Що таке електронно-променевий осцилограф?

Електронно-променевий осцилограф: принцип роботи та місце серед сучасних приладів

Mr. Rohan Naik

Спеціаліст з аналізу даних у компанії Wipro, Індія, з 2016 року.

Електронно-променевий осцилограф — це електронний вимірювальний прилад, який використовують для спостереження та аналізу електричних сигналів. У ранній технічній літературі такі прилади часто називали просто осцилографами.

Осцилограф показує, як електричний сигнал змінюється в часі. На екрані відображається графік, де напруга зазвичай відкладається по вертикальній осі, а час — по горизонтальній. За формою сигналу можна оцінити амплітуду, частоту, час наростання, спотворення, часові інтервали та інші параметри.

Блок-схема електронно-променевого осцилографа

Наведена нижче блок-схема показує загальний принцип роботи електронно-променевого осцилографа. Основним елементом такого приладу є електронно-променева трубка (ЕПТ). Вона формує електронний пучок, прискорює його до високої швидкості та фокусує на люмінесцентному екрані.

У місці, куди потрапляє електронний пучок, на екрані з’являється світлова пляма. Якщо керувати відхиленням цього пучка відповідно до вхідного електричного сигналу, промінь працює як своєрідний «світловий олівець», що малює форму сигналу на екрані.

Для роботи осцилографа потрібні різні рівні напруги. Низька напруга використовується для нагрівача електронної гармати, яка створює електронний пучок. Висока напруга потрібна для прискорення пучка в електронно-променевій трубці. Інші вузли керування осцилографа живляться від окремих джерел із відповідними рівнями напруги.

Між електронною гарматою та екраном розташовані горизонтальні й вертикальні відхиляючі пластини. Вони змінюють положення електронного пучка відповідно до сигналів керування.

Генератор розгортки переміщує промінь по горизонталі з постійною швидкістю, формуючи вісь часу. Вхідний сигнал подається на вертикальний підсилювач, після чого надходить на вертикальні відхиляючі пластини. Завдяки цьому промінь відхиляється вгору або вниз відповідно до миттєвого значення напруги сигналу.

Щоб зображення на екрані було стабільним, використовується схема синхронізації або запуску. Вона узгоджує горизонтальну розгортку з вхідним сигналом, щоб кожен новий цикл відображення починався в однаковій точці сигналу.

Чи замінили ЕПТ-осцилографи сучасні технології

Mr. Steven Horii

Заслужений професор радіології з 2021 року у Медичній школі Перельмана при Університеті Пенсільванії, де працює з 1992 року.

Сучасні осцилографи зазвичай використовують плоскі дисплеї, переважно рідкокристалічні, подібні до тих, що встановлюються у планшетах, комп’ютерних моніторах і телевізорах.

Головна відмінність сучасних осцилографів від класичних ЕПТ-моделей полягає не тільки в дисплеї. Більшість сучасних осцилографів є цифровими. Ранні цифрові осцилографи ще могли використовувати ЕПТ для виведення зображення, але обробка сигналу після аналогового входу вже виконувалася цифровими методами.

Цифрова обробка дала осцилографам значно більшу гнучкість. Багато сучасних моделей поєднують функції кількох приладів: спектроаналізатора, частотоміра, вольтметра, логічного аналізатора. Частину таких можливостей можна додати програмно, через оновлення прошивки або опції.

Старіші ЕПТ-осцилографи теж могли розширювати функціональність, але для цього використовувалися змінні модулі. Компанія Tektronix особливо відома своїми ЕПТ-осцилографами з плагінами, які дозволяли застосовувати один базовий прилад для різних типів вимірювальних задач.

Чому аналогові ЕПТ-осцилографи досі цінують

Аналогові ЕПТ-осцилографи високо цінувалися користувачами, яким було потрібне безперервне спостереження сигналу в реальному часі. У цифровому осцилографі сигнал перетворюється на дискретні значення. Якщо потрібно виявити дуже швидкий перехідний процес, а частота дискретизації недостатньо висока, цифровий осцилограф може пропустити частину події.

Втім, для роботи з дуже швидкими перехідними процесами аналоговий осцилограф також повинен мати достатньо широку смугу пропускання. Крім того, потрібна була спеціалізована ЕПТ, здатна показати швидкий сигнал із достатньою яскравістю, щоб його можна було побачити або сфотографувати.

Найшвидші комерційно доступні аналогові ЕПТ-осцилографи мали частотну характеристику до гігагерцового діапазону. Сучасні цифрові осцилографи можуть захоплювати сигнали з частотою дискретизації до сотень гігавибірок за секунду. Теоретично це дозволяє працювати з дуже високочастотними аналоговими сигналами, хоча на практиці реальні можливості залежать від смуги пропускання, входу, пробників і архітектури приладу.

Існували також аналогові ЕПТ-осцилографи для дуже високих частот, але вони зазвичай працювали з повторюваними, а не одиничними сигналами. Такі прилади використовували стробоскопічну дискретизацію: вони брали вибірки в різні моменти часу й потім відновлювали форму сигналу з цих вибірок.

Чому старі осцилографи досі використовують

Існує досить велика спільнота користувачів, які й сьогодні віддають перевагу аналоговим ЕПТ-осцилографам, ремонтують їх і підтримують у робочому стані. Це стосується навіть моделей епохи повністю лампової електроніки 1950-х років.

Наприклад, у лабораторіях досі можна зустріти старі моделі Tektronix, такі як 535A або 547. Вони використовували змінні модулі для розширення можливостей і були дуже потужними для свого часу, хоча через розміри, вагу та тепловиділення їх іноді жартома називали «обігрівачами для кімнат».

Пізніші твердотільні ЕПТ-осцилографи були набагато компактнішими. Наприклад, популярна модель Tektronix 465 та подібні прилади Hewlett-Packard зі смугою пропускання до 100 МГц були значно легшими, зручнішими та простішими в обслуговуванні.

Багато користувачів продовжують застосовувати аналогові ЕПТ-осцилографи тому, що вони досі працюють, часто піддаються ремонту, мають зрозумілу логіку керування та не потребують тривалого навчання для базових вимірювань.

Магазин Gtest® — авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy Постачання зі складу та на замовлення.

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