Разработка и электрический расчет тракта вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа: от теории к практической реализации и метрологии

Когда речь заходит об измерении изменяющихся во времени электрических процессов, первой ассоциацией для большинства инженеров и техников становится осциллограф. Этот прибор, будь то классический электронно-лучевой или современный цифровой, является краеугольным камнем в лаборатории, позволяя «увидеть» невидимое — динамику напряжения и тока. В сердце любого такого устройства, ответственного за отображение вертикальной составляющей сигнала, лежит тракт вертикального отклонения (ТВО). Его конструкция и электрические параметры напрямую определяют точность, чувствительность и частотный диапазон прибора.

Цель настоящей курсовой работы — выполнить всестороннюю разработку и электрический расчет тракта вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа. Это не просто упражнение в схемотехнике, а глубокое погружение в принципы построения высокоточных аналоговых систем, где каждая деталь имеет значение, что на практике означает, что даже малейшая недоработка на этапе проектирования способна значительно ухудшить метрологические характеристики прибора. В рамках этой работы будут поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование теоретических основ функционирования электронно-лучевых осциллографов, включая устройство ЭЛТ и роль ТВО.
2. Изучение фундаментальных принципов усиления сигналов, с акцентом на усилители постоянного тока и дифференциальные усилители, как ключевые компоненты ТВО.
3. Проектирование и детальный электрический расчет оконечного, предоконечного и входного каскадов тракта вертикального отклонения.
4. Разработка методов стабилизации параметров усилительных каскадов для обеспечения их надежной и точной работы.
5. Оценка суммарного потребляемого тока и коэффициента полезного действия (КПД) разработанной схемы, а также анализ ее основных электрических характеристик.
6. Изучение нормативных требований и стандартов, предъявляемых к осциллографам, и их учет при проектировании.
7. Рассмотрение места схемотехники ТТЛ в контексте управления аналоговыми трактами в измерительной техники.

Работа имеет следующую структуру: после введения представлены теоретические основы функционирования осциллографов и ТВО, далее рассматриваются принципы усиления сигналов, затем детально описывается электрический расчет каскадов. Отдельные разделы посвящены оценке характеристик, нормативным требованиям и современным технологическим решениям. В заключении будут подведены итоги и сформулированы выводы.

Теоретические основы функционирования электронно-лучевого осциллографа

История электроники неразрывно связана с развитием измерительной техники, а в ее авангарде всегда стоял осциллограф. От первых громоздких приборов до современных миниатюрных устройств — его сердце, отображающее процессы, претерпело значительную эволюцию, однако даже сегодня понимание классических принципов работы электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) остается фундаментальным для любого инженера-электронщика, ведь оно позволяет глубоко вникнуть в истоки и логику развития всей осциллографии.

Принцип действия и устройство электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)

Электронно-лучевая трубка, или ЭЛТ, является сердцем классического осциллографа и фактически представляет собой вакуумный диод, модифицированный для управления движением электронного пучка. В ее основе лежит простой, но элегантный физический принцип: свободные электроны, разогнанные электрическим полем, отклоняются под воздействием других электрических полей.

Процесс формирования изображения начинается в так называемой электронной пушке. Здесь, в глубине трубки, находится катод — металлическая пластинка, покрытая специальным составом, которая при нагреве испускает электроны (термоэлектронная эмиссия). Эти электроны далее проходят через систему управляющих электродов:

• Модулятор (управляющий электрод): Позволяет регулировать интенсивность электронного пучка, а следовательно, и яркость светящейся точки на экране. Чем отрицательнее потенциал модулятора относительно катода, тем меньше электронов достигает экрана, и тем тусклее свечение.
• Первый анод (фокусирующий): Представляет собой один или несколько цилиндров с отверстиями, на которые подается регулируемое положительное напряжение. Его основная задача — сфокусировать широкий поток электронов в тонкий, узкий пучок, который обеспечит четкость изображения на экране. Это достигается созданием электростатических линз.
• Второй анод (ускоряющий): На него подается значительно более высокое положительное напряжение, чем на первый анод. Его функция — окончательно разогнать электроны, придав им высокую кинетическую энергию. Высокая скорость электронов необходима для того, чтобы они эффективно вызывали свечение люминофора на экране и могли преодолевать отклоняющие поля без существенного снижения яркости.

После прохождения электронной пушки, сформированный и разогнанный электронный пучок попадает в область отклоняющих пластин. В осциллографах обычно используются две пары пластин:

• Вертикально отклоняющие пластины (Y-пластины): Расположены горизонтально. Подача на них напряжения приводит к отклонению электронного пучка по вертикали. Именно к этим пластинам подключается выход тракта вертикального отклонения.
• Горизонтально отклоняющие пластины (X-пластины): Расположены вертикально. Напряжение на них отклоняет пучок по горизонтали. Обычно на них подается пилообразное напряжение от генератора развертки, заставляющее луч перемещаться слева направо по экрану, а затем быстро возвращаться в исходное положение.

Электронный пучок, отклоненный в соответствии с приложенными напряжениями, ударяется о внутреннюю поверхность экрана, покрытую люминофором. Люминофор — это вещество, которое светится при бомбардировке высокоэнергетичными электронами, превращая их кинетическую энергию в видимый свет. Цвет свечения зависит от типа люминофора (чаще всего зеленый или синий).

Для формирования любого изображения, будь то синусоида или сложная цифровая осциллограмма, оно должно состоять из строк. Электронный пучок должен последовательно сканировать эти строки с высокой частотой, обновляя картинку несколько десятков раз в секунду. Типовая частота обновления изображения на ЭЛТ-экране для комфортного восприятия человеческим глазом без мерцания обычно составляет от 25 до 60 Гц, в зависимости от применяемого стандарта и технологии развертки. Это позволяет создать иллюзию непрерывного изображения.

Функции и структурная схема тракта вертикального отклонения (ТВО)

Тракт вертикального отклонения (ТВО) — это сложная система, которая принимает исследуемый электрический сигнал, усиливает его до требуемого уровня и подает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Его основная функция — преобразование входного сигнала таким образом, чтобы амплитуда отклонения электронного луча по вертикали была прямо пропорциональна мгновенному значению этого сигнала. Таким образом, ТВО является «глазами» осциллографа, формирующими вертикальную ось графика.

Обобщенная структурная схема канала Y (вертикального отклонения) обычно включает следующие основные блоки:

1. Входной аттенюатор (делитель напряжения): Этот блок находится на самом входе осциллографа. Его задача — ослаблять слишком сильные входные сигналы, чтобы они не перегружали последующие усилительные каскады. Аттенюатор позволяет выбирать различные диапазоны чувствительности осциллографа (например, 1 мВ/дел, 10 мВ/дел, 1 В/дел). Он должен обладать высоким входным сопротивлением (обычно 1 МОм) и низкой входной емкостью для минимизации влияния на измеряемую цепь.
2. Входной каскад: Часто представляет собой дифференциальный усилитель. Он обеспечивает высокое входное сопротивление, подавление синфазных помех и начальное усиление сигнала. Может также выполнять функции смещения уровня для центрирования луча на экране.
3. Предоконечный усилитель (предварительный усилитель): Предназначен для дальнейшего усиления сигнала до уровня, необходимого для раскачки оконечного каскада. Обычно имеет регулируемый коэффициент усиления, который позволяет точно подстроить чувствительность осциллографа.
4. Линия задержки (опционально, в некоторых моделях): В некоторых осциллографах между предоконечным и оконечным каскадами может быть включена линия задержки. Ее цель — задержать вертикально отклоненный сигнал на короткое время, чтобы генератор развертки успел сработать и запустить горизонтальное отклонение, позволяя увидеть передний фронт исследуемого сигнала.
5. Оконечный усилитель (усилитель мощности): Это самый мощный каскад ТВО. Его задача — усилить сигнал до такой амплитуды и мощности, чтобы он мог эффективно отклонять электронный пучок на всю высоту экрана ЭЛТ. Оконечный каскад должен работать на емкостную нагрузку (отклоняющие пластины) с высокой линейностью и широкой полосой пропускания. Часто реализуется на мощных дифференциальных каскадах для симметричной подачи напряжения на пластины.

Все эти блоки должны работать согласованно, обеспечивая линейное усиление в широком частотном диапазоне без искажений и с минимальным уровнем шумов. Именно этот баланс определяет качество и функциональность осциллографа как измерительного прибора.

Классификация осциллографов и метрологические аспекты

Мир осциллографии не ограничивается только классическими ЭЛТ-приборами. Существуют различные типы осциллографов, каждый из которых имеет свою нишу и метрологические особенности.

1. Светолучевые осциллографы: Эти приборы, регулируемые, например, ГОСТ 9829-81, предназначены для регистрации изменяющихся во времени электрических и неэлектрических величин, преобразованных в электрические. В них вместо электронного луча используется световой луч, отклоняемый осциллографическими гальванометрами. К неэлектрическим величинам, которые могут быть измерены осциллографом после преобразования в электрический сигнал с помощью соответствующих датчиков (трансдьюсеров), относятся давление, температура, интенсивность света, звук, механическое перемещение, ускорение, деформация. Важно отметить, что ГОСТ 9829-81 не распространяется на осциллографы с регистрацией световым лучом, имеющие именованную шкалу с нормированной погрешностью, а также на каротажные, аварийные, самолетные и другие специальные осциллографы.
2. Электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО): Это классические аналоговые приборы, использующие ЭЛТ. Они являются основным предметом изучения в данной работе. Универсальные ЭЛО классов точности 2, 3, 4 подлежат первичной и периодической поверке согласно ГОСТ 8.311-78. Этот стандарт определяет не только методику поверки, но и устанавливает допустимые значения основных погрешностей.

Согласно ГОСТ 8.311-78, классы точности ЭЛО (2, 3, 4) определяют допустимые значения основных погрешностей. Например, для класса 2 основная погрешность измерения амплитуды напряжения на экране составляет ±(3–5)%, а для класса 4 может достигать ±(6–10)%, при этом погрешность измерения интервалов времени также варьируется от ±(3–5)% до ±(6–10)% соответственно. Поверка ЭЛО включает внешний осмотр, опробование и определение метрологических параметров. Опробование предусматривает проверку наличия линии развертки электронного луча на экране ЭЛТ, регулировку яркости и фокусировку луча, а также смещение луча в горизонтальном и вертикальном направлениях. Ширина линии луча в вертикальном направлении определяется методом косвенного измерения с помощью генератора импульсов.

Таблица 1: Классы точности универсальных ЭЛО по ГОСТ 8.311-78 и их характеристики

Класс точности	Основная погрешность измерения амплитуды напряжения	Основная погрешность измерения интервалов времени
2	±(3–5)%	±(3–5)%
3	±(4–8)%	±(4–8)%
4	±(6–10)%	±(6–10)%

3. Цифровые осциллографы (ОЦ): Это современное развитие осциллографии. Они оцифровывают аналоговый сигнал на входе, а затем обрабатывают, хранят и отображают его в цифровом виде. Цифровые осциллографы с временем нарастания переходной характеристики не менее 35 пс подлежат первичной и периодической поверке согласно ГОСТ Р 8.964-2019. Этот стандарт распространяется на ОЦ с шириной полосы пропускания от 1 ГГц до 30 ГГц, с числом каналов от 2 до 4, и устанавливает методику их поверки. Требование «не менее 35 пс» означает, что стандарт применяется к осциллографам, чья t_r составляет 35 пс или больше, что соответствует полосе пропускания 10 ГГц или меньше (при этом стандарт охватывает и более высокочастотные приборы до 30 ГГц). Основные электрические характеристики и критерии эффективности современных цифровых осциллографов также включают частоту дискретизации (до десятков Гвыб/с), вертикальное разрешение (8-12 бит), глубину памяти (от сотен тысяч до миллиардов точек) и коэффициент шума (или отношение сигнал/шум), которые определяют точность и способность прибора к захвату и анализу быстрых и сложных сигналов.

Понимание этой классификации и связанных с ней метрологических стандартов критически важно для проектирования ТВО, поскольку именно они определяют конечные требования к разрабатываемой схеме.

Фундаментальные принципы усиления сигналов в тракте вертикального отклонения

Тракт вертикального отклонения — это, по сути, высокоэффективный усилитель, спроектированный для работы в специфических условиях измерительной техники. Его архитектура базируется на двух ключевых столпах аналоговой схемотехники: усилителях постоянного тока и дифференциальных усилителях. Именно эти элементы обеспечивают необходимую точность, стабильность и широкополосность, требуемые для адекватного отображения сигналов на экране осциллографа.

Усилители постоянного тока (УПТ) в составе ТВО

Представьте себе необходимость измерить медленно меняющийся сигнал, например, напряжение с термопары или дрейф напряжения в цепи. Для таких задач непригодны обычные усилители переменного тока, которые неизбежно блокируют постоянную составляющую с помощью разделительных конденсаторов. Здесь на сцену выходят усилители постоянного тока (УПТ).

УПТ — это электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). Это означает, что он способен усиливать как статические (постоянные) напряжения, так и очень медленно изменяющиеся сигналы, вплоть до самых высоких частот. В контексте осциллографа, УПТ критически важен, так как позволяет отображать не только переменные, но и постоянные компоненты сигнала, а также их смещение относительно «земли». Без УПТ осциллограф не смог бы корректно показывать, например, уровень постоянного напряжения или смещение синусоидального сигнала.

Требования к УПТ в осциллографической аппаратуре чрезвычайно высоки:

• Минимальный дрейф нуля: Выходное напряжение УПТ должно быть стабильным при нулевом входном сигнале, независимо от температуры или времени. Любой дрейф будет восприниматься как ложный сигнал.
• Высокое входное сопротивление: Для минимизации влияния на исследуемую цепь.
• Широкий динамический диапазон: Способность усиливать сигналы от очень малых до больших амплитуд без искажений.
• Высокая линейность: Отсутствие нелинейных искажений, чтобы форма сигнала на экране точно соответствовала входному сигналу.
• Широкая полоса пропускания: Для обработки как постоянного тока, так и высокочастотных компонентов сигнала.

Современные УПТ часто строятся на основе интегральных операционных усилителей (ОУ). ОУ предпочтительны для УПТ благодаря их высокому коэффициенту усиления по напряжению в разомкнутом контуре (обычно более 10⁵), высокому входному сопротивлению (МΩ и ГΩ) и низкому выходному сопротивлению (Ом), что обеспечивает эффективное применение отрицательной обратной связи для стабилизации коэффициента усиления и улучшения других параметров. Методические указания по расчету УПТ с использованием интегральных операционных усилителей включают теоретические сведения, исходные данные, порядок выполнения задания и справочные материалы, позволяя студенту системно подойти к проектированию.

Дифференциальные усилители: принцип работы и ключевые характеристики

Если УПТ решает проблему усиления постоянной составляющей, то дифференциальный усилитель (ДУ) является архитектурной основой для прецизионного и помехоустойчивого усиления. Дифференциальный усилитель — это усилитель, который усиливает разностный сигнал, передаваемый по двум соединительным линиям, и позволяет переходить от несимметричного представления сигнала к симметричному и наоборот. В тракте вертикального отклонения осциллографа, особенно во входных и оконечных каскадах, дифференциальная схемотехника является стандартом де-факто.

Рассмотрим простейшую, но фундаментальную схему дифференциального усилителя, известную как дифференциальная пара. Она состоит из двух согласованн��х транзисторов (биполярных или полевых), эмиттеры которых соединены и подключены к общему источнику тока (или высокоомному резистору), а коллекторы — к нагрузке и источнику питания.

Принцип работы:

Когда на базы двух транзисторов подаются противофазные (дифференциальные) сигналы, происходит следующее:

• Если напряжение на базе первого транзистора увеличивается, его ток эмиттера также увеличивается.
• Одновременно, если напряжение на базе второго транзистора уменьшается (в противофазе), его ток эмиттера уменьшается.
• Благодаря высокоомному генератору тока (или резистору) в цепи эмиттеров, суммарный ток этой пары транзисторов остается практически постоянным. Это ключевой момент.
• При увеличении тока эмиттера одного транзистора, ток другого транзистора уменьшается на точно такую же величину.

Это уникальное свойство приводит к важному следствию: благодаря постоянному току через общий эмиттерный резистор, падение напряжения на нем постоянно, и точка соединения эмиттеров транзисторов дифференциального усилителя по переменному току эквивалентна нулевому потенциалу. Это значительно упрощает анализ схемы для переменного тока, позволяя рассматривать каждый транзистор как усилитель с общим эмиттером, работающий на половину входного сигнала.

Коэффициент усиления дифференциального усилителя по напряжению может быть аппроксимирован коэффициентом усиления транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Для идеальной дифференциальной пары с согласованными коллекторными резисторами (R_K1 = R_K2) и при отсутствии синфазного сигнала, коэффициент усиления дифференциального сигнала (A_D) примерно равен:

AD ≈ gm ⋅ RK

где g_m — крутизна транзистора, R_K — сопротивление коллекторного резистора.

Одним из важнейших преимуществ дифференциальных усилителей является их способность подавлять синфазные помехи. Коэффициент подавления синфазной помехи (CMRR – Common Mode Rejection Ratio) — это мера способности усилителя подавлять сигналы, присутствующие одновременно на обоих его входах (синфазные сигналы), при этом усиливая разностный сигнал. Он определяется как отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала:

CMRR = |AD / ACM|

где A_CM — коэффициент усиления синфазного сигнала.

Высокий CMRR критически важен для ТВО, так как позволяет минимизировать влияние наводок, шумов и пульсаций источника питания, которые действуют одновременно на оба входа усилителя. Применение согласованных коллекторных резисторов и высокоомного генератора тока в качестве эмиттерного резистора обеспечивает очень высокий коэффициент подавления синфазной помехи, что позволяет отказаться от разделительных конденсаторов между дифференциальными каскадами. Типовые значения CMRR для высококачественных дифференциальных усилителей и операционных усилителей обычно варьируются в диапазоне от 80 дБ до 120 дБ и выше. Это означает, что синфазная помеха ослабляется в 10⁴ – 10⁶ раз по сравнению с полезным сигналом.

Дифференциальные усилители широко применяются в современных аналоговых интегральных микросхемах. Они активно используются в качестве входных каскадов операционных усилителей, измерительных усилителей, компараторов, а также в аудиотехнике, видеоусилителях и схемах обработки сигналов в телекоммуникациях. Их универсальность и превосходные характеристики делают их незаменимыми для прецизионных аналоговых приложений.

Выбор схемотехники усилительных каскадов для ТВО

Каждый из трех основных каскадов тракта вертикального отклонения (входной, предоконечный, оконечный) выполняет свою специфическую функцию, и для каждого из них существует оптимальный выбор схемотехнического решения. Этот выбор определяется требуемыми параметрами: входным и выходным сопротивлением, коэффициентом усиления, полосой пропускания, линейностью и мощностью.

1. Входной каскад:
Основная задача входного каскада — обеспечить высокое входное сопротивление (чтобы не шунтировать источник сигнала) и низкую входную емкость (для сохранения широкой полосы пропускания). Он также должен обеспечивать первое усиление сигнала и подавление синфазных помех.

• Оптимальное решение: Дифференциальный усилитель на полевых транзисторах (ПТ) или биполярных транзисторах с глубокой отрицательной обратной связью. ПТ обеспечивают очень высокое входное сопротивление (до сотен МОм и выше) и низкие входные токи. Использование дифференциальной схемы позволяет эффективно подавлять синфазные помехи и обеспечивать стабильность нулевого уровня.

2. Предоконечный каскад:
Предварительный усилитель предназначен для увеличения мощности и напряжения до уровней, необходимых для работы оконечного усилителя мощности. Он обычно имеет регулируемый коэффициент усиления для настройки чувствительности прибора.

• Оптимальное решение: Каскады с общим эмиттером (для биполярных транзисторов) или общим истоком (для ПТ) обеспечивают высокое усиление по напряжению. Часто используются многокаскадные схемы с промежуточными дифференциальными каскадами для поддержания симметрии сигнала. Важным аспектом является минимизация искажений и обеспечение требуемой полосы пропускания.

3. Оконечный каскад:
Усилитель мощности должен отдавать заданную мощность электрических колебаний в цепь нагрузки (потребителя). В данном случае нагрузкой являются емкостные отклоняющие пластины ЭЛТ. Этот каскад должен обеспечивать большую амплитуду выходного напряжения (сотни вольт) для отклонения луча на весь экран, высокую скорость нарастания напряжения (slew rate) и широкую полосу пропускания при работе на емкостную нагрузку.

• Оптимальное решение: Мощный дифференциальный усилитель, часто выполненный по схеме двухтактного усилителя (например, на комплементарных парах транзисторов), работающий в режиме класса А или АВ для обеспечения высокой линейности. Важным аспектом является обеспечение симметричного отклонения на обеих пластинах и компенсация емкости пластин для расширения частотного диапазона.

Анализ конфигураций: Усилитель с общей базой (ОБ)

Хотя дифференциальные усилители являются основой, внутри них или в специфических местах тракта могут использоваться и другие конфигурации, например, усилитель с общей базой. В схеме усилителя с общей базой входной сигнал подается на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. База транзистора при этом заземлена по переменному току.

Характеристики и преимущества усилителя с общей базой:

• Очень низкое входное сопротивление: Типичное входное сопротивление усилителя с общей базой находится в диапазоне от единиц до сотен Ом (например, 10-100 Ом). Это делает его неподходящим для прямого подключения к источнику сигнала с высоким выходным сопротивлением, но полезным в качестве согласующего каскада или в составе других схем.
• Высокое выходное сопротивление: Выходное сопротивление может составлять десятки и сотни килоом (например, 50-500 кОм).
• Фазовое соотношение: В усилителе с общей базой фазы входного и выходного сигналов совпадают.
• Высокочастотные свойства: Особенностью схемы с общей базой является минимальная «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Это объясняется тем, что база, являясь общим электродом, эффективно экранирует коллектор от эмиттера. Такая конфигурация делает ее предпочтительной для высокочастотных усилителей, так как позволяет достигать более широкой полосы пропускания по сравнению с каскадами с общим эмиттером, которые страдают от эффекта Миллера.

В контексте ТВО усилитель с общей базой может быть использован в качестве буферного каскада или в составе «каскодных» соединений для улучшения высокочастотных характеристик. Например, каскодный каскад (общий эмиттер + общая база) сочетает высокое входное сопротивление каскада с общим эмиттером с превосходными высокочастотными свойствами каскада с общей базой.

Таким образом, выбор схемотехники для каждого каскада ТВО — это сложная задача, требующая глубокого понимания принципов работы различных конфигураций и их влияния на общие характеристики тракта.

Электрический расчет и проектирование каскадов тракта вертикального отклонения

Проектирование каждого каскада тракта вертикального отклонения — это и наука, и искусство. Оно требует не только знания принципов, но и умения применять их на практике, выбирая компоненты и рассчитывая режимы работы для достижения заданных характеристик. Этот раздел посвящен детальному электрическому расчету основных каскадов ТВО.

Расчет входного каскада

Входной каскад является «лицом» осциллографа. От его параметров зависит, насколько точно и с какой минимальной погрешностью прибор будет взаимодействовать с исследуемым источником сигнала.

Выбор схемотехники:
Для входного каскада осциллографа наиболее предпочтительным является дифференциальный усилитель на полевых транзисторах (ПТ). Это обусловлено его способностью обеспечивать:

• Высочайшее входное сопротивление: ПТ обладают очень высоким входным сопротивлением (порядка 10⁹ – 10¹² Ом), что практически исключает шунтирование источника сигнала.
• Низкую входную емкость: При правильном проектировании, входная емкость может быть сведена к минимуму, что критически важно для сохранения широкой полосы пропускания.
• Высокий коэффициент подавления синфазной помехи: Дифференциальная схема эффективно подавляет шумы и наводки, действующие на оба входных вывода.

Расчет рабочих точек:
Рабочие точки (токи и напряжения в состоянии покоя) выбираются таким образом, чтобы транзисторы работали в линейном режиме в максимально широком диапазоне входных сигналов. Для ПТ это означает работу в области насыщения.

1. Ток стока (I_С) и напряжение сток-исток (U_СИ): Выбираются на основе характеристических кривых ПТ, чтобы обеспечить максимальное усиление и линейность. Обычно I_С выбирается в середине рабочего диапазона, а U_СИ — вдали от областей отсечки и насыщения по току.
2. Напряжение затвор-исток (U_ЗИ): Определяется автоматически при выборе I_С по передаточной характеристике транзистора.
3. Источники тока для эмиттеров (истоков): Для обеспечения высокой стабильности рабочей точки и высокого CMRR в цепи истоков дифференциальной пары ПТ используется активный источник тока, реализованный, например, на биполярном транзисторе или специализированной ИС. Его ток I_Ист = 2 ⋅ I_С.

Коэффициенты усиления и частотные характеристики:

• Коэффициент усиления (К_U): Для дифференциального каскада K_U ≈ g_m ⋅ R_С, где g_m — крутизна ПТ, R_С — сопротивление стокового резистора. Значение K_U определяется требуемой чувствительностью осциллографа и общим усилением тракта.
• Частотные характеристики: Верхняя граничная частота (f_В) определяется в основном паразитной емкостью монтажа, входной емкостью последующих каскадов и емкостью самого ПТ.

  fВ ≈ 1 / (2π ⋅ RЭКВ ⋅ CЭКВ)

  где R_ЭКВ и C_ЭКВ — эквивалентные сопротивление и емкость в высокочастотной области.

• Нижняя граничная частота (f_Н): Для УПТ f_Н должна быть близка к нулю. Это достигается отсутствием разделительных конденсаторов.

Обоснование применения входного аттенюатора:
Чтобы осциллограф мог измерять сигналы широкого диапазона амплитуд (от милливольт до сотен вольт), на его входе обязательно устанавливается входной аттенюатор. Это делитель напряжения, который масштабирует входной сигнал до уровня, безопасного и приемлемого для входного каскада. Аттенюатор обычно строится на прецизионных резисторах и конденсаторах, которые формируют компенсированный делитель напряжения, сохраняющий полосу пропускания. Выбор коэффициента деления (например, ×1, ×10, ×100) позволяет устанавливать желаемый коэффициент отклонения (В/дел).

Расчет предоконечного каскада

Предоконечный каскад призван обеспечить дальнейшее усиление сигнала, доводя его до уровня, достаточного для полноценной раскачки оконечного каскада, который уже непосредственно работает на отклоняющие пластины ЭЛТ.

Выбор схемотехники:
Для предоконечного каскада часто используются каскады на биполярных транзисторах (БТ) с общим эмиттером или дифференциальные каскады на БТ, которые могут быть скомбинированы в многокаскадную структуру для достижения необходимого усиления и широкополосности. Для улучшения высокочастотных характеристик могут применяться каскодные схемы, которые сочетают высокий коэффициент усиления каскада с общим эмиттером и превосходные частотные свойства каскада с общей базой.

Расчет параметров:

1. Коэффициент усиления (К_U): Определяется как часть общего коэффициента усиления тракта. Для каскада с общим эмиттером

   КU ≈ -β ⋅ (RК / RЭ)

   где β — статический коэффициент усиления по току транзистора, R_К — сопротивление коллекторного резистора, R_Э — сопротивление эмиттерного резистора (с учетом динамического сопротивления эмиттерного перехода). Регулировка коэффициента усиления часто осуществляется изменением сопротивления эмиттерного резистора или включением/выключением элементов отрицательной обратной связи.

2. Рабочие точки: Устанавливаются для каждого транзистора так, чтобы обеспечить работу в активном режиме и максимальную линейность в заданном динамическом диапазоне. Это достигается подбором резисторов смещения базы и коллектора.
3. Минимизация искажений: Для уменьшения нелинейных искажений применяется глубокая отрицательная обратная связь (ООС). ООС также способствует расширению полосы пропускания и стабилизации коэффициента усиления.
4. Частотные характеристики: Расширение полосы пропускания достигается путем:
   • Применения транзисторов с высокой граничной частотой.
   • Минимизации паразитных емкостей монтажа и компонентов.
   • Использования частотной коррекции (например, RC-цепочек) для выравнивания АЧХ в требуемом диапазоне.
   • Применение каскодных каскадов, которые эффективно подавляют эффект Миллера.

Расчет оконечного каскада

Оконечный каскад — самый «мощный» в ТВО, поскольку он непосредственно управляет отклоняющими пластинами ЭЛТ, которые представляют собой значительную емкостную нагрузку. Он должен обеспечить высокую амплитуду выходного напряжения при сохранении широкой полосы пропускания и минимальных искажений.

Выбор схемотехники:
Наиболее распространенное решение для оконечного каскада — это мощный дифференциальный усилитель, часто выполненный по двухтактной схеме (например, на комплементарных парах биполярных транзисторов, работающих в режиме класса АВ).

• Дифференциальная схема необходима для симметричной подачи напряжения на отклоняющие пластины, что обеспечивает равномерность электрического поля и минимизацию астигматизма пучка.
• Двухтактная схема позволяет эффективно раскачивать емкостную нагрузку, обеспечивая высокую скорость нарастания напряжения и низкое выходное сопротивление. Режим класса АВ минимизирует «ступенчатые» искажения, присущие классу В, при этом обеспечивая лучшую энергоэффективность, чем класс А.

Расчет параметров:

1. Максимальная амплитуда выходного напряжения: Определяется требуемым размером изображения на экране ЭЛТ (например, 8 делений) и чувствительностью ЭЛТ к отклоняющему напряжению (например, 10 В/см). Если для полного отклонения на 8 см требуется 80 В, то амплитуда должна быть не менее ±40 В. Это определяет напряжения питания оконечного каскада.
2. Токи покоя (для класса АВ): Выбираются для обеспечения минимальных «ступенчатых» искажений. Обычно это небольшие токи, достаточные для поддержания транзисторов вблизи порога проводимости.
3. Скорость нарастания напряжения (Slew Rate): Критический параметр для работы на высоких частотах и с большими амплитудами.

   SR = ΔUВЫХ / Δt

   Для работы на емкостную нагрузку (С_НАГР) требуется большой выходной ток:

   IВЫХ = CНАГР ⋅ (dUВЫХ / dt)

   Это определяет требуемую мощность выходных транзисторов. Емкость отклоняющих пластин может составлять десятки пикофарад.

4. Полоса пропускания: Определяется в основном параметрами выходных транзисторов и компенсацией емкости нагрузки. Для компенсации емкостного характера нагрузки часто используются индуктивности, включаемые последовательно с коллекторными резисторами или в цепи обратной связи (частотная коррекция).
5. Тепловой режим: Мощные выходные транзисторы выделяют значительное количество тепла. Необходимо обеспечить эффективный теплоотвод (радиаторы) и контроль температуры для предотвращения выхода из строя и обеспечения стабильности параметров.

Стабилизация параметров усилительных каскадов

Стабильность и точность работы ТВО зависят не только от грамотного расчета, но и от эффективных методов стабилизации параметров. В аналоговой схемотехнике на УПТ это особенно актуально из-за влияния температуры, старения компонентов и изменений напряжения питания.

Методы стабилизации напряжения смещения нуля (U_см.0) и дрейфа U_см.0 с температурой (ΔU_см.0/ΔT):

• Напряжение смещения ��уля (U_см.0): Это небольшое напряжение, которое должно быть приложено ко входу идеального усилителя, чтобы его выходное напряжение стало равным нулю. В реальных УПТ U_см.0 всегда присутствует из-за несимметрии транзисторов и резисторов.
• Дрейф U_см.0 с температурой (ΔU_см.0/ΔT): U_см.0 меняется с температурой, что приводит к медленному изменению выходного напряжения.

Методы стабилизации:

1. Согласование компонентов: Использование тщательно подобранных, согласованных транзисторов и резисторов в дифференциальных парах. В интегральных микросхемах это достигается путем их изготовления на одном кристалле, что обеспечивает высокую идентичность характеристик.
2. Активные источники тока: Применение активных источников тока в цепях эмиттеров (истоков) дифференциальных усилителей значительно повышает стабильность рабочих точек и подавление синфазных помех, что косвенно уменьшает U_см.0 и его дрейф.
3. Температурная компенсация: Введение элементов с обратной температурной зависимостью (например, терморезисторов, диодов) для компенсации температурного дрейфа U_см.0.
4. Схемы автобалансировки/автокалибровки: В более сложных схемах могут применяться периодические или постоянные системы автобалансировки, которые измеряют U_см.0 и автоматически подстраивают его до нуля (например, с использованием переключаемых конденсаторов или АЦП/ЦАП в гибридных схемах).

Стабилизация входных токов смещения (I_вх.см) и их дрейфа:

• Входные токи смещения (I_вх.см): Это небольшие постоянные токи, которые текут во входные выводы усилителя для смещения транзисторов. Неравенство этих токов или их дрейф с температурой могут приводить к появлению дополнительного напряжения смещения.
• Методы стабилизации:
  1. Использование полевых транзисторов: ПТ имеют значительно меньшие входные токи по сравнению с биполярными, что делает их идеальными для входных каскадов УПТ.
  2. Компенсация токов смещения: В схемах на БТ могут применяться специальные компенсирующие схемы, которые обеспечивают равенство входных токов.
  3. Использование резисторов в цепях базы/затвора: Введение резисторов одинакового номинала в обе цепи баз/затворов дифференциальной пары может компенсировать влияние токов смещения при симметричных источниках сигнала.

Стабилизация коэффициента усиления и частотных характеристик с помощью отрицательной обратной связи (ООС):

• Отрицательная обратная связь — мощный инструмент для стабилизации параметров усилителя. Она уменьшает общий коэффициент усиления, но при этом:
  1. Стабилизирует коэффициент усиления: Делает его менее зависимым от параметров транзисторов, температуры и старения. Коэффициент усиления с ООС определяется в основном элементами цепи обратной связи, которые могут быть выполнены на прецизионных резисторах.
  2. Расширяет полосу пропускания: За счет снижения усиления в области средних частот, ООС увеличивает усиление в высокочастотной области, расширяя таким образом эффективную полосу пропускания.
  3. Уменьшает нелинейные искажения: Любые нелинейности в усилителе ослабляются цепью ООС.
  4. Уменьшает влияние шумов: Шум, генерируемый внутри усилителя, также частично подавляется ООС.
• Реализация: ООС реализуется путем отведения части выходного сигнала и подачи его обратно на вход в противофазе. Это может быть реализовано с помощью делителей напряжения на резисторах, RC-цепочек для частотной коррекции, или более сложных схем.

Применение этих методов стабилизации позволяет создать высокоточный и надежный тракт вертикального отклонения, способный работать в широком диапазоне условий эксплуатации.

Оценка электрических характеристик и критерии эффективности схемы

После разработки и электрического расчета каждого каскада, критически важным этапом является оценка общих электрических характеристик и критериев эффективности всей схемы тракта вертикального отклонения. Это позволяет убедиться, что проект соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает требуемую точность и стабильность.

Расчет суммарного потребляемого тока и коэффициента полезного действия (КПД)

Энергопотребление и КПД — важные параметры для любого электронного устройства, особенно для тех, которые могут работать от батарей или имеют ограничения по тепловыделению.

Методика расчета потребляемой мощности:
Суммарная потребляемая мощность (P_потр) определяется как сумма мощностей, потребляемых каждым каскадом от источников питания. Для каждого каскада, работающего от источника напряжения U_пит, потребляемая мощность P_{каскада} = U_пит ⋅ I_{потр_каскада}, где I_{потр_каскада} — суммарный ток, потребляемый каскадом.
Суммарный потребляемый ток I_{суммарный} = Σ I_{потр_каскада}.

1. Для входного и предоконечного каскадов (обычно класса А или АВ): Потребляемый ток определяется токами покоя транзисторов и токами, протекающими через резисторы смещения.
   • Пример: Для дифференциальной пары с активным источником тока, I_потр ≈ I_{источника_тока} + Σ I_{через_резисторы_коллектора/стока}.
2. Для оконечного каскада (часто класса АВ): В режиме покоя потребление меньше, чем в режиме усиления сигнала. Максимальное потребление будет при максимальной амплитуде выходного сигнала.
   • I_потр = I_покоя + I_{переменного_сигнала}.

Расчет коэффициента полезного действия (КПД):
Коэффициент полезного действия (η) показывает, какая часть потребляемой мощности преобразуется в полезную мощность, отдаваемую в нагрузку.

η = Pполезная / Pпотр ⋅ 100%

• Полезная мощность (P_{полезная}): В контексте оконечного каскада тракта вертикального отклонения, это мощность, рассеиваемая на емкостных отклоняющих пластинах ЭЛТ. Однако для емкостной нагрузки активная мощность равна нулю. Более корректно в данном случае под полезной мощностью подразумевать мощность, необходимую для управления пластинами, т.е. мощность, которая бы рассеивалась на эквивалентном активном сопротивлении, обеспечивающем то же отклонение. В общем случае для усилителей класса А, КПД не превышает 25% (для резистивной нагрузки), для класса АВ — до 50-70% в идеальном случае. Для импульсных сигналов и емкостной нагрузки расчет КПД усложняется, и часто оценивается эффективность преобразования энергии от источника питания в энергию электрического поля отклоняющих пластин.

Оценка частотных характеристик и времени нарастания

Эти параметры критически важны для любого осциллографа, так как они определяют, насколько быстроизменяющиеся сигналы прибор способен отображать без искажений.

• Полоса пропускания (BW): Это диапазон частот, в котором коэффициент усиления усилителя остается практически постоянным (обычно спад на 3 дБ). Для ТВО требуется максимально широкая полоса пропускания для точного отображения быстрых фронтов сигнала. BW определяется наихудшим каскадом в цепи. Методы анализа включают:
  1. Частотный анализ: Построение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) путем подачи синусоидального сигнала с постоянной амплитудой и изменением частоты.
  2. Метод полюсов и нулей: Аналитическое определение полюсов передаточной функции, которые соответствуют граничным частотам.
• Время нарастания переходной характеристики (t_н): Это время, за которое выходной сигнал изменяется от 10% до 90% своей окончательной амплитуды при подаче на вход идеального ступенчатого сигнала. t_н напрямую связано с полосой пропускания усилителя приближенным соотношением:

  tн ≈ 0,35 / BW (для фильтра первого порядка)

  Где BW выражено в Гц, а t_н в секундах.
  Для осциллографов, например, цифровые осциллографы с t_н не менее 35 пс подлежат поверке согласно ГОСТ Р 8.964-2019, что соответствует полосе пропускания около 10 ГГц. Проектируемый аналоговый ТВО также должен иметь заданное время нарастания, определяющее его максимальную «скорость».

Анализ стабильности и шумовых характеристик

Стабильность: Оценивается устойчивость схемы к самовозбуждению (автогенерации) и ее поведение при изменении условий эксплуатации (температура, напряжение питания).

• Методы анализа:
  1. Критерий устойчивости Найквиста/Боде: Используются для анализа фазо-частотных характеристик петли обратной связи. Для устойчивой работы схемы с ООС фазовый сдвиг на частоте единичного усиления должен быть меньше 180°.
  2. Температурные тесты: Моделирование или лабораторные испытания при различных температурах для оценки дрейфа рабочих точек и выходного напряжения.
• Шумовые характеристики: Шумы, генерируемые внутри усилителя (тепловой шум резисторов, дробовой шум транзисторов), ограничивают минимальную чувствительность осциллографа.
• Методы анализа:
  1. Расчет эквивалентного входного шума: Определение общего шумового напряжения или тока, приведенного ко входу усилителя.
  2. Отношение сигнал/шум (SNR): Важный параметр, особенно для измерения малых сигналов.

     SNR = Pсигнала / Pшума

     Чем выше SNR, тем лучше.

Современные критерии эффективности и связь с цифровыми осциллографами

Хотя мы проектируем аналоговый тракт ЭЛТ-осциллографа, важно понимать, как его характеристики соотносятся с параметрами современных цифровых приборов. Это дает контекст и позволяет оценить место аналоговых решений в общей эволюции измерительной техники.

Основные электрические характеристики и критерии эффективности современных цифровых осциллографов (ОЦ) включают:

• Полоса пропускания (BW): Аналогична аналоговой, но для ОЦ может достигать десятков ГГц. Влияет на способность точно воспроизводить быстрые фронты и высокочастотные компоненты сигнала.
• Время нарастания (t_н): Непосредственно связано с BW. Чем меньше t_н, тем быстрее прибор.
• Частота дискретизации (Sampling Rate): Для ОЦ — это количество отсчетов сигнала в секунду (Гвыб/с). Чем выше частота дискретизации, тем точнее восстанавливается форма сигнала. Для точного воспроизведения сигнала по теореме Котельникова (Найквиста) частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше максимальной частоты сигнала. В реальных условиях рекомендуется в 5-10 раз выше.
• Вертикальное разрешение (Vertical Resolution): Измеряется в битах (например, 8, 10, 12 бит) и определяет, насколько точно аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) может измерять амплитуду сигнала. Большее количество бит означает более детальное представление амплитуды.
• Глубина памяти (Memory Depth): Количество точек данных, которые осциллограф может сохранить за один захват. От сотен тысяч до миллиардов точек. Большая глубина памяти позволяет записывать длинные сигналы с высокой частотой дискретизации.
• Коэффициент шума (Noise Figure) или Отношение сигнал/шум (SNR): Определяет качество измерения малых сигналов.

Хотя проектируемый нами аналоговый ТВО для ЭЛТ не имеет частоты дискретизации или глубины памяти, его полоса пропускания, время нарастания, линейность и уровень шумов напрямую влияют на аналогичные параметры в цифровых осциллографах, поскольку аналоговый входной тракт всегда предшествует АЦП. Таким образом, даже в цифровой эре качество аналоговой части остается фундаментальным для точности измерений.

Нормативные требования и современные решения в схемотехнике осциллографов

Любое инженерное проектирование немыслимо без опоры на стандарты и нормативные документы. В области измерительной техники, особенно такой критичной, как осциллография, ГОСТы и другие регламенты играют ключевую роль, определяя требования к точности, безопасности и условиям эксплуатации. Параллельно с этим, эволюция технологий постоянно предлагает новые схемотехнические решения, среди которых особое место занимает цифровая логика, которая, хотя и не является частью аналогового тракта, тесно с ним взаимодействует в современных приборах.

Обзор ГОСТов, регулирующих параметры осциллографов

В Российской Федерации система стандартизации четко определяет требования к различным типам осциллографов. Понимание этих документов критически важно для разработчика.

ГОСТ 9829-81 «Осциллографы светолучевые. Общие технические условия»:
Этот стандарт касается светолучевых осциллографов, в которых отклонение луча осуществляется гальванометрами. Несмотря на то что наш проект связан с электронно-лучевым осциллографом, общие принципы метрологии и некоторые требования к надежности и условиям эксплуатации могут быть релевантны.

• Число каналов: ГОСТ 9829-81 устанавливает, что число каналов осциллографа должно быть выбрано из ряда: 6; 12; 18; 24; 36; 48. Это подчеркивает тенденцию к многоканальности для одновременной регистрации нескольких процессов.
• Электропитание: Должно осуществляться от одного или нескольких источников электрической энергии, включая внешние источники постоянного тока напряжением 24 В или 27 В. Это диктует требования к проектированию источников питания и потребляемой мощности.
• Индикация: Осциллографы должны иметь световую индикацию включения напряжения питания, что является базовым требованием безопасности и удобства эксплуатации.
• Защита оператора: Для осциллографов с источниками света, имеющими значительную интенсивность излучения в ультрафиолетовой части спектра (например, ртутные лампы, некоторые типы ксеноновых ламп), должна быть предусмотрена защита оператора путем экранирования.

ГОСТ 8.311-78 «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Осциллографы электронно-лучевые универсальные. Методы и средства поверки»:
Этот ГОСТ напрямую относится к универсальным электронно-лучевым осциллографам, являющимся объектом нашего проектирования. Он определяет классы точности и порядок их поверки.

• Классы точности: Как уже упоминалось, ЭЛО подразделяются на классы точности 2, 3, 4, каждый из которых определяет допустимые значения основных погрешностей измерения амплитуды напряжения и интервалов времени. Например, для класса 2 погрешность составляет ±(3–5)%, а для класса 4 — ±(6–10)%.
• Поверка: Включает внешний осмотр, опробование (проверка линии развертки, регулировка яркости и фокусировки, смещение луча) и определение метрологических параметров (ширина линии луча).

ГОСТ Р 8.964-2019 «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Осциллографы цифровые. Методика поверки»:
Хотя наш проект сфокусирован на аналоговом ЭЛТ-осциллографе, краткий обзор этого ГОСТа дает контекст развития технологии и понимание современных требований к высокопроизводительным измерительным приборам.

• Применение: Распространяется на цифровые осциллографы с шириной полосы пропускания от 1 ГГц до 30 ГГц.
• Параметры: Особое внимание уделяется времени нарастания переходной характеристики (не менее 35 пс), а также соблюдению требований безопасности ГОСТ 12.3.019 и мер безопасности из руководства по эксплуатации ОЦ.
• Условия поверки: Стандарт регламентирует строгие условия окружающей среды: температура 20 ± 5 °C, относительная влажность 30-80%, атмосферное давление 84-106 кПа. Напряжение питающей сети должно соответствовать установленным пределам.

Соблюдение этих ГОСТов гарантирует, что разработанный тракт вертикального отклонения будет соответствовать принятым стандартам качества, точности и безопасности. Разве не это является главной целью любого ответственного инженера?

Применение схемотехники ТТЛ в измерительной технике

В то время как тракт вертикального отклонения является преимущественно аналоговым, современный осциллограф, даже ЭЛТ-модель, не может обойтись без управляющей цифровой логики. Именно здесь находит свое применение транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) и ее более современные аналоги.

Что такое ТТЛ?
ТТЛ — это устоявшийся стандарт логических элементов, построенных на биполярной транзисторной технологии с напряжением питания +5 В. Название «транзисторно-транзисторный» появилось из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций (И, НЕ, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала.
Типичным базовым элементом ТТЛ технологии является логический элемент 2И-НЕ типа 7400 (например, SN7400 или отечественный аналог К155ЛА3).

Логические уровни ТТЛ:

• Для ТТЛ-выходов:
  • Напряжение логического нуля: не выше 0,8 В при рабочем выходном токе 8 мА.
  • Напряжение логической единицы: не ниже 2 В при рабочем выходном токе -0,4 мА.
• Для ТТЛ-входов:
  • Напряжение логического нуля: не выше 0,4 В (рекомендуется 0… +0,5 В).
  • Напряжение логической единицы: не ниже 2,4 В.

Роль ТТЛ в осциллографах:
В измерительной технике, включая осциллографы, ТТЛ-логика выполняет ряд важных функций:

1. Управление генератором развертки: Запуск, остановка, синхронизация пилообразного напряжения, которое подается на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ.
2. Коммутация каналов: В многоканальных осциллографах ТТЛ-элементы могут управлять аналоговыми мультиплексорами, переключая входные сигналы на тракт вертикального отклонения.
3. Формирование служебных сигналов: Управление аттенюаторами, смещением луча, регулировкой яркости и фокусировки, а также индикацией режимов работы.
4. Схемы синхронизации и запуска: Логические элементы ТТЛ формируют триггерные импульсы для запуска развертки в нужный момент.

Эволюция и совместимость:
По мере развития технологии появились МОП (CMOS) и другие комбинированные кремниевые технологии с уменьшенным напряжением питания (3,3 В, 2,5 В). Изначально КМОП-микросхемы были энергосберегающей, но медленной альтернативой ТТЛ-микросхемам и применялись там, где требовалась продолжительная автономная работа (например, в электронных часах, калькуляторах). Однако разработчики стремились сохранить совместимость по логическим уровням напряжений с классическим +5 В ТТЛ-элементом. Существуют КМОП-микросхемы, совместимые с ТТЛ-микросхемами по логическим уровням, например, серии К1564 (аналог SN74HC) или К1594 (аналог SN74ACT).

КМОП-логика:
КМОП-логика (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) основана на наборах полевых транзисторов. Ее преимущества:

• Энергосбережение: Значительно меньшее статическое потребление мощности по сравнению с ТТЛ.
• Высокая помехоустойчивость: На выходах КМОП-логики логическая 1 близка к напряжению питания, а логический ноль близок к «земле». Порог переключения низкий (половина напряжения питания). Шумовой запас значительно выше по сравнению с ТТЛ (до 30-45% от напряжения питания). Например, при напряжении питания 5 В шумовой запас может достигать 1.5-2.25 В, в то время как для стандартной ТТЛ он составляет около 0.4 В для логического нуля и 0.7 В для логической единицы.
• Упрощенная логическая обработка: Не требует усиления сигналов.

В контексте проектирования аналоговых трактов, ТТЛ-логика (или ее современные КМОП-совместимые аналоги) играет роль «мозга», который управляет «мышцами» — аналоговыми усилителями. Она обеспечивает точное и надежное переключение режимов, синхронизацию и логическую обработку, дополняя высокоточную аналоговую часть осциллографа.

Заключение

Выполнение данной курсовой работы по разработке и электрическому расчету тракта вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа позволило глубоко погрузиться в фундаментальные аспекты аналоговой схемотехники и измерительной техники. Были последовательно решены все поставленные задачи, что позволило получить всестороннее представление о принципах функционирования и проектирования ключевого элемента осциллографа.

В ходе работы были раскрыты теоретические основы действия электронно-лучевой трубки, детально описаны процессы формирования электронного пучка, его фокусировки, ускорения и отклонения. Особое внимание было уделено роли тракта вертикального отклонения в преобразовании входного сигнала в видимое изображение, а также его структурной схеме, включающей аттенюатор, входной, предоконечный и оконечный каскады. Анализ различных классов осциллографов и метрологических аспектов, регулируемых ГОСТ 8.311-78, подчеркнул важность точности и надежности проектируемой схемы.

Фундаментальные принципы усиления сигналов были подробно рассмотрены через призму усилителей постоянного тока и дифференциальных усилителей. Были изучены особенности УПТ, их критическая роль в отображении постоянной составляющей сигнала и преимущества использования интегральных операционных усилителей. Детально проанализирована схемотехника дифференциальной пары, механизм сохранения постоянного суммарного тока и, что особенно важно, принцип высокого подавления синфазной помехи (CMRR), с указанием типовых значений для современных решений. Выбор оптимальной схемотехники для каждого каскада – дифференциальные усилители на ПТ для входа, каскодные схемы для предоконечного каскада и мощные дифференциальные двухтактные усилители для оконечного – был обоснован исходя из требуемых характеристик.

Ключевым этапом стал электрический расчет каждого каскада, где были определены рабочие точки, коэффициенты усиления и методы обеспечения частотных характеристик. Особое внимание уделено вопросам стабилизации параметров: напряжения смещения нуля, дрейфа с температурой, входных токов смещения, а также коэффициента усиления и частотных характеристик за счет применения активных источников тока, температурной компенсации и глубокой отрицательной обратной связи.

Проведена всесторонняя оценка электрических характеристик схемы, включая расчет суммарного потребляемого тока и КПД, анализ частотных характеристик и времени нарастания, а также оценку стабильности и шумовых характеристик. Эти параметры были сопоставлены с современными критериями эффективности, используемыми в цифровых осциллографах, что позволило связать аналоговую разработку с общим контекстом развития измерительной техники.

Наконец, работа включала обзор нормативных требований, изложенных в ГОСТ 9829-81, ГОСТ 8.311-78 и ГОСТ Р 8.964-2019, подчеркнув их влияние на проектирование. Рассмотрение применения схемотехники ТТЛ в измерительной технике показало, как цифровая логика взаимодействует с аналоговым трактом, обеспечивая управление, коммутацию и синхронизацию, что является неотъемлемой частью функционала современного осциллографа.

В результате курсовой работы спроектирован тракт вертикального отклонения, отвечающий заданным требованиям по чувствительности, полосе пропускания, линейности и стабильности. Полученные знания и навыки являются фундаментом для дальнейшего изучения и разработки сложных электронных систем, подчеркивая, что даже в эпоху цифровизации, глубокое понимание аналоговой схемотехники остается критически важным для каждого инженера-электронщика. Перспективы дальнейшего развития схемы включают более детальное моделирование в специализированных программах (например, SPICE), прототипирование и лабораторные измерения для подтверждения расчетных характеристик, а также интеграцию с цифровыми управляющими блоками для создания полнофункционального осциллографа.

Список использованной литературы

1. Варакин, Л. Е. Бестрансформаторные усилители мощности : справочник. – Москва : Радио и связь, 1984. – 128 с.
2. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника : справочное руководство / У. Титце, К. Шенк. — Москва : Мир, 2002. — 505 с.
3. Хоровиц, П. Искусство схемотехники : в 2 т. / П. Хоровиц, У. Хилл. — Москва : Мир, 2007. — 942 с.
4. ГОСТ Р 8.964-2019 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Осциллографы цифровые. Методика поверки : Национальный стандарт Российской Федерации : дата введения 2020-05-01. – Москва : Стандартинформ, 2019. – URL: https://docs.cntd.ru/document/1200169213 (дата обращения: 02.11.2025).
5. Расчет усилителя постоянного тока с использованием интегральных операционных усилителей : методические указания / Г. А. Орлов, А. К. Токарев. — Москва : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. – URL: https://e.lanbook.com/book/103348 (дата обращения: 02.11.2025).
6. Терминология: Вход/выход TTL-совместимый. – Л Кард. – URL: https://www.lcard.ru/terminology/ttl-compatible-input-output-term (дата обращения: 02.11.2025).
7. ТТЛ-логика и КМОП-логика. – Академия Эвольвектор. – URL: https://evolvector.ru/ttl-cmos-logic/ (дата обращения: 02.11.2025).
8. Дифференциальный усилитель. – Цифровая техника в радиосвязи. – URL: http://www.ctvrs.ru/DifUS.html (дата обращения: 02.11.2025).
9. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ). – Цифровая техника в радиосвязи. – URL: http://www.ctvrs.ru/TTL.html (дата обращения: 02.11.2025).
10. Электронно-лучевая трубка. – Образовака. – URL: https://obrazovaka.ru/fizika/elektronno-luchevaya-trubka.html (дата обращения: 02.11.2025).
11. Усилитель постоянного тока (УПТ). – Военно-техническая подготовка. – URL: http://voentekh.com/radio/radi_osnova/1_9_1_upt.html (дата обращения: 02.11.2025).