Что такое электронно-лучевой осциллограф?

Электронно-лучевой осциллограф: принцип работы и место среди современных приборов

Mr. Rohan Naik

Специалист по анализу данных в компании Wipro, Индия, с 2016 года.

Электронно-лучевой осциллограф — это электронный измерительный прибор, который используют для наблюдения и анализа электрических сигналов. В ранней технической литературе такие приборы часто называли просто осциллографами.

Осциллограф показывает, как электрический сигнал изменяется во времени. На экране отображается график, где напряжение обычно откладывается по вертикальной оси, а время — по горизонтальной. По форме сигнала можно оценить амплитуду, частоту, время нарастания, искажения, временные интервалы и другие параметры.

Блок-схема электронно-лучевого осциллографа

Приведённая ниже блок-схема показывает общий принцип работы электронно-лучевого осциллографа. Основным элементом такого прибора является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Она формирует электронный пучок, ускоряет его до высокой скорости и фокусирует на люминесцентном экране.

В месте, куда попадает электронный пучок, на экране появляется световое пятно. Если управлять отклонением этого пучка в соответствии с входным электрическим сигналом, луч работает как своеобразный «световой карандаш», рисующий форму сигнала на экране.

Для работы осциллографа нужны разные уровни напряжения. Низкое напряжение используется для нагревателя электронной пушки, которая создаёт электронный пучок. Высокое напряжение требуется для ускорения пучка в электронно-лучевой трубке. Другие узлы управления осциллографа питаются от отдельных источников с соответствующими уровнями напряжения.

Между электронной пушкой и экраном расположены горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины. Они изменяют положение электронного пучка в соответствии с управляющими сигналами.

Генератор развёртки перемещает луч по горизонтали с постоянной скоростью, формируя ось времени. Входной сигнал подаётся на вертикальный усилитель, после чего поступает на вертикальные отклоняющие пластины. Благодаря этому луч отклоняется вверх или вниз в соответствии с мгновенным значением напряжения сигнала.

Чтобы изображение на экране было стабильным, используется схема синхронизации или запуска. Она согласует горизонтальную развёртку с входным сигналом, чтобы каждый новый цикл отображения начинался в одинаковой точке сигнала.

Заменили ли ЭЛТ-осциллографы современные технологии

Mr. Steven Horii

Заслуженный профессор радиологии с 2021 года в Медицинской школе Перельмана при Университете Пенсильвании, где работает с 1992 года.

Современные осциллографы обычно используют плоские дисплеи, преимущественно жидкокристаллические, похожие на те, что применяются в планшетах, компьютерных мониторах и телевизорах.

Главное отличие современных осциллографов от классических ЭЛТ-моделей заключается не только в дисплее. Большинство современных осциллографов являются цифровыми. Ранние цифровые осциллографы ещё могли использовать ЭЛТ для вывода изображения, но обработка сигнала после аналогового входа уже выполнялась цифровыми методами.

Цифровая обработка дала осциллографам гораздо большую гибкость. Многие современные модели объединяют функции нескольких приборов: спектроанализатора, частотомера, вольтметра, логического анализатора. Часть таких возможностей можно добавить программно, через обновление прошивки или дополнительные опции.

Старые ЭЛТ-осциллографы тоже могли расширять функциональность, но для этого использовались сменные модули. Компания Tektronix особенно известна своими ЭЛТ-осциллографами с плагинами, которые позволяли применять один базовый прибор для разных типов измерительных задач.

Почему аналоговые ЭЛТ-осциллографы до сих пор ценят

Аналоговые ЭЛТ-осциллографы высоко ценились пользователями, которым требовалось непрерывное наблюдение сигнала в реальном времени. В цифровом осциллографе сигнал преобразуется в дискретные значения. Если нужно обнаружить очень быстрый переходный процесс, а частота дискретизации недостаточно высока, цифровой осциллограф может пропустить часть события.

Однако для работы с очень быстрыми переходными процессами аналоговый осциллограф также должен иметь достаточно широкую полосу пропускания. Кроме того, требовалась специализированная ЭЛТ, способная показать быстрый сигнал с достаточной яркостью, чтобы его можно было увидеть или сфотографировать.

Самые быстрые коммерчески доступные аналоговые ЭЛТ-осциллографы имели частотную характеристику до гигагерцового диапазона. Современные цифровые осциллографы могут захватывать сигналы с частотой дискретизации до сотен гигавыборок в секунду. Теоретически это позволяет работать с очень высокочастотными аналоговыми сигналами, хотя на практике реальные возможности зависят от полосы пропускания, входа, пробников и архитектуры прибора.

Существовали также аналоговые ЭЛТ-осциллографы для очень высоких частот, но они обычно работали с повторяющимися, а не одиночными сигналами. Такие приборы использовали стробоскопическую дискретизацию: они брали выборки в разные моменты времени и затем восстанавливали форму сигнала из этих выборок.

Почему старые осциллографы до сих пор используют

Существует довольно большое сообщество пользователей, которые и сегодня предпочитают аналоговые ЭЛТ-осциллографы, ремонтируют их и поддерживают в рабочем состоянии. Это касается даже моделей эпохи полностью ламповой электроники 1950-х годов.

Например, в лабораториях до сих пор можно встретить старые модели Tektronix, такие как 535A или 547. Они использовали сменные модули для расширения возможностей и были очень мощными для своего времени, хотя из-за размеров, веса и тепловыделения их иногда шутливо называли «обогревателями для комнат».

Более поздние твердотельные ЭЛТ-осциллографы были гораздо компактнее. Например, популярная модель Tektronix 465 и похожие приборы Hewlett-Packard с полосой пропускания до 100 МГц были заметно легче, удобнее и проще в обслуживании.

Многие пользователи продолжают применять аналоговые ЭЛТ-осциллографы потому, что они до сих пор работают, часто поддаются ремонту, имеют понятную логику управления и не требуют длительного обучения для базовых измерений.

Магазин Gtest® — авторизованный поставщик осциллографов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy Поставки со склада и под заказ.

GW Instek, RIGOL, SIGLENT, OWON, Tektronix, Iwatsu, LeCroy, HANTEK