Запоминающие цифровые осциллографы.

Рис. Запоминающие цифровые осциллографы (ЗЦО).

Осциллограф может работать в двух режимах. Если сдвоенный перек­лючатель П на­ходится в положении 1, то схема представляет обычный уни­версальный осциллограф, а если в положении 2 — то схема работает как ЗЦО.

Упрощенно принцип действия запоминающего цифрового осциллографа можно описать следующим образом. Исследуемый сигнал u_с(t) с входа Y по­дается через аттенюатор на информационный вход аналого-цифрового пре­образователя (АЦП). Из контроллера (управляющего устройства) на АЦП подаются еще и тактовые импульсы U_T с периодом следования Т. При по­ступлении в некоторый момент времени t_i одного из них, АЦП преобразует амплитуду сигнала u_c(t_i) в двоичный код U(t_i), т. е. набор кодовых чисел 0 и 1. В конце такого преобразования АЦП выдает на контроллер соответствующий сигнал. При этом цифровой код передается в определенную ячейку запоми­нающего устройства (ЗУ).

За время исследования сигнала U(t) в ЗУ накапливаются коды его ампли­туд U(t_i), U(t_i + T), U(t_i + 2T) и т.д.; там они могут храниться любое время, поскольку ЗУ, как известно, — энергонезависимое устройство. Для воспро­изведения хранимой информации по команде контроллера из памяти ЗУ выбираются (считываются) коды в требуемой последовательности и заданном темпе и подаются на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП каждый код преобразует в соответствующее ему напряжение. Эти напряжения передаются через усилитель на пластины Y. Осциллограмма представляет собой набор светящихся точек. Для получения непрерывной осциллограммы после ЗУ устанавливают блок сглаживания — по существу фильтр нижних частот (на рисунке не показан).

Основные достоинства ЗЦО: практически неограниченное время хране­ния информации; широкие пределы скорости ее считывания; возможность замедленного воспроизведения отдельных участков запомненного сигнала; яркие и четкие осциллограммы; возможность обработки информации в циф­ровом виде на компьютере или внутри самого осциллографа с помощью встроенного микропроцессора. Основной недостаток ЗЦО — из-за сравни­тельно невысокого быстродействия АЦП большинство осциллографов могут запоминать сигналы, имеющие частоту не выше 40 МГц.

ЭЛТ как устройство отображения запоминающего осциллографа имеет ряд недостатков: большие габариты (длина), высокие питающие напряжения, сравни­тельно малая долговечность. Поэтому в последние годы в ЗЦО используются матричные газоразрядные и жидкокристаллические индикаторные панели.

Скоростные и стробоскопические осциллографы.

При наблюдении и исследовании коротких импульсов (сигналов наносекундных длительностей) и колебаний СВЧ-диапазона возникает ряд сложно­стей, которые делают применение универсальных осциллографов затруднительным. Можно выделить шесть основных факторов, осложняющих приме­нение для этих целей универсальных осциллографов:

• влияние емкости пластин трубки на крутизну фронта исследуемого сигнала;

• паразитные резонансы, возникающие в цепях, образуемых емкостью пластин и индуктивностью подводящих проводов, включая вводы пластин; паразитная резонансная частота должна быть намного больше высшей гар­моники исследуемого сигнала;

• влияние конечного времени пролета электронов между пластинами ЭЛТ, которое составляет 1... 10 не; если за время нахождения электрона ме­жду пластинами сигнал изменится, то отклонение электронного луча будет непредсказуемо;

• необходимо иметь очень широкую полосу пропускания канала Y; полоса пропускания для передачи прямоугольного импульса приближенно может быть рассчитана по формуле , тогда при длительности импульса τ_и = 1 нс полоса пропускания составит 2,5 ГГц;

• для наблюдения наносекундных импульсов и колебаний СВЧ требуются высокие скорости движения луча по экрану; так, например, для получения изображения импульса длительностью τ_и = 5 нс на экране ЭЛТ шириной L = 100 мм скорость движения луча должна быть порядка v = 20 000 км/с (v = L/τ_и — скорость движения луча, L — размер изображения на экране);

• изображение на экране может оказаться очень бледным, поскольку луч вычерчивает осциллограмму с огромной скоростью.

Все отмеченные недостатки требуется учитывать при разработке скорост­ных осциллографов. В скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяются специальные ЭЛТ бегущей волны, что в результате не позволяет получить высокую чувствительность канала верти­кального отклонения (Sy ≈ 1 мм/В). Создание высокоскоростных разверток также встречает трудности; необходимо поднимать напряжение развертки до нескольких сотен вольт. Существующие серийные скоростные осциллографы имеют верхнюю граничную частоту 5.. .7,5 ГГц.

При исследовании быстротекущих процессов с малой амплитудой напря­жения, описанные скоростные осциллографы не пригодны из-за низкой чув­ствительности. Эта проблема решается с помощью специальной стробоско­пической приставки (преобразователя) 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 наблюдать очень короткие периодические импульсы и высокочастотные колебания. Они обладают большой чувствительностью, т.е. входные сигналы могут иметь малую амплитуду.

Стробоскопическимназывают электронный осциллограф, в котором для получения на экране ЭЛТ формы сигнала используется отбор его мгновен­ных значений (выборки сигнала) и выполняется временное преобразование, т.е. изображение сигнала дается в увеличенном масштабе времени. По суще­ству принцип действия заключается в преобразовании нескольких идентич­ных сигналов малой длительности в один, имеющий большую длительность и повторяющий форму входных сигналов. Скорость развертки уменьшают путем трансформации масштаба времени. На экране осциллографа появляет­ся изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличен­ном временном масштабе.

О бобщенная структурная схема стробоскопического осциллографа кроме узлов, типичных для универсальных осциллографов, содержит стробоскопи­ческий преобразователь и устройство стробоскопической развертки, вклю­чающее генератор развертки, генератор строб-импульсов (они играют роль переносчиков информации о сигнале) и блок автоматического сдвига, задаю­щий шаг считывания. Генератор развертки может работать в ждущем режи­ме, что позволяет исследовать повторяющиеся непериодические процессы.

О сновным устройством осциллографа является стробо­скопический преобра­зователь, в котором происходит дискретизация повторяющегося исследуемого сигнала с помощью кратковременных строб-импульсов. Временные диаграммы преобразователя входного сигнала.

Исследуемые импульсы Uc, длительностью τ и периодом повторения Тс подаются вместе со строб-импульсами U₂ на стробоскопический смеситель пре­образователя рис. а). Период следования строб-импульсов , где ∆t называется шагом считывания. Длитель­ность ∆t выбирают из условия (n — целое число). В результате этого преобразования оказывается, что пер­вый строб-импульс совпадает с началом первого импульса Uс (1), 2-й — сдвинут от начала 2-го (2) импульса Uс на ∆t, 3-й сдвинут от начала 3-го (3) импульса Uc на 2∆t и т. д..

На выходе смесителя появляются короткие импульсы U₃ (жирные линии с точкой), совпадающие по времени со строб-импульсами (U₂), но имеющие амплитуду, равную амплитуде исследуемых импульсов Uc в момент поступле­ния строб-импульсов U₂. Поэтому импульсы U₃называют строб-импульсами, промодулированными по амплитуде исследуемым сигналом £/с(рис. 7.13, б).

Как видно из диаграммы сигнала U3, огибающая промодулированных строб-импульсов (жирная штриховая линия на рис. 7.13, 6) практически по­вторяет форму исследуемых импульсов £/с, но по сравнению с ними растяну­та во времени. Импульсы С/3 усиливают, затем расширяют до требуемой длительности и подают через усилитель канала Y на отклоняющие пластины стробоскопического осциллографа. При этом на экране осциллографа с обычными ЭЛТ и пилообразной разверткой наблюдают форму импульсов Uc.

Для большей контрастности изображения плоские участки расширенного во времени исследуемого сигнала подсвечивают импульсами схемы подсвета луча. Таким образом изображение сигнала будет иметь вид светящихся чер­точек, что является характерным признаком осциллограммы стробоскопиче­ского осциллографа.

Степень растянутости наблюдаемого импульса во времени (временное преобразование) характеризуется коэффициентом трансформации масшта­ба времени , где п — число строб-импульсов, считывающих им­пульс Uс. Поскольку n = τ/∆t, то

В современных осциллографах К_тр достигает десятков тысяч, что позволяет при обычных развертках наблюдать форму наносекундных импульсов. Полоса пропускания современных стробоскопических осциллографов превышает 10 ГГц; уровень входного сигнала — от нескольких милливольт до десятков вольт; погрешность измерения 5...7,5 %

Осциллографирование непрерывных и импульсных сигналов (сие жизненно важно!!)

Поскольку основным требованием, предъявляемым к каждому измери­тельному прибору, является минимальная погрешность измерения, то при выборе осциллографа следует в первую очередь обратить внимание на его такие технические характеристики, как частотный диапазон, чувствитель­ность, размер экрана. При этом изображение должно занимать центральную часть экрана и составлять 70...80 % его площади. В цифровых приборах это требование обычно выполняется автоматически, Ширина луча должна быть минимальной при достаточной яркости. Следует также обращать внимание на входные параметры осциллографа. Так, у некоторых осциллографов вход­ное сопротивление порядка 1 МОм, что может оказывать шунтирующее дей­ствие на высокоомную исследуемую схему. То же неблагоприятное действие оказывает и входная емкость, которая вместе с емкостью соединительных проводов (кабелей) может составить несколько десятков пикофарад. При из­мерении импульсов и напряжений высоких частот для соединений источни­ков сигналов и внешних генераторов с осциллографом должны использовать­ся специальные высокочастотные кабели.