материалы за 2021г / литературные источники / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

ряд функций, характерных для цифрового осциллографа (запоминание неповторяющихся сигналов, автонастройку параметров отклонения, развертки и синхронизации, курсорные измерения, измерение частоты). На рис. 6.4. представлена осциллограмма короткого импульса, зафиксированная на экране осциллографа TS-81000 при коэффициенте развертки

200 пс/дел.

A 200 ps CH1 +ВС +161 mV MAG

TS 81000

1:10 mV 50 &

Рис. 6.4. Осциллограмма короткого импульса на экране скоростного осциллографа

Скоростные осциллографы целесообразно использовать только для исследования одиночных и неповторяющихся сигналов. Для периодических или нерегулярно повторяющихся сигналов применяют стробоскопические осциллографы.

Принцип действия стробоскопического осциллографа

Стробоскопические осциллографы сочетают широкую полосу и высокую чувствительность. Стробоскопическим (sampling oscilloscope) называется осциллограф, использующий масштабное преобразование (расширение) сигнала во времени с сохранением его формы.

Принцип стробоскопического пребразования заключается в следующем. Входной сигнал дискретизируют во времени, причем от каждой копии сигнала берется только один отсчет (в отличие от цифрового осциллографа). При этом точки дискретизации сигнала

153

равномерно смещены во времени по копиям сигнала. Операцию дискретизации выполняет стробоскопический смеситель, входящий в состав стробоскопического преобразователя. Смеситель от каждой копии сигнала формирует короткий импульс, амплитуда которого пропорциональна мгновенному значению сигнала (отсчету) в точке дискретизации. На выходе смесителя формируется последовательность импульсов с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ). Огибающая последовательности повторяет форму сигнала, а длительность ее может быть значительно больше исходной длительности сигнала.

Конструкция простейшего стробоскопического смесителя содержит быстродействующий коммутационый диод и накопительный конденса-

тор(рис. 6.5).

VD

uвых

+Uсм

Рис. 6.5. Однодиодный стробоскопический смеситель

Рассмотрим принцип действия стробоскопического смесителя на примере периодического сигнала. На смеситель подают короткие стробирующие импульсы (рис. 6.6), сдвинутые относительно периода сигнала

на шаг считывания t:

Tси = Tc + t .

Здесь Tс – длительность (период) сигнала, Tси – период повторения стробимпульсов. При большой частоте повторения сигнала некоторое количество его копий пропускают ( Tси = m Tc + t, m ≥ 1 ). Стробим-

пульсы и входной сигнал подают на быстродействующий арсенидгаллиевый СВЧ диод. Он играет роль аналогового коммутатора, управляемого стробимпульсами. Диод заперт небольшим напряжением смещения Uсм и отпирается только при приходе стробимпульса. При этом

заряжается конденсатор С. Амплитуда напряжения на конденсаторе пропорциональна сумме постоянной амплитуды стробимпульсов Uси и

мгновенного значения входного сигнала. Таким образом, на конденсаторе смесителя формируются импульсы, промодулированные по амплитуде входным сигналом. Огибающая этих импульсов повторяет форму входного сигнала (см. рис. 6.6).

154

t

Рис. 6.6. Вид сигналов стробоскопического преобразователя

Оценим коэффициент трансформации временного масштаба при стробоскопическом преобразовании. Для получения формы всего сигнала

длительностью Tс требуется n его копий n = Tс / t. Тогда общая длительность преобразованного сигнала равна длине последовательности n стробимпульсов Tс = n Tси. Коэффициент преобразования Kпр (растяжение масштаба сигнала во времени) при этом составляет

Таким образом, преобразование масштаба определяется количеством копий сигнала, участвующих в дискретизации. Например, преобразование сигнала длительностью 10 нс с шагом считывания 10 пс требует 1000 копий сигнала, что даст длительность выходного сигнала 10 мкс. Такой сигнал можно наблюдать обычным универсальным осциллографом.

Коэффициент стробоскопического преобразования Kпр может быть весьма велик – тысячи и даже миллионы раз. Увеличение Kпр ограничено

техническими возможностями преобразователя: минимальным шагом считывания, быстродействием диода, стабильностью шага считывания, минимально достижимой длительностью стробимпульса.

Рассмотрим, чем определяется частотный диапазон стробоскопического смесителя. Амплитудно-частотную характеристику смесителя

найдем при входном гармоническом сигнале uвх = U вх cos(2πft) . Опре-

делим АЧХ смесителя как отношение максимального значения преобразованного сигнала к амплитуде входного:

АЧХ(f ) = uвых max ( f )

U вх

155

сигнала, что усложняет работу последующих блоков осциллографа. Более совершенной является балансная четырехдиодная схема смесителя

(рис. 6.7)

Рис. 6.7. Балансный мостовой стробоскопический смеситель

В исходном состоянии диоды заперты напряжением смещения. Стробимпульсы подают в диагональ моста через симметрирующий трансформатор. В отсутствие входного сигнала токи через диоды, созданные стробимпульсами, равны. Из-за симметрии схемы напряжение на конденсаторе равно нулю. При подаче входного сигнала происходит разбаланс диодного моста и за время действия стробимпульсов накопительный конденсатор заряжается или разряжается на величину, соответствующую мгновенному значению исследуемого сигнала. При этом исключается прямое прохождение стробимпульса на выход смесителя.

Структурная схема стробоскопического осциллографа

Стробоскопический принцип преобразования сигналов реализуют в двух типах средств измерения. Это специализированные стробоскопические осциллографы (группа С7) и стробоскопические сменные блоки для универсальных многофункциональных осциллографов. Получили распространение также цифровые стробоскопические осциллографы, в которых осуществляется перевод растянутого во времени сигнала в цифровую форму.

Стробоскопический осциллограф содержит два основных блока –

стробоскопический преобразователь и блок стробоскопической раз-

вертки. На рис. 6.8 представлена упрощенная схема этих блоков.

Для расширения рабочей полосы часто исследуемый сигнал подают прямо на вход стробоскопического смесителя, имеющего стандартное входное сопротивление 50 или 75 Ом. Входные блоки и усилитель в этом случае не используют. С выхода смесителя промодулированные импульсы поступают на усилитель, включающий схему расширения импульсов. Здесь увеличивается амплитуда и длительность импульсов с сохранением

157

формы их огибающей. Далее расширенные импульсы поступают на схему памяти (интегратор), где преобразуются в аналоговое ступенчатое напряжение, приближенно повторяющее формувходного сигнала.

Рис. 6.8. Структурная схема стробоскопического осциллографа

Выходное напряжение через аттенюатор поступает обратно на конденсатор смесителя, образуя петлю отрицательной обратной связи (ООС). Общий коэффициент петлевого усиления (произведение коэффициента передачи смесителя и цепи ООС) обычно делают единичным (нормальный режим работы преобразователя). При этом напряжение на емкости смесителя к моменту следующего стробирования будет равно мгновенному значению входного сигнала предыдущего стробирования. Это упрощает работу смесителя, так как при изменении сигнала конденсатор требуется только дозаряжать. Искажения формы сигнала будут меньше, линейность преобразования – выше. Работа с петлевым усилением ООС меньше единицы увеличивает время реакции системы на изменения входного сигнала (режим сглаживания). Он позволяет уменьшить флюктуации выходного сигнала при наличии внутренних и внешних шумов, но несколько искажает форму сигнала в областях его быстрого изменения.

Выходное напряжение преобразователя представляет собой аналоговый сигнал, растянутый во времени и имеющий ступенчатую структуру. Его подают на канал Y осциллографического блока. Требования к быст-

158

родействию этого блока невелики, поскольку должен усиливать растянутый во времени сигналом. Отрисовку осциллограммы сигнала производят путем подсветки изображения в точках, соответствующих моментам дискретизации. При этом изображение на экране стробоскопического осциллографа состоит из светящихся точек. Количество точек тем больше, чем выше установленный коэффициент преобразованиявременногомасштаба.

Блок стробоскопической развертки содержит два генератора: «быстрого» пилообразного напряжения (БПН) и «медленного» пилообразного напряжения (МПН). БПН должно быть синхронизировано с сигналом за-

пуска uзап . Для автоколебательного режима надо обеспечить кратность

периода БПН и периода входного сигнала, для ждущего – запуск БПН внешними импульсами. Длительность прямого хода БПН определяет временной масштаб исходного сигнала (коэффициент развертки в масштабе времени входного сигнала). Генератор МПН вырабатывает линейно нарастающее напряжение, соответствующее временному масштабу преобразованного сигнала. МПН также служит напряжением развертки канала X осциллографа. Для запуска генератора стробимпульсов используют схему автосдвига. Она включает в себя компаратор, в котором сравниваются напряжения БПНи МПН. Вмоментравенства напряжений вырабатывается импульс, запускающийгенератор стробимпульсов(рис. 6.9).

t

Рис. 6.9. Напряжения в схеме стробоскопической развертки

Обычно в этот же момент времени завершается прямой ход БПН (на рис. 6.9 это не показано). Для более стабильной работы компаратора в начале медленной развертки в БПН формируют небольшой пьедестал напряжения.

159

Наклон МПН определяет величину шага считывания, а, следовательно, и количество импульсов n, приходящихся на длительность сигнала Tс.

Наклон задается регулировкой длительности прямого хода медленной развертки. Регулятор длительности МПН обычно градуируют прямо в количестве точек n. В ряде случаев (при больших коэффициентах преобразования) длительность МПН так велика, что в осциллографическом блоке приходится использовать запоминающую ЭЛТ.

Рис. 6.10. Преобразование непериодического сигнала с ступенчатым напряжением медленной развертки

Схема с линейно нарастающим МПН не совсем удобна при исследовании непериодических сигналов. Во время пауз луч осциллографа равномерно перемещается по экрану, поэтому при неодинаковых паузах между сигналами шаг считывания будет непостоянным и выходные импульсы – непериодическими. Расположение точек на экране также будет непериодическим, что может затруднить исследование осциллограммы. Для этого случая удобнее использовать ступенчато-нарастающую форму сигнала медленной развертки. При этом луч быстро перемещается от точки к точке, длительность пребывания луча в точке остается постоянной, точки размещаются на экране равномерно. Каждая новая ступенька медленной ступенчатой развертки (МСН) начинается при поступлении импульса запуска (рис. 6.10). Так как высота ступенек развертки постоянна, то под действием такого напряжения луч занимает на экране равноотстоящие положения по горизонтали. В каждой точке пятно находится в течение длительности ступеньки, что позволяет получить высокую яркость осциллограммы. При этом обеспечивается и постоянный шаг считывания t.

В ряде случаев используют стробоскопические преобразователи со случайным считыванием сигнала. В таких приборах генератор стробимпульсов работает в автоколебательном режиме и вырабатывает импульсы со случайным интервалом следования. Также, как в рассмотренных выше

160

схемах, при подаче стробимпульса на стробоскопический смеситель производится считывание мгновенного значения сигнала. Однако здесь для выработки напряжения медленной развертки используют аналогичный преобразователь, в котором происходит считывание значения напряжения быстрой развертки. Величина этого напряжения определяет амплитуду ступеньки МСН, а, следовательно, и положение точки на экране. Изображениесоздается точками, расположенными в случайном временном порядке, но повторяющими форму сигнала. Преимуществом стробоскопических преобразователей со случайным считыванием является возможность воспроизведения фронта импульса без использования линии задержки, чтодостигаетсярегулировкойзадержкизапуска генератораБПН.

Особенности применения стробоскопических осциллографов

Кроме широкой рабочей полосы, для стробоскопических осциллографов характерен увеличенный по сравнению с традиционными осциллографами динамический диапазон. Соотношение между максимальным и минимальным значениями сигнала может достигать 60 дБ и выше (зависит от линейности стробоскопического преобразователя). Чувствительность стробоскопического осциллографа может составлять 1…10 мВ/дел.; она ограничена внутренними шумами смесителя. Минимальные коэффициенты развертки лежат обычно в пределах

0.1…0.5 нс/дел.

Как правило, стробоскопические преобразователи делают двухканальными, что расширяет функциональные возможности прибора. При исследовании двух сигналов важно иметь одинаковую длину соединительных кабелей в каналах – задержки в них соизмеримы с длительностями исследуемых процессов. Иногда в стробоскопических осциллографах используют выносные пробники с высоким входным сопротивлением. Обычно в этом случаерабочий диапазон частот прибора становитсяуже.

Поскольку сигнал подают непосредственно на смеситель (внутренний аттенюатор отсутствует), его амплитуду следует контролировать – большое напряжение может вывести диоды из строя. При подключении больших сигналов к входам осциллографа используют внешние фиксированные аттенюаторы.

Для синхронизации и запуска стробоскопического осциллографа применяют исключительно внешнюю синхронизацию. Ее осуществляют как специальным синхроимпульсом (например, с измерительного генератора), так и самим исследуемым сигналом. В последнем случае входной сигнал делят с помощью широкополосного разветвителя (или направленного ответвителя) и подают на вход синхронизации (запуска). Для наблюдения на осциллограмме фронта сигнала перед входом Y осцилло-

161

графа ставят внешнюю широкополосную линию задержки. При появлении на осциллограмме шумов используют режим «Сглажено». В этом случае также целесообразно увеличить число точек изображения.

Указанные выше свойства стробоскопических осциллографов определяют возможные области их использования:

•анализ и наблюдение переходных процессов малой длительности;

•анализ быстродействующих цифровых устройств и линий передач цифровых сигналов;

•исследование характеристик радиоустройств импульсным методом;

•исследование ВЧ и СВЧ-радиоимпульсов сложной формы;

•исследованиераспределенныхсистемрефлектометрическимметодом.

В качестве примера рассмотрим использование стробоскопического осциллографа для определения зоны повреждения линий связи методом импульсной рефлектометрии. Этот метод позволяет выявить замыкания и обрывы в линиях, наличие утечки между проводниками, увеличение сопротивления потерь протяженных линий связи. Он базируется на исследовании характера распространения коротких импульсных сигналов в линиях и кабелях связи и включает в себя:

1.Зондирование линии передачи импульсами напряжения.

2.Прием импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей линии (например, скачка волнового сопротивления).

3.Выделение отражений от места повреждений на фонепомех (как случайных, такипаразитныхотражений отмалыхнеоднородностейлиний).

4.Определение расстояния до повреждения расчетным путем по измеренной временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего.

Упрощенная структурная схема импульсного рефлектометра приведена на рис. 6.11.

Lx=0.5txv

Zн

Г

Линия передачи

Y

Рис. 6.11. Импульсный рефлектометр на основе стробоскопического осциллографа

162