_г. Для этого сигнал u_c(t) нужно задержать на некоторый интервал времени. Эта задержка осуществляется с помощью линии задержки. Линия задержки должна быть достаточно широкополосной, не иметь неоднородностей и хорошо согласовываться с предшествующим и последующим каскадами схемы.

Оконечный усилитель КВО предназначен для создания двух симметричных противофазных напряжений, достаточных для отклонения луча ЭЛТ в пределах экрана по вертикали. Такие усилители называют парафазными. Они обеспечивают постоянство потенциала средней линии между пластинами при изменяющемся размере исследуемого сигнала. Оконечный усилитель работает на емкостную нагрузку, состоящую из параллельно соединенных емкостей отклоняющих пластин ОП_кЭЛТ и паразитных емкостей монтажа.

Рассмотренная типовая схема КВО в некоторых универсальных осциллографах усложняется, что позволяет расширить их измерительные возможности. Достаточно часто применяют двухканальные схемы КВО и КВО с дифференциальным усилителем.

Двухканальные универсальные осциллографы имеют две отдельные входные цепи, которые поочередно коммутируются к КВО. Обычно используют два режима коммутации входов: режим попеременного доступа («попеременно») и режим прерывания («прерывисто»). В режиме попеременного доступа электронный коммутатор меняет входы, подключая их поочередно через один цикл горизонтальной развертки. В режиме прерывания коммутатор работает без синхронизации с высокой частотой (100…500 кГц). Входы при этом переключаются многократно за время одного прямого хода развертки. В результате сигналы с различных входов подключаются попеременно к КВО и отображаются на экране ЭЛТ.

В универсальных осциллографах с дифференциальным входом в КВО входное устройство выполняется в виде дифференциального усилителя. При подаче на входы осциллографа двух сигналов различной амплитуды на выходе дифференциального усилителя получается один сигнал, пропорциональный разности этих амплитуд. Такое построение входной цепи позволяет исследовать сигнал по частям. На один вход подается исследуемый сигнал, а на второй вход — постоянное напряжение, величину которого можно менять. Изменяя величину постоянного напряжения, можно выделить необходимый участок сигнала, так как на экране ЭЛТ будет воспроизводиться та часть исследуемого сигнала, которая по амплитуде близка к уровню постоянного напряжения. Осциллограф с дифференциальным входом позволяет также исследовать сигналы при значительном уровне помех. На один вход КВО подается сигнал с помехой, а на другой вход — только помеха. В результате исследуемый сигнал усиливается, а помеха подавляется.

Канал горизонтального отклонения (КГО) луча Xслужит для создания горизонтально отклоняющего — развертывающего — напряжения U_x, вызывающего горизонтальное перемещение луча на экране ЭЛТ с заданной скоростью Основными элементами КГО в большинстве универсальных осциллографов являются генератор развертки, схема синхронизации, усилитель КГО.

Генератор развертки является важнейшим элементом КГО. Он предназначен для получения пилообразного напряжения f/_p, подаваемого через усилитель КГО на горизонтально отклоняющие пластины ОП у. Генератор развертки может работать в непрерывном или ждущем режиме. Принцип построения и схемная реализация генератора развертки могут быть различными. Одним из важнейших требований к генераторам пилообразного напряжения, используемым в осциллографах в качестве генератора развертки, является линейность прямого хода. Чем линейнее развертка, тем точнее воспроизведение исследуемого процесса и тем меньше погрешность измерений. Длительность прямого хода развертки определяет скорость движения луча в горизонтальном направлении и влияет на яркость свечения осциллограммы.

В большинстве генераторов развертки ступенчатое изменение длительности развертки осуществляется переключателем, который принято обозначать «Время/дел» и градуировать [мс/дел] или [мкс/дел].

Размер изображения сигнала на экране ЭЛТ по горизонтали пропорционален амплитуде пилообразного напряжения. Амплитуда напряжения развертки должна быть достаточной для отклонения луча на всю ширину экрана ЭЛТ.

Схема синхронизации и запуска развертки осциллографа управляет генератором развертки и обеспечивает кратность периодов исследуемого сигнала и_с(Г) и развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом амплитуды и т. д.). Это достигается синхронизацией напряжения развертки U_x с напряжением сигнала и_с(Г), поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала: Г_ра]В = пТ_с, где п= 1, 2, 3, 4 …

Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме и запуском — в ждущем. Синхронизацию и запуск развертки производят специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор развертки с устройства синхронизации.

В зависимости от того, какой источник сигнала используется для формирования импульсов, синхронизирующих (запускающих) генератор развертки, различают три вида синхронизации: внутреннюю, внешнюю, от сети.

При внутренней синхронизации источником синхросигнала служит сам исследуемый сигнал, который подается из КВО до линии задержки. При внешней синхронизации управление разверткой осуществляется от внешнего источника, сигнал которого подается на вход КГО. При синхронизации от сети источником сигнала синхронизации генератора развертки служит напряжение сети электропитания осциллографа.

В схеме синхронизации имеется, как правило, переключатель полярности синхросигнала и усилитель с регулятором уровня запускающего напряжения. Запускающее напряжение определяет уровень срабатывания каскадов, формирующих импульсы запуска на выходе схемы синхронизации.

Усилитель КГО усиливает пилообразный сигнал U_p генератора развертки и преобразует его в напряжение развертки U_x. Генератор развертки может быть отключен от усилителя КГО, и развертка электронного луча в этом случае производится внешним сигналом, подаваемым на вход X. В усилителе КГО могут размещаться некоторые органы управления работой осциллографа.

Канал управления яркостью Z предназначен выполнять следующие функции:

• — установку требуемой яркости свечения луча ЭЛТ;
• — подсветку (гашение) развертки во время прямого (обратного) хода луча;
• — модуляцию по яркости изображения сигнала.

Управление яркостью свечения луча ЭЛТ и его фокусировкой осуществляется вручную регуляторами «Яркость», «Фокус», а также регулятором «Астигматизм» путем изменения уровня напряжения на соответствующих электродах ЭЛТ.

Подсветка развертки осуществляется во время прямого хода луча для получения более яркого его изображения, а гашение развертки — во время обратного хода луча с тем, чтобы обратный ход развертки не просматривался на изображении сигнала. Подсветка и гашение осуществляются автоматически путем подачи на электроды ЭЛТ импульсов напряжения соответствующей полярности. Импульсы должны совпадать по времени с прямым (подсвет) и обратным (гашение) ходами луча. Исходным сигналом для формирования импульсов служит генератор развертки, который функционально связан с электродами ЭЛТ через усилитель канала Z Использование подсветки (гашения) особенно важно при работе КГО в ждущем режиме.

Модуляция луча по яркости свечения производится внешним сигналом и позволяет наблюдать у сложных сигналов только те его части, которые совпадают по времени с внешним сигналом. Для подключения внешнего модулирующего сигнала в осциллографах, как правило, предусматривается специальный вход, называемый входом Z.

Практически в каждом универсальном осциллографе имеются калибраторы уровня (амплитуды) и временных интервалов (длительности). Указанные калибраторы представляют собой генераторы сигналов с точными значениями амплитуды и частоты.

Калибраторы уровня и временных интервалов предназначены для измерения уровня напряжения и временных параметров исследуемого сигнала методом сравнения, а также для точной установки коэффициентов отклонений и развертки непосредственно перед измерениями. Калибровка осуществляется путем подачи на входы осциллографа сигнала калибраторов и сравнения размера изображения этого сигнала с установленным значением соответствующего коэффициента отклонения по вертикали и горизонтали.

Часто один и тот же сигнал генератора используется для калибровки канала вертикального отклонения (калибровки коэффициента отклонения по амплитуде сигнала) и канала горизонтального отклонения (калибровки коэффициента развертки по времени).