Скоростные и стробоскопические осциллографы.

Скоростные осциллографы предназначены для наблюдения и регистрации однократных и повторяющихся импульсных сигналов и периодических колебаний в полосе частот порядка единиц гигагерц. У скоростных осциллографов отсутствует усилитель в канале вертикального отклонения.

 

Исследуемый сигнал подается непосредственно на сигнальную отклоняющую систему ЭЛТ, построенную по принципу бегущей волны, которая исключает влияние времени пролета электронов через пространство отклоняющих пластин, за счет чего увеличивается широкополосность. Сигнальный вход скоростного осциллографа коаксиальный с волновым сопротивлением 50—100 Ом. В этих осциллографах применяются ЭЛТ с волоконно-оптическими экранами, а также квадрупольная фокусировка с системой магнитных линз, позволяющая увеличить скорость записи при фоторегистрации за счет лучшей фокусировки.

Стробоскопические осциллографы (СО). Стробоскопические осциллографы позволяют наблюдать форму и измерять амплитудно-временные параметры периодических сигналов милли-, микро-, нано- и пикосекундного диапазонов. Эти осциллографы предназначены для исследования переходных процессов в быстродействующих полупроводниковых приборах, микромодульной и интегральной схемотехнике, при производстве быстродействующих ЭВМ, экспериментальных исследованиях на ускорителях заряженных частиц, в ядерной физике, технике связи, измерительной технике и т. п. Наиболее эффективно СО можно использовать при определении динамических параметров полупроводниковых приборов, интегральных схем и параметров импульсных схем.

 

Для наблюдения слабых импульсов, измеряемых в наносекундах, потребовались бы осциллографические трубки с очень высокой чувствительностью и широкой полосой пропускания частот или сочетание широкополосных трубок малой чувствительности и широкополосных высокочувствительных усилителей сигнала. Эти требования противоречивы, поэтому при построении осциллографов возникают трудности, когда необходимо обеспечить высокую чувствительность и широкую полосу пропускания частот. Эти противоречия удается преодолеть в СО, где не требуются специальные трубки и широкополосные усилители. Полоса пропускания усилителей стробоскопических осциллографов достигает нескольких гигагерц при довольно высоком минимальном коэффициенте отклонения (5—10 мВ/дел). В СО используют метод увеличения масштаба времени исследуемого импульса с сохранением формы, в результате чего как бы уменьшается скорость нарастания импульса и, следовательно, уменьшается ширина его частотного спектра. Эквивалентная полоса пропускания усилителя ВО при этом увеличивается во столько раз, во сколько раз расширяется исследуемый импульс. Масштаб увеличения периода Ти исследуемого импульса m = Тп/Ти (Тп —- период преобразованного импульса).

 

 

Так как масштаб увеличения может достигнуть значения, равного 104—106, то эквивалентная полоса пропускания обычных усилителей ВО возрастает от сотен килогерц до нескольких гигагерц.

 

Цифровые осциллографы.

1 Структура и принцип действия цифрового осциллографа

 

 

МУ – масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения); АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; МК – микроконтроллер;

 

ЗУ – запоминающее устройство; Э – экран; ОУ – органы управления (кнопки, ручки).

 

Пройдя через МУ, входное напряжение u(t) преобразуется АЦП в дискретную последовательность кодовых словNi, отображающих мгновенные значенияuiэтого напряжения. Каждое новое кодовое слово записывается в ОЗУ. При этом все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку (регистр сдвига), а самый первыйN1исчезает, как бы «выталкивается». Если ОЗУ состоит из М ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится М последних, «свежих», кодовых слов. Так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено некое заданное условие, например, когда какое-либоuiвпервые превысит заданный оператором уровень («запуск по уровню»). После этого содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство ЗУ, входящее в состав микроконтроллера МК.

 

Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату кодовое слово Ni, находящееся в этой ячейке.

 

Для хорошего изображения сигнала на экране вполне достаточно 2 точки на 1 мм. Средних размеров экран имеет высоту 100 мм и ширину 120 мм. Следовательно, на экране должны располагаться 200 × 240 = 48 000 точек или более.

Таким образом, для формирования хорошего изображения АЦП должен иметь не менее 8 двоичных разрядов (256 точек по вертикали) и ЗУ должно содержать 256 ячеек.

 

Но количество ячеек ОЗУ может быть гораздо больше. Зачем?

 

ЦО позволяет делать замечательную вещь – запоминать в ОЗУ очень много кодовых слов, а потом «вытягивать» их порциями, соответствующими ширине экрана. В аналоговых осциллографах это, конечно, невозможно. Для обозначения запаса по оси времени («глубина памяти») иногда пользуются такой оценкой длительности сигнала, данные о котором записаны в ОЗУ: «число экранов». Например, «8 экранов» означает, что объём памяти ОЗУ не 256, а 2048 ячеек, в которых записано 2048 кодовых слов Ni. КаждоеNi– это 8-разрядный код, т.е. один байт, т.ч. «8 экранов» – это объём памяти в 2 килобайта. Можно вообразить очень широкий экран-ленту – в 8 раз шире натурального, но такой же высоты. На такой ленте было бы записано изображение всего сигнала. Длина этой ленты около одного метра.

 

Ещё одно принципиальное отличие от аналоговых осциллографов состоит в том, что в ЦО можно видеть предысторию сигнала до появления импульса запуска. Это называют «предзапуском». Кодовые слова переписываются из ОЗУ в ЗУ так, что в момент появления импульса запуска первой ячейкой ЗУ будет та, что даёт точку на вертикальной линии, проходящей через центр экрана, последующие точки располагаются направо от неё, предыдущие – налево. Положение первой ячейки можно смещать влево или вправо от центра и тем самым соответственно уменьшать или увеличивать видимый интервал предыстории.

 

Частоту дискретизации (частоту «выборок») можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.

 

Для изменения масштаба по вертикали, как и в аналоговых осциллографах, можно изменять коэффициенты усиления или деления соответственно входного усилителя или делителя напряжения.

 

В целом ЦО имеет больше сходства с компьютером, чем с аналоговым осциллографом. Он позволяет выполнять различные математические операции: растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, складывать и вычитать сигналы в разных каналах, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и проч.g