Электронно-лучевые осциллографы

ГЛАВА 9

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

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.

Анализаторы спектра частот

Разложение в ряд Фурье сигнала сложной формы позволяет представить его в виде суммы гармоник, каждая из которых имеет свое максимальное значение, частоту и фазу. Совокупность этих гармоник определяет спектр сигнала. Наиболее полное представление о спектральном составе сигнала дает распределение амплитуд или мощности по частотам (между амплитудой гармоник и ее мощностью существует однозначная зависимость). Экспериментальный анализ спектра сигнала проводится с помощью анализаторов — высокочастотных и низкочастотных.

Различают два метода анализа спектров: одновременный (параллельный) и последовательный.

При одновременном анализе спектра используют совокупность идентичных узкополосных фильтров, каждый из которых настроен на разные достаточно близкие частоты f₁, f₂, ....При одновременном воздействии исследуемого сигнала на все фильтры каждый фильтр выделяет соответствующую его настройке составляющую спектра. Максимум каждой гармоники измеряют селективным пиковым вольтметром, их частоту — по шкале настройки фильтра. Анализаторы, работающие по методу одновременного анализа, громоздки, но обладают более высокой скоростью анализа, поэтому их можно применять для анализа спектра одиночных импульсов в области низких частот.

При последовательном анализе спектра исследуемый сигнал воздействует на один узкополосный фильтр, который последовательно перестраивается в широкой полосе частот. При каждой настройке фильтр выделяет очередную гармонику и селективный пиковый вольтметр измеряет ее амплитуду. В качестве перестраивающихся фильтров обычно применяют Т-образные RC-мосты. Наибольшее распространение получили осциллографические анализаторы спектра, в которых вместо перестраиваемого фильтра используется один узкополосный фильтр с фиксированной настройкой и гетеродинный принцип преобразования частоты. Гетеродин представляет собой маломощный генератор перестраиваемой (качающей) частоты, позволяющий весь спектр частот исследуемого сигнала перемещать по отношению к фиксированной частоте фильтра.

Рис. 9.19. Схема анализатора спектра

Схема анализатора спектра представлена на рис. 9.19, где осциллографическии анализатор спектра представляет собой панорамное устройство, с помощью которого можно наблюдать спектр частот исследуемого сигнала на экране ЭЛТ в прямоугольной системе координат в виде вертикальных линий. Абсциссы определяют частоту гармоник, а высота вертикальных линий (ординат) соответствует максимальным значениям напряжения или мощности.

Исследуемый периодический сигнал сложной формы через аттенюатор, ограничивающий его амплитуду, поступает на смеситель, ко второму входу которого подводится напряжение генератора качающей частоты. Линейное изменение частоты во времени (качание частоты) производится изменением напряжения генератора развертки, подаваемого одновременно на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Вследствие перемещения электронного луча по горизонтали пропорционально частоте горизонтальная ось является осью частот.

В результате взаимодействия частоты исследуемого сигнала с частотой /г генератора качающей частоты исследуемый сигнал преобразуется в сигнал разностной промежуточной частоты f_ф=f_г—f_c. Узкополосный фильтр, настроенный на фиксированную промежуточную частоту f_ф, имеет узкую полосу пропускания. Гармоники, частота которых лежит в полосе пропускания узкополосного фильтра f_ф ±Δf, усиливаются и после детектирования в квадратичном детекторе (см. гл. 6) и усиления в видеоусилителе поступают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Отклонение луча по вертикали пропорционально амплитуде определенной узкой полосы спектра исследуемого сигнала от f_ф - Δf до f_ф + Δf. Амплитуда каждой составляющей спектра пропорциональна ее мощности (при использовании квадратичного детектора) или напряжению (при использовании линейного детектора).

Так как горизонтальная развертка луча происходит синхронно с изменением частоты гетеродина под действием одного и того же пилообразного напряжения, на экране ЭЛТ будет наблюдаться графическое изображение спектра частот исследуемого сигнала. Количество наблюдаемых полосок определяется числом сигналов, поступающих в анализатор за время одного периода развертки Т_р осциллографа (цикла качания частоты ).

Анализатор содержит калибратор частоты, состоящий из генератора, идентичного генератору качающей частоты, и модулятора. Для создания калибровочных частотных меток калибровочный гетеродин работает на частоте f_клб, близкой к средней частоте основного гетеродина. Его колебания модулируются по амплитуде колебаниями частоты F_мoд, создаваемыми модулятором и образующими спектр частот f_клб±n F_мoд (где n = 1, 2, ...), расстояние между которыми равно частоте F_мoд модулирующего напряжения. Колебания калибратора через собственный аттенюатор, позволяющий регулировать амплитуду меток, воздействуют на смеситель. При совпадении частоты основного генератора качающей частоты с частотой калибратора возникают нулевые биения, приводящие к появлению всплесков (меток) на кривой спектра через выбранные частотные интервалы F_мoд

Основные характеристики анализатора спектра:

рабочий диапазон частот — диапазон частот, в котором анализируются спектры сигналов, определяемый диапазоном перестройки генератора качающей частоты;

разрешающая способность — минимальное расстояние по оси частот между двумя составляющими спектра, при котором могут быть выделены отдельные линии и измерены их уровни. Разрешающая способность в основном определяется шириной полосы пропускания усилителя промежуточной частоты и диаметром светового пятна на экране. Чем меньше At, тем большее число спектральных составляющих можно различать на экране.

Фиксированную промежуточную частоту /ф выбирают таким образом, чтобы при минимальной длительности исследуемого импульса ta изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу приемника, не накладывалось на спектрограмму основного канала;

время анализа — время, в течение которого получают изображение исследуемого спектра на экране анализатора. За это время частота напряжения гетеродина изменяется от минимального до максимального значения. Время анализа обратно пропорционально квадрату разрешающей способности.

Промышленностью выпускаются осциллографические анализаторы спектра СЧ-27; СЧ-28, предназначенные для исследования спектра повторяющихся радиоимпульсов и непрерывных периодических сигналов с диапазоном рабочих частот 0,01—39,6 ГГц; анализаторы спектра СЧ-30; СЧ-31; СЧ-32 — для исследования спектра повторяющихся радиоимпульсов непрерывных периодических колебаний с рабочей фиксированной частотой соответственно 30, 60, 26 МГц; анализатор спектра СЧ-46 —для визуального наблюдения и относительного измерения спектральных составляющих спектра непрерывных периодических сигналов и формы спектра стационарных шумов с рабочим диапазоном частот 0,1—270 МГц.

Для подавления возможного проникновения в канал УПЧ составляющих «зеркальной помехи» анализаторы спектра реализуются с двух- или трехкратным преобразованием частоты.

ЗАДАЧИ

9.1. Изобразить осциллограмму, которая должна получиться на экране осциллографа, если частота / исследуемого сигнала синусоидальной формы равна 5 кГц, а частота fP линейно изменяющегося напряжения развертки идеальной формы равна 4 кГц.

9.2. Как определить экспериментально нелинейность развертывающего напряжения осциллографа? ■

9.3. Какова должна быть скорость развертки универсального моноблочного осциллографа для наблюдения прямоугольного импульса длительностью /И=Ш не и частотой следования f=100 кГц по всей длине рабочей части экрана 36X60 мм? Полученное значение скорости развертки сравнить со скоростью развертки стробоскопического осциллографа, приняв шаг считывания At= 1 не.

Ответ: 6000 км/с, 0,6 км/с.

9.4. Какова скорость развертки, если диапазон длительности развертки в осциллографе изменяется от 50 мс/дел. до 0,2 мке/дел (1 дел.=6 мм)?

Ответ: 0,12 м/с; 30 км/с.

9.5. При подаче сигнала на открытый вход осциллографа на экране получилась осциллограмма, изображающая сигнал при двух-полупериодном выпрямлении (см. гл. 6). При реализации закрытого входа осциллограмма опустилась на три деления. Определить максимальное значение сигнала, если коэффициент отклонения по вертикали равен 0,2 В/дел.

Ответ: 0,9 В.

ГЛАВА 9

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ