Стробоскопический осциллограф

Чтобы наблюдать на осциллографе сигналы очень высокой частоты, необ­ходимо иметь чрезвычайно широкие полосы усилителя в канале у, линии задержки и ЭЛТ. Из рис. 3.74 следует, что это приводит к дорогостоящим решениям. Однако даже в том случае, когда ширина полосы осциллографа слишком узка, чтобы непосредственно наблюдать эти сигналы, им все же можно воспользоваться при условии, что входные сигналы являются пери­одическими. Это можно сделать используя когерентные выборки (см. рис. 2.9). С каждым импульсом запуска (то есть каждый раз, когда входной сигнал превышает некоторый уровень) берется единственная выборка входного сигнала. Последовательные выборки немного

288 Электронные измерительные системы

смещены во времени относи­тельно исходного момента запуска. Эффект состоит в том, что каждая следу­ющая выборка берется на небольшой интервал времени d позднее предыду­щей. Когда эти выборки выводятся на экран при значительно более медлен­ной развертке, форма первоначального высокочастотного сигнала восста­навливается правильно. Стробоскопический осциллограф с шириной поло­сы, например, 20 кГц вполне может быть применен для получения изобра­жения периодических входных сигналов с частотой до 15 ГГц !

Осциллографические усилители

Сигнал, который необходимо увидеть с помощью осциллографа, нельзя непосредственно подать на отклоняющие пластины ЭЛТ, поскольку чув­ствительность отклоняющих пластин слишком мала, а их емкость будет на­гружать измеряемый источник. Поэтому между входом у и отклоняющими пластинами помещают усилитель. Изменение коэффициента усиления этого усилителя (регулировку чувствительности) производят скачкообразно.

Если чувствительность вертикального отклонения у данной ЭЛТ равна 10 В/см, то для наблюдения малых по величине входных сигналов при чув­ствительности 20 мкВ/см, необходим коэффициент усиления в канала у, равный 510⁵. При этом достижимая ширина полосы не очень велика (500 кГц). При большей ширине полосы коэффициент усиления не может быть сделан слишком большим, так как произведение коэффициента усиления А на ширину полосы В является приблизительно постоянной величиной. В на­шем примере АВ  2,510¹¹. Это означает, что если мы хотим иметь полосу 250 МГц, то нельзя получить коэффициент усиления больше, чем 10³. Сле­довательно, чувствительность такого осциллографа на самом чувствитель­ном диапазоне составила бы только 10 мВ/см.

Часто осциллографы применяются для анализа импульсных сигналов. На рис. 4.14 приведены определения различных характеристик прямоугольных колебаний. На форму сигнала влияет динамическое поведение (частотная характеристика) системы, через которую проходит сигнал.

Обычно усилители для осциллографов разрабатываются так, чтобы уси­лить импульс с возможно меньшими искажениями, и у них выброс и звон, возникающие в выходном сигнале при скачке напряжения на входе, мень­ше 2%. При этом подразумевается, что частотная характеристика не являет­ся максимально плоской.

По спаду плоской вершины импульса можно судить о поведении переда­ющей системы в области низких частот, как показано на рис. 4.14 (b). При плохой характеристике на низких частотах, то есть в случае, когда нижняя граничная частота системы выбрана слишком большой, вершина импуль­са не будет плоской, а будет медленно спадать. Степень спада является ме­рой несоответствия низкочастотной части характеристики наблюдаемому сигналу.

4.4 Осциллографы 289

Нарастающий и спадающий фронты импульса содержат информацию о поведении системы на высоких частотах; оно характеризуется конечным временем нарастания и спада. Время нарастания и спада определяется как время, необходимое для изменения выходного напряжения между значени­ями, составляющими 10% и 90% от полной величины скачка. Существует связь между верхней граничной частотой f_y по уровню — 3 дБ и значениями времени нарастания и времени спада. В линейной системе и равны: . Связь междуf_h и выглядит так:

У динамической системы первого порядка (то есть у RС-цепи) коэффи­циент пропорциональности сравен 0,35. (Это можно доказать с помощью рассуждений, приведенных в разделе 2.3.3.2.) Почти у всех осциллографов с хорошей переходной характеристикой и небольшими выбросами или зво­ном коэффициент пропорциональностисвыбран в пределах:

0,32<с<0,4.

Если с помощью осциллографа с собственным временем нарастания или спада наблюдается импульс, у которого время нарастания и спада равно, и, то величина

является хорошей аппроксимацией для времени нарастания на осцил­лограмме. Отсюда следует, что время нарастания во входном сигнале равно:

290 Электронные измерительные системы

Это выражение справедливо для частного вида частотной характеристи­ки (для гауссовой частотной характеристики), но с хорошей точностью его можно применить и к другим частотным характеристикам. Если не пользо­ваться приведенным выше выражением для коррекции наблюдаемого вре­мени , то при ошибка составит 2%, а приошибка равна 1%. Однако, еслименьше, чем, то, даже после корректировки наблюдаемого временис помощью приведенного выражения, ошибка останется большая. В таком случае коррекция невозможна. Это становится ясным из следующего примера. Предположим, что наблюдаемое время на­растанияимеет относительную погрешность, тогда прирезультирующая относительная погрешность вычисленного зна­ченияравна ! Этот результат получен с использованием соот­ношения:

Измерительные пробники

Обычно не удается расположить источник сигнала настолько близко к (боль­шому) осциллографу, чтобы непосредственно подать сигнал на его вход; необходим пробник. Существуют пробники напряжения и пробники тока. Токовый пробник состоит из кольцеобразного ферритового сердечника, через который пропущен проводник с текущим по нему измеряемым током. Этот проводник действует как первичная обмотка трансформатора. Вторичная обмотка содержит несколько витков, намотанных на ферритовом сердечни­ке. Если мы хотим измерять также постоянные токи, то можно воспользо­ваться способом, показанным на рис. 3.22.

Кроме пассивных пробников, особенно при выполнении высокочастот­ных измерений, применяются активные пробники, имеющие встроенный усилитель с единичным коэффициентом усиления (чтобы не нагружать ис­точник сигнала). Усилитель действует как буфер между импедансом источ­ника в измеряемом объекте, с одной стороны, и импедансом кабеля проб­ника и входным импедансом осциллографа с другой стороны. В частности, из раздела 3.3.1 нам известно, что входной импеданс системы, измеряющей напряжение, можно увеличить, ослабляя входной сигнал, путем включения на входе системы последовательного импеданса (Z_S на рис. 3.23(а)).

Если осциллограф имеет входной импеданс Z_i = 1 Мом || 18 пФ и мы ослабляем входное напряжение в 10 раз, то в пробнике должен находиться последовательный импеданс Z_S = 9 Мом || 2 пФ. Таким образом, входной импеданс всей системы становится равным Z_i = 10 Мом || 1,8 пФ, что значи­тельно больше первоначального 1 Мом || 18 пФ за счет 10-кратного уменьше­ния чувствительности.

Импеданс пробника следует подстроить так, чтобы получить ослабление, не зависящее от частоты Это можно сделать подавая на вход пробника прямо-

4.5 Системы сбора данных 291

угольный сигнал и регулируя переменный конденсатор небольшой емкости, включенный параллельно последовательному резистору пробника. Таким об­разом можно устранить влияние входной емкости осциллографа на коэффи­циент ослабления. Если фронт прямоугольного сигнала на экране ЭЛТ оста­ется затянутым, то это означает, что частотная коррекция недостаточна. Ког­да коррекция избыточна, на фронтах появляются выбросы. Емкость конден­сатора частотной коррекции следует установить такой, чтобы получить форму сигнала на экране ЭЛТ, наиболее близкую к прямоугольной.

Точность

Точность усилителей и аттенюаторов осциллографов бывает согласована с точностью ЭЛТ. Если учесть конечные размеры экрана, диаметр светового пятна (толщину рисуемой линии) и нелинейность отклоняющей системы, то более чем достаточной оказывается точность 1%. Общая погрешность ос­циллографа часто не превышает ±3%. Погрешность временной развертки также составляет около +3%. Измерение временного интервала можно вы­полнить немного точнее (±1%), используя задержку развертки.