Типы осциллографов

Это подраздел статьи «Осциллограф» , в котором более подробно обсуждаются различные типы и модели осциллографов.

Цифровые осциллографы

В то время как аналоговые устройства используют постоянно меняющееся напряжение, цифровые устройства используют двоичные числа, соответствующие образцам напряжения. В случае цифровых осциллографов аналого-цифровой преобразователь (АЦП) используется для преобразования измеренных напряжений в цифровую информацию. Формы сигналов принимаются как серия выборок. Выборки сохраняются и накапливаются до тех пор, пока их не будет достаточно для описания формы сигнала, а затем они снова собираются для отображения. Цифровые технологии позволяют отображать информацию с яркостью, четкостью и стабильностью. Однако существуют ограничения, как и в отношении производительности любого осциллографа. Максимальная частота, на которой может работать осциллограф, определяется аналоговой полосой пропускания входных компонентов прибора и частотой дискретизации.

Цифровые осциллографы можно разделить на две основные категории: цифровые запоминающие осциллографы и цифровые стробоскопические осциллографы. Более новые варианты включают осциллографы на базе ПК (которые подключаются к ПК для обработки и отображения данных) и осциллографы смешанных сигналов (которые помимо измерения напряжения используют и другие функции).

Цифровой запоминающий осциллограф

Основная статья: Цифровой запоминающий осциллограф

Экран цифрового осциллографа HP с электронно-лучевой трубкой.

Цифровой запоминающий осциллограф , или DSO сокращенно , в настоящее время является предпочтительным типом для большинства промышленных приложений. Вместо электронно-лучевых трубок накопительного типа DSO используют цифровую память , которая может хранить данные столько, сколько необходимо, без ухудшения качества. Цифровой запоминающий осциллограф также позволяет осуществлять сложную обработку сигнала с помощью высокоскоростных схем цифровой обработки сигналов .

Вертикальный входной сигнал оцифровывается аналого -цифровым преобразователем для создания набора данных, который сохраняется в памяти микропроцессора . Набор данных обрабатывается, а затем отправляется на дисплей, который в ранних DSO представлял собой электронно-лучевую трубку, а сегодня представляет собой плоскую ЖК- панель. Распространены DSO с цветными ЖК-дисплеями. Набор данных выборки можно сохранить на внутреннем или съемном носителе или отправить по локальной сети или USB для обработки или архивирования. Изображение экрана также можно сохранить на внутреннем или съемном носителе или отправить на встроенный или внешний принтер без необходимости использования камеры осциллографа. Собственное программное обеспечение для анализа сигналов осциллографа может извлекать множество полезных характеристик во временной области (например, время нарастания, длительность импульса, амплитуда), частотные спектры, гистограммы и статистические данные, карты послесвечения, а также большое количество параметров, имеющих значение для инженеров в специализированных областях, таких как телекоммуникации, анализ дисков и силовая электроника.

Цифровые осциллографы ограничены главным образом производительностью схемы аналогового входа, длительностью окна выборки и разрешением частоты дискретизации. Если не используется выборка с эквивалентным временем, частота выборки должна быть выше, чем частота Найквиста , которая вдвое превышает частоту самой высокочастотной составляющей наблюдаемого сигнала, в противном случае происходит наложение спектров .

Преимущества перед аналоговым осциллографом:

• Более яркий и крупный дисплей с цветным дисплеем для различения нескольких следов
• Простое однократное получение данных в память без проблем, присущих ЭЛТ накопительного типа.
• Гораздо более универсальные триггеры
• Никакого сокрытия шума в темноте люминофора, как это происходит на аналоговых осциллографах.
• Входной сигнал не просто преобразуется в строку на экране, он доступен в виде выборочных данных, которые можно сохранить или в дальнейшем обрабатывать (т. е. с помощью инструментов измерений и анализа, поставляемых в комплекте с осциллографом).
• Усреднение по последовательным образцам или сканам, а также определенные режимы HiRes, которые работают за счет передискретизации, могут привести к более высокому разрешению по вертикали.
• Универсальные функции измерения и анализа упрощают сбор всех необходимых свойств сигнала.
• Обнаружение пиков для поиска конкретных событий при настройках большой развертки на цифровых осциллографах с небольшим объемом памяти (менее актуально, поскольку новые осциллографы теперь имеют большую память, которая поддерживает достаточно высокую частоту дискретизации даже при очень длинных настройках развертки)
• Легкое панорамирование и масштабирование
• Дистанционное управление через USB , Ethernet или GPIB

Недостатком старых цифровых осциллографов является ограниченная скорость обновления формы сигнала (частота запуска) по сравнению с их аналоговыми предшественниками, что может затруднить обнаружение «глюков» или других редких явлений с помощью цифровых осциллографов, особенно старых, не имеющих режима послесвечения. Однако благодаря улучшениям в обработке сигналов новые цифровые осциллографы могут достигать скорости запуска, превышающей 1 миллион обновлений в секунду, что больше, чем примерно 600 000 запусков в секунду, которые могли обеспечить лучшие аналоговые осциллографы. Новые цифровые осциллографы также оснащены аналоговыми режимами послесвечения, которые имитируют послесвечение люминофорной ЭЛТ аналогового осциллографа.

Цифровые стробоскопические осциллографы

Цифровые стробоскопические осциллографы работают по тому же принципу, что и аналоговые стробоскопические осциллографы, и, как и их аналоговые аналоги, находят широкое применение при анализе высокочастотных сигналов; то есть повторяющиеся сигналы, частоты которых выше частоты дискретизации осциллографа. Когда-то этот тип использовался для измерения повторяющихся сигналов и обеспечивал полосу пропускания и высокоскоростную синхронизацию, до десяти раз большую, чем у любого осциллографа реального времени.

Осциллограф реального времени, который раньше назывался «однократным», фиксирует всю форму сигнала при каждом событии запуска. Для этого требуется, чтобы осциллограф мог собирать большое количество точек данных в одной непрерывной записи. Осциллограф с последовательной выборкой эквивалентного времени, иногда называемый просто «осциллографом», измеряет входной сигнал только один раз за триггер. При следующем срабатывании осциллографа добавляется небольшая задержка и берется еще одна выборка. Таким образом, чтобы собрать достаточно выборок и построить картину формы сигнала, должно произойти большое количество событий запуска. Полоса измерения определяется частотной характеристикой пробоотборника, которая в настоящее время может выходить за пределы 90 ГГц.

Альтернативой последовательной выборке в эквивалентное время называется случайная выборка в эквивалентное время. Выборки синхронизируются не с событиями триггера, а с внутренними часами выборки осциллографа. Это приводит к тому, что они происходят в случайное время относительно триггерного события. Осциллограф измеряет временной интервал между триггером и каждой выборкой и использует его для правильного расположения выборки по оси X. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет собрано достаточно образцов для построения изображения формы сигнала. Преимущество этого метода перед последовательной выборкой в ​​эквивалентное время заключается в том, что осциллограф может собирать данные как до события триггера, так и после него, аналогично функции предварительного триггера большинства областей цифрового хранения данных в реальном времени. Случайная выборка с эквивалентным временем может быть интегрирована в стандартный DSO, не требуя специального оборудования для выборки, но имеет недостаток, заключающийся в меньшей точности синхронизации, чем метод последовательной выборки.

Однако из-за прогресса в технологии АЦП, который привел к появлению осциллографов реального времени с полосой пропускания более 100 ГГц, спрос на цифровые стробоскопические осциллографы сокращается, равно как и потребность в интеграции выборки эквивалентного времени в осциллографы реального времени.

Портативные осциллографы

Ручные осциллографы полезны во многих тестовых и полевых условиях. Сегодня ручной осциллограф обычно представляет собой осциллограф реального времени с монохромным или цветным ЖК- дисплеем. Обычно ручной осциллограф имеет один или два аналоговых входных канала, но доступны также версии с четырьмя входными каналами. Некоторые приборы совмещают функции цифрового мультиметра с осциллографом. Обычно они легкие и имеют хорошую точность.

Осциллографы на базе ПК

— Осциллограф на базе ПК это тип цифрового осциллографа, который использует стандартную платформу ПК для отображения сигналов и управления прибором. В целом существует два типа осциллографов на базе ПК.

• Автономные осциллографы, содержащие внутреннюю платформу ПК (материнскую плату ПК) – обычное явление для осциллографов верхнего среднего и высшего класса.
• Внешние осциллографы, подключаемые через USB или Ethernet к отдельному ПК (настольному или портативному компьютеру).

В конце 1990-х годов Николет и HP представили первые автономные осциллографы на базе ПК, где «осциллографическая» часть представляла собой специализированную систему сбора сигналов, состоящую из электрического интерфейса, обеспечивающего изоляцию и автоматическую регулировку усиления, высокоскоростного аналогового цифровые преобразователи, память выборок и встроенный цифровой сигнальный процессор (DSP). Часть ПК работала под управлением Microsoft Windows в качестве операционной системы с приложением осциллографа, которое отображало данные о форме сигнала и использовалось для управления прибором.

С тех пор высококачественные линейки автономных осциллографов всех четырех основных производителей осциллографов (HP/Agilent/Keysight, LeCroy, Tektronix, Rohde & Schwarz) базируются на платформе ПК.

Другая группа осциллографов на базе ПК — это внешние осциллографы, т. е. в которых система сбора данных физически отделена от платформы ПК. В зависимости от точной аппаратной конфигурации внешнего осциллографа, его также можно назвать дигитайзером , регистратором данных или частью специализированной системы автоматического управления . Отдельный ПК обеспечивает отображение, интерфейс управления, дисковое хранилище, сеть и часто электропитание для оборудования сбора данных. Внешний осциллограф может передавать данные на компьютер двумя основными способами – потоковым и блочным режимом. В потоковом режиме данные передаются на ПК непрерывным потоком без потери данных. Способ подключения PCO к ПК (например, Ethernet , USB и т. д.) будет определять максимально достижимую скорость и, следовательно, частоту и разрешение при использовании этого метода. В блочном режиме используется встроенная память внешнего осциллографа для сбора блока данных, который затем передается на ПК после записи блока. Затем аппаратура сбора данных сбрасывается и записывает еще один блок данных. Этот процесс происходит очень быстро, но затраченное время будет зависеть от размера блока данных и скорости его передачи. Этот метод обеспечивает гораздо более высокую скорость выборки, но во многих случаях оборудование не будет записывать данные во время передачи существующего блока.

К преимуществам автономных осциллографов на базе ПК относятся:

• Простой экспорт данных в стандартное программное обеспечение ПК, такое как электронные таблицы и текстовые процессоры , которые могут работать на осциллографе.
• Возможность запуска инструментов анализа, таких как программное обеспечение для численного анализа и/или программное обеспечение для анализа сигналов, непосредственно на осциллографе.
• Возможность запуска программного обеспечения автоматизации для выполнения автоматических тестов.
• Возможность легко управлять осциллографом удаленно через сеть.

Преимущества внешних осциллографов такие же, как и у автономных осциллографов на базе ПК, плюс дополнительно:

• Затраты часто ниже, чем на сопоставимый автономный осциллограф, особенно если у пользователя уже есть подходящий ПК или ноутбук.
• Автономные ПК и ноутбуки обычно имеют большие цветные дисплеи с высоким разрешением, которые легче читать, чем меньшие дисплеи обычных осциллографов.
• использовании с ноутбуком Портативность при
• Некоторые внешние осциллографы физически намного меньше, чем даже портативные осциллографы.

Однако осциллографы на базе ПК, автономные или внешние, также имеют некоторые недостатки, к которым относятся:

• Источник питания и электромагнитные помехи от цепей ПК, которые требуют тщательного и тщательного экранирования для получения хорошего разрешения сигнала низкого уровня.
• Для внешних осциллографов необходимость установки владельцем программного обеспечения осциллографа на ПК, которое может быть несовместимо с текущей версией операционной системы ПК.
• Время загрузки платформы ПК по сравнению с почти мгновенным запуском автономного осциллографа на базе встроенной платформы (хотя каждому осциллографу потребуется период прогрева для достижения соответствия спецификациям, поэтому это редко должно быть проблемой)

Осциллографы смешанных сигналов

Осциллограф смешанных сигналов (MSO) сочетает в себе все измерительные возможности и модель использования цифрового запоминающего осциллографа с некоторыми измерительными возможностями логического анализатора . Аналоговые и цифровые сигналы собираются с единой временной разверткой, просматриваются на одном дисплее, и для запуска осциллографа может использоваться любая комбинация этих сигналов.

MSO обычно не хватает расширенных возможностей цифровых измерений и большого количества цифровых каналов сбора данных, как у автономных логических анализаторов. Типичные области применения измерения смешанных сигналов включают определение характеристик и отладку гибридных аналогово-цифровых схем, таких как, например, встроенные системы , аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и системы управления .

Электронно-лучевой осциллограф

Самый ранний и простой тип осциллографа состоял из электронно-лучевой трубки , вертикального усилителя , временной развертки, горизонтального усилителя и источника питания . Сейчас их называют «аналоговыми» осциллографами, чтобы отличить их от «цифровых» осциллографов, которые стали обычным явлением в 1990-х и 2000-х годах.

До появления CRO в его нынешнем виде электронно-лучевая трубка уже использовалась в качестве измерительного устройства. Электронно-лучевая трубка представляет собой вакуумированную стеклянную оболочку, подобную оболочке черно-белого телевизора , плоская поверхность которой покрыта флуоресцентным материалом (люминофором ) . Экран обычно имеет диаметр менее 20 см, что намного меньше, чем у телевизора. Старые CRO имели круглые экраны или лицевые панели, а новые ЭЛТ в лучших CRO имели прямоугольные лицевые панели.

В горловине трубки находится электронная пушка, представляющая собой небольшой нагретый металлический цилиндр с плоским концом, покрытым оксидами, испускающими электроны. Рядом с ним находится цилиндр гораздо большего диаметра, на катодном конце которого находится диск с круглым отверстием; она называется «сеткой» (G1) по исторической аналогии с решетками ламповых усилителей. Небольшой отрицательный потенциал сетки (относящийся к катоду) используется для блокировки прохождения электронов через отверстие, когда электронный луч необходимо выключить, например, во время обратного хода развертки или когда не происходит триггерных событий.

Однако когда G1 становится менее отрицательным по отношению к катоду, другой цилиндрический электрод, обозначенный G2, который имеет положительное напряжение в сотни вольт по отношению к катоду, притягивает электроны через отверстие. Их траектории сходятся, когда они проходят через отверстие, создавая «защемление» довольно маленького диаметра, называемое пересечением. Следующие электроды («сетки») — электростатические линзы — фокусируют этот кроссовер на экране; пятно — изображение кроссовера.

Обычно ЭЛТ работает при напряжении примерно -2 кВ или около того, и для соответствующего смещения напряжения G1 используются различные методы. Проходя вдоль электронной пушки, луч проходит через отображающие линзы и первый анод, выходя с энергией в электрон-вольтах, равной энергии катода. Луч проходит через один набор отклоняющих пластин, затем через другой, где он отклоняется по мере необходимости к люминофорному экрану.

Среднее напряжение отклоняющих пластин относительно близко к земле, поскольку они должны быть напрямую подключены к выходному каскаду вертикальной развертки.

Сам по себе, как только луч покидает область отклонения, он может оставить достаточно яркий след. Однако для CRO с более широкой полосой пропускания, где дорожка может перемещаться по люминофорному экрану быстрее, часто используется положительное напряжение ускорения после отклонения («PDA») более 10 000 вольт, увеличивающее энергию (скорость) электронов, которые ударяются о люминофор. Кинетическая энергия электронов преобразуется люминофором в видимый свет в точке удара.

При включении ЭЛТ обычно отображает одну яркую точку в центре экрана, но точку можно перемещать электростатически или магнитно. ЭЛТ в осциллографе всегда использует электростатическое отклонение. Обычные электростатические отклоняющие пластины обычно могут смещать луч примерно на 15 градусов или около того от оси, а это означает, что ЭЛТ осциллографа имеют длинные и узкие воронки, а для размера экрана они обычно довольно длинные. Именно длина ЭЛТ делает CRO «глубокими», спереди назад. Современные плоские осциллографы не нуждаются в таких довольно экстремальных размерах; их форма больше похожа на прямоугольную коробку для завтрака.

Между электронной пушкой и экраном расположены две противоположные пары металлических пластин, называемых отклоняющими пластинами. Вертикальный усилитель генерирует разность потенциалов на одной паре пластин, создавая вертикальное электрическое поле , через которое проходит электронный луч. Когда потенциалы пластин одинаковы, луч не отклоняется. Когда верхняя пластина положительна по отношению к нижней, луч отклоняется вверх; когда поле меняется на противоположное, луч отклоняется вниз. Горизонтальный усилитель выполняет аналогичную работу с другой парой отклоняющих пластин, заставляя луч перемещаться влево или вправо. Эта система отклонения называется электростатическим отклонением и отличается от системы электромагнитного отклонения, используемой в телевизионных трубках. По сравнению с магнитным отклонением электростатическое отклонение может легче следовать за случайными и быстрыми изменениями потенциала, но ограничивается небольшими углами отклонения.

Распространенные представления об отклоняющих пластинах вводят в заблуждение. Во-первых, пластины одной оси отклонения расположены ближе к экрану, чем пластины другой. Пластины, расположенные ближе друг к другу, обеспечивают лучшую чувствительность, но их также необходимо выдвинуть достаточно далеко вдоль оси ЭЛТ, чтобы получить достаточную чувствительность. (Чем дольше время данный электрон проводит в поле, тем дальше он отклоняется.) Однако близко расположенные длинные пластины заставят луч коснуться их до того, как произойдет полное отклонение амплитуды, поэтому компромиссная форма предполагает, что они относительно близко друг к другу по направлению к катоду. и разлетелся неглубоким уклоном к экрану. Ни в каких, кроме достаточно старых ЭЛТ, они не плоские!

Временная развертка представляет собой электронную схему , генерирующую линейное напряжение. Это напряжение, которое изменяется непрерывно и линейно со временем. Когда оно достигает заранее определенного значения, рампа сбрасывается и устанавливается на свое начальное значение. При распознавании триггерного события, при условии завершения процесса сброса (удержания), линейное изменение начинается снова. Напряжение временной развертки обычно управляет усилителем строчной развертки. Его эффект заключается в том, чтобы провести электронный луч по экрану с постоянной скоростью слева направо по экрану, затем погасить луч и вернуть его напряжения отклонения, так сказать, влево, чтобы успеть начать следующую развертку. Для сброса типичных схем развертки может потребоваться значительное время; в некоторых CRO быстрые обходы требовали больше времени для возврата, чем для обхода.

Между тем, усилитель вертикальной развертки приводится в действие внешним напряжением (вертикальный вход), которое берется из измеряемой схемы или эксперимента. Усилитель имеет очень высокое входное сопротивление , обычно один МОм, поэтому он потребляет лишь небольшой ток от источника сигнала. Зонды-аттенюаторы еще больше уменьшают потребляемый ток. Усилитель подает на пластины вертикального отклонения напряжение, пропорциональное вертикальному входному сигналу. Поскольку электроны уже ускорены обычно на 2 кВ (примерно), этот усилитель также должен выдавать почти сто вольт, и это с очень широкой полосой пропускания. Коэффициент усиления вертикального усилителя можно регулировать в соответствии с амплитудой входного напряжения. Положительное входное напряжение изгибает электронный луч вверх, а отрицательное напряжение изгибает его вниз, так что вертикальное отклонение в любой части трассы показывает значение входного сигнала в данный момент.

Реакция любого осциллографа намного быстрее, чем у механических измерительных устройств, таких как мультиметр , где инерция указателя (и, возможно, демпфирование) замедляет его реакцию на входной сигнал.

Наблюдение высокоскоростных сигналов, особенно неповторяющихся сигналов, с помощью обычного CRO затруднено из-за нестабильного или изменяющегося порога запуска, что затрудняет «заморозку» формы сигнала на экране. Это часто требует затемнения комнаты или установки специальной смотровой бленды на лицевой стороне трубки дисплея. Чтобы облегчить просмотр таких сигналов, специальные осциллографы позаимствовали технологию ночного видения , используя микроканальный пластинчатый электронный умножитель позади трубки для усиления слабых токов луча.

Tektronix Осциллографическая камера Polaroid . Model C-5A с задней крышкой для моментальной пленки

Хотя CRO позволяет просматривать сигнал, в своей базовой форме он не имеет средств записи этого сигнала на бумаге для целей документирования. Поэтому были разработаны специальные камеры -осциллографы , позволяющие фотографировать непосредственно экран. В ранних камерах использовалась рулонная или пластинчатая пленка, а в 1970-х годах стали популярны камеры моментальной печати Polaroid . Люминофор ЭЛТ P11 (визуально синий) оказался особенно эффективным при экспонировании пленки. Камеры (иногда с одинарным сканированием) использовались для фиксации слабых следов.

Блок питания является важным компонентом осциллографа. Он обеспечивает низкое напряжение для питания катодного нагревателя в лампе (изолированного от высокого напряжения!), а также усилителей вертикальной и горизонтальной развертки, а также схем запуска и развертки. Для управления электростатическими отклоняющими пластинами необходимы более высокие напряжения, а это означает, что выходной каскад усилителя вертикального отклонения должен развивать большие размахи сигнала. Эти напряжения должны быть очень стабильными, и коэффициент усиления усилителя должен быть соответственно стабильным. Любые значительные изменения приведут к ошибкам в размере кривой, что сделает показания осциллографа неточными.

Более поздние аналоговые осциллографы добавили к стандартной конструкции цифровую обработку. Та же базовая архитектура — электронно-лучевая трубка, вертикальные и горизонтальные усилители — была сохранена, но электронный луч управлялся цифровой схемой, которая могла отображать графику и текст, смешанные с аналоговыми сигналами. Время отображения для них было чередующимся (мультиплексированным) с отображением формы сигнала, по сути, так же, как осциллограф с двойной/многоканальной трассировкой отображает свои каналы. Дополнительные возможности, которые предоставляет эта система, включают в себя:

• экранное отображение настроек усилителя и временной развертки;
• курсоры напряжения — регулируемые горизонтальные линии с отображением напряжения;
• курсоры времени — регулируемые вертикальные линии с отображением времени;
• экранные меню для настроек триггеров и других функций.
• автоматическое измерение напряжения и частоты отображаемой кривой

Двухлучевой осциллограф

Двухлучевой осциллограф — это тип осциллографа, который когда-то использовался для сравнения одного сигнала с другим. Было два луча, изготовленных на ЭЛТ особого типа .

В отличие от обычного осциллографа с «двумя трассами» (который разделял один электронный луч по времени, теряя таким образом около 50% каждого сигнала), двухлучевой осциллограф одновременно создавал два отдельных электронных луча, улавливая оба сигнала целиком. Один тип (Cossor, Великобритания) имел светоделительную пластину в ЭЛТ и одностороннее вертикальное отклонение после светоделителя. (Более подробную информацию об этом типе осциллографа можно найти в конце этой статьи.)

Другие двухлучевые осциллографы имели две полные электронные пушки, что требовало строгого контроля осевого (вращательного) механического выравнивания при производстве ЭЛТ. В последнем типе балки отклоняют две независимые пары вертикальных пластин. Вертикальные пластины канала А не оказали влияния на луч канала Б. Аналогично и для канала B существовали отдельные вертикальные пластины, которые отклоняли только луч B.

В некоторых двухлучевых осциллографах временная развертка, горизонтальные пластины и горизонтальный усилитель были общими для обоих лучей (так работала ЭЛТ с светоделителем). Более сложные осциллографы, такие как Tektronix 556 и 7844, могут использовать две независимые временные развертки, два набора горизонтальных пластин и горизонтальных усилителей. Таким образом, можно было наблюдать очень быстрый сигнал на одном луче и медленный сигнал на другом луче.

Большинство многоканальных осциллографов не имеют нескольких электронных лучей. Вместо этого они отображают только одну кривую за раз, но переключают более поздние ступени вертикального усилителя между одним каналом и другим либо при поочередном развертке (режим ALT), либо много раз за развертку (режим CHOP). очень мало Настоящих двухлучевых осциллографов было построено .

С появлением захвата цифрового сигнала настоящие двухлучевые осциллографы устарели, поскольку тогда можно было отображать два по-настоящему одновременных сигнала из памяти, используя технику отображения ALT или CHOP или даже, возможно, режим растрового отображения.

Аналоговый запоминающий осциллограф

Хранение трассировки — это дополнительная функция, доступная на некоторых аналоговых осциллографах; они использовали ЭЛТ с прямым обзором . Хранение позволяет образцу трассировки, который обычно затухает за доли секунды, оставаться на экране в течение нескольких минут или дольше. Затем можно намеренно активировать электрическую цепь, чтобы сохранить и стереть след на экране.

Хранение осуществляется по принципу вторичной эмиссии . Когда обычный пишущий электронный луч проходит через точку на поверхности люминофора, он не только на мгновение вызывает свечение люминофора, но и кинетическая энергия электронного луча выбивает другие электроны с поверхности люминофора. Это может оставить чистый положительный заряд. Затем накопительные осциллографы оснащены одной или несколькими пушками вторичных электронов (называемыми «пушками потока»), которые обеспечивают постоянный поток электронов низкой энергии, движущихся к люминофорному экрану. Пушки покрывают весь экран, в идеале равномерно. Электроны из проточных пистолетов сильнее притягиваются к областям люминофорного экрана, где пишущий пистолет оставил чистый положительный заряд; таким образом, электроны из пушек повторно освещают люминофор в этих положительно заряженных областях люминофорного экрана.

Если энергия электронов наводняющей пушки правильно сбалансирована, каждый падающий электрон наводняющей пушки выбивает один вторичный электрон из люминофорного экрана, тем самым сохраняя чистый положительный заряд в освещенных областях люминофорного экрана. Таким образом, изображение, первоначально написанное пишущим пистолетом, может сохраняться в течение длительного времени — от многих секунд до нескольких минут. В конце концов, небольшой дисбаланс в коэффициенте вторичной эмиссии приводит к тому, что весь экран «затухает в положительном направлении» (загорается) или приводит к тому, что первоначально записанная дорожка становится «затухающей отрицательной» (гаснет). Именно эти дисбалансы ограничивают максимально возможное время хранения.

Запоминающие осциллографы (и ЭЛТ-дисплеи с большим экраном) этого типа с памятью на люминофоре были произведены компанией Tektronix. Другие компании, в частности Hughes, ранее производили запоминающие осциллографы с более сложной и дорогостоящей внутренней структурой хранения данных.

В некоторых осциллографах использовалась строго двоичная (вкл./выкл.) форма хранения, известная как «бистабильная память». Другие допускали постоянную серию коротких неполных циклов стирания, что создавало впечатление люминофора с «переменной стойкостью». Некоторые осциллографы также позволяли частично или полностью отключать затопленные пистолеты, позволяя сохранить (хотя и незаметно) скрытое сохраненное изображение для последующего просмотра. (Затухание позитива или затухание негатива происходит только тогда, когда пистолеты заливающего света «включены»; при выключенных пистолетах заливающего света только утечка зарядов на люминофорный экран ухудшает хранимое изображение.

Аналоговый выборочный осциллограф

Принцип выборки был разработан в 1930-х годах в Bell Laboratories Найквистом, в честь которого теорема выборки названа . Однако первый стробоскопический осциллограф был разработан в конце 1950-х годов в Исследовательском институте атомной энергии в Харвелле в Англии Дж.Б.Б. Чаплином, А.Р. Оуэнсом и А.Дж. Коулом. ["Чувствительный транзисторный осциллограф с откликом от постоянного тока до 300 МГц", Proc IEE (Лондон), том 106, часть B. Приложение, № 16, 1959].

Первый стробоскопический осциллограф представлял собой аналоговый прибор, первоначально разработанный как интерфейсное устройство для обычного осциллографа. Потребность в этом приборе возникла из-за требования ученых-ядерщиков из Харвелла фиксировать форму очень быстрых повторяющихся импульсов. Современные осциллографы с полосой пропускания обычно 20 МГц не могли этого сделать, а эффективная полоса пропускания их аналоговых стробоскопических осциллографов в 300 МГц представляла собой значительный прогресс.

Короткая серия этих «интерфейсных модулей» была изготовлена ​​в Харвелле и нашла широкое применение, а Чаплин и др. запатентовал изобретение. Коммерческое использование этого патента в конечном итоге было осуществлено компанией Hewlett-Packard (позже Agilent Technologies).

Стробоскопические осциллографы достигают своей широкой полосы пропускания за счет того, что не принимают весь сигнал за раз. Вместо этого берется только образец сигнала. Затем образцы собираются для создания формы волны. Этот метод может работать только для повторяющихся сигналов, а не для кратковременных событий. Идею отбора проб можно рассматривать как стробоскопический метод. При использовании стробоскопа видны только фрагменты движения, но когда будет сделано достаточное количество этих изображений, можно будет запечатлеть все движение.

Связанные инструменты

Большое количество приборов, используемых в различных областях техники, на самом деле представляют собой осциллографы свходы, калибровка, элементы управления, калибровка дисплея и т. д., специализированные и оптимизированные для конкретного применения. В некоторых случаях в прибор встроены дополнительные функции, такие как генератор сигналов, для облегчения измерений, которые в противном случае потребовали бы использования одного или нескольких дополнительных приборов.

Монитор формы сигнала в технике телевещания очень близок к стандартному осциллографу, но включает в себя схемы запуска и элементы управления, позволяющие стабильно отображать составной видеокадр, поле или даже выделенную строку вне поля. Роберт Хартвиг ​​объясняет , что монитор формы сигналов «обеспечивает графическое отображение черно-белой части изображения». Черно-белая часть видеосигнала называется «яркостью» из-за ее флуоресцентного цвета. Отображение уровней черного и белого на мониторе формы сигнала позволяет инженеру выявить проблемы с качеством изображения и убедиться, что оно соответствует требуемым стандартам. Для удобства вертикальная шкала монитора формы сигнала откалибрована в единицах IRE .

См. также

• Механические осциллографы