Швидкісні, стробоскопічні та запам’ятовуючі осцилографи

 

Для спостереження і вимірювання коротких за часом сигналів використовують спеціальні типи осцилографів: швидкісні та стробоскопічні.

Швидкісні осцилографи за загальним принципом побудови аналогічні універсальним, але відрізняються тим, що в них застосовуються спеціальні ЕПТ біжучої хвилі. Вони забезпечують підсилення досліджуваних сигналів і відхилення променя уздовж вертикалі під дією підсилених сигналів. За допомогою швидкісної розгортки забезпечується переміщення променя уздовж горизонталі, тим самим створюється умова спостереження досліджуваного сигналу в реальному часі, як і в універсальних осцилографах.

Принцип дії стробоскопічних осцилографів грунтується на ефекті, який дозволяє послідовно накопичувати інформацію про характер досліджуваного безперервного сигналу. Інформацію про форму електричного сигналу одержують шляхом відображення його дискретних миттєвих значень на екрані ЕПТ у моменти часу, які вибирають у визначеному послідовному порядку. Так, протягом якогось окремого періоду існування сигналу фіксується одне його миттєве значення, в наступному вибраному періоді вибирається сусіднє значення сигналу і т.д. Внаслідок такої послідовної вибірки накопичується інформація про форму періодичного сигналу.

Ці операції виконуються так (Рис.6.51). Досліджувані періодичні імпульси , наприклад, трикутної форми, період яких  (Рис.6.51, а), використовуються для модуляції по амплітуді дуже коротких строб-імпульсів  (Рис.6.51, б). Період строб-імпульсів . Якщо перший строб-імпульс збігається з початком імпульсу  (момент часу ), то другий строб-імпульс буде зсунутий відповідно до початку імпульсу на , третій строб-імпульс - на 2 і т.д. Внаслідок амплітудної модуляції строб-імпульсів виникає послідовність імпульсів u, амплітуда кожного з яких пропорційна миттєвому значенню напруги сигналу в точці cтробування (Рис.6.51, в).

Рис.4. Діаграми для пояснення стробоскопічного осцилографування.

Обвідна, проведена через вершини модульованих імпульсів, повторює форму досліджуваного сигналу, а її період в n разів більша ніж період досліджуваних (вхідних) імпульсів , тобто  де . Таким чином, відбувається трансформація сигналу в часі. При цьому, чим менший часовий зсув , тим більше циклів необхідно для перетворення одного періоду досліджуваного сигналу і тим сильніше він розтягується в часі.

Як приклад наведемо відомості про стробоскопічний осцилограф С7-13, який разом з блоком 13ПС1 має смугу пропускання від постійного струму до 10 ГГц. Осцилограф дозволяє досліджувати сигнали тривалістю від 0,1 до 5 мкс, напругою від 20 мВ до 1 В, з основною відносною похибкою 5...10%.

Запам‘ятовуючі осцилографи мають здатність тривалий час відтворювати зображення сигналу після його зникнення на вході. Ці осцилографи застосовуються для дослідження поодиноких імпульсів і сигналів з частотою, меншою ніж 1 Гц. Основу запам‘ятовуючого осцилографа складає запам‘ятовуюча ЕПТ (ЗЕПТ).

Запам’ятовуючі осцилографи характеризуються швидкістю запису, часом відтворення і часом зберігання.

Під швидкістю запису розуміють максимальну швидкість переміщення променя вздовж екрана (швидкість запису осцилографів С8-13, С8-17 складає 5...40 км/с), при якій забезпечується запам‘ятовування зображення.

Часом відтворення називають інтервал часу, протягом якого забезпечується безперервне відтворення записаного процесу при максимальній швидкості без втрати якості зображення.

Час зберігання - інтервал часу, впродовж якого при вимкнутому приладі зберігається записане зображення до наступного вмикання приладу або відтворення.

Осцилограф С8-9А, наприклад, характеризується такими даними: швидкість запису не менш як 100 км/с, час відтворення - 1 хв, час зберігання - 16 год, смуга пропускання - 0...2 МГц.

 

Аналізатори спектра

 

Аналізатори спектра - це вимірювальні прилади, що призначені для експериментального дослідження спектра сигналів. Вони використовуються в діапазонах низьких, високих і надвисоких частот. За методом проведення аналізу спектра в часі їх розділяють на аналізатори спектра послідовної та паралельної дії. Найбільшого розповсюдження одержали аналізатори спектра послідовної дії.

Аналізатори спектра послідовної дії. Спрощена структурна схема такого аналізатора спектра, що ґрунтується на методі фільтрації, показана на Рис.6.52.

Генератор розгортки ГР виробляє напругу, яка в часі змінюється лінійно. Ця напруга підсилюється кінцевим підсилювачем КП Х і використовується для відхилення променя вздовж горизонтальної осі Х ЕПТ. Вона також впливає на керуючий елемент КЕ частотно-модульованого генератора (ЧМГ), завдяки чому частота  цього генератора змінюється в часі лінійно від мінімального fmin до максимального fmax значень. Напруга ЧМГ подається на один із входів змішувача, а на другий вхід змішувача через атенюатор Ат і широкосмуговий підсилювач ШП - досліджуваний сигнал ux. Оскільки змішувач є нелінійним елементом, то його вихідна напруга має складну форму, багату на гармоніки комбінованих частот , де n = 0, 1, 2, 3...; m = 0,1, 2, 3... Ці гармоніки послідовно виділяються підсилювачем проміжної частоти ППЧ, як тільки вони потрапляють у його смугу пропускання. Після їх детектування детектором Д і підсилювання кінцевим підсилювачем КП Y на екрані ЕПТ виникають відклики-зображення амплітуд гармонік досліджуваного сигналу. Крім цих відкликів, на екрані трубки буде зображення так званого початкового відклику, який виникає в проміжок часу, коли миттєве значення частоти ЧМГ досягне значення частоти настроювання ППЧ. Частота початкового відклику приймається за умовний нуль відліку частот гармонік.

Рис.5. Структурна схема аналізатора спектра.

Значення амплітуд гармонік досліджуваного сигналу визначають у відносних одиницях до амплітуди першої гармоніки. Для визначення частот складових спектра і частотного інтервалу між ними передбачається калібратор. При вмиканні калібратора на екрані ЕПТ з‘являються відклики складових спектра калібратора, частоти яких відомі. Внаслідок цього вздовж осі частот будуть одержані опорні точки частоти. Частоти гармонік досліджуваного сигналу визначають за розміщенням відкликів гармонік сигналу відносно опорних точок частоти.

Основні характеристики аналізатора. До них належать: роздільна здатність; точність відліку частоти і амплітуди; смуга огляду; швидкість аналізу і динамічний діапазон.

Роздільна здатність за частотою - це властивість аналізатора розмежовувати два сусідні за частотою синусоїдні сигнали. Кількісно роздільна здатність визначається як мінімальний інтервал частот між двома складовими спектра, при якому на екрані ЕПТ можна відрізнити зображення двох спектральних ліній.

Точність відліку частоти разом з роздільною здатністю визначає частотну точність аналізу. Точність відліку частоти безпосередньо залежить від точності калібрування приладу, методу аналізу, виду індикатора, від форми і ширини позначок на індикаторі, які визначаються динамічною характеристикою відбірної (резонансної) системи (пристрою). Чим ширша позначка, яка спостерігається на екрані індикатора, тим нижча точність відліку частоти. Точність відліку частоти характеризується відношенням динамічної смуги пропускання DFдин до резонансної частоти f0 вибірного пристрою: . Чим більше це відношення, тим вища точність відліку частоти.

Похибку відліку амплітуди визначити важко, бо показ аналізатора залежить не тільки від параметрів і стабільності роботи аналізатора, але й від характеру досліджуваного сигналу. Її значення буде зумовлено роздільною здатністю і часом аналізу. Чим менші роздільна здатність і період аналізу, тим більша похибка вимірювання амплітуди.

Смуга огляду характеризує смугу частот, які одночасно аналізуються. Вона визначається динамічною смугою пропускання DFдин каскадів до змішувача і межами зміни частоти гетеродина. Смуга огляду спектра може змінюватися від сотень герц до десятків мегагерц. Більшість аналізаторів мають змінну смугу огляду: в широкій смузі огляду ведеться більш грубий аналіз спектра з гіршою роздільною здатністю, а у вузькій смузі - точний аналіз спектра. У першому випадку переглядається весь спектр досліджуваного сигналу, а в другому випадку - окремі його ділянки.

Швидкість аналізу спектра характеризує, наскільки швидко здійснюється аналіз досліджуваного сигналу в заданій смузі огляду. Аналіз завжди прагнуть вести з якомога більшою швидкістю. Проте її завжди узгоджують з динамічною смугою пропускання, яка розширюється при збільшенні швидкості аналізу, а отже, погіршується роздільна здатність.

Динамічний діапазон характеризує роботу аналізатора спектра в лінійному режимі. Він визначає здатність аналізатора нормально функціонувати при дослідженні сигналів з великим розкидом рівнів окремих складових спектра.

Кількісно динамічний діапазон D оцінюють або коефіцієнтом , або логарифмічним коефіцієнтом , де  - максимальне і мінімальне значення сигналу. Звичайно, без зміни чутливості аналізатора при лінійному масштабі амплітуд логарифмічний динамічний діапазон D» 40дБ, а при використанні атенюатора він може бути розширений до 120 дБ. Збільшення динамічного діапазону бажане задля підвищення роздільної здатності.

Динамічний діапазон обмежується власними шумами і нелінійними викривленнями, які виникають у приладі, а також чутливістю індикатора.