Скоростные осциллографы

СКОРОСТНЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ 

Наиболее характерными узлами, отличающими наносекундные, пикосекундные и СВЧ осциллографы от обычных, являются усилитель вертикального отклонения, генератор развертки и специальная ЭЛТ.

Усилитель вертикального  отклонения отличается широкополосностью. В скоростных осциллографах применяют усилители с распределенным усилением, усилители на лампах со вторичной эмиссией и др.

Генераторы  развертки скоростных осциллографов обеспечивают высокую скорость развертки при прямом ходе луча. Они характеризуются также малым временем срабатывания и выдают импульсы для быстрого подсвета ЭЛТ. Жесткие требования предъявляются к схемам синхронизации развертки, подсвета и включения луча.

Для получения высокой чувствительности при широкой полосе пропускания  в скоростных осциллографах применяют  специальные электронно-лучевые трубки. Наибольшее распространение получили трубки с бегущей волной. Такие ЭЛТ применяют без усилителя вертикального отклонения.

, в котором применена трубка бегущей волны с системой квадрупольных линз, имеет следующие характеристики:

• полоса пропускания 0-1,2 ГГц;
• чувствительность 10 мм/В;
• скорость развертки от 10 мм/мкс до 4 мм/нс;

погрешность измерения амплитуды 20%, длительности 10%.

 

 

\“Университетский политехнический колледж "Радиополитехникум"

СПБКиУ

 

 

 

 

 

 

Доклад

“Скоростные осциллографы”

 

 

 

 

 

Студент группы 4291/11

Щеголев Максим Юрьевич

 

 

 

 

 

 

2013г.

Скоростные осциллографы ( С7) предназначены для исследования в реальном масштабе времени СВЧ-колебаний, однократных, редко повторяющихся и периодических импульсных сигналов длительностью в доли и единицы наносекунд путем визуального наблюдения с регистрацией на фотопленку. 

Скоростные осциллографы предназначаются для исследования быстропротекающих процессов, длительностью в доли и единицы наносекунд. Принцип построения и конструкция таких осциллографов и отдельных узлов существенно отличаются от универсальных осциллографов. 

Скоростные осциллографы ( Cl-10, C1 - 11 и др.) составляют особую группу. Для получения достаточной яркости изображения на экране при большой скорости его развертывания электронным лучом в осциллографах применяются трубки, работающие при повышенном ( до 10 кв и более) напряжении на втором аноде и имеющие экраны с длительным послесвечением. Осциллографы имеют лишь ждущую развертку, калиброванную по длительности. Для усиления исследуемых сигналов применяются усилители с распределенным усилением или лампы с бегущей волной, рассчитанные на полосу пропускания порядка десятков и сотен мегагерц. В высоковольтных осциллографах усилители отсутствуют и исследуемые сигналы с большой амплитудой ( от десятков вольт) подаются непосредственно на отклоняющие пластины трубки. 

Современные скоростные осциллографы имеют время нарастания переходной характеристики 1 нсек и менее. Для измерения таких переходных характеристик требуются генераторы крутых перепадов сигнала с временем нарастания 0 3 нсек и меньше. В качестве таких генераторов широко используются триггеры на туннельных диодах. 

Для скоростного осциллографа необходим широкополосный усилитель. Конструирование подобных усилителей является сложной задачей. 

Примером скоростного осциллографа промышленного типа является прибор С1 - 36, предназначенный для наблюдения и фотографирования однократных и многократных импульсных процессов длительностью от 0 5 до 1 000 нсек и СВЧ колебаний до 2 000 Мгц. В осциллографе используется трубка с отклоняющей системой типа бегущей волны. 

В скоростных осциллографах заметное влияние оказывают паразитные элементы конструкции: электрическая емкость отклоняющих пластин, индуктивность проводов, подводящих сигнал. Эти элементы вызывают нежелательные резонансы, искажают форму коротких импульсов. 

При конструировании скоростных осциллографов требуется учитывать все вышеизложенное. Создание высокоскоростных разверток также встречает трудности; необходимо поднимать напряжение развертки до нескольких сотен вольт.  Генераторы развертки скоростных осциллографов выполняются также и на электронных лампах и могут иметь весьма различные схемы.

У таких скоростных осциллографов полоса частот достигает 0 - 1000 и даже 0 - - 3000 Мгц. 

Генераторы развертки скоростных осциллографов обеспечивают высокую скорость развертки при прямом ходе луча. 

Для усилителей скоростных осциллографов применяются транзисторы с граничной частотой до / гр - - 2 5 ГГц. 

К генераторам развертки Скоростных осциллографов предъявляется ряд специфических требований. Прежде всего они должны иметь очень большую скорость развертки ( порядка нескольких см / нсек), позволяющую наблюдать импульсы наносекундных длительностей. В связи с высокими ускоряющими напряжениями электроннолучевых трубок скоростных осциллографов, напряжение развертки должно быть значительным. Если генератор развертки использует зарядно-разрядную цепь RC, то для обеспечения высокой скорости заряда конденсатора необходим ток большой величины. Поэтому в генераторах развертки скоростных осциллографов в качестве коммутирующей лампы удобно использовать тиратрон. 

Генератор запускающих импульсов скоростного осциллографа С1 - 14 вырабатывает запускающие синхронизирующие импульсы для запуска исследуемых схем, а также импульсы для запуска тракта развертки и генератора временных меток. 

При проверке времени установления скоростных осциллографов ( например, типа С1 - 31) на вход подаются сигналы от генераторов типа Г5 - 12 ( ГКИ-45), причем длительность этих импульсов намного превышает их время нарастания. Зачастую, чтобы проварить длительность франта независимо от нелинейности ЭЛТ, изображение фронта испытываемого импульса выводится на центр экрана.

В этих целях обычно используют скоростные осциллографы и индикаторы переходных напряжений.  Для исследования наносекундных импульсов незначительной амплитуды скоростные осциллографы неприменимы вследствие их малой чувствительности. В этом отношении значительно лучше стробоскопические осциллографы или стробоскопические приставки к обычному осциллографу, позволяющие исследовать периодические импульсные процессы наносекундных длительностей и малых амплитуд. 

Большое практическое значение в технике СВЧ имеют скоростные осциллографы, позволяющие наблюдать и фотографировать однократные и многократные импульсные процессы с длительностью импульсов порядка нескольких наносекунд и обладающие полосой пропускания в несколько тысяч мегагерц. 

При исследовании быстротекущих  процессов с малой амплитудой напряжения описанные выше скоростные осциллографы не пригодны из-за низкой чувствительности. Эта проблема решается с помощью стробоскопической приставки ( преобразователя) к универсальному осциллографу. 

Для получения высокой  чувствительности при широкой полосе пропускания в скоростных осциллографах применяют специальные электронно-лучевые трубки. 

Для исследования быстро протекающих  процессов ( нано - и пикосекунд-ной длительности) предназначены скоростные осциллографы, в которых используется специальная электронно-лучевая трубка бегущей волны. Предварительного усиления входного сигнала в скоростных осциллографах обычно не производят, поэтому чувствительность их невелика. Эти приборы являются осциллографами реального времени и позволяют наблюдать и фотографировать одиночные и периодические сигналы. 

Осциллографирование может осуществляться в реальном или трансформированном ( стробоскопические осциллографы) масштабе времени, без усиления ( скоростные осциллографы без усилителей вертикального отклонения на электронно-лучевых трубках бегущей волны) или с усилением сигналов, с запоминанием ( запоминающие осциллографы с применением потенциалоскопов) или без запоминания изображения. 

Стробоскопический метод  осциллографирования позволяет существенно уменьшить скорость развертки по сравнению с той, которая требуется при непосредственном наблюдении исследуемого сигнала на скоростном осциллографе. Стробоскопические осциллографы позволяют наблюдать очень короткие периодические импульсы и высокочастотные колебания. Они обладают большой чувствительностью, т.е. входные сигналы могут иметь малую амплитуду. 

Возможность применения при  стробоскопическом осциллографировании усилителя вертикального отклонения с полосой пропускания, во много раз более узкой, чем требуется при непосредственном наблюдении нано-секундных импульсов на экране скоростного осциллографа, объясняется следующим. 

Возможность применения при  стробоскопическом осциллографировании усилителя вертикального отклонения с полосой пропускания, во много раз более узкой, чем требуется при непосредственном наблюдении наносекундной или пикосекундной длительности импульсов на экране скоростного осциллографа, обусловлена следующим. 

Возможность применения при  стробоскопическом осциллографировании усилителя вертикального отклонения с полосой про / - пускания во много раз более узкой, чем требуется при непосредственном наблюдении импульсов наносекундной или пикосекунд-ной длительности а экране скоростного осциллографа, обусловлена следующим. Так как моменты появления стробируюищх импульсов, считывающих соседние дискретные значения исследуемого сигнала, разделены значительными интервалами времени Tl / F или pTp / F, то можно растянуть, удлинить промодулированные сигналом стробирующие импульсы и тем самым во много раз сузить их спектр. Кроме того, поскольку информацию о считанном дискретном значении сигнала несет только туда стробирующего импульса, то при усилении промодулированных стробирующих импульсов не нужно принимать меры для сохранения их формы. Поэтому наличие частотных искажений, вносящих систематическую погрешность, при линейном режиме работы усилителя не нарушает пропорциональности между амплитудами выходного напряжения и усиливаемого стробирующего импульса. 

Для исследования переходных и импульсных процессов малой  продолжительности ( наносекундной и менее), а также колебаний СВЧ служат так называемые стробоскопические ( типов С7 - 5, С7 - 8) и скоростные осциллографы, описываемые далее. 

Схема установки, использующей взрывные метательные устройства, изображена на рис. 3.11. Выходящее из плазмы световое излучение при помощи световолоконных линий, зеркал и оптической системы разводится на поляризационные фильтры и фотоумножители с записью соответствующих сигналов на скоростные осциллографы. Всплеск яркости отмечает время ( и, следовательно, скорость D) прихода фронта к прозрачной преграде. 

Универсальные осциллографы непригодны для исследования импульсов  малой длительности в силу ограниченной полосы частот, пропускаемой каналом Y. Существуют скоростные осциллографы с широкой полосой пропускания, но их чувствительность мала. 

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

В этом параграфе не рассматриваются  генераторы сверхскоростных разверток, которые применяются при отдельных  исследовательских работах в  наносекундном диапазоне и не нашли еще широкого производственного  применения. К промышленным Скоростным осциллографам можно отнести осциллографы С1 - 11, С1 - 14, измеритель времени И2 - 7, специальный осциллограф ОК-19 и некоторые другие. 

Отклонение по горизонтали  осуществляется с помощью обычных  отклоняющих пластин. Генераторы развертки  в скоростных осциллографах обеспечивают высокую скорость при прямом ходе луча. Амплитуда напряжения развертки должна быть также большой ( сотни вольт), поскольку в трубках используются высокие ускоряющие напряжения. Время обратного хода должно быть небольшим, чтобы не уменьшать частоты развертки, а следовательно, и частоту следования исследуемых импульсов. 

Во всех этих случаях необходим широкополосный скоростной осциллограф с высоким входным сопротивлением и достаточной точностью воспроизведения формы и амплитуды импульсов. 

Для исследования быстро протекающих  процессов ( нано - и пикосекунд-ной длительности) предназначены скоростные осциллографы, в которых используется специальная электронно-лучевая трубка бегущей волны. Предварительного усиления входного сигнала в скоростных осциллографах обычно не производят, поэтому чувствительность их невелика. Эти приборы являются осциллографами реального времени и позволяют наблюдать и фотографировать одиночные и периодические сигналы. 

Достоинством тиратронных генераторов линейной развертки осциллографа является малая величина времени обратного хода луча и устойчивая их работа на очень малых частотах. Кроме того, они удобны в скоростных осциллографах, в которых для получения высокой скорости развертки требуются большие разрядные токи, обеспечивающие высокую скорость разряда конденсатора. 

Исследование импульсов столь  малой длительности с помощью  обычных осциллографов невозможно. Для этой цели, как уже отмечалось, строятся скоростные осциллографы, использующие специальные электроннолучевые трубки с отклоняющими электродами типа бегущей волны. Такие трубки позволяют получить полосу пропускания до 3000 МГц. Однако необходимость при таких частотах подавать сигнал непосредственно на отклоняющие пластины ( без вспомогательного усилителя) приводит к чрезвычайно низкой ( 0 2 - 0 3 мм / В) чувствительности осциллографа. 

Исследование импульсов столь  малой длительности с помощью  обычных осциллографов невозможно. Для этой цели, как уже отмечалось, строятся скоростные осциллографы, использующие специальные электроннолучевые трубки с отклоняющими электродами типа бегущей волны. Такие трубки позволяют получить полосу пропускания до 3000 МГц. Однако необходимость при таких частотах подавать сигнал непосредственно на отклоняющие пластины ( без вспомогательного усилителя) приводит к чрезвычайно низкой ( 0 2 - 0 3 мм / В) чувствительности осциллографа. Поэтому в настоящее время получают распространение так называемые стробоскопические методы осциллографирования, позволяющие исследовать импульсы наносекундной и меньшей длительности с помощью обычных электроннолучевых трубок.