книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

пройдя между пластинами, вылетает также по горизонтали, т. е. не получает никакого отклонения, несмотря на наличие отклоняю­ щего напряжения.

Такое же положение будет иметь место в случае, когда t„v-=nT, где п — целое число. В промежуточных случаях отклонение луча

аноде, однако то и другое ведет к снижению статической чувстви­ тельности трубки (см. формулу (3.12)). Тем не менее, в скорост­ ных осциллографах применяют так называемые микротрубки с малой длиной пластин, высоким ускоряющим напряжением и ма­ лым диаметром экрана.

Находят распространение также специальные трубки с бегущей волной. В этих трубках вертикально отклоняющая система выпол­ няется в виде искусственной линии, в которой создается режим бегущей волны. Элементы линии подбираются так, чтобы фазо вая скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси трубки была равна скорости движения электронов в отклоняющей системе. Вследствие этого полностью устраняется влияние конеч­ ного времени пролета электронов. Динамическая чувствительность мало отличается от статической в широком диапазоне частот (до тысяч МГц). Такие электроннолучевые трубки могут применяться без усилителя вертикального отклонения (например, осциллограф

2.Влияние емкости пластин на крутизну фронтов исследуе­ мых импульсов. Даже небольшая величина емкости пластин — по­ рядка единиц пикофарад — приводит к увеличению длительности фронта и спада.

3.Влияние паразитных резонансов в цепи, образованной ем­ костью пластин С и индуктивностью L подводящих проводов,

включая вводы пластин. Резонансная частота цепи / 0=1/2тс У LC

60

должна быть намного больше частоты самой высшей гармоники исследуемого сигнала, только в этом случае искажения формы сиг­ нала будут незначительными. Для увеличения fo вводы пластин делают прямо через боковую поверхность колбы, а не через поколь.

4. Влияние конечной полосы пропускания усилителя Y*. Для расширения полосы пропускания в скоростных осциллографах применяются специальные усилители с распределенным усилением, в которых используется принцип бегущей волны. Такие усилители решают задачу усиления в полосе частот до 300—400 МГц.

5. Для скоростных осциллографов требуется весьма высокая скорость развертки. Так, для получения изображения импульса длительностью 5 нс, ширина которого на экране равна 100 мм, требуется скорость развертки 20 мм/нс, или 20000 км/с. Наряду с высокой скоростью требуется большая амплитуда развертки (сот­ ни вольт), что вызвано применением электроннолучевой трубки с большими ускоряющими напряжениями. Для получения таких па­ раметров заряд конденсатора генератора развертки производится током большой величины, вследствие чего для коммутации конден ­ сатора применяются лампы, рассчитанные на большие токи. Иногда для формирования напряжения развертки применяются ждущие блокинг-генераторы.

Принципиально иным способом исследования быстропротекающих процессов является применение стробоскопических осцилло­ графов.

Стробоскопическое осциллографирование

Для исследования наносекундных импульсов малой амплитуды скоростные осциллографы не применяются из-за их малой чувстви­ тельности. В этих случаях успешно используются так называемые стробоскопические осциллографы или стробоскопические пристав­ ки к обычным осциллографам.

Суть стробоскопического осциллографирования состоит в по­ следовательном «считывании» отдельных дискретных значений кривой исследуемого напряжения с помощью коротких стробирую­ щих (зондирующих) импульсов. Кривая воспроизводится на экра­ не в виде совокупности светящихся точек (полосок), образующих осциллограмму. Стробоскопический принцип получения осцилло­ граммы поясняется на рис. 3.18, из которого видно, что при таком ссциллографировании происходит трансформация масштаба време­ ни, т. е. изображение сигнала растягивается во времени. Упрощен­ ная структурная схема преобразователя исследуемого сигнала в импульсы, амплитуда которых пропорциональна мгновенным зна­ чениям сигнала (структурная схема стробоскопической приставки), приведена на рис. 3.19. Цифрами в кружках на рис. 3.18 обозна­

* Это влияние рассматривалось выше.

G1

чены временные диаграммы сигналов, имеющих место в соответст­ вующих точках схемы (рис. 3.19).

Импульсы синхронизации, поступающие от исследуемой схе­ мы (синхронизация может осуществляться и самим исследуемым сигналом, как показано пунктиром на рис. 3.19) на вход II, под-

Рис. 3.19.

вергаются формированию и подаются на один из входов схемы авто­ матического сдвига импульсов. На второй вход этой схемы пода­ ется «медленное» пилообразное напряжение от генератора раз­ вертки осциллографа, также синхронизированного выходными им­ пульсами формирующего устройства. Схема сдвига вырабатывает импульсы, период которых равен Т-{-Д7, т. е. отличается от перио­

да исследуемого сигнала на постоянную величину АТ, называемую шагом считывания.

62

Схема сдвига содержит в своем составе генератор «быстрой» пилы, запускаемый синхронизирующими импульсами, и сравни­ вающее устройство. Последнее вырабатывает сдвинутые импуль­ сы в моменты времени, когда мгновенные значения «медленного» и «быстрого» пилообразных напряжений оказываются равными в каждом из периодов исследуемого сигнала, что иллюстрируется нижней диаграммой на рис. 3.18.

Выходные импульсы сравнивающего устройства запускают ге­ нератор очень коротких (по сравнению с длительностью исследуе­ мых сигналов) стробирующих импульсов. Таким образом, сдвиг каждого последующего стробирующего импульса относительно со­ ответствующего ему синхронизирующего импульса увеличивается на АТ. С каждым из повторяющихся исследуемых сигналов должно совпадать не более одного стробирующего импульса.

Исследуемый сигнал подается на один из входов преобразова­ теля (вход /). На второй его вход поступают стробирующие им­ пульсы. В преобразователе осуществляется амплитудная модуля­ ция стробирующих импульсов исследуемым сигналом. С выхода преобразователя импульсы поступают на линейный усилитель и далее на расширитель. Расширение импульсов необходимо для того, чтобы они могли быть усилены обычным усилителем У-кана- ла осциллографа, имеющим неширокую полосу пропускания.

Следовательно, к У-пластинам осциллографа подводятся им­ пульсы, амплитуды которых пропорциональны считываемым зна­ чениям исследуемого сигнала. Чтобы в интервале между двумя импульсами не была видна линия развертки, а видны только вер­ шины импульсов, луч подсвечивается на время формирования вершин расширенных импульсов. Это достигается с помощью спе­ циальной схемы подсвета, запускаемой от генератора стробирую­ щих импульсов. При этом осциллограмма получается в виде све­ тящихся точек, отклонения которых от горизонтальной оси про­ порциональны мгновенным значениям исследуемого сигнала.

Таким образом, стробоскопический метод позволяет:

— значительно уменьшить скорость развертки по сравнению с той, которая требуется для развертки исследуемого импульса при непосредственном наблюдении на экране скоростного осцилло­ графа;

— резко сузить полосу пропускания усиления канала верти­

кального отклонения, благодаря чему решается проблема усиления сигнала.

экране стробоскопического осциллографа требуется скорость раз-

же изображения на экране скоростного осциллографа (например,

63

При малой скважности исследуемых импульсов, когда пауза между этими импульсами недостаточна для получения расширен­ ных импульсов необходимой длительности, считывание дискретных значений исследуемого сигнала производится не в каждом очередном периоде, а в каждом п-м периоде (например, я=10 или 100). В этом случае длительность расширенного импульса, по­ даваемого на У-вход осциллографа, может быть увеличена в п раз; в п раз увеличивается также коэффициент трансформации масш­

ставки к обычным низкочастотным осциллографам, так и специаль­ ные стробоскопические осциллографы. Например, приставка типа СГ21 применяется вместе с низкочастотным осциллографом С 1-19.

64

Г Л А В А 4

ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ

Измерения интервалов времени необходимы при разработке и испытании различных схем задержки и синхронизации, устройств радиотелеметрии и радиоуправления, вычислительных устройств и т. д. Чаще всего задача заключается в измерении интервала вре­ мени между двумя импульсными сигналами.

Задача измерения интервалов времени часто встречается так­

тия измерительной техники. Именно это направление обеспечило создание автоматизированных прямопоказывающих приборов с цифровым отсчетом. Следует отметить, что во многих случаях аналого-цифровое преобразование осуществляется в результате промежуточного преобразования измеряемой величины во вре­ менной интервал.

Измерение временных интервалов осуществляется различными методами. В дальнейшем будем иметь в виду интервал между дву­ мя импульсами, первый из которых условимся называть опорным,

авторой — интервальным.

§4.1. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВРЕМЕННЫХ РАЗВЕРТОК

Для измерения интервалов времени могут быть использованы различные виды разверток.

1. Калиброванная линейная развертка. При использовании ме­ тода линейной развертки опорный импульс запускает генератор калиброванной ждущей развертки и подается через линию задерж­ ки на У-пластины. Скорость развертки выбирается так, чтобы на экране электроннолучевой трубки были видны изображения обоих импульсов (рис. 4.1). Зная цену деления горизонтальной масш­ табной сетки (мкс/см) и расстояние / (см) между импульсами, оп­ ределяют искомый интервал.

К моменту подачи на вход прибора интервального импульса, за­

стрируются фотографированием на пленку с помощью фотоаппара­ та, обычно входящего в комплект прибора. Например, прибор И2-17 позволяет измерять интервалы от 1 0 нс до 1 0 мс с погреш­

ностью ±(10”4/х -і- 1) нс. Методы временных разверток позво­ ляют измерять временные интервалы с погрешностью до десятых долей процента.

§ 4.2. МЕТОД ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА

При использовании этого метода измеряемый интервал tx сравнивается с калиброванным дискретным отрезком времени TV Сравнение достигается заполнением интервала (х импульсами с известным периодом следования ^ « 4 (рис. 4.3), т. е. здесь имеет место преобразование интервала в пропорциональное ему количество импульсов, которое подсчитывается электронным счет­ чиком. Структурная схема устройства, с помощью которого реали­ зуется этот метод, приведена на рис. 4.4

66

Формирующее устройство формирует прямоугольный импульс с крутым фронтом и спадом, равный по длительности измеряемо­ му интервалу tx. Этот импульс в из­

мерительной технике называют вре­

менными воротами. В качестве форми­ рующего устройства обычно исполь­ зуется триггер.

Временный селектор имеет два входа и пропускает на счетчик корот­ кие импульсы образцовой частоты, на­ зываемые счетными и подаваемые на

вход II, только в течение времени, когда на входе I селектора дей­ ствует прямоугольный импульс длительностью tx, т. е. в течение времени, задаваемого временными воротами. Временным селекто­ ром может служить пентод, управляемый по первой и третьей (за­ щитной) сеткам.

Генератор импульсов образцовой частоты (генератор счетных импульсов) обычно содержит кварцевый генератор синусоидаль­ ных колебаний и формирующее устройство, обеспечивающее по­ лучение из этих колебаний коротких импульсов с периодом, рав­ ным периоду напряжения кварцевого генератора Т0.

Рис. 4.4.

Таким образом, счетчик считает импульсы в течение времени, равного измеряемому интервалу (х. Число импульсов, зафикси­ рованное счетчиком и наблюдаемое оператором с помощью устрой­ ства цифрового отсчета, однозначно соответствует измеряемому ин­ тервалу.

Управляющее устройство содержит схему переключения часто­ ты счетных импульсов, схему времени индикации результата изме­ рения и схему сброса на нуль показаний цифрового индикатора. Обычно предусматривается как ручной, так и автоматический ре­ жим работы управляющего устройства.

Если период следования счетных импульсов равен То (частота

то 33 время tx через временной селектор пройдет N

импульсов:

Для удобства непосредственного отсчета в секундах или долях секунды (например, микросекундах или миллисекундах) целесооб­

измерять длительность прямоугольного импульса, а также период синусоидального напряжения. В последнем случае формирующее устройство формирует из синусоиды прямоугольный импульс (вре­ менные ворота), длительность которого равна 10s периодам из­ меряемого сигнала (s = 0,1,2,3,...). С этой целью в состав фор­ мирующего устройства включается декадный делитель частоты, уменьшающий в необходимых случаях (s>0) частоту входного сигнала в 10, 100 и т. д. раз. Для формирования импульсов из вход­ ной синусоиды используется несимметричный триггер с катодной (эмиттерной) связью (триггер Шмидта).

Рассмотрим погрешности измерения временных интервалов этим методом. Как известно, погрешность измерения любой вели­ чины, осуществляемого сравнением ее с образцовой мерой, опреде­ ляется погрешностью образцовой меры и погрешностью сравне­ ния. В данном случае образцовой мерой служит период (частота) следования счетных импульсов. Следовательно, погрешность об­ разцовой меры — это нестабильность частоты генератора счетных импульсов, определяемая нестабильностью кварцевого генератора. Обозначим относительную величину нестабильности генератора счетных импульсов 8КВ. Обычно 8кв-= ІО-5 — 10-7,

Погрешность сравнения в данном случае определяется главным образом так называемой погрешностью дискретности. Это — ме­ тодическая погрешность, обусловленная дискретизацией измеряе­ мого интервала времени tx, который является непрерывной вели­ чиной. Она связана с несовпадением моментов появления счетных импульсов относительно фронта и спада импульса временных во­ рот. Действительно, в рассматриваемой схеме (рис. 4.4) счетные импульсы поступают на временной селектор независимо от им­ пульса временных ворот, т. е. между этими сигналами отсутствует

взаимная синхронизация. Это обстоятельство иллюстрируется на рис. 4.5.

На рис. 4.5,а действительная величина измеряемого интервала равна Ді = 3 ,1 Тй, счегчик зарегистрирует четыре импульса

68

В цифровой измерительной технике эту погрешность записы­ вают в ином виде:

Дд = + 1 ед.счета,

имея в виду, что единице младшего разряда счетчика соответству­ ет определенное число единиц измеряемой величины (в данном случае Г0=Ю Чсекунд, т. е., например, 1 мкс, 10 мкс и т. д.).

Относительная погрешность дискретности зависит от величи­ ны измеряемого интервала, и, следовательно, от количества счет­ ных импульсов, заполнивших этот интервал:

Чем больше измеряемый интервал tx, тем больше количество импульсов N- Ч Та и тем меньше относительная погреш­

ность дискретности (рис. 4.6). Погрешность сравнения зависит

также от точности формирования вре­ менных ворот, однако при использо­ вании быстродействующих формирую­ щих устройств эта погрешность значи­ тельно меньше погрешности дискрет­ ности.

Таким образом, полная абсолют­ ная погрешность измерения интерва­ лов времени определяется выраже­ нием

а полная относительная погрешность — выражением

69