Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 23

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 23)

Если требуется наблюдать процессы с частотой менее 10 Гц, используют экраны с послесвечением средней продолжительно­сти до 100 мс. Для фоторегистрации более предпочтителен лю­минофор с малым (0,01 с) послесвечением. При исследовании медленно меняющихся процессов применяют экраны, имеющие послесвечение более 0,1 с.

Напряжение развертки при прямом ходе луча трубки должно быть линейным, иначе появятся искажения исследуемого сигнала (рис. 5.7, а). Нелинейность рабочего участка развертки прямого хода луча характеризуют коэффициентом нелинейности:

физический смысл которого поясняет рис. 5.7, б. 170

Коэффициент нелинейности выражает относительное изменение скорости нарастания напряжения в начале и конце рабочего хода развертки; дол­жен быть менее 1%.

Практически линейную развертку на экране ЭЛТ при ограниченном уровне питающего напряжения Е можно создать в схемах интеграторов на ОУ (рис. 5.8). Операцион­ный усилитель относится к «идеальным» устройствам — поэтому в схеме ток i₀ = 0. С уче­том этого равенства токи i_R=u_вх/R и i_C=-Cdu_вых/dt. Приравняв эти токи и полагая RС=τ_а, после несложных преобразований, получим:

т.е. устройство осуществляет линейное интегрирование напряже­ния развертки.

Двухканальные и двухлучевые осциллографы

Двухканальные осциллографы имеют два идентичных канала вертикального отклонения (вход первого — Y1, второго — Y2) и электронный переключатель, который может поочередно пода­вать выходные сигналы каналов на одни и те же пластины Y. В зависимости от управления работой электронного переключателя можно реализовать следующие основные режимы работы осцил­лографа: одноканальные (на экране виден один сигнал, подавае­мый на Y1 или Y2); поочередный (на экране видны оба сигнала за счет переключения электронного переключателя во время каждо­го обратного хода развертки).

Двухлучевые осциллографы имеют два канала Y и специаль­ную двухлучевую ЭЛТ, в которой есть две независимые элек­тронные пушки и пара систем отклоняющих пластин. Горизон­тальная развертка лучей общая и она запускается от генератора развертки, а вертикальная — каждая от «своего» канала Y, что позволяет наблюдать на экране осциллограммы двух сигналов (без их периодического прерывания, как в двухканальных). Такие осциллографы намного сложнее схемотехнически и дороже двухканальных.

Автоматизация процесса измерений в осциллографах

Автоматизация процесса измерений дает значительный вы­игрыш во времени и в ряде случаев существенно повышает точ­ность измерений.

Автоматическая установка масштабов по осям X и 7. Дей­ствие автоматической установки масштабов заключается в том, что при изменении амплитуды и длительности входного сигнала в интервале динамического диапазона осциллографа размеры изображения остаются постоянными или меняются в заданных пределах. При этом производится цифровая индикация коэффи­циентов отклонения и развертки либо на специальном индикато­ре, либо непосредственно на экране ЭЛТ.

Автоматизация регулировки яркости изображения. Регули­ровка яркости изображения — необходимая операция при осциллографировании. Она занимает много времени, так как яркость зависит от скорости перемещения луча по экрану, связанной с видом сигнала и величиной масштаба. Кроме того, яркость изо­бражения не остается постоянной в пределах экрана, поскольку изображение содержит участки, которые луч проходит с разной скоростью. Для получения одинаковой яркости изображения применяют метод автоматической модуляции луча ЭЛТ. Уровень общей яркости устанавливают для наиболее благоприятных ус­ловий наблюдения. Выравнивание изображения по яркости уве­личивает точность измерения, особенно в случаях, когда сигнал имеет участки с резко отличающейся скоростью изменения на­пряжения (например, импульс с крутыми фронтами). Так как фо­кусировка луча зависит от яркости, в современных осциллогра­фах применяют систему автофокусировки. При этом напряжение на фокусирующих электродах ЭЛТ автоматически меняют при вариации яркости луча.

5.3. Запоминающие осциллографы

При исследовании одиночных импульсов и периодических сигналов с большой скважностью используют запоминающие ос­циллографы, основой которых являются запоминающие трубки.

Запоминающие ЭЛТ содержат те же элементы, что и ЭЛТ универсального осциллографа, а также дополнительно оснаща­ются узлом памяти и системой воспроизведения изображения. Узел памяти состоит из двух плоских сеточных электродов, рас­положенных параллельно экрану (рис. 5.9). Непосредственно у экрана находится мишень, покрытая слоем диэлектрика. Поверх мишени помещен другой электрод в виде сетки с более крупной структурой — коллектор.

Изображение записывается электронным лучом высокой энергии (записывающий луч). Электроны луча оседают на мишени, причем количество заряда пропорционально току луча. При перемещении луча на мишени создается потенциальный рельеф, повторяющий форму осциллограммы. После прекращения действия сигнала потенциальный рельеф мишени охраняется длительное время. Наблюдать записанное изображение позволяет воспроизводящая система, состоящая из подогреваемого катода К', анода А'₂ и модулятора М' (см. рис. 5.9). Катод трубки создает поток электронов малой энергии, плотность которого регулируют модулятором М'. В результате формируется широкий расфокусированный пучок электронов, равномерно облучающий мишень. Потенциал мишени подобран таким образом, чтобы при отсутствии записанного изображения медленные электроны воспроизводящего пучка не могли через нее пройти. При наличии потенциального рельефа в этих точках мишени часть электронов проходит к экрану, вызывая его све­чение. На экране появляется осциллограмма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Стирают запись пода­чей на коллектор отрицательного импульса, выравнивающего потенциал мишени.

У запоминающей ЭЛТ выделяют три характерных режима работы:

1. наблюдение сигнала без записи изображения; на коллекторе
   небольшое положительное напряжение U_кол=+50 В, на мишени
   нулевой потенциал U_миш=0 и она прозрачна для быстро летящих электронов;

2. режим записи; U_кол=+50 В, на мишень подают положительный потенциал U_миш=30 В, и мишень становится менее прозрач­на, поэтому быстро летящие электроны выбивают вторичные электроны и создают на мишени положительный потенциальный рельеф, который остается длительное время;

3. режим воспроизведения; потенциал мишени снова становит­ся нулевым U_миш= 0, кроме тех мест, где записан рельеф; мишень облучается широким потоком медленно летящих электронов с воспроизводящей системы, для этого потока мишень прозрачна только в местах рельефа, где записан сигнал.

Запоминающие ЭЛТ характеризуют следующие параметры:

1. яркость свечения экрана в режиме воспроизведения регули­руют напряжением модулятора системы воспроизведения и мо­жет быть высока, так как воспроизведение производится непре­рывно;

2. время воспроизведения изображения в основном ограничи­вается устойчивостью потенциального рельефа к ионной бомбар­дировке; в современных ЭЛТ время воспроизведения может достигать десятков минут;

3. время сохранения записи определяют при снятом с ЭЛТ на­пряжении;

4. скорость записи характеризует быстродействие ЭЛТ в режи­ме запоминания и ее определяют временем, необходимым для создания потенциального рельефа достаточной величины.

Последние модели запоминающих ЭЛТ имеют скорость за­писи сигналов от 2,5 до 4000 км/с.

Матричная индикаторная панель. Новым отображающим устройством, применяемым в современных осциллографах с ана­лого-цифровым и полностью цифровым преобразованием исследу­емого сигнала, является матричная индикаторная панель. Она пред­ставляет собой совокупность расположенных определенным образом отдельных дискретных излучателей (жидкокристалличе­ских, газоразрядных, твердо­тельных, плазменных и т.д.). На рис. 5.10 показана кон­струкция матричной газораз­рядной панели.

Матричная панель со­держит две стеклянные пластины 1, на внешних поверхностях которых напылены тонкие проводящие полоски — аноды 2 и катоды 3. Аноды располагают на лицевой пла­стине, через которую проходит световое излучение, поэтому их делают прозрачными. Между пластинами помещают диэлектрическую матри­цу 4 с отверстиями, образующими газоразрядные (или другие) ячейки в точках перекрестия электродов. Панель заполняют гелий-неоновой смесью и герметизируют. Изображение исследуемого сигнала воспроизводят поочередным свечением газоразрядных ячеек. Для этого со схемы управления панелью на аноды и катоды пластин подают соответственно положительный и отрицательный импульсы напряжений поджига. Номер анода, на который подают импульс напряжения поджига, определяет строку развертки, а но­мер катода — столбец; на их перекрестии располагается светящая­ся ячейка панели. Такой принцип управления лучом развертки на­зывают матричным, на практике его реализуют цифровыми методами и устройствами.

Преимущества матричных индикаторных панелей: малые габа­риты и вес, низкие напряжения питания; в них отсутствуют геомет­рические искажения, светящаяся точка стабильна. Разработаны па­нели с внутренней памятью, способные не только воспроизводить, но и запоминать изображение сигнала. Цифровой принцип управле­ния позволяет достаточно просто совместить изображение сигнала с цифробуквенной индикацией его параметров на одном экране. К не­достаткам матричных индикаторных панелей следует отнести слож­ность схемы управления, сравнительно невысокую разрешающую способность и низкое быстродействие.

Запоминающие цифровые осциллографы. В последние годы широкое применение в измерительной технике находят запоми­нающие цифровые осциллографы (ЗЦО). Структурная схема ЗЦО приведена на рис. 5.11. 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 ЗЦО можно описать следую­щим образом. Исследуемый сигнал u_с(t) с входа Y подают через аттенюатор на информационный вход аналого-цифрового преоб­разователя (АЦП). Из контроллера (управляющего устройства) на АЦП подаются еще и тактовые импульсы U_Т с периодом следо­вания Т. При поступлении в некоторый момент времени t_i одно­го из них, АЦП преобразует амплитуду сигнала u_с(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 передают в определенную ячейку запо­минающего устройства (ЗУ).

За время исследования сигнала Ц(1) 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. Для воспроизведения хранимой инфор­мации по команде контроллера из памяти ЗУ коды считывают в требуемой последовательности и заданном темпе и подают на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который каждый код преобразует в соответствующее ему напряжение. Эти напряжения передают через усилитель на пластины У. Осциллограмма пред­ставляет собой набор светящихся точек. Для получения непре­рывной осциллограммы после ЗУ устанавливают блок сглажи­вания — фильтр нижних частот (на рис. 5.11 не показан).

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 с помощью встроенного микропроцессора. Недостаток ЗЦО — из-за сравнительно невысокого быстродействия АЦП большинство осциллографов могут запоминать сигналы, имеющие частоту не выше 100 МГц. Электронно-лучевая трубка ЗЦО также имеет ряд недостатков: большие габариты (длина), высокие питающие нап­ряжения, сравнительно малая долговечность. Поэтому в последние годы в ЗЦО используют матричные газоразрядные и жидкокристаллические индикаторные панели.

5.4. 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 не­сколько основных факторов, затрудняющих применение для этих целей универсальных осциллографов:

1. влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта исследуемого сигнала;

2. паразитные резонансы, возникающие в цепях, образуемых емкостью пластин и индуктивностью подводящих проводов, включая вводы пластин;

3. влияние конечного времени пролета электронов между пла­стинами ЭЛТ, составляющее 1... 10 не;

4. необходимо иметь широкую полосу пропускания канала Y; полосу пропускания для передачи прямоугольного импульса приближенно можно рассчитать по формуле ∆f≈2,5/τ_и, тогда при длительности импульса τ_и= 1 не полоса пропускания ∆f=2,5 ГГц;

5. для наблюдения наносекундных импульсов и СВЧ-колебаний требуются высокие скорости движения луча по экрану; так, например, для получения изображения импульса длительностью τ_и = 5 не 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).

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

Характеристики

Список файлов книги