Лекция 4 осциллографирование импульсных процессов

5.1. Электронно-лучевые осциллографы

В высоковольтных измерениях наибольшие трудности возникают при осциллографировании быстро изменяющихся высоких напряжений и больших токов, которые выполняются электронно-лучевыми или цифровыми осциллографами.

Максимальные значения токов могут достигать миллионов ампер, а напряжения ­ миллионов вольт. При таких значениях применяют опосредованные элементы (делители, шунты, пояса Роговского), требованием к которым является снижение уровня сигнала, подаваемого на осциллограф без искажений. В процессе преобразования и передачи сигнала по кабелю к осциллографу и его электронно-лучевом отображении возникают его искажения и соответственно погрешности, которые создаются главным образом индуктируемыми в цепи передачи электромагнитными помехами.

Рассмотрим блок схему электронно-лучевого осциллографа, используемого в высоковольтных импульсных измерениях. Его блок-схема приведена на рис. 4.1.

Особенности таких осциллографов следующие:

- отсутствие входного усилителя сигнала;

- наличие внешней линии задержки измеряемого импульса;

- наличие генератора подсветки;

- использование электронных ламп в системах усиления, развертки и подсветки.

Рис. 4.1. Блок-схема высоковольтного импульсного осциллографа.

В отличие от низковольтных осциллографов помехоустойчивость достигается низкой чувствительностью электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). Так, если у низковольтных трубок чувствительность - единицы В/см экрана,(К_Ч = 0,5 - 2,0 В/см), то у высоковольтных – К_Ч 100 в /см. За счет этого снижается коэффициент деления делителей напряжения или увеличивается сопротивление токовых шунтов. При этом уровень сигнала на много превышает уровень шумов и повышается помехоустойчивость. Отсутствие входного усилителя также повышает помехоустойчивость.

Для регистрации одиночного импульсного сигнала необходимы условия:

- предварительный опережающий запуск развертки;

- одновременное с запуском развертки включение генератора импульса подсветки.

Запуск развертки может производиться или самим измеряемым сигналом или через антенну (положение ключа К на рис. 4.1).

Опережение запуска развертки по отношению к приходу измеряемого сигнала к вертикальным пластинам трубки достигается использованием линии задержки Z_W2 . В качестве такой линии используется коаксиальный кабель. Волновое сопротивление линии задержки должно быть равно волновому сопротивлению входного кабеля Z_W1. Кабели должны быть согласованы – подключаться к ЭТЛ через согласующее сопротивление R_C = Z_W1 = Z_W2 = , как это показано на рис. 3.1. В противном случае в кабелях появятся отражения, искажающие передаваемый сигнал; погонные индуктивность и емкость кабелей.

Генератор подсветки. Если в обычных осциллографах видимый сигнал на экране обусловлен послесвечением экрана при наложении с большой частотой одинаковых сигналов, то при измерении одиночного импульса послесвечение достигается дополнительным ускорением электронного пучка, т.е. более мощной бомбардировкой люминисцентного слоя экрана трубки. Для ускорения электронов пучка служит генератор подсветки, который запускается одновременно с разверткой, при этом длительность импульсов подсветки и развертки должны быть одинаковы.

Измерительные кабели и линии задержки. Для снижения влияния электромагнитных полей, осциллограф удален от делителя напряжения или шунта, и сигнал от них передается по коаксиальному кабелю - наиболее помехоустойчивой передающей системе. На высокой частоте (импульс есть сумма ВЧ гармоник), кабель является линией с распределенными параметрами и каналом бегущей волны с волновым сопротивлением . Скорость распределения волны по кабелю: , где относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости материала изоляции кабеля, скорость света. Обычно изоляция кабелей имеет , по этому . Для используемых кабелей , поэтому скорость обычно составляет . - время пробега волны по единице длины кабеля. Время пробега волны по всему кабелю длиной l

Этим уравнением определяется необходимая длина кабеля линии задержки.

Схема подключения осциллографа к делителю приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Схема включения и согласования линии задержки при измерении импульсных напряжений

Входное сопротивление осциллографа должно превышать согласующее сопротивление  , а емкость вертикальных пластин С_эо, на которые поступает сигнал, минимальна. R₂ выбирается из значения коэффициента деления и условия >> .

При измерениях импульсных токов с использованием шунтов с малым сопротивлением R_ш<<R_c, Z_w кабель можно согласовать со стороны генератора (рис. 4.3). Напряжение на ЭЛТ:

­; т. к. , то .

(4.1)

Рис. 4.3. Схема согласования линии задержки при измерении импульсных токов.

Идеальное согласование неосуществимо. Осциллограф имеет входную емкость 10 - 50 пФ, которая срезает высокочастотную составляющую импульса. Действительно на частоте 100 МГц и емкости 50 пФ входное сопротивление осциллографа равно:

Ом.

Схема (рис. 4.3) более помехоустойчива, поскольку отраженный от ЭЛТ сигнал поглощается согласующим сопротивлением на входе кабеля. Для того, чтобы достичь того же эффекта в схеме (рис. 4.2), нижнее плечо делителя R₂ выбирают из условия: R₂ = Z_w = R_c. В этом случае часть сигнала на конце кабеля отражается, но отраженный сигнал поглощается без отражения в начале кабеля, т. к. R₂ = R_c .

Длина согласующего кабеля должна быть предельно короткой, поскольку сам кабель имеет продольное сопротивление, которое на низких частотах создает погрешность:

,

(4.2)

где - погонное сопротивление кабеля, l-длина кабеля.

На высоких частотах действует СКИН-эффект, выражающийся в возрастании сопротивления за счет эффекта вытеснения тока импульса на поверхность проводника.

Если требуется большая длина кабеля, предпочтительней применять кабели с низким , у которых меньше из-за большего сечения внутренней жилы.

Волновое сопротивление кабеля может быть измерено путем подбора согласующего сопротивления: и его измерения после подбора его величины, при которой отсутствуют отражения.

Отображаемый на экране осциллографа импульс напряжения или тока регистрируется фотографически на фотопленку или в память цифрового фотоаппарата.