Аналоговый осциллограф: устройство, принцип работы и возможности

Аналоговый осциллограф показывает электрический сигнал без предварительной оцифровки. Осциллограмма формируется непосредственно на экране электронно-лучевой трубки, поэтому устройство такого прибора особенно наглядно демонстрирует сам принцип осциллографии.

В этой статье речь идёт прежде всего о классических аналоговых осциллографах с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Разберём, как формируется изображение, зачем нужны развёртка и синхронизация, чем отличаются однолучевые, двухканальные и двухлучевые приборы и в чём особенности аналогового осциллографа по сравнению с цифровым.

Общую классификацию приборов мы уже разбирали в статье «Типы осциллографов и их назначение: какие бывают и чем отличаются».

Что такое аналоговый осциллограф и как он устроен

Классический аналоговый осциллограф — прибор с электронно-лучевой трубкой, в котором исследуемый сигнал управляет положением светящейся точки на экране. При быстром повторении развёртки движение точки воспринимается как непрерывная линия — осциллограмма.

Основные узлы такого прибора:

• входной аттенюатор — ослабляет поступающий сигнал до нужного уровня;
• усилитель вертикального отклонения — управляет перемещением луча вверх и вниз;
• генератор развёртки — формирует движение луча слева направо;
• система синхронизации — задаёт момент начала развёртки;
• электронно-лучевая трубка — формирует изображение на экране.

В упрощённом виде путь сигнала выглядит так:

Параллельно работают система синхронизации и генератор пилообразного напряжения, формирующий горизонтальную развёртку.

Как формируется изображение на экране

Внутри электронно-лучевой трубки электронная пушка создаёт узкий поток электронов. Он проходит через систему отклонения и попадает на экран, покрытый люминофором. В месте попадания электронов появляется светящаяся точка.

Исследуемое напряжение через усилитель вертикального отклонения воздействует на вертикальные отклоняющие пластины. При изменении входного напряжения меняется вертикальное положение луча: в зависимости от полярности и величины сигнала он отклоняется вверх или вниз.

Горизонтальным отклонением управляет генератор развёртки. В итоге вертикальное положение соответствует напряжению, а горизонтальное — времени.

После прохода слева направо луч быстро возвращается к началу новой развёртки. На время обратного хода он обычно гасится, чтобы на экране не появлялась дополнительная линия.

Вертикальный канал и В/дел

Входной сигнал сначала проходит через вертикальный тракт. Аттенюатор позволяет ослабить слишком большое напряжение, а усилитель вертикального отклонения обеспечивает необходимый уровень сигнала для управления лучом.

Регулятор В/дел задаёт коэффициент вертикального отклонения — сколько вольт входного напряжения соответствует одному делению сетки. Изменение этой настройки увеличивает или уменьшает осциллограмму по вертикали, но не меняет сам сигнал в исследуемой цепи.

Вертикальный тракт имеет конечную полосу пропускания. Если частота сигнала или содержащиеся в нём высокочастотные составляющие выходят за возможности тракта, амплитуда и форма осциллограммы искажаются. В частности, быстрые фронты могут выглядеть более пологими.

Полоса пропускания важна и для цифровых осциллографов. Например, у двухканального VERDO SB1625 она составляет 200 МГц и характеризует возможности его аналогового входного тракта.

Подробнее выбор полосы и других характеристик рассмотрен в статье «Выбор осциллографа: анализ ключевых параметров».

Развёртка и время/дел

Чтобы получить график изменения напряжения во времени, электронный луч должен равномерно перемещаться слева направо. Для этого используется генератор пилообразного напряжения.

Во время рабочего участка «пилы» напряжение изменяется практически линейно, и луч проходит экран с постоянной скоростью. Затем напряжение быстро возвращается к исходному значению — начинается следующая развёртка.

На отображение сигнала по горизонтали влияют несколько связанных настроек:

• время/дел, или с/дел, задаёт скорость развёртки;
• более быстрое значение позволяет подробнее рассмотреть короткий участок сигнала;
• более медленное показывает больший временной интервал;
• синхронизация определяет, относительно какого участка сигнала начинается очередная развёртка.

Практическую работу с масштабом, каналами и щупами мы подробно разбирали в материале «Про осциллограф для новичков — просто и понятно!».

Синхронизация

Если каждая развёртка начинается независимо от исследуемого периодического сигнала, одинаковые участки последовательных периодов оказываются в разных местах экрана. Осциллограмма начинает перемещаться или выглядит размытой.

Система синхронизации связывает запуск развёртки с определённым состоянием входного сигнала — например, с пересечением заданного уровня при нарастающем фронте. Благодаря этому одинаковые участки сигнала оказываются в одном месте экрана и изображение становится устойчивым.

В аналоговом осциллографе система запуска непосредственно определяет момент начала очередной развёртки.

Что показывает и что позволяет измерить аналоговый осциллограф

В обычном режиме аналоговый осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Вертикальная координата соответствует напряжению, горизонтальная — времени.

На экране можно увидеть синусоидальные и импульсные сигналы, пульсации, выбросы, переходные процессы, искажения фронтов и другие особенности формы.

Основные принципы чтения осциллограммы одинаковы для аналоговых и цифровых осциллографов, поэтому подробно повторять правила измерений здесь не будем.

С помощью аналогового осциллографа можно определять:

• амплитуду и размах сигнала;
• период и частоту;
• длительность импульса;
• время нарастания и спада;
• временной сдвиг между сигналами;
• фазовый сдвиг.

Формулы и практические примеры измерений собраны в материале «Осциллограф в деле: что, как и зачем измерять?».

Режим X-Y

В обычном режиме горизонтальное положение луча задаёт временная развёртка. В режиме X-Y она заменяется вторым входным сигналом: один сигнал управляет отклонением по горизонтали, другой — по вертикали. Прибор показывает уже не изменение напряжения во времени, а зависимость одного сигнала от другого.

При подаче двух периодических сигналов на экране могут появляться фигуры Лиссажу. По ним можно оценивать фазовый сдвиг, отношение частот и стабильность этого соотношения.

Настройку режима X-Y, расшифровку фигур и способы измерения подробно разобрали в статье «Фигуры Лиссажу на осциллографе: что они показывают и как использовать»

Однолучевой, двухканальный и двухлучевой осциллограф

Количество входных каналов и количество электронных лучей — разные характеристики. Поэтому двухканальный аналоговый осциллограф не обязательно является двухлучевым.

Однолучевой осциллограф

В электронной трубке такого прибора формируется один луч.

В простейшем варианте ему соответствует один вертикальный канал и один сигнал на экране. Но один электронный луч может использоваться и для отображения нескольких каналов, поэтому понятия «однолучевой» и «одноканальный» нельзя считать синонимами.

Двухканальный аналоговый осциллограф

Такой прибор имеет два входных канала, но для их отображения может использовать одну электронно-лучевую систему.

Обычно применяются два способа переключения:

• ALT (Alternate) — при одной развёртке отображается первый канал, при следующей — второй.
• CHOP (Chop) — прибор быстро переключается между каналами непосредственно во время одной развёртки.

На практике ALT обычно используют при более быстрых развёртках, а CHOP удобен при медленных, когда чередование целых развёрток могло бы сделать изображение каналов менее наглядным.

Двухлучевой осциллограф

В двухлучевой конструкции формируются два электронных луча. Каждый из них может отображать собственный сигнал без последовательного переключения между каналами.

Именно этим определяется, для чего необходим двухлучевой осциллограф: он позволяет одновременно наблюдать два независимых процесса. Такая возможность особенно полезна при исследовании одиночных, переходных или непериодических сигналов, где чередующееся отображение одним лучом менее удобно.

То есть при выборе классического аналогового осциллографа важно смотреть не только на число входов, но и на способ отображения каналов: для устойчивых периодических сигналов двухканальной однолучевой схемы обычно достаточно, а для одновременного наблюдения двух неповторяющихся процессов преимущество даёт двухлучевая конструкция.

У современных цифровых осциллографов количество каналов уже не связано с количеством электронных лучей: осциллограммы формируются на дисплее после оцифровки. Например, VERDO SB1645 имеет четыре аналоговых входных канала, но термин «четырёхлучевой» к такой конструкции неприменим.

Устройство цифрового прибора и путь сигнала через входной тракт, АЦП и память подробно разобраны в статье «Что внутри осциллографа: устройство и принцип работы».

Ограничения аналогового осциллографа и отличие от цифрового

Главное ограничение классического аналогового осциллографа связано с отсутствием цифровой регистрации.

Луч показывает процесс в момент его протекания. Если короткий сбой произошёл один раз, его трудно подробно изучить после события. Особенно это заметно при поиске редких импульсов и непериодических процессов.

Существовали и аналоговые запоминающие осциллографы с запоминающей ЭЛТ, способные некоторое время сохранять изображение на экране. Поэтому утверждать, что аналоговые приборы вообще не могли фиксировать одиночные процессы, было бы неправильно. Однако принцип такого хранения существенно отличался от цифровой памяти современных осциллографов.

Практическая разница особенно заметна при поиске кратковременных сбоев. Например, цифровой VERDO SB1802 поддерживает глубину памяти до 400 Мточек и частоту дискретизации до 5 Гвыб/с. Длительный захват можно сохранить, а затем увеличить небольшой участок и подробно рассмотреть интересующее событие.

У цифрового осциллографа к характеристикам аналогового входного тракта добавляются частота дискретизации, глубина памяти и параметры цифровой обработки.

Если требуется наблюдать устойчивый периодический сигнал, аналоговый осциллограф по-прежнему позволяет быстро оценить его форму. Для поиска редких сбоев, длительных записей и последующего анализа значительно удобнее цифровая модель с памятью захвата.

Используются ли аналоговые осциллографы сегодня

В большинстве новых измерительных систем аналоговые приборы заменены цифровыми. Современный осциллограф позволяет сохранить захват, увеличить нужный участок после измерения, автоматически рассчитать параметры и передать результаты на компьютер.

Аналоговые модели всё ещё встречаются в учебных лабораториях, при ремонте старой аппаратуры и там, где продолжает работать исправное измерительное оборудование предыдущих поколений.

Кроме того, аналоговый прибор хорошо демонстрирует физический принцип осциллографии: связь между входным напряжением, вертикальным отклонением, развёрткой и положением электронного луча здесь прослеживается непосредственно.

Аналоговый осциллограф: главное

Классический аналоговый осциллограф формирует осциллограмму непосредственно на экране ЭЛТ. Вертикальный тракт определяет отклонение по напряжению, генератор развёртки задаёт движение по времени, а система синхронизации помогает получить устойчивое изображение периодического сигнала.

При этом количество каналов и количество электронных лучей — разные характеристики: несколько сигналов могут отображаться и одним переключаемым лучом.

По сравнению с цифровыми моделями аналоговый прибор гораздо сильнее зависит от наблюдения сигнала непосредственно во время его появления. Поэтому его принцип работы остаётся наглядным и полезным для понимания осциллографии, но для фиксации редких событий и последующего анализа цифровая регистрация даёт значительно больше возможностей.

Частые вопросы

Может ли аналоговый осциллограф показывать постоянное напряжение?

Да. При входной связи DC постоянная составляющая сохраняется, поэтому постоянное напряжение смещает линию относительно нулевого уровня. По величине смещения и установленному В/дел можно определить его значение.

Почему линия на аналоговом осциллографе бывает тусклой?

Яркость зависит от интенсивности электронного луча и времени, которое он проводит на определённом участке экрана. При высокой скорости развёртки или редко повторяющемся событии след может быть слабее. Чрезмерно увеличивать яркость не стоит: длительное воздействие интенсивного луча повышает риск повреждения люминофора.

Может ли аналоговый осциллограф зафиксировать одиночный импульс?

На обычном аналоговом осциллографе одиночное кратковременное событие сложно рассмотреть: изображение существует непосредственно во время прохождения сигнала. Для таких задач выпускались запоминающие аналоговые осциллографы с особой ЭЛТ, способной некоторое время удерживать изображение. Современные цифровые приборы решают эту задачу с помощью памяти захвата.

Можно ли смотреть цифровые сигналы аналоговым осциллографом?

Да. Аналоговый осциллограф способен отображать импульсы и другие цифровые сигналы, если его полоса пропускания и время нарастания достаточны для исследуемого процесса. Но цифровая память, автоматическое декодирование протоколов и последующий анализ сохранённого захвата ему недоступны.