Универсальные осциллографы со сменными блоками
Универсальные осциллографы со сменными блоками являются многофункциональными приборами, содержащими ряд сменных блоков в каналах вертикального и горизонтального отклонений, предназначены для исследования периодических и однократных импульсных сигналов от 10 мкВ до 500 В в полосе частот от постоянного тока до единиц ГГц путем визуального наблюдения и фотографирования. В состав универсального осциллографа входят дифференциальный, двухканальный, высокочувствительный, стробоскопический и логарифмический усилители и блок сдвоенной развертки.
Характеристики осциллографа находятся в зависимости от применяемых сменных блоков. Исследуемый сигнал подается в канал вертикального отклонения (см. рис. 9.1) на входную цепь, затем он поступает на предварительный усилитель для усиления и преобразования фазы. В зависимости от типа сменного блока в состав предварительного усилителя могут входить: коммутатор (двухканальный блок), смеситель-модулятор (стробоскопический блок), логарифмирующее устройство (логарифмический блок) или другое функциональное устройство, выполняющее основную функцию предварительного усиления и обработки сигнала.
Далее сигнал, преобразованный в парафазный, поступает на линию задержки для компенсации времени срабатывания (запаздывания) канала горизонтального отклонения. Линия задержки выполняет свои функции.при работе с блоками, работающими в реальном масштабе времени. С линии задержки сигнал поступает на оконечный усилитель, возбуждающий сигнальные пластины ЭЛТ.
В режиме внутренней синхронизации из канала ВО снимается часть исследуемого сигнала, поступающая в схему синхронизации, а затем в схему запуска. Запускающий сигнал подается на ГР, формирующий пилообразное линейное напряжение или ступенчатое (стробоскопический блок) напряжение для отклонения луча ЭЛТ пропорционально времени. Генератор развертки содержит устройства регулировки режимов и длительности.
Выходные сигналы ГР (пилообразное напряжение и импульс подсвета) поступают на оконечный усилитель развертки и модулятор ЭЛТ для отпирания электронного луча во время прямого хода. Усилитель развертки преобразует фазу, усиливает пилообразное напряжение до значения, необходимого для получения требуемого временного масштаба изображения на экране.
Для повышения точности измерений в состав осциллографа входят калибраторы амплитуды и времени, предназначенные для калибровки коэффициентов отклонения канала вертикального отклонения и коэффициентов (длительности) развертки канала горизонтального отклонения. Калибратор вырабатывает регулируемые по значению постоянное положительное и отрицательное напряжения; напряжение типа «меандр» и синусоидальное напряжение с частотой 1 МГц. Амплитудные и временные параметры можно измерить разными методами.
Наличие в осциллографе калибратора с плавной регулировкой выходного напряжения позволяет реализовать три метода измерений амплитудных параметров исследуемого сигнала: 1) калиброванной шкалы; 2) замещения; 3) противопоставления. Два последних метода не реализуются со стробоскопическими блоками.
Наличие сменного блока с двумя развертками и входа Z позволяет реализовать три метода измерения временных параметров исследуемого сигнала: 1) калиброванной шкалы; 2) измерения с помощью калибрационных меток; 3) измерения с помощью задержанной развертки.
Измерение амплитуды методом калиброванной шкалы. Метод основан на измерении линейных размеров изображения непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Измеряемую амплитуду напряжения Umax подсчитывают по формуле Umax = Koh.
Метод измерения по калиброванной шкале является основным и был рассмотрен выше.
Измерение амплитуды методом замещения. Данный метод основан на замещении значения измеряемой части сигнала калибрационным напряжением. Отсчет измеряемого значения напряжения производится по показаниям шкалы регулировок калибрационного напряжения. Измерение методом замещения более трудоемко, но обеспечивает большую точность по сравнению с методом измерения по калиброванной шкале. Рекомендуется метод для измерения малых значений изображений сигнала (1—2 деления).
Измерение амплитуды методом противопоставления. В дифференциальном усилителе исследуемый сигнал компенсируется опорным (калибрационным) напряжением. ЭЛТ является нуль-индикатором, по которому устанавливается порог совмещения (компенсации сигнала). Метод обеспечивает высокую точность.
Измерение временных интервалов методом калиброванной шкалы. Измеряемый временной интервал
tx = lKpMp. (9.12)
Измерение временных интервалов с помощью калибрационных меток. Метод основан на создании на линии развертки яркостных отметок от внешнего генератора точной частоты и подсчете их числа на измеряемом интервале. Калибрационные метки, синхронные с периодом повторения исследуемого сигнала, подаются на вход Z или непосредственно на модулятор ЭЛТ.
Измерение временных интервалов с помощью задержанной развертки. Метод основан на смещении изображения вдоль линии развертки относительно выбранной неподвижной точки (линии) шкалы. Отсчет производится по показаниям коэффициента задерживающей развертки и регулировки «задержка». Этот метод позволяет существенно повысить точность измерения временных интервалов длительностью более 1 мкс. Погрешность измерения 1,5—2 %.
Усилитель дифференциальный. Усилитель дифференциальный (УД) предназначен для предварительного усиления исследуемых сигналов. На два входа УД поступают сигналы с различной амплитудой, а на выходе получают один сигнал, пропорциональный разности этих амплитуд.
Усилитель дифференциальный значительно расширяет возможности ЭО. С помощью УД можно исследовать: малые изменения напряжения на большом уровне постоянного напряжения; более детально отдельные участки импульсных сигналов; сигнал при значительном уровне помех; выполнять настройку двух и многоканальных систем с одинаковыми выходными сигналами.
Например, исследование сигнала при значительном уровне помех выполняется в такой последовательности: сигнал с помехой подают на один вход УД, а на другой вход — сигнал, подобный сигналу помехи. На экране ЭЛТ будет представлен только полезный сигнал без помехи (сигнал помехи подавляется).
Двухканальный усилитель-коммутатор. Коммутатор позволяет исследовать два одновременных или следующих один за другим сигнала. В ЭО с коммутатором временные и амплитудные характеристики каналов практически одинаковы. Электронный осциллограф с коммутатором по сравнению с двухлучевым менее громоздок, потребляет меньшую мощность, так как имеет один оконечный усилитель. Используя ЭО с коммутатором, можно получить устойчивое изображение двух сигналов, не синхронных друг другу. Для этого вход синхронизации должен переключаться одновременно с наблюдаемыми сигналами. С помощью усилителя-коммутатора яркость изображения снижается в среднем вдвое; исследовать можно только длительные процессы.
Рис. 9.13. Упрощенная схема двухканального ЭО с синхронным режимом коммутации
Коммутатор ЭО попеременно подключает оконечный усилитель к предварительному усилителю от одного УВ01, то другого УВ02 канала (рис. 9.13). При синхронном режиме коммутации коммутатор переключается во время обратного хода развертки (при обратном ходе луч гасится), а при несинхронном режиме — переключается с постоянной частотой, задаваемой специальным генератором. Частота генераторов переключения составляет от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц.
Несинхронный режим переключения применяют только при длительных развертках и фоторегистрации однократных процессов, а в остальных случаях—синхронный режим. При синхронном режиме изображения сигналов, видимые на экране одновременно, на самом деле соответствуют неодновременным процессам в исследуемом устройстве. Например, если луч прочерчивает изображение сигнала, поданного на Y1 в нечетные периоды развертки, то на Y2 — в четные периоды. Это не приведет к ошибкам, когда периоды сигналов, поданных на Y1 и Y2, равны периоду развертки. Если истинный период сигналов на входах равен двум периодам развертки (в более общем случае — четному числу периодов), то на экране мы увидим как бы совмещенными во времени первую половину периода сигнала Y1 и вторую половину периода сигнала Y2. Несинхронный режим коммутации и двухлучевые осциллографы свободны от этого недостатка.
Сдвоенная развертка. Система сдвоенной развертки позволяет получать большое увеличение участков сигнала по оси времени, а также, повысить точность измерения временных интервалов. С помощью такой системы можно рассматривать любой участок сигналов формы протяженностью менее 1 % периода сигнала.
Рис. 9.14. Упрощенная структурная схема системы с двойной разверткой
Упрощенная структурная схема системы двойной развертки представлена на рис. 9.14. Развертка состоит из двух идентичных генераторов развертки А и Б, которые могут работать независимо друг от друга (в режимах А и Б). Развертка Б подсвечивает развертку А (в режиме А+Б); развертка А запускает через схему задержки развертку Б (в режиме Б3). Генераторы калиброванной развертки содержат: узел синхронизации, преобразующий входной сигнал в серию импульсов постоянной амплитуды и длительности для запуска схемы управления разверткой; узел управления ГР, формирующий импульс, который равен длительности прямого хода развертки, непосредственно управляющий ГР; ГР, вырабатывающий нарастающее (или спадающее) пилообразное напряжение. Задержка начала развертки относительно момента подачи запускающего импульса на время от 1 мкс до 5 с осуществляется при работе обоих генераторов.
Рис. 9.15. Временные диаграммы напряжений на входе компаратора на триггере совпадения и на выходе компаратора
Для формирования импульса задержки относительно начала развертки на один вход компаратора, состоящего из дифференциального усилителя и триггера, поступает развертывающее пилообразное напряжение uр с генератора развертки А, а на другой — постоянное Uo напряжение, регулируемое посредством потенциометра R. Выходной импульс компаратора появится только тогда, когда пилообразный сигнал на входе превысит значение установленного положительного напряжения Uo (рис. 9.15). В этом случае время задержки начала импульса компаратора относительно начала развертки А составляет tз=Uo/S (S — крутизна пилообразного напряжения генератора развертки А).
Импульс компаратора дифференцируется; получающиеся при этом импульсы совпадения поступают на схему «ворот». Регулируя постоянное напряжение и переключая длительность развертки, можно изменять задержку импульса совпадения относительно начала развертки. Схема «ворот» представляет собой триггер с двумя устойчивыми состояниями и вырабатывает импульс задержки для управления режимом запуска триггера управления генератора развертки Б. Этот импульс поступает на внешнее гнездо и на переключатель режимов. В режиме работы А+Б и Бз схема «ворот» с помощью переключателя режимов подключается к входу триггера управления генератора развертки Б, который начинает формировать пилообразное напряжение Б. Генератором Б выполняется калиброванная во времени задержка, после которой генератор А вырабатывает развертывающее напряжение. Наибольшее растяжение во времени сигналов происходит в режиме одновременной работы двух разверток (А+Б) (рис. 9.16, а). Для этого
на полном изображении сложного сигнала, развернутого разверткой А, получают яркостную метку от развертки Б (рис. 9.16, а). Ручкой «Задержка» смещают яркостную метку так, чтобы высвечивалась интересующая часть сигнала. Затем устанавливают переключатель режима работы задержки в положение Б3 и на экране окажется изображение только интересующей нас части сложного сигнала (рис. 9.16,6).
Рис. 9.16. Примеры применения двойной развертки: а — в режиме (А + Б); б — в режиме Бз.
Разобранные выше сменные блоки выполнены в осциллографе С1-70.
Запоминающие осциллографы
Запоминающий осциллограф (30) — осциллограф, который при помощи специального устройства, например ЭЛТ с памятью или электронного запоминающего устройства, позволяет сохранять на определенное время исследуемый сигнал и при необходимости воспроизводить его для однократного или многократного визуального наблюдения или для дальнейшей обработки. Запоминающие осциллографы используют для исследования однократных быстропротекающих сигналов (от пико- до микросекунд) в атомной физике, квантовой электронике, физике плазмы, лазерной технике, бионике и др.
Универсальные осциллографы (с незапоминающей трубкой, широкой полосой пропускания) позволяют исследовать однократные сигналы, однако детальное изучение осциллограмм возможно лишь при фотографировании.
Основу 30 составляет специальная запоминающая электронно-лучевая трубка (ЗЭЛТ) с видимым изображением, обладающая способностью преобразовывать электрические сигналы в электрические заряды, сохранять их в течение определенного времени и затем воспроизводить.
Запоминающая ЭЛТ содержит два электронных прожектора — записывающий и воспроизводящий с элементами запоминания и экран, покрытый люминофором.
На рис. 9.17 показана схематическая конструкция ЗЭЛТ. На экран 2 с внутренней стороны колбы нанесен слой люминофора, покрытый тонкой прозрачной металлической пленкой. К этой пленке подводится положительное напряжение в несколько киловольт. Узел памяти состоит из двух сеточных электродов, параллельных экрану. Перед экраном расположен первый электрод — мишень 3 из мелкоструктурной металлической сетки, покрытой слоем диэлектрика; поверх мишени расположен другой электрод — коллекторная сетка 1 с более крупной структурой, а рядом с сеткой имеется ионный отражатель 4. Помимо перечисленных элементов ЗЭЛТ содержит воспроизводящий прожектор 6, формирующий совместно с кольцевыми электродами 7 широкий пучок электронов, равномерно распределенный в пространстве. Записывающий прожектор 8 и отклоняющие пластины 5 работают, как и в обычных ЭЛТ. Вертикально и горизонтально отклоняющие пластины воздействуют только на записывающий луч. Воспроизводящий прожектор излучает широкий поток медленных несфокусированных электронов, движущихся по направлению к коллекторной сетке, находящейся под небольшим положительным потенциалом относительно катода воспроизводящего прожектора. Потенциал поверхности диэлектрика зависит от скорости падающих на него электронов. Медленные электроны, обладающие малой энергией, неспособны вызвать значительную вторичную эмиссию с поверхности диэлектрика, и мишень за счет вторичной эмиссии теряет меньше электронов, чем их приносит поток медленных электронов. Вторичные электроны отводятся с помощью коллекторной сетки, находящейся под положительным потенциалом относительно мишени. В результате на поверхности мишени накапливается отрицательный заряд и потенциал поверхности мишени понижается. Накопление отрицательного заряда приводит к возникновению тормозящего поля вблизи мишени, препятствующего попаданию электронов на мишень. Как только потенциал мишени станет равным потенциалу воспроизводящего прожектора, дальнейшее поступление электронов на ее поверхность прекратится и потенциал мишени установится на этом уровне. При этом мишень будет непроницаема для медленных электронов и экран затемнен. Исследуемое напряжение поступает на вертикально отклоняющие пластины, управляющие потоком электронов записывающего прожектора, и луч прочерчивает на мишени траекторию, соответствующую форме исследуемого напряжения. Поток электронов записывающего прожектора характеризуется большой энергией (порядка тысячи электрон-вольт) и вызывает сильную вторичную эмиссию с поверхности мишени. Облучаемые электронами участки мишени теряют больше электронов, чем приобретают, и заряжаются положительно относительно необлученных участков. На мишени появляется потенциальный рельеф. С ростом положительного потенциала у нее возникает ускоряющее поле, которое возвращает часть вторичных электронов на мишень. Дальнейшее нарастание потенциала прекращается, и он устанавливается на уровне, приблизительно равном потенциалу коллектора. Участки мишени, облученные пучком быстрых электронов, становятся прозрачными для медленных электронов воспроизводящего прожектора. После прохождения мишени они ускоряются в сильном поле между мишенью и экраном и движутся перпендикулярно мишени по направлению к экрану. Это происходит по всей траектории пятна и на экране возникает изображение траектории, т. е. проекция потенциального рельефа. Диаметр светящегося пятна на экране ЭЛТ мало отличается от диаметра луча записывающего прожектора. Если записывающий прожектор выключить, то потенциальный рельеф на мишени поддерживается воспроизводящим потоком и осциллограмма на экране трубки останется без изменений. Время хранения изображения в современных трубках составляет от нескольких часов до нескольких суток.
Различают два вида электронной памяти, применяемые в ЗЭЛТ: полутоновую и бистабильную.
Полутоновая ЗЭЛТ преобразует электрический сигнал в видимое изображение с полутонами, яркость которого в каждой точке пропорциональна значению исследуемого сигнала. Бистабильная ЗЭЛТ преобразует электрический сигнал в видимое изображение, которое имеет только два тона: светлый и темный, яркость изображения не зависит от значения исследуемого сигнала.
Осциллографы на полутоновых трубках (С8-12; С8-14) характеризуются большой скоростью записи — до 4000 км/с, широкой полосой пропускания — до 50 МГц, временем воспроизведения — 60 с, в течение которого обеспечивается непрерывное воспроизведение записанного процесса при максимальной скорости записи без потери качества изображения; временем сохранения записи — 7 ч, в течение которого при выключенном воспроизведении сохраняется изображение; погрешностью измерения напряжения и времени— 10 %. Осциллограф С8-14 позволяет одновременно исследовать четыре сигнала. Осциллографы на бистабильных трубках (С8-13; С8-17) обладают большей разрешающей способностью, большим временем воспроизведения (до 30 мин) при скорости записи 5—40 км/с; временем сохранения записанного изображения — 7 дн. Запоминающие осциллографы имеют сменные блоки (дифференциальный стробоскопический, со строчной разверткой) и могут быть с непосредственным переносом изображения на экране без изменения масштаба (в реальном времени) и с увеличением масштаба.
В практике измерений в настоящее время распространены масштабно-временные преобразователи с использованием ЗЭЛТ, позволяющих получить значение коэффициента масштабно-временного преобразования 106— 108 и более, что важно для преобразования сигналов микро- и наносекундной длительности. Различают два типа ЗЭЛТ, позволяющие производить запись с большими скоростями.
В ЗЭЛТ первого типа используются мишени, выполненные в виде матрицы полупроводниковых диодов, которые при облучении электронами записывающего луча усиливают наносимые (записываемые) заряды более чем в 2000 раз.
В ЗЭЛТ второго типа используются мишени, выполненные в виде микроканальных пластин (МКП), усиливающих ток луча подобно электронному умножителю. Микроканальная пластина является плоскопараллельной, перпендикулярно плоскостям расположено множество сквозных отверстий цилиндрической формы. Эти пластины изготовляют из диэлектрика, имеющего конечное сопротивление, с торцевых сторон на пластину наносят проводящие покрытия. Коэффициент вторичной электронной эмиссии больше 1. Как и ЗЭЛТ с диэлектрической мишенью, ЗЭЛТ с микроканальными пластинами содержат два электронных прожектора — записывающий и считывающий. Принцип работы преобразователей масштаба времени на основе ЗЭЛТ сводится к записи электронным лучом на мишени трубки, обладающей вторично-эмиссионными свойствами, линии потенциального (зарядного) рельефа, которая соответствует форме исследуемого сигнала и последующему дискретному считыванию электронным лучом этого рельефа. Благодаря диэлектрическим свойствам мишени записанный рельеф сохраняется длительное время, что позволяет производить запись информации с одной скоростью, а считывание с другой, более медленной. В момент появления сигнала считывания получаются соответствующие цифровые данные (в системе координат X и У) о мгновенных значениях амплитуды исследуемого сигнала и времени с учетом коэффициента преобразования масштаба (отношение скорости записи к скорости считывания). Имеется возможность также непосредственного наблюдения процессов записи и считывания на экране ЗЭЛТ. Специальный осциллограф С9-13, состоящий из преобразователя импульсных сигналов и устройства отображения, предназначен для исследования однократных и периодических сигналов с амплитудами от 20 мВ до 40 В, длительностью от 1 не до 0,5 мс. В осциллографе выполняется преобразование исследуемого сигнала в цифровую форму с помощью запоминающей ЗЭЛТ, электрическое считывание, запоминание преобразованного сигнала, визуальное отображение его на экране индикатора и двусторонний обмен информацией с каналом общего пользования.
Полоса пропускания осциллографа С9-13 составляет 0—1000 МГц; эквивалентная частота дискретизации — 40 ГГц; коэффициент отклонения от 10 мВ/дел до 1 В/дел.