Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
Скоростные осциллографы обеспечивают исследование формы ко- лебаний СВЧ и кратковременных импульсных сигналов с помощью спе- циальной ЭЛТ – трубки бегущей волны (ТБВ). Кроме того, могут исследо- Раздел 2. Измерительная техника 328 ваться однократные и редко повторяющиеся сигналы, что делает скорост- ные осциллографы незаменимыми приборами при решении целого ряда измерительных задач. Эти приборы, как и универсальные осциллографы, являются прибо- рами реального времени и могут быть использованы для исследования как повторяющихся, так и однократных сигналов. Как видим из рис. 9.11, особенностью скоростного осциллографа яв- ляется отсутствие УВО. Исследуемый сигнал либо прямо, либо через ли- нию задержки подается на отклоняющую систему ТБВ. Таким образом, широкополосность и чувствительность канала вертикального отклонения полностью определяются параметрами ТБВ. Рис. 9.11. Структурная схема скоростного осциллографа Основным узлом скоростных (сверхширокополосных) осциллогра- фов является специальная ЭЛТ-трубка бегущей волны (ТБВ). В этих ЭЛТ сигнальная отклоняющая система представляет собой линию с бегущей волной. Отклоняющая система выполнена в виде плоской спирали, распо- ложенной над плоскостью заземления. Спиральная линия имеет стандарт- ное волновое сопротивление и согласована на конце. Электронный луч проходит в пространстве между проводниками линии. В такой линии, как и в замедляющей системе ЛБВ, скорость распространения сигнала в на- правлении оси, т. е. фазовая скорость электромагнитных волн, равна ско- рости электронов. В области отклонения луча электронный поток движет- ся вдоль линии с невысокими скоростями, вследствие чего увеличивается Вход Y синхро- низации Вход Переключатель входа Линия задержки Схема подсвета луча Формирователь растров Калибратор длительности Схема управления лучом Преобразователь оптический Переключатель входа Устройство синхронизации и запуска развёртки ГР УГО Опти- ческий ТБВ Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 329 чувствительность ЭЛТ. Одновременно с отклонением электронного луча в ТБВ обеспечивается усиление поступающих на её вход исследуемых сигналов. Отклонение луча по горизонтали осуществляется в ТБВ, как и в обычных ЭЛТ, с помощью пластин X. Поэтому канал X в целом аналогичен используемому в универсальном осциллографе, а получение требуемых характеристик развертывающего напряжения достигается схемными реше- ниями. При этом в различных режимах работы осциллографа развёртка либо должна быть очень быстрой (например, в режиме ждущей развёртки), либо может быть сравнительно медленной (например, в режиме автоколе- бательной развёртки при наблюдении нескольких периодов сигнала). Для получения скорости порядка 1...5 см/нс путём заряда (разряда) конденса- тора ток конденсатора L = C · dU C / dt должен быть весьма большим (при конденсаторе емкостью С = 40 пФ сила тока должна превышать 2 А). На- ряду с этим от генератора требуется большая амплитуда напряжения раз- вёртки (порядка сотен вольт), что вызвано применением ЭЛТ с большими ускоряющими напряжениями. Особенностью канала X является возмож- ность осуществления синхронизации и запуска развёртки световыми сиг- налами (например, от ОКГ) с помощью оптического преобразователя, пре- образующего эти сигналы в электрические. Для повышения чувствительности отклонения по вертикали устанав- ливают квадрупольные линзы. Кроме того, в скоростных осциллографах отсутствует усилитель Z, поэтому подсвет прямого хода луча осуществляется с помощью специаль- ной импульсной схемы подсвета. Амплитуда исследуемых сигналов скоростных осциллографов может лежать в пределах от десятых долей вольта до нескольких вольт. Из-за специфики ТБВ поле ее экрана сжато по вертикалидо2...3 см. Максимальная длительность развёртки в таких осциллографах, как прави- ло, ограничена единицами микросекунд, а минимальная – определяется скоростью записи ЭЛТ. Измерения в скоростных осциллографах проводятся с помощью ка- либратора длительности и формирователя растров. В связи с отсутствием УВО применение калибратора амплитуды становится невозможным. В то же время нелинейность канала Y вносит существенную погрешность в ре- зультаты измерения U x . Для её уменьшения формируют горизонтальный растр создаваемый напряжением ступенчатой формы (например, 0, 2, 4, 6 В и т. д.) с погрешностью установки каждой «ступеньки» не более ±1 %. Для наблюдения линий растра на экране ТБВ выход формирователя соединяет- ся со входом Y, а развёртка синхронизируется схемой формирования «сту- пенек». Поскольку напряжение растра и исследуемый сигнал подаются на Раздел 2. Измерительная техника 330 ТБВ поочередно, применение метода наиболее эффективно при регистра- ции растра и осциллограммы на фотопленку с последующим визуальным сравнением изображений или измерением их параметров с помощью спе- циальных оптических устройств. 9.7. Стробоскопические осциллографы Повторяющиеся электрические процессы можно исследовать стро- боскопическим методом, особенно эффективным при наблюдении широ- кополосных сигналов и колебаний СВЧ. Стробоскопические осциллогра- фы позволяют воспроизводить форму колебаний со спектрами, прости- рающимися до десятков гигагерц, что на один-два порядка больше частотного предела обычных осциллографов. Стробоскопическим называется осциллограф, использующий для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор проб мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляю- щий его временное преобразование. Этот метод, не требуя специальных ЭЛТ, позволяет получить широ- кую полосу пропускания порядка сотен и тысяч мегагерц при фактической полосе пропускания усилителя вертикального отклонения в сотни кило- герц или единиц мегагерц. При этом обеспечивается чувствительность 1 мм/мВ (1 000 мм/В). Сущность стробоскопического метода заключается в том, что иссле- дуемый импульс малой длительности преобразуется в импульс бóльшей длительности той же формы, который может усиливаться и регистриро- ваться относительно низкочастотными устройствами. Реализация метода может быть осуществлена как применением специальных стробоскопиче- ских осциллографов, так и использованием стробоскопических преобразо- вателей (приставок), предназначенных для работы с обычными осцилло- графами. Принцип стробоскопического преобразования основан на дискре- тизации повторяющегося сигнала при помощи стробоимпульсов. Стробирующие импульсы представляют собой короткие импульсы (с длительностью, значительно меньше длительности исследуемых сигна- лов) постоянной амплитуды. Период повторения стробирующих импульсов Т с выбирается больше периода следования Т импульсов исследуемых, причем таким, что всякий раз сохраняется неизменной разность Т с – Т = ∆Т = const. Следовательно, положение очередного стробирующего импульса от- носительно начала соответствующего импульса исследуемого напряжения Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 331 меняется: за период Т с стробирующий импульс смещается на интервал времени Т, называемый шагом считывания. Таким образом, некоторым мгновенным значениям исследуемого напряжения соответствуют равностоящие во времени импульсы напряже- ния, следующие с периодом Т с . Огибающая этих импульсов повторяет форму исследуемых импульсов. Огибающую наблюдают на экране осцил- лографа и по ней измеряют параметры исследуемого импульса. В результате такого преобразования происходит изменение масшта- ба времени. Коэффициент трансформации сигнала во времени K = р / и , (9.11) где р – длительность преобразованного сигнала; и – длительность исследуемого сигнала. Из рис. 9.12 видим, что р = Т с · n, здесь n – число точек считывания; и = Т · n, где Т – шаг считывания. Следовательно, выражение (9.11) преобразуется к виду c c T n T K T n T (9.12) Рис. 9.12. Принцип стробоскопического преобразования 7 6 5 4 3 2 1 t U x 2 T T с р U U a б в t t Раздел 2. Измерительная техника 332 В стробоскопических осциллографах K принимается равным сотням и тысячам, а в ряде случаев достигает десятков тысяч. Максимально допустимый шаг считывания находят из теоремы Ко- тельникова: он зависит от верхней частоты в спектре входного сигнала. В общем случае период стробоимульсов Т с может быть выбран и таким, что на m периодов сигнала будет приходиться один стробоимпульс, т. е. Т с = m·Т + Т, где Т с – период входного сигнала. Рис. 9.13. Структурная схема стробоскопического осциллографа Рис. 9.14. Эпюры, поясняющие принцип формирования стробирующих импульсов T U р U БП , U р Т с = Т + T U x U x , U c t T U и a б в U БП U с 2 T t t U бп T U x T СП и Г1 Г2 Осциллограф универсальный Г3 U у U с U р S А1Э А2 Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 333 В стробоскопическом осциллографе (рис. 9.13, 9.14) автоматически поддерживают постоянство шага считывания. Для этого импульсами син- хронизирующего напряжения U с , предшествующими импульсам иссле- дуемого сигнала U х , одновременно запускают генераторы Г1 быстрого пи- лообразного напряжения и Г2 ступенчатого напряжения развёртки. В мо- мент равенства их выходных напряжений U БП и U р компаратор A2 запускает генератор Г3 стробирующих импульсов U и . Высота U ст ступенек напряжения развёртки постоянна, а начало ступенек соответствует момен- там прихода синхронизирующих импульсов. Стробоскопический преобразователь (СП) функционально объеди- нён со схемой памяти, хранящей значения амплитуды выходного импульса преобразователя в течение паузы между стробирующими импульсами. По- этому выходное напряжение преобразователя U п имеет ступенчатую фор- му. Значение U 1 = 0; KU 2 ; KU 3 вертикально отклоняющего напряжения U у на выходе A1 пропорциональны значениям U 1 = 0; U 2 ; U 3 исследуемого напряжения при считывании. Под действием ступенчатого напряжения развёртки луч поочередно занимает равностоящие дискретные положения по оси абсцисс. При сме- щении луча на один шаг напряжение U у изменяется и на экране ЭЛТ воз- никают светящиеся точки, совокупность которых воспроизводит форму исследуемого напряжения (рис. 9.12, где цифры обозначают номер строби- рующего импульса, при котором данная точка получена). В каждой точке луч находится в течение почти всей паузы между стробирующими им- пульсами, что позволяет получить высокую яркость осциллограммы. 9.8. Цифровые запоминающие осциллографы Развитие техники точного осциллографирования привело к созданию универсального осциллографа нового типа (рис. 9.15) – цифрового осцил- лографа (ЦО). Рис. 9.15. Обобщённая структурная схема цифрового осциллографа Исследуемый аналоговый сигнал преобразуется с помощью АЦП в ко- ды, которые далее запоминаются в дискретной памяти, реализуемой с помо- щью ОЗУ. Благодаря этому значительно упрощается задача измерения и об- АЦП ЗУ U(t) ВИ УУ Раздел 2. Измерительная техника 334 работки параметров сигнала, обеспечивается осциллографирование одно- кратных сигналов и появляется возможность полностью автоматизировать процесс исследования формы сигналов и измерения их параметров. Как видим из рис. 9.15, управление работой ЦО осуществляется так- товыми импульсами устройства управления (УУ), в АЦП реализуется ко- доимпульсный метод преобразования при развёртывающем уравновеши- вании с равномерно ступенчатым изменением компенсирующего напряже- ния. Благодаря этому имитируется временнáя развёртка осциллографа. ОЗУ позволяет запомнить весь массив мгновенных значений U (t), поступающих в виде кодов с АЦП, а также необходимую служебную ин- формацию. Скорость записи в ОЗУ и его ёмкость оказывают существенное влияние на быстродействие и метрологические характеристики ЦО. Цифровые запоминающие осциллографы позволяют захватывать и просматривать события, случающиеся однократно, например переходные процессы. Поскольку информация о сигнале существует в цифровом фор- мате в виде последовательности сохранённых бинарных значений, эти зна- чения можно легко анализировать, архивировать, распечатывать либо об- рабатывать каким-либо иным способом как в самом осциллографе, так и во внешнем компьютере. В этом случае для сигнала нет необходимости быть непрерывным; сигнал может быть отображён на экране прибора даже то- гда, когда сам он уже давно исчез. В отличие от аналоговых моделей, циф- ровые запоминающие осциллографы обеспечивают постоянное сохранение в памяти захваченной информации, разностороннюю обработку парамет- ров и их анализ. Однако такие приборы не отображают градации яркости развёртки сигнала в реальном времени, поэтому цифровые запоминающие осциллогра- фы не способны наглядно представлять изменяющиеся «живые» сигналы. Некоторые функциональные узлы, входящие в состав цифровых за- поминающих осциллографов, схожи с аналогичными узлами аналоговых осциллографов. Однако в цифровых моделях имеются дополнительные подсистемы обработки данных, необходимые для сбора и отображения на экране всех параметров, присущих тому или иному сигналу. В цифровых запоминающих осциллографах используется архитектура последователь- ной обработки информации для захвата и вывода на экран исследуемых сигналов (рис. 9.16). Рис. 9.16. Архитектура цифровых запоминающих осциллографов Усили- тель АЦП Память выборок Микро- процессор Память дисплея Демульти- плексор Дисплей Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 335 Как и в аналоговых осциллографах, первым (входным) функцио- нальным узлом цифровых запоминающих осциллографов является усили- тель вертикального отклонения. Органы управления вертикальным откло- нением позволяют регулировать амплитуду и положение развёртки сигна- ла. Далее аналого-цифровой преобразователь в системе горизонтального отклонения осуществляет выборку сигнала в дискретных точках опреде- лённого временнóго интервала и преобразует напряжение исследуемого сигнала в этих точках в цифровые значения, называемые элементами вы- борки. Весь этот процесс называется оцифровкой сигнала. Схема синхронизации системы горизонтального отклонения уста- навливает частоту, с которой АЦП делает выборки. Эта величина называ- ется частотой выборки и измеряется в выборках в секунду (выб/с). Выборки, полученные от АЦП, сохраняются в оперативной памяти прибора в качестве элементов описания формы сигналов. Некоторое коли- чество выборок могут составить одну точку развёртки сигнала. Взятые вместе точки развёртки сигнала составляют одну развёртку сигнала. Используемое количество точек, необходимое для создания развёрт- ки сигнала называется длиной записи. Система запуска осциллографа оп- ределяет момент пуска и останова процесса записи. Сигнальный тракт цифровых осциллографов включает в себя микро- процессор, через который проходит измеряемый сигнал. Микропроцессор обрабатывает сигнал, управляет выводом данных на дисплей, органами управления передней панели прибора, а также решает другие задачи. Затем сигнал поступает в память дисплея, а из неё выводится на экран. В зависимости от производительности осциллографа может выпол- няться дополнительная обработка выборок, что значительно повышает ка- чество и достоверность отображаемой информации. Также возможно ис- пользование режима упреждающего запуска, который позволяет просмат- ривать сигнал непосредственно перед моментом запуска. Большинство современных цифровых осциллографов обладают широким набором ре- жимов автоматического измерения параметров, что в целом упрощает про- цедуру исследования сигналов. Цифровые запоминающие осциллографы идеальны для исследова- ний высокоскоростных сигналов в нескольких каналах с невысокой скоро- стью захвата или с одиночными захватами. При проектировании цифровых устройств инженеры обычно анализируют от четырёх и более сигналов одновременно – в таких задачах цифровой запоминающий осциллограф становится незаменимым помощником. Рассмотрим визуальные индикаторы (ВИ), применяемые в ЦО. Они подразделяются на две группы: ЭЛТ и матричные индикаторные панели (МИП). При использовании ЭЛТ необходимы дополнительные цифроана- Раздел 2. Измерительная техника 336 логовые преобразователи (ЦАП), преобразующие коды ОЗУ в напряжение сигнала U (t), поступающее на пластины Y, и напряжение развёртки, пода- ваемое на пластины X ЭЛТ. Необходимость в ЦАП отпадает, если перейти к МИП – плоским матричным панелям (экранам), дискретность которых естественным образом согласуется с дискретной формой представленной информации. Кроме того, применение МИП снижает габариты и массу ЦО, устраняет источники высокого напряжения и резко сокращает число орга- нов управления экраном. 9.9. Характеристики современных осциллографов Учитывая назначение и особенности основных узлов осциллографа, а также требования стандарта ГОСТ 22737–77 «Осциллографы электрон- но-лучевые. Номенклатура параметров и общие технические требования», можно выделить следующие |