2.3. Осциллографирование быстродействующих процессов

Факторы, ограничивающие применение обычных осциллографов:

1. Паразитные резонансы в цепях, образуемых емкостью С (монтажа), отклоняющих пластин ЭЛТ и индуктивностью L подводящих проводов ( аналогия с аналоговыми вольтметрами).

должна быть намного (на порядок) 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 гораздо меньше отклоняющего периода 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.

Исходя из перечисленных факторов, необходимо обеспечить:

1. Для получения высокой чувствительности при широкой полосе пропускания используются скоростные осциллографы на основе трубок с бегущей волной (скорость распространения сигнала равна скорости электронов).

2. Применение стробоскопических осциллографов (стробоскопических сменных блоков к универсальному осциллографу).

Стробоскопические осциллографы

Для исследования быстропротекающих процессов или очень коротких импульсов применяется стробоскопический метод осциллографирования. Не требуя применения специальных ЭЛТ, 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 (интервалназывают интервалом дискретизации или считывания), причем периодкратен 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 импульсана интервал; второе дискретное значение считывается во втором импульсе сигнала стробирующим импульсом, сдвинутым относительно импульсана интервал; третье дискретное значение – в третьем импульсе сигнала импульсом, причем интервалравен, 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 разверткираз меньше, чем для получения такого же изображения непосредственно на экране скоростного осциллографа. Масштаб можно растянуть еще большею, если считывать не в идущих подряд импульсах исследуемого сигнала, а после пропуска некоторого числар импульсов.

Принцип получения импульсов, следующих с периодом , поясняется рис.2.5. Эти импульсы формируются в масштабе равенства напряжений “быстрого” пилообразного напряжения ‑ и “медленного” пилообразного напряжения , которые вырабатываются генератором пилообразного напряжения (ГПН) осциллографа.

Вмоменты равенстваиприходит срыв напряжения, что показано на рис.2.5. пунктирной линией.

Работа схемы стробоскопического блока осциллографа

1. жестко связано с исследуемым сигналом ().

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

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

4. В момент равенства быстрого и медленного пилообрахных напряжений от компенсатора поступабт 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 пропоруионально считанным знячениям .

Чувствительность – высокая.

Трудности: разработка генераторов стробирующих импульсов с (‑ длительность импульсов исследуемых сигналов); обеспечение автоматического сдвина стробирующих импульсов относительно периода исследуемого сигнала; Синхронизация начала развертки с первым стробирующим импульсом.

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 одновременные и редкоповторяющиеся кратковременные импульсные сигналы (наносекундной и пикосекундной длительности).

Работа скоростного осциллографа

Исследуемый сигнал 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 ‑ 2040 мм;

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

Скорость записи – не менее 1000 км/с.