Лекция 21. Скоростные и стробоскопические осциллографы

При наблюдении и исследовании коротких импульсов (сигналов наносекундного диапазона) и колебаний СВЧ-диапазона возникают проблемы, которые усложняют применение обычных осциллографов. Специалисты выделяют шесть основных причин, которые существенно препятствуют применению для этих целей универсальных осциллографов.

1 Возникающие в цепях паразитные резонансы, обусловленные емкостью пластин и индуктивностью подводящих проводов, включая вводы пластин. При этом паразитная резонансная частота должна быть намного больше высшей гармоники исследуемого сигнала.

2 Влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта импульса.

3 Влияние конечного времени пролета электронов между пластинами ЭЛТ, которое должно находиться в диапазоне от 1 до 10 нс. Если за время нахождения электрона между пластинами сигнал изменится, то отклонение электронного луча может быть непредсказуемым.

4 Следует иметь очень широкую полосу пропускания канала Y. Полоса пропускания для передачи прямоугольного импульса может быть приближенно рассчитана по формуле ∆ f ≈ 2 /τ_и. Тогда при длительности импульса τ_и = 1 нс полоса пропускания ∆ f = 2 ГГц.

5 Необходимость наблюдения наносекундных импульсов и колебаний СВЧ требует высокой скорости движения луча по экрану. Так, для получения изображения импульса длительностью τ_и = 5 нс на экране ЭЛТ шириной L = 100 мм скорость движения луча должна быть V = 20000 км/с, где V = L /τ_и — скорость движения луча; L — размер изображения на экране.

6 Изображение сигнала на экране осциллографа может оказаться очень бледным, поскольку электронный луч перемещается по экрану с огромной скоростью.

В скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяются специальные ЭЛТ, т.е. трубки бегущей волны, которые не обеспечивают получение высокой чувствительности канала вертикального отклонения (S_y ≈ 1 мм/В). Создание высокоскоростных разверток также является проблемой, связанной с необходимостью поднимать напряжение развертки до нескольких сотен вольт. Существующие серийные скоростные осциллографы имеют верхнюю граничную частоту не более 10 ГГц.

При исследовании быстротекущих процессов с малой амплитудой напряжения, описанные ранее скоростные осциллографы не пригодны из-за низкой чувствительности. Этого недостатка лишены стробоскопические приставки (преобразователи) к универсальному осциллографу.

Стробоскопический метод осциллографирования дает возможность существенно уменьшить скорость развертки по сравнению с той, которая требуется при непосредственном наблюдении исследуемого сигнала на скоростном осциллографе. Стробоскопические осциллографы позволяют вести исследование очень коротких периодических импульсов и высокочастотных колебаний. Они обладают большой чувствительностью, т.е. их входные сигналы могут иметь малую амплитуду.

Стробоскопическим называют электронный осциллограф, в котором для получения на экране ЭЛТ изображения сигнала используется отбор его мгновенных значений (выборки сигнала) и временное преобразование, т.е. изображение сигнала, дается в увеличенном масштабе времени.

Скорость развертки уменьшается за счет трансформации масштаба времени. На экране осциллографа появляется изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличенном временном масштабе. Стробоскопический метод реализуется за счет использования амплитудно - импульсной модуляции исследуемого сигнала.

Схема преобразователя и временные диаграммы, поясняющие работу стробоскопического осциллографа, приведены на (рис. 10.14). Исследуемые импульсы U _c длительностью τ и периодом повторения T _c подаются вместе со специальными (очень короткими) строб - импульсамиU ₂ (они играют роль переносчиков информации о сигнале) на стробоскопический смеситель преобразователя (см. рис. 10.14 а). Период следования строб - импульсов

T _стр = T _c + ∆ t,

где ∆ t — шаг считывания.

Длительность ∆ t выбирается из условия

∆ t = ,

где n — целое число.

В результате такого преобразования оказывается, что первый строб-импульс совпадает с началом первого импульса U _c (1), второй строб-импульс сдвинут относительно начала второго импульса U _c (2) на ∆ t, третий строб-импульс сдвинут относительно начала третьего импульса U _c (3) на 2∆ t и т.д. (см. рис. 10.14 б). На выходе смесителя появляются короткие импульсы U ₃ (на рис. 10.14 б изображены жирными линиями с точками), которые совпадают по времени со строб-импульсами (U ₂), но имеют амплитуду, равную амплитуде исследуемых импульсов U _c в момент поступления строб-импульсов U ₂. Поэтому импульсы U ₃ называют строб-импульсами, промодулированными по амплитуде исследуемым сигналом U _c (см. рис. 10.14 б).

Диаграмма сигнала U ₃, огибающая промодулированные строб-импульсы (на рис. 10.14 б она представлена жирной штриховой линией), практически повторяет форму исследуемых импульсов U _c, но по сравнению с ними она растянута во времени. Импульсы U ₃ усиливаются, затем расширяются до длительности, меньшей T _c, и подаются через усилитель канала Y на отклоняющие пластины стробоскопического осциллографа. В результате на экране осциллографа с обычными ЭЛТ и пилообразной разверткой наблюдается форма импульсов U _c. Степень растянутости наблюдаемого импульса во времени (временное преобразование) характеризуется коэффициентом трансформации масштаба времени

K _тр = ,

где n — число строб - импульсов, участвующих в считывании импульса U _c.

Поскольку n = , то K _тр = ,

В современных осциллографах K _тр достигает десятков тысяч, что при обычных развертках позволяет наблюдать форму наносекундных импульсов.

Полоса пропускания частот современных стробоскопических осциллографов составляет несколько гигагерц, и уровень входного сигнала находится в пределах от нескольких милливольт до десятков вольт.

 

Цифровые осциллографы

Цифровые осциллографы обеспечивают одновременное наблюдение на экране сигнала и получение численного значения его параметров с большей точностью по сравнению с традиционным способом получения количественных данных непосредственно с экрана осциллографа. Это обусловлено тем, что измерение параметров сигнала осуществляется непосредственно на входе цифрового осциллографа, а не на выходе канала вертикального отклонения, где на сигнал накладываются все ошибки канала, эти ошибки могут достигать до 10%.

С помощью цифровых осциллографов измеряются следующие параметры: амплитуда сигнала, его частота, а также длительность импульса. Однако измерением этих параметров не ограничиваются возможности цифровых осциллографов. Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессорами позволяет определять действующее значение напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране преобразование Фурье для любого вида сигнала.

В цифровых осциллографах осуществляется полная цифровая обработка сигнала, поэтому здесь для отображения информации, как правило, используются последние достижения в области создания индикаторных панелей.

В цифровых осциллографах при отображении результатов измерения возможны три режима работы.

1 Одновременное наблюдение динамического изображения сигнала на экране с высвечиванием на световом табло его численных параметров.

2 Подведение к изображению сигнала на экране световых меток так, чтобы отметить измеряемый параметр, и по цифре на соответствующей регулировке определение величины интересующего параметра.

3 Использование специальных кинескопов (например, матричных индикаторов) и растрового метода для формирования изображения исследуемых сигналов и цифровой информации.

В современных цифровых осциллографах установка оптимальных размеров изображения на экране трубки выполняется автоматически. Рассмотрим упрощенную структурную схему цифрового осциллографа (рис. 10.15). В состав структурной схемы цифрового осциллографа входят: аттенюатор входного сигнала; усилители вертикального и горизонтального отклонений; измерители амплитуды и временных интервалов; интерфейсы сигнала и измерителей; микропроцессорный контроллер; генератор развертки; схема синхронизации и ЭЛТ.

Техническими характеристиками цифрового осциллографа являются:

Ø полоса пропускания частот — 0... 50 МГц;

Ø коэффициенты отклонения — 0,002...10 В/дел;

Ø коэффициенты развертки — 20 нс/дел....20 мс/дел;

Ø погрешность коэффициентов отклонения и развертки — 2...4%;

Ø погрешность цифровых измерений — 2...3%;

Ø размер экрана — 80Í100 мм.

К функциональным возможностям цифровых осциллографов относятся: автоматическая установка размеров изображения; автоматическая синхронизация; разностные измерения между двумя метками; автоматическое измерение размаха, максимума и минимума сигналов, периода, длительности, паузы, фронта и спада импульсов; вход в канал общего пользования.

Из структурной схемы (рис. 10.15) видно, что амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала определяются с помощью встроенных в прибор измерителей. На основании данных измерений микропроцессорный контроллер производит вычисление требуемых коэффициентов отклонения и развертки и через интерфейс вводит эти коэффициенты в аппаратную часть каналов вертикального и горизонтального отклонений. Это обеспечивает стабильность размеров изображения по вертикали и горизонтали и автоматической синхронизации сигнала.

Микропроцессорный контроллер также опрашивает положение органов управления на передней панели, и данные опроса после кодирования снова поступают в контроллер, который через интерфейс включает соответствующий режим автоматического измерения. Результаты измерений отображаются на отдельном световом табло (может быть встроено в экран трубки), причем амплитудные и временные параметры сигнала отображаются одновременно.