Аналізатори спектра

Електронний осцилограф - універсальний прилад, який призначений для спостереження, дослідження й фотографування форми електричних сигналів з екрана електронно-променевої трубки (ЕПТ). Осцилографи дозволяють вимірювати також напругу, інтервал часу, частоту, фазовий зсув, коефіцієнт амплітудної модуляції та ін.

Електронні аналогові осцилографи

Імпульсні вольтметри призначаються для вимірювання максимальних значень періодичних відео- і радіоімпульсів (додаток 18 ).

Для вимірювання дуже малих значень синусоїдних напруг і гармонічних складових несинусоїдних сигналів у присутності завад в електричних колах, дослідження спектральної щільності потужності шумових сигналів тощо призначаються селективні вольтметри.

 

Електронний осцилограф - універсальний прилад, який призначений для спостереження, дослідження й фотографування форми електричних сигналів з екрана електронно-променевої трубки (ЕПТ). Осцилографи дозволяють вимірювати також напругу, інтервал часу, частоту, фазовий зсув, коефіцієнт амплітудної модуляції та ін. Широке розповсюдження електронних осцилографів обумовлено великим вхідним опором, безінерційністю до дуже високих частот, високою чутливістю та широкими межами значень вимірюваних параметрів.

Розрізняють 3 види аналогових осцилографів:

1. Виду С1 - осцилографи реального часу, в яких зображення сигналу на екрані ЕПТ виникає одночасно з дією сигналу на вході. Більшість з них низькочастотні зі смугою пропускання до 10...35 МГц. Ряд осцилографів (наприклад С1-120, С1-121), мають смугу пропускання 0...100 МГц. Найбільш швидкодіючий осцилограф С1-75 дозволяє проводити дослідження одного або двох сигналів у діапазоні частот до 250 МГц;

2. Виду С7 - швидкісні та стробоскопічні осцилографи. Перші (смугою пропускання 0...5 ГГц) призначені для дослідження в реальному часі періодичних СВЧ коливань та імпульсних сигналів наносекундної тривалості, другі – для досліджування сигналів наносекундної тривалості завдяки застосуванню стробоскопічного методу трансформації масштабу часу. Цим осцилографам притаманні висока чутливість (мілівольти) та широка смуга пропускання (до 10 ГГц і вище);

3. Виду С8 - запам‘ятовуючі осцилографи, які здатні зберігати і відтворювати довгий час зображення вхідного сигналу на екрані ЕПТ після його зникнення. Призначаються для дослідження поодиноких імпульсів та сигналів, що змінюються дуже повільно.

Структурні схеми електронно-променевих осцилографів (ЕПО) реального часу мають однакові за призначенням функціональні блоки: ЕПТ, канал вертикального відхилення променя (канал Y), канал горизонтального відхилення променя (канал X), канал керування яскравістю (канал Z), калібратор та блок живлення.

Блок ЕПТ складається з ЕПТ та схеми керування електронним променем (рис. 6.52). ЕПТ - це скляна колба, в якій розміщена електронна гармата, створена

групою електродів: катодом 2 з ниткою розжарювання 1, анодами 4 і 5, модулятором (керуючим електродом) 3. Живлення електронної гармати здійснюється від джерела високої напруги 1...3 кВ. Емісія електронів відбувається з торцевої поверхні катода, в центральній частині якого нанесений оксидний шар.

Модулятор виконується у вигляді металевого циліндра з невеликим отвором

 

Рис.6.52. Схема блока ЕПТ

 

у центрі основи і розміщується навколо катода. На нього подається від’ємна відносно катода напруга (кілька десятків вольт). Під ії дією електрони концентруються поблизу вісі трубки, тобто здійснюється первинне фокусування потоку електронів. Частина електронів, перемагаючи протидію з боку модулятора, проскакує через центральний отвір і потрапляє в прискорювальне поле анодів 4 і 5. Змінюючи потенціометром R2 (ЯСКРАВІСТЬ) потенціал модулятора, можна регулювати кількість електронів, що створюють електронний промінь і викликають яскравість світіння зображення сигналу на екрані ЕПТ.

У багатьох осцилографах передбачається можливість подачі на модулятор (Вхід Z) напруги від зовнішнього джерела. За допомогою двох анодів, на які подаються додатні відносно катода напруги, здійснюється розгін і фокусування пучка електронів. Екран ЕПТ створюється тонким шаром люмінофору 9 - речовини, здатної світитися під ударами електронів, яка наноситься на внутрішню поверхню торцевої частини скляної колби. Електрони променя, бомбардуючи екран, вибивають з нього вторинні електрони, від яких виникає небезпека накопичення на екрані негативних зарядів. Для відведення вторинних електронів на внутрішню поверхню трубки наносять провідний шар графіту, так званий аквадаг 8, який електричне з‘єднується з анодом 5. Графітове покриття також екранує електронний промінь від електричних і магнітних полів, існуючих по за трубкою.

Відхильна система ЕПТ складається з двох пар пластин 6, 7, які розміщуються у взаємо перпендикулярних площинах. При подачі на будь-яку пару пластин напруги електронний промінь відхиляється у бік позитивно зарядженої пластини. Змінюючи за допомогою потенціометрів R7 і R8 постійні напруги, які подаються на вертикально та горизонтально відхильні пластини, можна переміщувати світлову пляму в будь-яку точку екрана.

Зміщенням електронного променя по вертикалі або горизонталі на величину yабох від початкового положення під дією постійної напруги , або , які прикладаються до вертикально або до горизонтально відхильних пластин, визначають чутливість ЕПТ до відхилення по вертикалі або по горизонталі (мм/В): , або .

Чутливість ЕПТ, що використовуються в універсальних осцилографах, складає 0,2...0,5 . Тому СКЗ напруги, яка подається на пластини, повинна бути не менше ніж 100...250 В, щоб викликати переміщення плями на екрані на 50 мм.

Канал вертикального відхилення (канал Y) призначається для підсилення або ослаблення досліджуваного сигналу, затримки його на якийсь час та перетворення в симетричну напругу. Він включає в себе вхідний атенюатор, широкосмуговий підсилювач (ШП), лінію затримки і підсилювач вертикального відхилення (ПВВ), вихід якого під’єднується до вертикально відхильніх пластин ЕПТ (пластин Y ЕПТ) (рис. 6.53).

 

Рис.6.53. Структурна схема електронного осцилографа

 

Досліджуваний сигнал ux(t) через Вхід Y подається на атенюатор або безпосередньо (відкритий вхід), або через розділювальний конденсатор С (закритий вхід). В першому разі в канал Y проходять як змінна, так і постійна складові сигналу, в другому випадку - лише змінна складова сигналу. Вихідний сигнал атенюатора підсилюється ШП і подається, по-перше, через лінію затримки і ПВВ на пластини Y ЕПТ, і по-друге, - в канал горизонтального відхилення променя для синхронізації генератора розгортки.

Затримка досліджуваного сигналу на час необхідна для спрацювання каналу горизонтального відхилення, щоб рух променя уздовж горизонтальної осі починався раніше, ніж вхідний сигнал потрапить на пластини Y ЕПТ.

Канал горизонтального відхилення (канал Х) складається зі схем синхронізації та запуску, генератора розгортки і підсилювача горизонтального відхилення (ПГВ).

Генератор розгортки виробляє напругу пилкоподібної форми, яка після підсилення подається на горизонтально відхильні пластини ЕПТ(пластини Х ЕПТ). За час прямого ходу розгортки напруга генератора зростає лінійно і електронний промінь з постійною швидкістю рухається по горизонталі на екрані ЕПТ. За час зворотного ходу напруга генератора змінюється від максимального до мінімального значення, і промінь дуже швидко перекидається до протилежного боку екрана ЕПТ. Після деякого часу блокування починається наступний такт прямого ходу розгортки. При необхідності генератор розгортки може бути відімкнутий і через Вхід X на пластини X ЕПТ може бути подана розгортальна напруга від зовнішнього джерела.

При наявності лінійної розгортки горизонтальна вісь екрана ЕПТ є віссю часу, а вертикальна вісь - віссю напруги. Задача вимірювання інтервалу часу або амплітуди Ux max сигналу зводиться до вимірювання лінійного розміру в якійсь частині осцилограми (по горизонталі або вертикалі ) та помноженню його на коефіцієнт розгортки kр або коефіцієнт відхилення kв: ; .

Коефіцієнт розгортки kр або відхилення kв - це масштаб по горизонтальній або вертикальній вісі екрана ЕПТ відповідно. Перший з них подають в одиницях часу , а другий - в одиницях напруги, , віднесених до поділок шкали. Зміна коефіцієнтів розгортки і відхилення здійснюється східчасто за допомогою перемикачів: коефіцієнта відхилення з кратністю зміни 1; 2; 5; коефіцієнта розгортки - з кратністю зміни 0,25; 0,5; 1; 2; 5.

Перевірка відрізнення дійсних значень коефіцієнтів kр та kв від їх номінальних значень, указаних на передній панелі приладу. виконується за допомогою вмонтованого в осцилограф калібратора (на рис. 6.53 не показано). Він є генератором напруги прямокутної форми типу меандр, амплітуда та частота якої відомі із заданою точністю. Його вихідний сигнал подається на Вхід Y осцилографа. Зображення амплітуди та періоду каліброваного сигналу на екрані ЕПТ повинно мати певні розміри. В противному випадку цього домагаються зміною коефіцієнтів kр та kв пристроями перестроювання.

Синхронізація розгортки осцилографа. Для одержання на екрані ЕПТ стійкого зображення досліджуваного сигналу необхідно, щоб частота розгортки дорівнювала частоті досліджуваного сигналу або була б у ціле число разів меншою за неї. З цією метою генератор розгортки запускається (синхронізується) або імпульсами, сформованими з досліджуваного сигналу (ВНУТРІШНЯ СИНХРОНІЗАЦІЯ), або зовнішніми сигналами, що подаються на вхід ЗОВНІШНЯ СИНХРОНІЗАЦІЯ. Для синхронізації запуску генератора може бути використана напруга мережі живлення, якщо частота досліджуваного сигналу кратна частоті мережі (СИНХРОНІЗАЦІЯ ВІД МЕРЕЖІ).

Для чіткого запуску генератора розгортки потрібна досить велика амплітуда синхронізуючого імпульсу. Рівень синхронізуючого імпульсу плавно регулюється рукоятками РІВЕНЬ та СТАБІЛЬНІСТЬ, розташованими на передній панелі осцилографа.

Генератор розгортки має 2 основних режими роботи: безперервної (періодичної) і очікувальної розгортки. Перший режим є автоколивальним і використовується при дослідженнях безперервних або імпульсних періодичних сигналів малої шпаруватості Q, де Q = Т / τ ; Т,τ – період повторення (проходження) і тривалість імпульсів відповідно. Другій режим генератора розгортки застосовується при дослідженнях неперіодичних сигналів, імпульсної напруги великої або змінної шпаруватості, імпульсів малої тривалості тощо. В цьому режимі генератор розгортки знаходиться у стані готовності до робочого ходу. При появі імпульсу синхронізації він формує лише один період напруги розгортки і знову переходить у стан очікування. На екрані ЕПТ спостерігається зображення лише одного імпульсу.

Існує ще режим поодинокого запуску, в якому в колі синхронізації формується лише один імпульс натисканням спеціальної кнопки. Він викликає однократне формування пилкоподібної напруги генератором розгортки.

У вимірювальній практиці широко застосовуються лінійна, синусоїдна і кругова або типу 1,2,3 осцилографічні розгортки. Перша здійснюється за допомогою генератора пилкоподібної напруги. Її перевага: осцилограма досліджуваного процесу спостерігається в прямокутній системі координат.

 

Рис. 6.54. До пояснення розгорток: а, б - синусоїдної; в - кругової

 

Для одержання розгортки типу 2 генератор розгортки від’єднується і на пластини Х ЕПТ (через Вхід X) подають синусоїдну напругу від зовнішнього генератора f2 (рис. 6.54,а). Якщо до пластин Y ЕПТ також підвести синусоїдну напругу від генератора f1, то на екрані ЕПТ з‘явиться фігура Ліссажу (рис.6.5 4,б): замкнена або незамкнена, якщо відношення частот напруг, які підведені до відхильних пластин, є цілим або дробовим числом відповідно.

Кругова розгортка - окремий випадок синусоїдної розгортки. Ії одержують, якщо до пластин Х і Y ЕПТ підвести 2 однакові за амплітудою і частотою, але зсунуті за фазою на ,синусоїдні напруги. Зсув фаз на може бути одержаний за допомогою фазорозщеплювального ланцюжка RC (рис. 6.54,в). Розгортки типу 2,3 застосовуються частіше за все при вимірюванні частоти методом порівняння та при дослідженні характеристик деяких пристроїв.

Канал керування яскравістю виробляє імпульси позитивної полярності. Тривалість цих імпульсів підсвічування дорівнює тривалості прямого ходу розгортки. Впродовж їх на екрані ЕПТ спостерігається яскраве зображення осцилограми. В інтервалі між імпульсами підсвічування потенціал модулятора знижується, внаслідок чого яскравість променя різко зменшується. Завдяки цьому зворотного ходу променя не видно. В усіх осцилографах передбачається ручне регулювання яскравості променя.

Характеристики осцилографів. Головна вимога до електронного осцилографа - отримання на екрані ЕПТ невикривленого зображення форми досліджуваних сигналів у широкій частотній смузі пропускання. Універсальні осцилографи мають різні за шириною смуги пропускання з верхньою межею до 5...300 МГц і дозволяють досліджувати сигнали з амплітудою від одиниць мілівольт до сотень вольт. Залежно від призначення і галузі застосування універсальні осцилографи поділяють на багатофункціональні зі змінними блоками (С1-70, С1-74, С1-91), широкосмугові (С1-75, С1-92, С1-97), низькочастотні (С1-76, С1-94), двопроменеві (С1-55, С1-69, С1-96, С1-102, С1-115/1), двоканальні (С1-92, С1-97, С1-116, С1-118), сервісні (С1-94).