Асцылёграф

Асцылёграф (ад лац. oscillo — «гайдаюся» + грэц. γραφω — «пішу») — прылада для вымярэньня ды запісу парамэтраў электрычнага сыгналу. Упершыню асцылёграф быў створаны францускім навукоўцам Андрэ Бландэлем у 1893 року. Першай кампаніяй, якая пачала вырабляць прафэсійныя асцылёграфы, была амэрыканская кампанія Tektronix у 1947 р. Яе першай мадэльлю быў Tektronix Model 511, прынцып дзеяньня якога быў заснаваны на выкарыстаньні катоднай электронна-прамянёвай трубкі. У 80-х роках амэрыканская кампанія LeCroy Corporation пачала выраб першых лічбавых асцылёграфаў. Сучасныя асцылёграфы дазвалюць дасьледаваць сыгналы гігагерцавых дыяпазонаў частот.

Клясыфікацыя асцылёграфаў

Па спосабе апрацоўкі ўваходнага сыгналу асцылёграфы дзеляцца на аналягавыя і лічбавыя. Па колькасьці прамянёў дзеляцца на адна- двухпрамянёвыя і N-прамянёвай асцылёграфы, дзе N- гэта колькасьць сыгнальных уваходаў, такія асцылёграфы здольныя адначасова адлюстроўваць на экране N графікаў. Лічбавыя асцылёграфы таксама дзеляцца на запамінальныя, люмінафорныя і стробаскапічныя.

Аналягавыя асцылёграфы

Гэты тып прыладаў зьяўляецца найбольш распаўсюджаным і танным. Асноўнымі элемэнтамі такога асцылёграфу зьяўляюцца: элетронна-прамянёвая трубка, ўваходны дзельнік, ўзмацняльнік вэртыкальнага адхіленьня, схема сынхранізацыі і гарызантальнага адхіленьня, крыніца сілкаваньня. Таксама маюцца дадатковыя блёкі: блёк кіраваньня яркасьцю, калібратар амплітуды і калібратар працягласьці.

У асцылёграфе выкарыстоўваюць трубкі з электрастатычным адхіленьнем, у адрозьненьне ад тэлевізараў і манітораў, дзе выкарыстоўваецца магнітнае адхіленьне. Такія трубкі складаныя ў вытворчасьці але маюць больш шырокі дыяпазон частот.

У кожны пэўны момант адхіленьня электроннага прамяня і сьветлавой плямы на экране, якую ён утварае, прапарцыйнае напрузе, якая прыкладзеная да пласьцін вэртыкальнага адхіленьня. Напружаньне на пласьцінах гарызантальнага адхіленьня вымяраецца лінейна, што забясьпечвае гарызантальную разгортку.

Найменшая частата, пры якой малюнак яшчэ чытаецца, складае ў сярэднім 10 Гц, хоць у выпадку прымяненьня адмысловых электронна-прамянёвых трубак яна можа быць значна ніжэй. Верхняя працоўная частата вызначаецца ў асноўным характарыстыкамі ўзмацняльніка вэртыкальнага адхіленьня і ёмістасьцю паміж адхіляючымі пласьцінамі.

У апошні час з разьвіцьцём элемэнтнай базы аналягавыя асцылёграфы набылі шэраг істотных дадатковых функцыяў і магчымасьцяў, напрыклад курсоры зь лічбавым адлікам значэньняў напружаньня і часу, мультыплексары для некалькіх каналаў, дзякуючы якім ёсьць магчымасьць стварыць разгортку з адлюстраваньнем некалькіх каналаў на аднапрамянёвай трубцы^[1].

Лічбавыя запамінальныя асцылёграфы

У параўнаньні з аналягавымі такія прылады маюць больш шырокія магчымасьці, але і больш высокі кошт. Увогуле лічбавы асцылёграф складаецца з уваходнага дзельніка, нармалізуе ўзмацняльніка, аналяга-лічбавага пераўтваральніка, блёку памяці прылады кіраваньня і дысплэя.

Уваходны сыгнал пасьля нармалізацыі ператвараецца ў лічбавую форму і запісваецца ў памяць. Хуткасьць запісу (колькасьць значэньняў, якія запісваюцца, у сэкунду) задаецца прыладай кіраваньня, яе верхняя мяжа вызначаецца парамэтрамі аналяга-лічбавага пераўтваральніка, а ніжняя мяжа тэарэтычна не абмежаваная, у адрозьненьне ад аналягавых асцылёграфаў.

Аблічбоўка сыгналу дазваляе пазьбегнуць адлюстраваньня сыгналу ў рэальным маштабе часу і такім чынам павысіць ўстойлівасьць малюнка, дае магчымасьць захоўваць вынікі, спрашчае маштабаваньне. Выкарыстаньне дысплэя на вадкіх крышталях дазваляе адлюстроўваць любую дадатковую інфармацыю і кіраваць прыладай з дапамогай меню. Некаторыя прылады маюць каляровы дысплэй, які дазваляе добра адрозьніваць сыгналы розных каналаў.

Сучасныя лічбавыя асцылёграфы маюць высокую адчувальнасьць (градацыя шкалы ад 1 мв) і дазвол (ад 8 да 14 біт), шырокі дыяпазон часу разгорткі (ад 2 нс да 50 с), разьвітую лёгіку сынхранізацыі зь любымі затрымкамі запуску разгорткі. Акрамя звычайных схем запуску сынхранізацыі можа адбывацца запуск у выпадку дасягненьня сыгналам пэўнага значэньня. Працэсары лічбавай апрацоўкі дазваляюць дасьледаваць спэктар сыгналу з выкарыстаньнем хуткага пераўтварэньня Фурʼе. Лічбавае прадстаўленьне інфармацыі забясьпечвае магчымасьць яе захаваньня ў памяці кампутара або вываду непасрэдна на друк^[1].

Лічбавыя люмінафорныя асцылёграфы

Гэтыя асцылёграфы заснаваныя на тэхналёгіі, якая ў лічбавай форме імітуе зьмяненьне інтэнсіўнасьці малюнку, якое ўласьціва аналягавым асцылёграфам. Такім чынам дасьледчыкі могуць бачыць на экране мадуляваныя сыгналы і ўсе іх акалічнасьці, забясьпечваючы пры гэтым іх захоўваньне, вымярэньне і аналіз. Гэты тып прыладаў спалучае ў сабе лепшыя якасьці аналягавых і лічбавых асцылёграфаў^[1].

Лічбавыя стробаскапічныя асцылёграфы

У гэтай клясе прыладаў выкарыстоўваецца прынцып пасьлядоўнага страбаваньня імгненных значэньняў сыгналу для пераўтварэньня (сьціску) яго спэктру, пры кожным паўторы сыгналу вызначаецца імгненнае значэньне сыгналу ў адным пункце. Да моманта прыходу іншага сыгналу кропка адбору перамяшчаецца па сыгналу і так да таго часу, пакуль ён ня будзе прастрабаваны. Працягласьць пераўтворанага сыгналу ў шмат разоў перавышае працягласьць досьледнага сыгналу, такім чынам мае месца сьціск спэктру, што эквівалентна адпаведнага пашырэньню паласы прапусканьня. Стробаскапічныя асцылёграфы найбольш шырокапалосыя (да 100ГГц) і дазваляюць дасьледаваць пэрыядычныя сыгналы зь мінімальнай працягласьцю^[1].

Віртуальныя асцылёграфы

Асцылёграфы гэтай клясы могуць быць як зьнешнімі прыладамі з USB або паралельным портам уводу-вываду зьвестак, так і ўнутранай прыладай у кампутары на аснове PCI або ISA картак. Праграмнае забесьпячэньне дае магчымасьць поўнага кіраваньня прыладай, а таксама забясьпечвае імпарт-экспарт зьвестак, матэматычную апрацоўку сыгналаў, лічбавае фільтраваньне і да т. п. Недахопам такога тыпу прыладаў зьяўляецца немагчымасьць убачыць і вымераць сталы складнік сыгналаў^[1].

Партатыўныя асцылёграфы

Прагрэс у разьвіцьці лічбавых тэхналёгіяў дазволіў звычайныя стацыянарныя лічбавыя асцылёграфы пераўтварыць у партатыўныя асцылёграфы з выдатнымі масагабарытнымі паказчыкамі і з малым энэргаспажываньнем^[1].

Будова

Панэль кіраваньня асцылёграфам

A. Дысплэй асцылёграфу
B. Сьлед або графік сыгналу
C, D. Разьметка эркану
E. Асноўныя лініі разьметкі (восі X і Y)
1. Кнопка сілкаваньня
2. Індыкатар сілкаваньня
3. Паварот графіку
4. Інтэнсіўнасьць графіку
5. Факусіроўка графіку
6. Кнопка каліброўкі
7. Устаноўка па Y-восі
9. Устаноўка напружаньня
11. Зазямленьне
13. Першы ўваходны канал
14. Другі ўваходны канал
15. Выбар рэжыму
17. Устаноўка па X-восі
19. Кіраваньне разгорткай
22. Выхад GND (Зямля)
32. Выхад^[2]

Экран

Асцылёграф мае экран, на якім адлюстроўваюцца графікі ўваходных сыгналаў. У лічбавых асцылёграфаў малюнак выводзіцца на дысплэй (манахромны або каляровы) у выглядзе гатовай карцінкі, у аналягавых асцылёграфаў ў якасьці экрана выкарыстоўваецца асцыляграфічная электронна-прамянёвая трубка з электрастатычным адхіленьнем. На экран звычайна нанесеная разьметка ў выглядзе каардынатнай сеткі.

Сыгнальныя ўваходы

Асцылёграфы падзяляюцца на аднаканальныя і шматканальныя (2, 4, 6, і да т. п. каналаў на ўваходзе). Шматканальныя асцылёграфы дазваляюць адначасова назіраць на экране некалькі сыгналаў, вымяраць іх парамэтры і параўноўваць іх паміж сабою.

Ўваходны сыгнал кожнага каналу падаецца на свой уваход «Y» і ўзмацняецца сваім узмацняльнікам вэртыкальнага адхіленьня да ўзроўню, неабходнага для працы адхіляючай сыстэмы ЭПТ (дзясяткі вольт) або аналяга-лічбавага пераўтваральніка. Узмацняльнік вэртыкальнага адхіленьня заўсёды будуецца па схеме ўзмацняльніка пастаяннага току (УПТ), г.зн. мае ніжнюю працоўную частасьць 0 Гц. Гэта дазваляе вымяраць сталы складнік сыгналу, слушна адлюстроўваць несымэтрычныя сыгналы адносна нулявой лініі, вымяраць пастаяннае напружаньне. Такі рэжым працы завецца — рэжым з адкрытым уваходам.

Аднак, калі неабходна адсекчы сталы складнік (напрыклад, ён занадта вялікі і адводзіць прамень за межы экрану), ўзмацняльнік можна пераключыць у рэжым з зачыненым уваходам (уваходны сыгнал падаецца на УПТ праз падзяляльны кандэнсатар).

Кіраваньне разгорткай

У большасьці асцылёграфаў выкарыстоўваюцца два асноўных рэжыму разгорткі:

аўтаматычны;
чакаючы.

У некаторых мадэлях асцылёграфаў прадугледжаны яшчэ адзін рэжым:

аднакратны.

Пры аўтаматычнай разгортцы генэратар разгорткі працуе ў рэжыме аўтаматычных хваляваньняў, таму, нават у адсутнасьці сыгналу, пасьля заканчэньня цыклю разгорткі адбываецца яе чарговы запуск, гэта дазваляе назіраць на экране прамень нават у адсутнасьці сыгналу або пры падачы на ўваход вэртыкальнага адхіленьня пастаяннага напружаньня. У гэтым рэжыме ў шматлікіх мадэляў асцылёграфаў выкананы захоп частасьці генэратара разгорткі досьледным сыгналам, пры гэтым частата генэратара разгорткі ў цэлую колькасьць разоў ніжэй часттаты досьледнага сыгналу.

У чакаючым рэжыме разгорткі наадварот, пры адсутнасьці сыгналу або яго недастатковым узроўні (альбо пры няслушна наладжаным рэжыме сынхранізацыі) разгортка адсутнічае і экран згасае. Разгортка запускаецца пры дасягненьні сыгналам некаторага наладжанага апэратарам ўзроўню, прычым можна наладзіць запуск разгорткі як па нарастальным фронце сыгналу, так і па падаючым. Пры дасьледаваньні імпульсных працэсаў, нават калі яны непэрыядычныя (напрыклад, непэрыядычнае, досыць рэдкае ўдарнае ўзбуджэньне вагальнага контуру) чакаючы рэжым забясьпечвае нерухомасьць малюнку на экране. У чакаючым рэжыме разгортку часта запускаюць не па самым досьледным сыгнале, а па некаторым сынхронным зь ім сыгналам, напрыклад, сыгналам імпульснага генэратара, узбуджальнага працэсу ў досьледнай схеме. У гэтым выпадку, запускаючы сыгнал падаецца на дапаможны ўваход асцылёграфу — уваход сынхранізацыі.

Пры аднакратным рэжыме генэратар разгорткі «ўзводзіцца» вонкавым узьдзеяньнем, напрыклад, націскам кнопкі і далей чакае запуску гэтаксама, як і ў чакаючым рэжыме. Пасьля запуску разгортка ажыцьцяўляецца толькі адзін раз, для паўторнага запуску генэратар разгорткі неабходна «ўзьвесьці» зноў. Гэты рэжым зручны для дасьледаваньня непэрыядычных працэсаў, такіх як лягічныя сыгналы ў лічбавых схемах, каб наступныя запускі разгорткі не «засьмечвалі» экран. Недахоп такога рэжыму разгорткі — прамень па экране прабягае аднакратна, што ўскладняе назіраньне пры хуткіх разгортках і, звычайна, у гэтых выпадках зьвяртаюцца да фатаграфаваньня экрану. Гэты недахоп раней ухілялі ўжываньнем асцыляграфічных трубак з запамінаньнем малюнку, у сучасных лічбавых асцылёграфах запамінаньне працэсу адбываеца ў лічбавым выглядзе АЗП.

Сынхранізацыя разгорткі з досьледным сыгналам

Дзеля атрыманьня нерухомага малюнку на экране кожная наступная траекторыя руху прамяня па экране ў цыклях разгорткі мусіць прабягаць аднолькава. Гэта забясьпечвае схемай сынхранізацыі разгорткі, якая запускае разгортку на адным і тым жа ўзроўні і фронце досьледнага сыгналу.

Прыклад. Дапусьцім, дасьледуецца сынусоідны сыгнал і схема сынхранізацыі наладжана так, каб запускаць разгортку пры нарастаньні сынусоіды, калі яе значэньне роўна нулю. Пасьля запуску прамень малюе адну або некалькі, у залежнасьці ад наладжанай хуткасьці разгорткі, хваляў сынусоіды. Пасьля заканчэньня разгорткі схема сынхранізацыі не запускае разгортку паўторна, як у аўтаматычным рэжыме, а чакае чарговага праходжаньня сынусоіднай хвалі нулявога значэньня на нарастальным фронце. Відавочна, што наступнае праходжаньне прамяня па экране паўторыць траекторыю папярэдняга. Пры частасьцях паўтарэньня разгорткі звыш 20 Гц, з-за інэрцыйнасьці назіраньня будзе бачная нерухомая карціна.

Калі запуск разгорткі не сынхранізаваны з назіраным сыгналам, то малюнак на экране будзе выглядаць «рухомым» або нават зусім размазаным. Гэта адбываецца таму, што ў гэтым выпадку, адлюстроўваюцца розныя ўчасткі назіранага сыгналу на адным і тым жа экране. Для атрыманьня сталага малюнку ўсе асцылёграфы ўтрымліваюць сыстэму, званую схемай сынхранізацыі, ў замежнай літаратуры таксама называецца трыгерам.

Прызначэньне схемы сынхранізацыі — затрымліваць запуск разгорткі да таго часу, пакуль не адбудзецца некаторая падзея. У прыкладзе, падзеяй было праходжаньне сынусоіды праз нуль на нарастальным фронце. Таму, схема сынхранізацыі мае як мінімум дзьве налады, даступныя апэратару:

Тып запуску: па фронце ці па спаду.
Узровень запуску: выдае напружаньне досьледнага сыгналу, пры дасягненьні якога запускаецца разгортка.

Слушная налада гэтых органаў кіраваньня забясьпечвае запуск разгорткі заўсёды ў адным і тым жа месцы сыгналу, таму малюнак сыгналу на асцыляграме выглядае сталым і нерухомым.

У шмат якіх мадэлях асцылёграфаў маецца яшчэ адзін орган кіраваньня схемай сынхранізацыі, ручка «стабільнасьць», зьмяненьнем яе становішча зьмяняюць адчувальнасьць сынхранізацыі адносна запуску падзеі, зьмяняючы яе становішча можна ргуляваць адчувальнасьць да запуску і нават перавесьці ў аўтаматычны рэжым разгорткі.

У асцылёграфах амаль заўсёды прадугледжаны ўваход сынхранізацыі, пры гэтым маецца перамыкач запуску разгорткі «вонкавы/унутраны», пры становішчы «вонкавы» на ўваход схемы сынхранізацыі падаецца ня досьледны сыгнал, а напружаньне з уваходу сынхранізацыі. Часта маецца перамыкач на сынхранізацыю ад сілкавальнай сеткі, пры сынхранізацыі ад сеткі на ўваход схемы сынхранізацыі падаецца напружаньне з частатой сеткі. Такая сынхранізацыя зручная для назіраньня сыгналаў з частатой сеткі, або кратных гэтай частаце, напрыклад, сеткавых памех, вымярэньні парамэтраў сеткавых фільтраў, выпрамнікоў і інш.

У адмысловых асцылёграфах маюцца і асаблівыя рэжымы сынхранізацыі, напрыклад, рэжым запуску разгорткі ў момант пачатку зададзенага апэратарам па нумары радка ў кадры тэлевізійнага сыгналу, што зручна пры вымярэньні парамэтраў тэлевізійнага каналу і асобных яго каскадаў ў сыстэмах тэлебачаньня.

У іншых спэцыялізаваных асцылёграфах, якія ўжываюцца пры дасьледаваньні лічбавых (напрыклад, мікрапрацэсарных) прыладаў, схема сынхранізацыі дапаўняецца кампаратарам кодаў і запуск разгорткі адбываецца пры супадзеньні зададзенага апэратарам двайковага коду (слова) з кодам на шыне, напрыклад, адрасы. Гэта зручна для пошуку чыньніку збояў пры запісе/чытаньні некаторай ячэйкі памяці і іншых дыягностык.

Дадатковыя зьвесткі

Дысплэй асцылёграфу выкарыстоўваўся ў якасьці экрану для адной зь першых відэагульняў «Tennis for Two» (Тэніс для дваіх). Гульня працавала на аналягава-вылічальным кампутары, для кіраваньня гульцы выкарыстоўвалі адмысловыя кантролеры paddle. Стваральнікам гульні ў 1958 року быў фізык Ўільям Гігінботам.

Крыніцы

Літаратура

Габец П. С. Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т.2: Аршыца — Беларусцы / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш.. — Мн: БелЭн, 1996. — Т. 2. — 480 с. — 10 000 ас. — ISBN 985-11-0061-7 (т. 2)

[:0-1] а ^б ^в ^г ^д ^е Классификация осциллографов

[2] Using an Oscilloscope

[1]

[2]