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.

1Возникающие 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.

2Влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта импульса.

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

4Следует 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 = 1нс полоса пропускания ∆f = 2ГГц.

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

6Изображение 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 ≈ 1мм/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 10ГГц.

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-импульсамиU₂ (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 U₃ (на рис. 10.14 б изображены жирными линиями с точками), которые совпадают по времени со строб-импульсами (U₂), но имеют амплитуду, равную амплитуде исследуемых импульсов U_c в момент поступления строб-импульсов U₂. Поэтому импульсы U₃ называют строб-импульсами, промодулированными по амплитуде исследуемым сигналом U_c (см. рис. 10.14 б).

Диаграмма сигнала U₃, 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 U₃ 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.

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

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

3Использование 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... 50МГц;

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

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

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

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

Ø размер экрана — 80Í100мм.

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.