Принцип работы потенциалоскопа

Потенциалоскоп – это электронно-лучевая трубка с накоплением заряда на диэлектрике, на поверхности которого заряд образуется от электронного луча. Образовавшийся заряд (потенциальный рельеф) способен длительное время (в крайнем случае период повторения) сохраняться неизменным, что используется в качестве вычитающего устройства.

Потенциалоскоп состоит из электронной пушки, отклоняющей системы, диэлектрической мишени, сигнальной пластины, коллектора, барьерной сетки (рис. 6.1, слайд № 404).

Основным элементом потенциалоскопа является диэлектрическая мишень, облучаемая электронным лучом. Диэлектрическая мишень состоит из громадного количества мельчайших отделенных друг от друга пластин диэлектрика и образуют как бы мозаику. Каждый элемент мишени представляет собой тонкую пленку изолятора, например, слой окиси алюминия толщиной около 0,1 мм, нанесенную на металлическую пластинку.

При бомбардировке мишени из нее выбиваются вторичные электроны, которые попадают на коллектор (собиратель), представляющий собой металлический усеченный конус, или проводящий слой, нанесенный с внутренней стороны колбы. К коллектору подводится положительный потенциал источника Е_к. Ток коллектора образует вторичные электроны. В коллекторную цепь включено сопротивление нагрузки R_н.

Отклоняющая система обеспечивает развертку луча по мишени. Чаще всего применяется спиральная развертка с помощью двух пар, горизонтально и вертикально отклоняющих катушек для лучшего использования площади мишени. Для обеспечения спиральной развертки ток представляет нарастающее синусоидальное напряжение со сдвигом в 90^о (рис 6.2, слайд № 405).

Развертка начинается с каждым импульсом запуска и на длину спирали записывается эхо-сигнал одного такта.

Барьерная сетка предназначена для перехвата вторичных электронов, имеющих малую энергию выхода и возвращающихся к мишени. Эти электроны искажают потенциальный рельеф, поэтому они попадают на довольно редкую барьерную сетку, имеющую нулевой потенциал.

Материал диэлектрической мишени и рабочий режим, обеспечиваемый ускоряющими полями, должны обеспечивать величину коэффициента вторичной эмиссии больше единицы.

σ = (п₂ / п₁) >1,

где п₂ – число вторичных электронов;

п₁ – число первичных электронов.

В этом режиме входные электрические сигналы, подлежащие записи на диэлектрической мишени, подводятся к сигнальной пластине. Мишень и сигнальная пластина образуют единое целое – алюминиевую пластину, обработанную химическим путем так, что со стороны электронной пушки образуется окись, являющаяся диэлектриком.

В потенциалоскопах с барьерной сеткой напряжение входного сигнала, подводимого к зажимам «сигнальная пластина – барьерная сетка», делится емкостным делителем. Он состоит из конденсаторов С1х, где С1х – емкость элемента мишени, представляющего собой элементарный конденсатор, одной из обкладок которого является площадь сечения подвижного электронного пучка, а другой – сигнальная пластина, С2х - элементарная емкость промежутка «барьерная сетка – поверхность мишени» (рис. 6.3, слайд № 406).

Вследствие деления входного напряжения влияние на вторичные электроны (ток коллектора), уходящие с мишени коллектора, оказывает не все напряжение, а только та его часть, которая действует на промежутке между барьерной сеткой и поверхностью мишени. Это напряжение называется действующим

U_д = С1х /(С1х + С2х)· U_вх

Входные сигналы, поступающие на сигнальную пластину потенциалоскопа, представляют собой отраженные сигналы от подвижных и неподвижных объектов (рис. 6.4, слайд № 407).

С включением анодного напряжения начинается перемещение луча по мишени, которая до этого была электрически нейтральна. При попадании первичных электронов на нейтральную мишень число вторичных электронов больше первичных, так как при первой развертке σ₁ >1. Со второго такта на вторичные электроны действует остаточный заряд на мишени σ₂ < σ₁, то есть количество вторичных электронов уменьшается. Через несколько периодов повторения наступает динамическое равновесие, устанавливается режим, при котором σ =1 (рис. 6.5, слайд № 408).

Таким образом, при динамическом равновесии потенциалы всех элементов поверхности мишени достигают напряжения равновесия U_р , положительного относительно барьерной сетки. Это явление можно трактовать как заряд элементарных конденсаторов С1х и С2х. Коллекторный ток образуется вторичными электронами. В установившемся режиме

U_вых = Е_к – i_к·R_н,

где i_к - коллекторный ток;

R_н - сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.

Запись положительного одиночного импульса

Если входной сигнал положительной полярности, то U_д совпадает с U_р. Поэтому тормозящее электрическое поле для всех вторичных электронов в промежутке «барьерная сетка – мишень» возрастает и из точки мишени, в которой записывается входной сигнал, вылетает меньшее число вторичных электронов относительно равновесного. Следует обратить внимание на то, что входной сигнал от одиночной цепи записывается на мишени точечным зарядом (рис. 6.5).

Коллекторный ток уменьшается и на R_н в цепи коллектора возникает положительный входной сигнал, пропорциональный амплитуде входного сигнала

U_к = Е_к – i_к·R_н.

Следовательно, подведение к сигнальной пластине вычитающего потенциала положительного импульса сопровождается возникновением на R_н сигнала положительной полярности, а также понижением потенциала мишени в точке, где записан сигнал. При записи сигнала положительно полярности σ < 1.

Запись отрицательного одиночного импульса

Если входной сигнал отрицательный, то действующее напряжение U_д не совпадает по знаку с равновесным. Электрическое поле в промежутке «мишень – барьерная сетка» для вторичных электронов будет ускоряющим, и большее количество электронов попадет на коллектор. Коллекторный ток увеличится и на выходе возникнет отрицательный импульс. На мишени входной сигнал будет записан положительным зарядом. При записи отрицательного сигнала σ > 1.

Списывание одиночных сигналов

При развертке луча по мишени он перемещается по одним и тем же участкам с каждой новой разверткой. Рассмотрим случай, когда в первом такте расписаны одиночные импульсы, а во втором такте луч движется по спирали по старому следу, а на вход сигнала не поступает.

При попадании луча в точку 1 ( рис. 6.5), где в предыдущем такте записан положительный импульс в виде отрицательного заряда, на вторичные электроны действует остаточный заряд. Так как заряд отрицательный, то количество вторичных электронов увеличивается.

На выходе возникает отрицательный импульс. Потенциал в точке 1 станет равновесным. При попадании первичных электронов в точку 2, где находится положительный заряд, некоторая их часть рекомбинирует с положительным зарядом. При этом σ < 1 и заряд точки 2 станет равновесным. На выходе возникает положительный импульс.

Итак, записанный в предыдущем такте импульс положительной полярности повторяется на выходе тоже положительным, а при списывании будет на выходе отрицательным. Это свойство изменения полярности сигналов на выходе при записи и списывании используется в компенсирующих устройствах (рис. 6.6, карточка ТУ № 95).

Принцип компенсации помех

Вход потенциалоскопа подключается к выходу фазового детектора. Структура сигналов показана на рис. 6.7 а (слайд № 409). В случае поступления на вход потенциалоскопа пачки импульсов от неподвижного объекта происходит следующее. В первом такте (0 – Т_п) происходит запись первого импульса пачки на мишени в виде точечного заряда и, кроме того, первый импульс наблюдается на выходе положительного сигнала. Во втором такте (Т_п – 2Т) при подходе луча к точке 1 на вторичные электроны будут действовать две противоположные силы: остаточный заряд от предыдущего такта и действующее значение входного сигнала настоящего такта. Входной сигнал стремится увеличить число вторичных электронов, а остаточный заряд уменьшить. Так как амплитуда видеосигналов от неподвижного объекта в каждом такте одинакова, то и величина противоположных сил, действующих на электрон, тоже одинакова. Следовательно, луч, пройдя над точкой 1, не изменит величину коэффициента вторичной эмиссии, а это значит, что на выходе потенциалоскопа сигнала не будет, то есть он скомпенсирован. Потенциал в точке 1 не изменит своей величины. По окончании пачки произойдет списывание, на выходе появится импульс отрицательной полярности, потенциал в точке 1 станет равновесным. Таким образом, произошла компенсация сигналов от неподвижных объектов.

Если на вход поступает пачка импульсов от подвижного объекта, у которой амплитуда изменяется, то на вторичные электроны действует та из сил, которая имеет большую величину, то есть либо заряд от предыдущего такта, либо входной сигнал настоящего такта (рис. 6.7 б). Для рисунка 6.7 действие двух сил в тактах 0 – Т_п и Т_п – 2Т складывается, так как импульсы в этих тактах имеют противоположные полярности. Заряд точки мишени изменяется, в данном случае он был в первом такте положительным, а во втором такте отрицательным. Число вторичных электронов изменилось, и на выходе образовался суммарный сигнал.

Таким образом, на вход потенциалоскопа проходят сигналы от подвижных объектов, амплитуда которых равна разности от вычитания сигналов двух соседних периодов.

Второй учебный вопрос.

Способы подключения нагрузки к потенциалоскопу

В вычитающем потенциалоскопе снятие выходных сигналов можно произвести с R_н , включенного в цепь коллектора, экранной или барьерной сеток или сигнальной пластины, то есть с тех электрических цепей, в которых ток образуется вторичными электронами. Параметры потенциалоскопа будут наилучшими при включении нагрузки в цепь сигнальной пластины, но при этом необходимо разделить входные и выходные сигналы, так как те и другие действуют в одной электрической цепи «сигнальная пластина – барьерная сетка». Для разделения применяется способ преобразования выходных сигналов в радиоимпульсы за счет модуляции первичного луча синусоидальным напряжением частотой S – 15 МГц. Схема включения потенциалоскопа при этом имеет следующий вид (рис. 6.8, слайд № 410).

Выходное напряжение снимается с контура LC, нижний вывод которого по высокой частоте конденсатором C подключен к корпусу. Сопротивление R выполняет роль утечки. Дроссель Др не пропускает на вход напряжение модулирующей частоты. Для входного сигнала, имеющего вид видеоимпульса, сопротивление Др и L мало. При подаче входного сигнала происходит изменение заряда элементарных конденсаторов по цепи: барьерная сетка, корпус, конденсатор C, контур LC, сигнальная пластина, мишень. Для высокочастотных сигналов сопротивление конденсаторов C и C1 мало, а для видеоимпульсов велико.

При развертке по мишени, модулированной по плотности первичным лучом, вторичный ток также изменяется по закону модулирующего высокочастотного напряжения. Поэтому при подаче на сигнальную пластину входных видеоимпульсов на нагрузке возникает не видео, а радиоимпульсы тока модулирующей частоты. В цепях барьерной сетки и сигнальной пластины возникают высокочастотные токи сигналов, фаза которых совпадает или отличается на 180^о от фазы модулирующего напряжения в зависимости от полярности остатков при вычитании (рис. 6.9, слайд № 411).

Если остаток от вычитания положительный, то выходной сигнал – радиоимпульс находится в фазе с модулирующим напряжением, а если отрицательный – в противофазе.

Итак, на выходе потенциалоскопа видеоимпульсы с одинаковой амплитудой на каждом такте компенсируются, сигналы от подвижных цепей, имеющие изменяющуюся амплитуду, наблюдаются на выходе в виде радиоимпульсов, амплитуда которых пропорциональна разности входных сигналов, а знак разности определяет фазу несущей частоты радиоимпульса.

Получение двухканального выходного сигнала

В компенсирующих устройствах с двукратным вычитанием выходные сигналы первого потенциалоскопа необходимо преобразовать в видеоимпульсы, чтобы подать их на второй потенциалоскоп (рис. 6.10, слайд № 412).

Если применять амплитудный детектор, то теряется информация о фазе радиоимпульсов, и появляются дополнительные слепые скорости (рис. 6.11, слайд № 413). Из рисунка видно, что на выходе второго потенциалоскопа (U_вх2 ) амплитуда видеоимпульсов одинаковая и второй потенциалоскоп компенсирует такую серию импульсов, хотя эти сигналы от подвижного объекта, перемещающегося с оптимальной скоростью. Поэтому применяется синхронный детектор, являющийся разновидностью фазового, имеющего сдвиг по фазе на 0 и π₀. На один вход синхронного детектора поступают выходные радиоимпульсы первого потенциалоскопа, а на второй – модулирующее напряжение. В синхронном детекторе сигналы суммируются, а затем детектируются (рис. 6.12, слайд № 414).

Таким образом, применяя синхронный детектор, сохраняется информация о полярности остатка от вычитания. После второго потенциалоскопа применяется амплитудный детектор.

В некоторых схемах модулирующее напряжение подается не на синхронный детектор, а в цепь сигнальной пластины, где происходит взаимодействие входных радиоимпульсов с модулирующим напряжением.

Третий учебный вопрос.

Параметры потенциалоскопа

Основными параметрами, характеризующими работу потенциалоскопа при компенсации пассивных помех, являются:

- коэффициент перезаряда п;

- коэффициент подавления Р_н ;

- динамический диапазон Д.

Коэффициент перезаряда характеризует свойство накапливать заряд, пропорциональный амплитуде сигнала.

Полной компенсации сигналов с одинаковой амплитудой не происходит по многим причинам. Одними из них являются:

- несовершенство диэлектрика мишени;

- возвращение вторичных электронов на мишень и др.

Подавление помех оценивается коэффициентом подавления. Заряд диэлектрика может иметь пределы изменения, которые оцениваются динамическим диапазоном.

Для измерения параметров на потенциалоскоп подается серия импульсов, имитирующая неподвижный объект (рис. 6.13, слайд № 415)

В идеальном случае из пачки импульсов одинаковой амплитуды остается первый и последний импульс. В реальных условиях заряд и разряд, пропорциональный амплитуде, наступает за несколько тактов, кроме того, имеются остатки от вычитания U_ост и помехи 2U_п.

Коэффициентом перезаряда называется отношение разности амплитуд первого и второго сигналов списывания к амплитуде первого сигнала списывания при подаче на вход потенциалоскопа пачки калиброванных импульсов

.

Коэффициент перезаряда должен быть больше 0,8.

Коэффициентом подавления называется отношение амплитуды первого выходного сигнала записи U_{вых зап} к амплитуде установившегося остатка U_ост при подаче на вход пачки калиброванных импульсов

P_н = U_{вых зап} U_ост.

Коэффициент подавления должен быть не менее 7.

Динамическим диапазоном называется отношение изменения амплитуд выходных сигналов записи и списывания к полному размаху собственных помех при подаче на вход потенциалоскопа пачки калиброванных импульсов

.

Динамический диапазон должен быть не менее 10.

Изменение η, Р_н, Д производится с помощью осциллографа, на котором наблюдаются выходные сигналы потенциалоскопа (рис 6.13).

Отсчет амплитуд осуществляется по шкале. Значения параметров вычисляются по вышеприведенным формулам.

Вывод по занятию

В настоящее время в аппаратуре защиты от пассивных помех в качестве элемента компенсации нашел место вычитающий потенциалоскоп. Для развязки входного и выходного сигналов производится модуляция тока луча высокочастотным напряжением.

Качество работы потенциалоскопа определяется его параметрами – коэффициентом перезаряда, подавления и динамическим диапазоном.

Заключительная часть

- Вывод по занятию;

Достигнуты учебные цели;

Вопросы для контроля усвоения материала

Задание на самоподготовку:

Слуцкий В.З. Импульсная техника и основы радиолокации. М., МО. Стр. 420-430.

Окончание занятия;

Руководитель занятия: