Цифровые осциллографы

Развитие техники точного осциллографирования привело к созданию универсального осциллографа нового типа - цифрового осциллографа (ЦО), являющегося еще одним примером ЦИП. Исследуемый аналоговый сигнал преобразуется с помощью АЦП в коды, которые далее запоминаются в дискретной памяти, реализуемой с помощью оперативного запоминающего устройства (ЗУ). Благодаря этому значительно упрощается задача измерения и обработки параметров сигнала, обеспечивается осциллографирование однократных сигналов и появляется возможность полностью автоматизировать процесс исследования формы сигналов и измерения их параметров. В самом общем виде структурная схема ЦО показана на рис. 3.

Рис. 3 Обобщенная структурная схема ЦО

Как видно из рис. 3, управление работой ЦО осуществляется тактовыми импульсами УУ. В АЦП реализуется кодоимпульсный метод преобразования при развертывающем уравновешивании с равномерно ступенчатым изменением компенсирующего напряжения Благодаря этому имитируется временная развертка осциллографа.

Оперативное ЗУ позволяет запомнить весь массив мгновенных значений U(t), поступающих в виде кодов с АЦП, а также необходимую служебную информацию. Скорость записи в ЗУ и его емкость оказывают существенное влияние на быстродействие и метрологические характеристики ЦО.

Особо следует остановиться на видах визуальных индикаторов (ВИ), применяемых в ЦО. Они подразделяются на две группы: ЭЛТ и матричные индикаторные панели (МИП). При использовании ЭЛТ необходимы дополнительные ЦАП, преобразующие коды ЗУ в напряжение сигнала U(t), поступающее на пластины Y, и напряжение развертки, подаваемое на пластины X ЭЛТ. Необходимость в ЦАП отпадает, если перейти к МИП - плоским матричным 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 органов управления экраном.

Скоростные и стробоскопические осциллографы

Развитие техники СВЧ, микроэлектроники, вычислительной техники, оптических квантовых генераторов (ОКГ), ядерной физики и других областей науки и техники вызвало необходимость исследования формы колебаний СВЧ и импульсных сигналов нано- и пикосекундной длительности. Для этого необходимы осциллографы с очень широкой полосой пропускания и высокими скоростями разверток. В то же время полоса пропускания самого быстродействующего универсального осциллографа не превышает 500 МГц, а скорость развертки явно недостаточна. Рассмотрим основные причины, ограничивающие технические возможности универсальных осциллографов в этом плане.

Влияние емкости и индуктивности вводов отклоняющих пластин ЭЛТ на форму фронта осциллограммы. Начинают влиять даже емкости в единицы пикофарад, а в сочетании со значительной индуктивностью вводов реальными становятся паразитные резонансы такой цепи на частотах исследуемых сигналов.

Влияние конечного времени пролета электронов между отклоняющими пластинами ЭЛТ - типичная причина, ограничивающая диапазон рабочих частот всех электровакуумных приборов. Если время пролета становится соизмеримым с периодом повторения исследуемого сигнала, ЭЛТ уже нельзя считать безинерционным прибором. Если же оно равно или кратно периоду сигнала, то отклонение пятна вообще будет отсутствовать.

Уменьшение яркости осциллограммы при высоких скоростях перемещения луча по экрану ЭЛТ. Например, если требуется получить изображение импульса с _и=5 нс при ширине осциллограммы 100 мм, скорость должна быть 20 000 км/с. В то же время яркость осциллограммы должна быть достаточной для фотографирования.

Практическая трудность создания УВО с очень широкой полосой пропускания (например, более 500 МГц) и высокоскоростных ГР.

Скоростные осциллографы

Скоростные осциллографы обеспечивают исследование формы колебаний СВЧ и кратковременных импульсных сигналов с помощью специальной ЭЛТ - трубки бегущей волны (ТБВ). Она имеет отклоняющую систему в виде линии бегущей волны. Благодаря синхронизации фазовой скорости распространения электромагнитной волны, создаваемой в этой линии исследуемым сигналом, и скорости электронного луча исключается влияние времени пролета электронов и существенно повышается чувствительность ТБВ, Хотя во многих случаях она еще недостаточна (что послужило одной из основных причин разработки стробоскопических осциллографов), но позволяет исследовать форму сигналов в реальном масштабе времени (без временного или частотного преобразования). Кроме того, могут исследоваться однократные и редкоповторяющиеся сигналы, что делает скоростные осциллографы незаменимыми приборами при решении целого ряда измерительных задач.

Рис. 4 Структурная схема скоростного осциллографа

Как видно из рис. 4, характерной особенностью скоростного осциллографа является отсутствие УВО. Исследуемый сигнал либо прямо, либо через ЛЗ подается на отклоняющую систему ТБВ. Таким образом, широкополосность и чувствительность канала вертикального отклонения полностью определяются параметрами ТБВ.

Отклонение луча по горизонтали осуществляется в ТБВ, как и в обычных ЭЛТ, с помощью пластин X. Поэтому капал X в целом аналогичен используемому в универсальном осциллографе, а получение требуемых характеристик развертывающего напряжения достигается схемными решениями. При этом в различных режимах работы осциллографа развертка либо должна быть очень быстрой (например, в режиме ждущей развертки), либо может быть сравнительно медленной (например, в режиме автоколебательной развертки при наблюдении нескольких периодов сигнала). Характерной особенностью канала X является возможность осуществления синхронизации и запуска развертки световыми сигналами (например, от ОКГ) с помощью оптического преобразователя, преобразующего эти сигналы в электрические. Кроме того, в скоростных осциллографах отсутствует усилитель Z. Поэтому подсвет прямого хода луча осуществляется с помощью специальной импульсной схемы подсвета.

Измерения в скоростных осциллографах проводятся с помощью калибратора 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 результаты измерения U_x. Для ее 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 соединяется со входом Y, а развертка синхронизируется схемой формирования «ступенек». Поскольку напряжение растра и исследуемый сигнал подаются на ТБВ поочередно, применение метода наиболее эффективно при регистрации растра и осциллограммы на фотопленку с последующим визуальным сравнением изображений или измерением их параметров с помощью специальных оптических устройств.

Стробоскопические осциллографы

Стробоскопическим называется осциллограф, использующий для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляющий его временное преобразование. Принцип работы стробоскопического осциллографа основан на измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью коротких стробирующих импульсов напряжения. Этот принцип базируется на эффекте кажущегося замедления быстропеременного процесса (стробоскопический эффект) и позволяет разрешить два противоречивых требования - обеспечение широкой полосы пропускания и высокой чувствительности осциллографа. Он наглядно поясняется с помощью временных диаграмм, приведенных на рис. 5.

Исследуемый сигнал (рис. 5, а) и строб-импульсы (рис. 5, б), длительность которых много меньше t_х, поступают на стробоскопический смеситель, содержащий диодную ключевую схему и устройство кратковременной памяти (в виде зарядного конденсатора). Ключевая схема открывается только на время действия строб-импульса, а зарядный ток конденсатора зависит от суммарного напряжения, воздействующего на диод. В результате выходной импульс смесителя оказывается промодулированным по амплитуде мгновенным значением сигнала, соответствующим моменту поступления строб-импульса. Кроме того, этот импульс расширяется во времени, так как после запирания диода конденсатор разряжается через резистор с большим сопротивлением.

Рис. 5. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы стробоскопического осциллографа: а - исследуемый сигнал; б - строб-импульсы; в - огибающая импульсов на выходе стробоскопического смесителя

Если теперь организовать временной автоматический сдвиг строб-импульсов относительно сигнала, то это приведет к появлению на выходе смесителя последовательности расширенных импульсов, огибающая которых будет повторять форму сигнала (рис. 5, в). Временной автосдвиг строб-импульсов будет обеспечен, если (рис. 5, б)

Т_С=Т_х+Т, (1)

где Т - отрезок времени, называемый шагом считывания. Схема временного автосдвига - важнейший функциональный узел любого стробоскопического осциллографа, входящий в состав устройства стробоскопической развертки. Выделяя огибающую расширенных импульсов, можно получить аналоговый сигнал, идентичный по форме исследуемому, но значительно «растянутый» (трансформированный) во времени. Этот сигнал может быть усилен относительно узкополосным усилителем и воспроизведен на экране обычной ЭЛТ. Таким образом, стробоскопический осциллограф может быть спроектирован на обычной элементной базе. Это принципиальное преимущество стробоскопических осциллографов по сравнению со скоростными. Временное преобразование исследуемого сигнала при стробировании принято характеризовать коэффициентом трансформации масштаба времени

k_тр=nT_с/t_x, (2)

где n - число точек считывания сигнала. Очевидно (рис. 12), t_x/n=T, т.е.

k_тр=T_с/T (3)

Поскольку стробирование исследуемого сигнала приводит к дискретизации измерительной информации, необходимо всегда знать минимально необходимое число точек считывания сигнала n_min. На практике выбор значения n (плотности точек считывания) диктуется разными соображениями и прежде всего удобством наблюдения изображения сигнала на экране ЭЛТ. Поэтому, как правило, n>n_min - так называемая нормальная стробоскопическая развертка. При медленных развертках, когда детали формы сигнала не имеют принципиального значения, может быть n<n_min. Кроме того, считывание сигнала не обязательно должно соответствовать каждому последующему периоду его, как это показано на рис. 5. Можно еще более растянуть временной масштаб, если считывание будет осуществляться после пропуска некоторого числа m периодов сигнала. Таким образом, любой стробоскопический осциллограф имеет в своем составе функциональные узлы, заимствованные от обычных универсальных осциллографов (ЭЛТ, УВО, УГО, ЭК. калибраторы и др.), и специальные узлы, к которым относятся генератор строб-импульсов (ГС), стробоскопический преобразователь, объединяющий смеситель и дополнительные узлы, где осуществляется преобразование импульсов в аналоговый сигнал, а также устройство стробоскопической развертки со схемой временного автосдвига строб-импульсов. В качестве примера на рис. 6 приведена структурная схема одноканального стробоскопического осциллографа. Осциллограф запускается синхронизирующими сигналами, подаваемыми на специальный вход и опережающими исследуемый сигнал на время задержки стробоскопической развертки. Это могут быть либо внешние импульсы, либо внешнее синусоидальное напряжение или сам исследуемый сигнал (в последнем случае на вход смесителя сигнал должен подаваться через ЛЗ, компенсирующую задержку развертки). В устройстве синхронизации формируются стандартные импульсы запуска, частота повторения которых либо равна частоте исследуемого сигнала, либо в m раз меньше.

Рис. 6 Структурная схема одноканального стробоскопического осциллографа

Сформированные импульсы запуска управляют работой схемы временного автосдвига, в которую входят генератор «быстрого» пилообразного напряжения (ГБПН), генератор «медленного» ступенчато-пилообразного напряжения (ГМПН) и компаратор К. Длительность БПН равна длительности исследуемого сигнала, а длительность МПН в коэффициент развертки раз больше. В моменты равенства БПН и МПН срабатывает К и своим выходным сигналом запускает генератор импульсов запуска (ГИЗ), формирующий импульсы с крутым фронтом. Они запускают ГС и ГМПН и срывают колебания ГБПН.

После каждого импульса ГИЗ напряжение ГМПН ступенчато повышается на строго постоянную дозированную величину, а в промежутках между импульсами остается постоянным. Этот процесс продолжается до уровня, определяемого величиной k_тр, после чего МПН автоматически сбрасывается и начинается новое нарастание. Видно, что момент равенства БПН и МПН автоматически сдвигается относительно начала БПИ по мере поступления импульсов запуска. Следствием этого является временной автосдвиг строб-импульсов ГС относительно сигнала т.е. реализуется рассмотренный выше принцип пробирования.

Выходное напряжение ГМПН является одновременно напряжением стробоскопической развертки и после усиления в УГО подается на пластины X ЭЛТ. Это напряжение возрастает хотя и дискретно, но по линейному закону, а начало и конец развертки фиксируются импульсами запуска. Cтробоскопическая развертка может быть нормальной (наблюдается сканирование луча на экране ЭЛТ со скоростью, обеспечивающей исследование наблюдаемой осциллограммы), ручной (осуществляется оператором вручную) и внешней (создается внешним пилообразным напряжением). Реализуются также однократная и задержанная развертки.

Рассмотрим теперь работу стробоскопического преобразователя. Расширенные и промодулированные огибающей исследуемого сигнала импульсы с выхода смесителя передаются по цепочке, содержащей предварительный усилитель, аттенюатор, функционально аналогичный аттенюатору ВУ универсального осциллографа, и импульсный усилитель, который, кроме того, еще расширяет импульсы выборок. Полученный таким образом импульсный сигнал поступает на вход расширителя импульсов (РИ), где превращается в аналоговый сигнал за счет расширения импульсов до периода повторения. Аналоговый сигнал имеет вид ступенчато-изменяющегося напряжения. Это напряжение усиливается в УВО и подается на пластины Y ЭЛТ. Для повышения четкости изображения плоские участки напряжения подсвечивают импульсами схемы подсвета луча.

Запоминающие осциллографы

Запоминающий осциллограф - это осциллограф, который при помощи специального устройства, например ЭЛТ с памятью или электронного ЗУ, позволяет сохранять на определенное время исследуемый сигнал и при необходимости представлять его для однократного или многократного визуального наблюдения или для дальнейшей обработки. Таким образом, основное назначение запоминающих осциллографов - исследование однократных и редкоповторяющихся сигналов, а также периодических сигналов, когда нужно сравнить их формы через некоторое время.

Как следует из определения, основным функциональным звеном запоминающего осциллографа должны быть ЗУ или ЭЛТ с памятью. В первом случае фактически имеем ЦО, а во втором - осциллограф на базе запоминающей ЭЛТ с видимым изображением (ЗЭЛТ).

ЗЭЛТ могут работать в режиме обычного воспроизведения осциллограмм (без запоминания). Поэтому запоминающий осциллограф на базе ЗЭЛТ всегда совмещает и функции обычного универсального осциллографа. Структурная схема его базируется на схеме рис. 1 и содержит дополнительные функциональные узлы, обеспечивающие управление памятью, воспроизведением и стиранием записанного изображения.

Запоминание исследуемого сигнала в осциллографе осуществляется путем записи его с помощью записывающего прожектора ЗЭЛТ, генератора развертки и схемы управления лучом. Запись может быть как однократной, так и многократной (последовательное наложение изображений). Последний режим называется накоплением и позволяет существенно улучшить качество записываемого изображения для периодических сигналов. Записанное изображение должно сохраняться в течение длительного времени для обеспечения возможности воспроизведения с помощью воспроизводящего прожектора ЗЭЛТ и схемы управления воспроизведением.

Перед записью сигнала необходимо стереть предшествующее изображение и подготовить развертку к новому запуску. Стирание производится подачей на подложку мишени ЗЭЛТ стирающего импульса и может быть ручным и автоматическим. При автоматическом стирании обеспечивается регулируемая выдержка воспроизведения, а после стирания прибор автоматически подготавливается к новой записи. Для периодических сигналов процессы записи, воспроизведения и стирания могут автоматически чередоваться.

Осциллографические измерения

Осциллографы широко применяются не только при исследовании формы и измерении параметров сигналов, но и при исследовании характеристик электрорадиотехнических цепей и устройств. На базе осциллографов проектируются другие виды приборов подгруппы С, а также приборы других подгрупп.

Визуальное наблюдение осциллограмм

Поскольку измерение параметров сигналов при исследовании их формы с помощью осциллографа осуществляется по осциллограммам, принципиальное значение имеют неискаженное воспроизведение осциллограмм и возможность детального исследования их. Для этого нужно, выбрав осциллограф, подключить его к источнику сигнала, установить оптимальные размеры и яркость осциллограммы, выбрать соответствующий режим работы и вид синхронизации, откалибровать (т.е. установить требуемые значения k_о, и k_р). Полезно при этом помнить о тех искажениях,

которые могут возникать при визуальном наблюдении осциллограмм. Типичные примеры искажений приведены па рис. 14. Искажение на рис. 14, а обусловлено обратным ходом развертки Т_обр. Если в тракте УВО появился фон сетевого напряжения, наблюдается изгиб огибающей изображения сигнала (рис. 14,б). Если не виден фронт импульса (рис. 14, в), то это свидетельствует о неправильном выборе синхронизации ГР. Спад вершины импульса (рис. 14, г) объясняется завалом

частотной характеристики канала Y в области низких частот. При большом времени нарастания переходной характеристики t, фронты изображения импульса будут слишком пологими (рис. 14, д). Неестественно ровная вершина осциллограммы и заостренные переходы к фронтам (рис. 14, е) - следствие ограничений в УВО. Универсальность современных осциллографов значительно повышается применением растяжки развертки в сочетании с системой двойных разверток. Кратность растяжки может быть весьма значительной и позволяет получать крупномасштабные изображения той части сигнала, которая соответствует центральной части осциллограммы. Однако при этом соответственно уменьшается яркость осциллограммы и могут возникнуть дополнительные погрешности измерения временных интервалов. Поэтому, если необходимо детально исследовать сигнал, задержанный относительно импульса запуска, весьма эффективной оказывается система двойных разверток.

Измерение напряжений

Современные типы осциллографов позволяют измерять все параметры переменных напряжений. При этом может быть реализован как метод прямого преобразования, так и метод сравнения.

Измерение напряжений методом прямого преобразования

Метод прямого преобразования, называемый еще методом калиброванного отклонения, сводится к предварительной калибровке канала Y с помощью калибратора амплитуды. В процессе калибровки устанавливается требуемое значение k_o, являющееся фактически ценой деления шкалы экрана ЭЛТ.

Если размеры осциллограммы оказались за пределами шкалы, необходимо воспользоваться аттенюатором и уменьшить размеры осциллограммы. Тогда следует учитывать коэффициент передачи аттенюатора.

При измерениях очень важно всегда размещать осциллограмму в пределах рабочей части экрана ЭЛТ и минимизировать ширину линии луча. Кроме того, не должна вноситься дополнительная погрешность за счет параллакса. Для этого либо применяются шкалы, у которых линии и риски наносятся друг против друга с обеих сторон шкалы, либо шкала наносится прямо на внутреннюю поверхность стекла экрана ЭЛТ. При выполнении этих условий реализуется основная погрешность измерения напряжения, нормируемая классом точности осциллографа.

Измерение напряжений методом сравнения

Метод сравнения может иметь различные аппаратурные реализации. Рассмотрим два характерных примера.

Если измерения производятся с помощью двухканального осциллографа, то на экране ЭЛТ могут быть совмещены изображения измеряемого и образцового напряжений. Для этого на вход Y1 подается исследуемый сигнал, а на вход Y2 - образцовое напряжение, которое может быть как постоянным, так и переменным. Совмещая калибровочную линию, создаваемую образцовым напряжением, с границами измеряемого участка осциллограммы, определяют с помощью, например, встроенного вольтметра искомое значение U_х.

Для дальнейшего повышения точности измерений необходимо исключить погрешность из-за искажений осциллограммы исследуемого сигнала за счет неравномерности АЧХ канала Y. Это возможно только путем измерения напряжений на входе осциллографа, когда искажения еще не вносятся. Однако такая методика требует формирования калибровочного напряжения из исследуемого сигнала (путем его усечения) и поэтому применяется только в некоторых типах осциллографов. Спектральные составляющие калибровочного и исследуемого сигналов отличаются в этом случае незначительно, что и позволяет исключить погрешность за счет неравномерности АЧХ.

Измерение интервалов времени

Одним из распространенных методов измерения t является применение осциллографических разверток. С их помощью также могут быть реализованы методы прямого преобразования и сравнения.

Измерение t методом прямого преобразования

Этот метод, называемый также методом калиброванного коэффициента развертки, аналогичен случаю измерения Uх. Перед измерением с помощью калибратора длительности устанавливается требуемое значение k_о, являющееся ценой деления шкалы по горизонтали. В этом случае, если используется растяжка развертки, то учитывают коэффициент, характеризующий кратность растяжки.

В практике осциллографических измерений длительность импульса _и принято измерять на уровне 0,5 амплитуды наблюдаемого изображения. Это правило хотя и является в какой-то степени условным, но позволяет устранить неопределенность при измерении _и импульсов произвольной формы. Точно так же при измерении длительности фронта импульса _ф за отсчетные точки принимают значения 0,1 и 0,9 амплитуды наблюдаемого изображения. Поэтому шкалы на экранах ЭЛТ, кроме сплошных линий, образующих координатную сетку, могут иметь две горизонтальные пунктирные линии на уровнях 0,1 и 0,9 от полной высоты шкалы. В таких случаях изображение импульса при измерении _и и _ф должно занимать всю высоту шкалы.

Если измеряется период следования импульсов или временной интервал между двумя различными импульсами, на развертке должны наблюдаться изображения обоих импульсов (опорного и интервального). Методика измерения не изменяется, но точность измерения больших значений может снизиться. Дополнительные возможности дает применение круговой развертки, так как длина окружности в раз больше ее диаметра. На экран ЭЛТ в таком случае накладывается шкала с полярной системой координат, а опорный и интервальный импульсы подаются на вход Z, создавая на окружности яркостные метки. Совмещая метку опорного импульса с началом шкалы, измеряют угловое положение второй метки и определяют искомое значение t

Измерение частоты

Известны самые разнообразные методики измерения частоты, но в настоящее время применяются только две модификации метода сравнения: метод интерференционных фигур и метод круговой развертки. В обоих случаях осциллограф выполняет функции индикатора равенства или кратности измеряемой (f_x) и образцовой (f_о) частот и погрешности в результат измерения f_х практически не вносит.

Метод интерференционных фигур

При подаче на входы Y и X двух синхронных синусоидальных напряжений луч на экране ЭЛТ совершает сложное движение, и траектория луча воспринимается как неподвижная интерференционная фигура (фигура Лиссажу). Вид ее зависит от кратности fх/fо, соотношения амплитуд напряжений и фазового сдвига между ними. Полагая равными амплитуды напряжений (обеспечивается регулировкой усиления в УВО и УГО), приведем примеры интерференционных фигур для различных значений fх/fо и

.

Из табл. видно, что, независимо от значения , для определения f_х/f_о может быть рекомендовано следующее правило. Через изображение фигуры мысленно проводятся вертикальная и горизонтальная линии так, чтобы они не пересекались с узлами фигуры (сплошные линии). Числа пересечений вертикальной линии с линиями фигуры (n_y) и горизонтальной липни (n_x связаны с f₀ и f_x соотношением n_yЧ f₀= n_xЧ f_x Откуда легко находится искомое значение f_x. Если линии будут пересекаться с узлами фигуры (пунктирные линии), то кратность f_х/f_о будет определена неправильно.

Чем сложнее фигура, тем затруднительнее становится применять рассмотренное правило.

Поэтому при практических измерениях нужно всегда стремиться к простейшему виду фигуры - эллипсу, когда f_х=f_о.

Однако чем выше f_х, тем труднее получить неподвижное изображение эллипса

Электрические характеристики и параметры осциллографа

Широкое применение осциллографов во многих областях знаний и техники приводит к необходимости характеризовать его системой параметров. В систему электрических параметров входят: параметры каналов X, Y и Z, параметры ЭЛТ, параметры калибраторов амплитуды и длительности.

Основной причиной искажений формы сигнала являются линейные и нелинейные искажения, вносимые каналом Y осциллографа. Нормируемыми параметрами амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) осциллографа являются:

а) полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого спад АЧХ не превышает 3 дБ относительно значения на опорной частоте;

б) нормальный диапазон-диапазон частот, в пределах которого неравномерность АЧХ не превышает погрешности установки коэффициента отклонения;

в) опорная частота - частота, на которой спад АЧХ отсутствует. Спад АЧХ (в дБ)

где h_{f оп} -- вертикальный размер осциллограммы на опорной частоте; h_fизм -то же на частоте исследуемого сигнала.

Для оценки линейных искажений необходимо знать нижнюю fn и верхнюю fв граничные частоты полосы пропускания канала Y.

Частота fn определяет искажения горизонтальных участков импульсов большой длительности, а частота fв искажения быстрых перепадов сигнала.

При оценке искажений импульсных сигналов удобно пользоваться переходной характеристикой (ПХ). В осциллографе ПХ канала Y

оценивается по осциллограмме на экране ЭЛТ (рис. 15) при подаче на его вход перепада напряжения. Нормируются время нарастания ф_н, интервал, течение которого ПХ изменяется от 0,1 до 0,9 от установившегося значения, и выброс - часть ПХ, превышающий установившееся значение. Численное значение выброса выражают в процентах:

Значение выброса ПХ связано с формой АЧХ. Оптимальной АЧХ, позволяющей получить минимальное значение ф_н при минимальном выбросе, соответствует характеристика, близкая к кривой Гаусса:

где f_в -- верхняя граничная частота

У большинства осциллографов АЧХ имеет форму (последняя формула) не только в пределах полосы пропускания, но и вне ее, т. е. при этом значение выброса минимально.

Нормируемым параметром осциллографа являются калиброванные значения коэффициента отклонения канала Y. Максимальное и минимальное значения коэффициента отклонения (или обратной его величины -- чувствительности) приводятся в инструкции к осциллографу.

Важным параметром является входное сопротивление R_вх и входная емкость С_вх канала Y Чем больше R_вх и меньше С_вх, тем меньше проявится влияние подключения осциллографа к измеряемой цепи. Обычно R_вх составляет 1 МОм, входная емкость -- С_вх = 20...40 пФ. При использовании выносного пробника входная емкость может быть уменьшена до 7 ... 10 пФ.

Основным параметром, характеризующим канал X осциллографа, является диапазон изменения длительности развертки. В современных приборах длительность прямого хода развертки Т_ПР обычно задается в виде коэффициентов развертки. Указывается также значение коэффициента нелинейности развертки.

В конструкциях осциллографа предусматривается возможность использования канала X для подачи внешнего сигнала. Поэтому этот канал также характеризуется коэффициентом отклонения, полосой пропускания, входным сопротивлением и емкостью.

Параметрами канала Z, которые учитывают при выборе осциллографа, являются: диапазоны частот и модулирующего напряжения сигнала, входное сопротивление и емкость.

Рекомендации по выбору осциллографа

При регистрации гармонических колебаний выбор осциллографа определяется нижней и верхней частотами АЧХ канала Y и значением коэффициента отклонения. Частота исследуемого сигнала должна находиться в рабочем диапазоне канала Y.

При исследовании импульсных сигналов удобно оценивать пригодность осциллографа по переходной характеристике канала Y. Время нарастания ф_но переходной характеристики осциллографа должно быть в несколько раз меньше времени нарастания фронта исследуемого сигнала ф_нс. Например, при исследовании колоколообразных импульсов должно быть . При соблюдении приведенных рекомендаций погрешности воспроизведения амплитуды, времени нарастания и длительности исследуемых сигналов не превышают 1-2 %.

Пригодность осциллографа для исследования импульсных сигналов можно оценить по его АЧХ на основе соотношения:

Где f_в- верхняя граничная частота канала Y, МГц, а ф_н -- время нарастания ПХ, мкс. Используя данное выражение, можно установить время нарастания переходной характеристики канала Y по его АЧХ. От величины нижней граничной частоты f_н зависит правильность передачи плоской вершины исследуемого импульса. Нижняя граничная частота полосы пропускания канала Y и спад плоской вершины связаны соотношением

где- относительный спад вершины (рис. 16); ф -- длительность импульса. Следует отметить, что спад вершины импульсов возникает из-за разделительных конденсаторов в межкаскадных связях усилителя канала Y. В осциллографах постоянного тока с открытым входом таких искажений нет.

Измерение мощности

Мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Единица мощности - ватт (Вт) - равна работе в один джоуль за одну секунду. Мгновенная мощность синусоидального тока, выделяемая на некоторой нагрузке



где

- мгновенные значения напряжения и тока на нагрузке, а средняя за период мощность

где U, I - среднеквадратические значения напряжения и тока.

На постоянном токе и переменном токе от низких частот до частот примерно 500 МГц мощность измеряют по току и напряжению. В качестве уравнения измерения используют

Р=UI

(на постоянном токе) и выражение (1) на переменном. Применяют прямые и косвенные измерения. При прямых измерениях используются ваттметры, в которых аппаратно осуществляется перемножение напряжения и тока на нагрузке с последующим усреднением (например, электродинамические ваттметры).

На высоких частотах в качестве перемножителей используются различные электронные устройства. Широко используются косвенные измерения мощности по прямым измерениям напряжения или тока на активной нагрузке. Особое положение занимает измерение мощности на СВЧ. Здесь не приемлем метод измерения, основанный на измерениях тока и напряжения, по следующим причинам:

- во-первых, напряжение и ток на СВЧ теряют свою однозначность: их значение непостоянно по сечению линии передачи;

- во-вторых, измерение напряжения и тока на СВЧ представляет трудности, обусловленные сильным влиянием измерительного прибора на измеряемую цепь.

Поэтому на СВЧ применяются методы, основанные на преобразовании электромагнитной энергии в другие виды, например, в тепловую энергию, и последующее измерение мощности преобразованного процесса. Обоснованием правомерности таких методов измерения служит закон сохранения энергии.

По виду первичного преобразования энергии различают следующие методы измерения мощности на СВЧ:

- тепловые (калориметрический, терморезисторный, термоэлектрический);

- пондеромоторный;

- методы, использующие выпрямление;

- методы, использующие эффект Холла;

- разогрев носителей заряда в СВЧ электрическом поле;

- нелинейные свойства ферритов.

Различают два основных случая измерения мощности на СВЧ:

1) измерение мощности источника или генератора электромагнитных колебаний, когда под мощностью генератора понимают мощность, отдаваемую в согласованную нагрузку;

2) измерение мощности, выделяемой в нагрузке.

В каждом из этих случаев используются два принципиально различных метода измерения. Первый состоит в том, чтобы измеряемую мощность полностью рассеять на некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. Второй метод состоит в том, что между генератором и нагрузкой включается устройство, преобразующее в другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линии энергии и не нарушающее процесса передачи.

На первом из этих методов основаны ваттметры поглощаемой мощности. С помощью направленных ответвителей измерители поглощаемой мощности могут использоваться как измерители проходящей мощности, хотя с другими пределами измерений. С другой стороны, подключение на выходе ваттметра проходящей мощности согласованной нагрузки превращает его в ваттметр поглощаемой мощности с теми же пределами измерений. Следовательно, ваттметры проходящей мощности при равных параметрах являются предпочтительными, так как они позволяют измерять мощность непосредственно в рабочих условиях при работе генератора на реальную нагрузку (а не на ее эквивалент), и в случае необходимости могут служить ваттметрами поглощаемой мощности без нарушения градуировки.

В круг задач измерения мощности на СВЧ входит также измерение мощности импульсно-модулированных колебаний: измеряют среднюю за период модуляции Т мощность Р_ср и среднюю за время импульса импульсную мощность Р_и.

Для импульсов прямоугольной формы

где Q - скважность.

При измерении мощности наряду с абсолютными единицами используются (логарифмические) единицы, в частности, децибелы (дБ):

,

где Р_х - измеряемая мощность, Р_о- исходный уровень мощности; причем Р₀ выбирают равным 1 мВт или 1 Вт, в этих случаях единица обозначается дБмВт или дБВт. Если значение положительно, измеряемая мощность больше исходного уровня, если отрицательно - меньше.

Ваттметры СВЧ перекрывают огромный динамический диапазон 10^-8...10⁸ Вт. По уровню измеряемой мощности они классифицируются на: ваттметры малой мощности (до 10 мВт), средней (от 10 мВт до 10 Вт) и большой (свыше 10 Вт) мощности. Все они могут иметь классы точности 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 15 и 25.

Калориметрический метод

Калориметрический метод измерения мощности СВЧ состоит в рассеянии всей измеряемой мощности на калориметрической нагрузке (рабочем теле) и измерении скорости выделения тепловой энергии тем или иным способом. Калориметрические ваттметры (калориметры) являются ваттметрами поглощаемой мощности (группа М3), а калориметрическая нагрузка представляет собой эквивалент той реальной нагрузки, мощность в которой измеряется.

Существует большое разнообразие типов и конструкций калориметров. Прежде всего, различают калориметры переменной и постоянной температуры. Во - первых, рассеяние мощности СВЧ сопровождается повышением температуры рабочего тела, а во вторых - температура остается постоянной, что достигается:

1. поглощением тепла веществом, окружающим тело, за счет изменения его агрегатного состояния;

2. поглощением тепла специальным холодильным элементом;

3. соответствующим уменьшением предварительно введенного подогрева.

Болометрический (термисторный) метод

Болометрический (термисторный) метод основан на изменении сопротивления резистивного термочувствительного элемента, в котором электромагнитная энергия превращается в тепловую. В диапазоне СВЧ применяют два вида термочувствительных элементов - болометры и термисторы (соответственно ваттметры называются болометрическими или термисторными).

Болометр представляет собой проволоку диаметром примерно 1 мкм и длиной 0,8...1,2 мм (проволочные болометры) или пленку из платины (палладия), нанесенную на подложку из стекла или слюды (пленочные болометры). Проволочные болометры запаивают в стеклянный вакуумный или заполненный инертным газом баллон, а пленочные болометры выполняют в виде специальной вставки.

Термисторы изготовляют из полупроводниковой массы в виде бусинки диаметром 0,2...0,5 мм или цилиндра диаметром 0,2...0,3 мм и длиной 1...1,5 мм. Полупроводниковая масса состоит из порошкообразной смеси оксидов меди, марганца, кобальта, титана, спекаемой в определенной среде. В тело термистора ввариваются выводы из платины (платиноиридиевого сплава), а сам термистор может помещаться в стеклянный баллон или эксплуатироваться без него (безбалонные термисторы).

Рассмотрим типичные зависимости R_t(P) для болометров и термисторов , из которых видно, что термистор изменяет свое сопротивление в более широких пределах, чем болометр. Это определяет более высокую чувствительность термистора S_t=5... 100 Ом/мВт по сравнению с болометром (S_t =3...15 Ом/мВт) и облегчает согласование термистора с трактом.

В то же время проволочные болометры имеют значительно меньшую тепловую постоянную 10^-3…10^-5 с чем термисторы (0,1...1 с), и могут применяться для измерения импульсной мощности. Основным достоинством пленочных болометров является возможность расширения пределов измерения мощности от 10 мВт (термисторы и проволочные болометры) до 1 Вт. Таким образом, в зависимости от конкретных требований ваттметры могут комплектоваться болометрическими или термисторными головками (рис. 2).

Рис. 2 Коаксиальная болометрическая (термисторная) головка: а - устройство; б - эквивалентная схема.

Конструктивно головки представляют собой отрезки коаксиальных или волноводных трактов со встроенными болометрами или термисторами. При этом важно разделить цепи питания болометра (термистора) по постоянному току (для включения в схему измерительного устройства) и СВЧ (для подачи измеряемой мощности Р_х). В коаксиальных головках это достигается с помощью высокочастотного дросселя и конструктивного конденсатора (рис. 2, а). Дроссель (Др) представляет собой спираль Архимеда, не нарушающую согласования головки с трактом подачи Р_х, а конструктивный конденсатор С_к образован внешним проводником коаксиала и оконечной короткозамыкающей заглушкой. Болометр (термистор) конструктивно встроен в центральный проводник коаксиала, что облегчает согласование головки с трактом. Эквивалентная схема головки (рис.2, б) поясняет способ разделения цепей питания. В простейшем случае это четырехплечий уравновешенный мост постоянного тока, в одно из плеч которого включен болометр (термистор)- рис. 3.

Рис.3 Простейшая схема измерительного устройства болометрического (термисторного) ваттметра

Как видно из рис. 3, мост является равноплечим, причем R выбираются из условия согласования болометра (термистора) с трактом. Перед измерением мост балансируется с помощью потенциометра R₀, который регулирует ток питания моста I, изменяя при этом значение R_t до величины R_t=R. Момент баланса фиксируется с помощью магнитоэлектрического индикатора, а по шкале амперметра отсчитывается значение I₁. Очевидно, что мощность, рассеиваемая в этом случае на болометре (термисторе), равна

После подачи Р_х мост вновь балансируется уменьшением тока питания от значения I₁ до значения I₂.В этом случае

Откуда

По другому принципу может осуществляться измерение мощности в болометрических ваттметрах. В процессе измерения под действием радиоимпульса болометр нагревается, сопротивление его изменяется, и при постоянном токе питания напряжение на болометре будет иметь форму пилообразных видеоимпульсов. Если радиоимпульсы короче тепловой постоянной болометра, то амплитуда видеоимпульсов будет пропорциональна энергии радиоимпульсов. Эти видеоимпульсы усиливаются, дифференцируются и подаются на импульсный вольтметр, шкала которого может быть проградуирована в значениях Р_и. Такие ваттметры называются интегрально-дифференциальными.

Основными достоинствами болометрических и термисторных ваттметров являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность, позволяющая измерять значения мощности порядка единиц микроватт, малое время установления показаний и высокая точность, обеспечиваемая параметрами головок и измерительных мостов.

Наряду с калориметрическим, этот метод также использован при создании специальных эталонов единицы мощности электромагнитных колебаний. К недостаткам ваттметров, существенно ограничивающим их применение, необходимо отнести малые пределы измерений и большой температурный дрейф, требующий применения специальных схем термокомпенсации.

Термоэлектрический метод

Термоэлектрический метод основан на преобразовании с помощью термопар энергии СВЧ в тепловую энергию и измерении возникающей термо-ЭДС Е_т, пропорциональной рассеиваемой в термопаре СВЧ мощности. Таким образом, термопары одновременно выполняют функции согласованной нагрузки и термометра.

Термоэлектрический метод, как и болометрический, применим для измерения малых уровней мощности.

Однако, он имеет существенное преимущество перед болометрическим: значение Е_т практически не зависит от температуры окружающей среды, и отпадает необходимость в специальных схемах термокомпенсации.

Кроме того, термопары не требуют начального подогрева, имеют высокую чувствительность и совместно с простым измерительным устройством позволяют реализовывать термоэлектрические ваттметры прямого преобразования.



Рис. 4 Эквивалентная схема термоэлектрического преобразователя с дифференциальным включением термопар(а); амплитудная характеристика термоэлектрического преобразователя (б)

Конструкция термоэлектрических головок коаксиального и волноводного типа аналогична конструкции болометрических. Для повышения чувствительности термопары выполняют дифференциальными, причем по постоянному току ветви термопары соединяют последовательно, а по высокой частоте - параллельно. Как видно из эквивалентной схемы (рис. 4,а), это достигается с помощью конструктивного конденсатора С2. Также конструктивный конденсатор С1 позволяет развязать цепи постоянного тока и СВЧ. Значения R_t1 и R_t2 выбирают из условия согласования головки. В основном применяют пленочные термопары (металлические пленки, напыленные на диэлектрические подложки), причем наибольшее распространение получили термопары висмут - сурьма, копель - сурьма и хромель - копель.

Основной характеристикой термоэлектрического преобразователя является амплитудная характеристика Е_Т(Р_х), типичный вид которой представлен на рис. 4,б. Линейный участок характеристики определяет пределы измерения Р_х, причем максимальную линейность имеют характеристики дифференциальных термопар.

Поскольку выходным сигналом преобразователя является постоянное напряжение, измерительное устройство термоэлектрических ваттметров представляет собой вольтметр постоянного тока, шкала которого проградуирована в значениях Р_х. В практических схемах ваттметров применяют как аналоговые, так и цифровые вольтметры. Дополнительным функциональным узлом измерительного устройства является калибратор мощности - стабилизированный генератор меандра частоты 20...50 кГц. С его помощью производится калибровка ваттметра перед началом работы, и после смены преобразователя. Благодаря этому устраняется разброс характеристик Е_Т(Р_х).

Основные достоинства и параметры термоэлектрических ваттметров те же, что и у болометрических (термисторных). Дополнительным важным преимуществом является малая зависимость результатов измерений от температуры окружающей среды. Основной недостаток ваттметров - малые пределы измерений и малая устойчивость к перегрузкам.

Размещено на Allbest.ru