3.5. Осциллографирование быстропротекающих процессов

Факторы, ограничивающие применение обычных осциллографов:

1. Резонансная частота паразитного контура, образуемого емкостью С (монтажа), отклоняющих пластин ЭЛТ и индуктивностью L подводящих проводов ( аналогия с аналоговыми вольтметрами).

должна быть намного (на порядок и более) выше наивысшей частоты спектра исследуемого сигнала.

2. Влияние емкости пластин на крутизну фронта импульсов.

3. Влияние конечного времени пролета электронов. Требование: время пролета электронов вдоль отклоняющих пластин должно быть гораздо меньше периода отклоняющего напряжения.

4. Ограничение по полосе пропускания усилителя канала Y.

5. Низкая скорость развертки (пример: для изображения импульса длительностью 5 нс, шириной 100 мм необходима скорость 20 000 км/час.

6. Малая яркость изображения.

Для наблюдения и измерения параметров быстропротекающих процессов применяются стробоскопические осциллографы и скоростные.

Стробоскопические осциллографы

На рис.3.4 показан принцип трансформации масштаба, используемый для исследования быстропротекающих процессов или очень коротких импульсов. Не требуя применения специальных ЭЛТ, данный метод дает возможность получить эквивалентную полосу пропускания порядка сотен и тысяч мегагерц при фактической полосе пропускания усилителя вертикального отклонения в десятки или единицы мегагерц и чувствительности до 1 мм/мВ.

Скорость развертки удается уменьшить, трансформируя масштаб времени. На экране осциллографа появляется изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличенном временном масштабе. Осуществляется стробоскопический метод с помощью амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) исследуемого сигнала. При этом роль переносчиков информации играют короткие стробирующие импульсы, длительность которых значительно меньше длительности импульса, подлежащего осциллографированию.

Исследуемый сигнал представляет собой повторяющиеся импульсы с периодом Т ( частота повторения f=1/T). Этим сигналом модулируется последовательность коротких импульсов с периодом следования (интервал называют интервалом дискретизации или считывания), причем период кратен интервалу считывания . В результате модуляции получают импульсы, высоты которых пропорциональны значениям исследуемого сигнала напряжения в отдельные моменты времени. Первое дискретное значение считывается в первом импульсе исследуемого сигнала стробирующим импульсом , сдвинутым относительно импульса на интервал ; второе дискретное значение считывается во втором импульсе сигнала стробирующим импульсом , сдвинутым относительно импульса на интервал ; третье дискретное значение – в третьем импульсе сигнала импульсом , причем интервал равен , и т.д. таким образом, осциллографируемый сигнал полностью считывается по точкам импульсами , , , , , . После этого процесс считывания многократно повторяется.

Масштаб времени увеличивается во столько раз, во сколько период следования осциллографируемых импульсов больше интервала считывания . При этом для получения изображения на экране стробоскопического осциллографа требуется скорость развертки в раз меньше, чем для получения такого же изображения непосредственно на экране скоростного осциллографа. Масштаб можно растянуть еще больше, если считывать значения не в идущих подряд импульсах исследуемого сигнала, а после пропуска некоторого числа р импульсов.

Принцип получения импульсов, следующих с периодом , поясняется рис.3.5. Эти импульсы формируются при равенстве напряжений “быстрого” пилообразного напряжения ‑ и “медленного” пилообразного напряжения , которые вырабатываются генератором пилообразного напряжения (ГПН) осциллографа.

В моменты равенства и происходит срыв напряжения , что показано на рис.3.5. пунктирной линией.

Работа схемы стробоскопического блока осциллографа

Структурная схема стробоскопического осцилографа представлена на рис. 3.6

1. жестко связано с исследуемым сигналом ( ).

2. На выходе компаратора (схема сравнения) в момент равенства и формируется короткий импульс.

3. подается на преобразователь, где производится амплитудная модуляция (АМ) этим напряжением стандартных по форме и амплитуде коротких стробирующих сигналов. К пластинам “Y” подаются сформированные широкие импульсы, амплитуды которых пропорциональны считанным значениям .

4. В момент равенства быстрого и медленного пилообразных напряжений от компаратора поступают импульсы одновременно на схему подсвета и генератор стробирующих импульсов. Схема подсвета формирует импульс, подаваемый на электрод, управляющий яркостью – модулятор ЭЛТ.

5. На экране ЭЛТ отображается последовательность светящихся точек. Отклонение по вертикали этих точек пропорционально считанным знячениям .

Чувствительность – высокая.

3.5 Скоростные осциллографы

Основным узлом является специальная ЭЛТ – трубка бегущей волны (ТБВ), обеспечивающая усиление поступающих сигналов и отклонение электронного луча под действием этих усиленных сигналов.

В отличие от стробоскопических, скоростные осциллографы позволяют исследовать одноразовые и редкоповторяющиеся кратковременные импульсные сигналы (наносекундной и пикосекундной длительности).

Работа скоростного осциллографа

Исследуемый сигнал U_вх через широкополосную линию задержки поступают на вход отклоняющей системы ТБВ. Отклоняющая система выполнена в виде плоской спирали, расположенной над плоскостью заземления. Спиральная линия имеет стандартное волновое сопротивление и согласована на конце. Электронный луч проходит в пространстве между проводниками линии. Скорость движения электронов в луче согласована со скоростью распространения электронной волны сигнала, взаимодействие которой с электронным лучом обеспечивает усиление сигнала.

Для повышения чувствительности отклонения по вертикали устанавливают квадрупольные линзы.

Основные технические характеристики С7-10 А

Полоса пропускания – 1200 МГц;

Входное сопротивление – 50 ОМ;

Коэффициент вертикального отклонения – 100, 200, 400 мВ/мм;

Рабочая площадь экрана ‑ 20 40 мм;

Коэффициенты развертки – 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 50; 100 нс/мм;

Скорость записи – не менее 1000 км/с.