материалы за 2021г / литературные источники / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

ния зависит от количества отсчетов, попадающих на одну и ту же точку экрана. Наилучшее изображение получается на цветном дисплее, где количество совпадений точек кодируется цветом.

Обнаружение редких аномалий цифровых сигналов с помощью ЦО

Достоинство аналогового осциллографа заключается в том, что пользователь имеет возможность видеть практически весь сигнал, за исключением той его части, которая приходится на время обратного хода луча. При этом скорость обновления экрана аналогового осциллографа составляет до 1 миллиона раз в секунду и более. С другой стороны, уловить редкую аномалию – глитч (Glitch – импульсная помеха) на аналоговом приборе очень трудно. Быстрый однократный сигнал только один раз появляется на экране ЭЛТ, «затираясь» последующими осциллограммами. Яркость глитча при этом на фоне основного сигнала будет очень мала.

В

1.0

0

-1.0

Рис. 5.8. Глазковая диаграмма реального цифрового сигнала

Основное преимущество цифрового осциллографа – способность «заморозить» нужную осциллограмму на сколь угодно большой промежуток времени. Вместе с тем, у цифрового осциллографа существует значительный временной интервал, в течение которого осциллограф осуществляет вывод на экран полученной информации. Это время простоя (dead time). Оно может занимать у цифровых осциллографов до 90 % от времени наблюдения сигнала. В течение времени простоя все изменения входного сигнала, хотя и фиксируются в БОЗУ, но фактически недоступны для наблюдения. Естественно, что появившаяся в это время аномалия останется незамеченной (рис. 5.9).

143

uc(t)

t

Рис. 5.9. Формирование двух кадров изображения с пропуском аномалии сигнала

Таким образом, цифровые запоминающие осциллографы не могут полностью воспроизводить длинные сложные сигналы, поскольку они пропускают часть информации и отображают ее с запаздыванием.

На практике часто встречаются ситуации, когда редко повторяющийся сигнал сложно выделить схемой запуска и, соответственно, нельзя использовать ждущий режим развертки (например, как на рис. 5.9). Аномалию сигнала надо уметь найти в последовательности кадров сигнала. Это можно сделать постобработкой содержимого БОЗУ в режиме запоминания. Однако такой способ требует сбора информации в течение большого интервала времени, что исключает мгновенную реакцию на аномалии сигнала. А именно эта информация чаще всего и представляет основной интерес для исследования.

Для решения поиска редких аномалий сигнала используют качественно новую архитектуру построения ЦО, позволяющую приблизить характер отображения сигнала на экране цифрового осциллографа к привычному для пользователя аналоговому виду. Созданные по этой архи-

тектуре приборы получили название Digital Phosphor Oscilloscope (DPO)

– осциллографы с цифровым люминофором. «Сердцем» технологии «цифрового фосфора» является специализированный процессор, преобразующий массив отсчетов входного сигнала в динамический трехмерный массив данных, который и называют «цифровым фосфором». Каждый элемент массива соответствует точке экрана DPO-осциллографа. Если сигнал появляется в данной точке экрана неоднократно, яркость этой точки на экране делают выше, чем у соседних. При отображении осциллограммы появляется новая (третья) переменная — яркость, которая характеризует частоту появления сигнала в данной точке экрана. Изображение при этом напоминает осциллограмму традиционной ЭЛТ, снабженной люминисцентным покрытием с эффектом послесвечения. Поэтому такие осциллографы называют еще ЦО с послесвечением. В ЦО с цветным экраном используют как яркостное, так и цветовое выделение фрагментов изображения.

144

Отметим, что этот режим отличается от режима наложения, используемого при построении глазковых диаграмм в ЦО. Здесь складываются не осциллограммы, а данные сигнала в БОЗУ, что позволяет использовать большой размер памяти и высокую скорость оцифровки. Благодаря появлению технологии DPO стало возможным существенно уменьшить промежутки между временными интервалами сбора данных. Сохраняется дополнительная информация о поведении сигнала за время между двумя кадрами отображения осциллограммы. С помощью технологии «цифрового фосфора» эта информация визуализируется в виде цвето-яркостной карты сигнала, которая поступает в режиме реального времени и характеризует динамическое поведение сигнала. В результате в осциллографах с «цифровым фосфором» на экран попадает почти вся информация о сигнале, что значительно уменьшает время поиска аномалий. Кроме того, такие приборы позволяют обнаруживать малую модуляцию сигнала, отслеживать его динамические характеристики, строить информативные «глазковые» и векторные диаграммы.

Аналого-цифровые осциллографы

Как уже было указано выше, у цифровых осциллографов можно выделить следующие достоинства:

•Возможность захвата и сохранения единичных событий; запоминание сигнала;

•Отсутствие мерцания при больших коэффициентах развертки (для низкочастотных сигналов);

•Равномерная яркость изображения;

•Замена дорогостоящих широкополосных ЭЛТ дешевыми и компактными жидкокристаллическими дисплеями;

•Упрощение и удешевление аппаратной части ЦО за счет использования компьютерных компонентов общего применения (микропроцессоры, память ОЗУ и пр.).

Однако ЦО имеют и принципиальные недостатки:

•Работа в реальном масштабе времени возможна на относительно низких частотах, где время развертки много больше времени вывода его изображения на дисплей. На высоких частотах время вывода может быть существенно больше длительности сигнала, что обусловливает пропуск фрагментов сигнала;

•Использование интерполяции при работе ЦО в ряде случаев вызывает искажение осциллограммы сигнала, отличие ее от реальной. Кроме этого, при недостаточном количестве точек, на изображении возможно появления мнимых низкочастотных изображений (aliases).

145

•В типовых моделях ЦО разрешение по вертикали обычно не превосходит 8 бит (256 точек), что вызывает заметную дискретность изображения по вертикали.

•Из-за ограниченного объема памяти ЦО при исследовании длинных сигналов приходится снижать частоту дискретизации, что не позволяет наблюдать быстрые фрагменты сигналов без искажения

Учитывая все вышесказанное, ряд производителей выпускают комбинированные аналого-цифровые осциллографы (dual-mode oscilloscope), имеющие два режима работы – обычный аналоговый (с выводом осциллограмм на стандартную ЭЛТ) и цифровой режим (запоминающий). Во втором случае сигнал подвергается полному аналоговоцифровому преобразованию, а результаты выводятся на ту же ЭЛТ после обратного цифроаналогового преобразования. В таких приборах удачно совмещены достоинства аналогового и цифрового осциллографов. Переключая осциллограф из цифрового в аналоговый режим и обратно, можно выявить наличие ложного изображения. Малое время получения изображения в аналоговом режиме позволяет не пропустить импульсные фрагменты входного сигнала. Как правило, рабочая полоса в аналоговом режиме шире, чем в цифровом. Это позволяет наблюдать реальную форму сигнала с минимальными частотными искажениями. Например, бюджетная модель осциллографа фирмы Good Will Instrument Co., Ltd. марки GRS-6032 при полосе пропускания аналогового канала 50 МГц имеет цифровой канал с частотой дискретизации 100 МГц в реальном масштабе времени (что эквивалентно полосе частот порядка 25 МГц).

Контрольные вопросы

1.Опишите принцип действия цифрового осциллографа. В чем отличие его от аналогового электронно-лучевого осциллографа?

2.Какие измерительные задачи, недоступные аналоговому ЭЛО можно решать с помощью цифрового осциллографа?

3.В чем отличие структурной схемы цифрового осциллографа от аналогового ЭЛО? Какие общие блоки используются в ЦО и ЭЛО?

4.Какие особенности имеют АЦП цифровых осциллографов? Опишите работу быстродействующего параллельного АЦП цифрового осциллографа.

5.Как выполняют блок памяти в ЦО? Что такое «глубина памяти» ЦО? Как размер памяти связан с частотой дискретизации АЦП и максимальным коэффициентом развертки осциллографа?

6.Перечислите режимы работы развертки ЦО. Что такое режим «самописца»? В каких случаях его используют?

146

7.Что такое одиночный и непрерывный режим развертки ЦО? Для каких случаев используют режим эквивалентного времени?

8.Как реализуют в ЦО режимы «предзапуска» и «послезапуска», какие дополнительные возможности они дают?

9.Каковы условия неискажённого воспроизведения формы сигнала ЦО? Как выбрать частотудискретизации и разрядность АЦП?

10.Для чего в ЦО применяют режимы интерполяции? Какие типы интерполяции используют для исследования гладких и импульсных сигналов?

11.Как строится изображение сигнала на экране ЦО при большом количестве отсчетов? Как проводят прореживание отсчетов? Что такое режимы усреднения и пик-детектора?

12.Какие виды синхронизации и запуска предусматривают в ЦО? Как реализуют режим запоминания в ЦО?

13.В чем состоят недостатки ЦО, которые приводят к необходимости в ряде случаев использовать аналоговые ЭЛО?

147

Глава 6

Скоростные и стробоскопические осциллографы

Скоростные осциллографы

При осциллографировании импульсных процессов нано- и пикосекундной длительности возникают трудности, связанные с получением неискаженных осциллограмм на ЭЛТ и формированием развертки малой длительности. Универсальные осциллографы имеют рабочий диапазон частот, ограниченный со стороны высоких частот. Это связано с конечной полосой пропускания канала Y и недостаточным быстродействием самой ЭЛТ. Последнее ограничение связано с влиянием пролетных явлений в зоне отклоняющих пластин Y. На рис. 6.1 представлена система вертикального отклонения традиционной осциллографической ЭЛТ.

Рис. 6.1. Отклоняющая система осциллографической ЭЛТ

Чувствительность трубки hY – отклонение луча на экране y при приложении на пластины единичного напряжения UY, зависит от соотноше-

ния длины пластин a, зазора между пластинами d, расстояния до экрана r и ускоряющего напряжения Ua:

Электрон при пролете через пластины отклоняется напряжением сигнала. Время пролета электрона через пластины τпр = a / vэл. Оно зависит

от их длины и скорости электрона. Последняя, в свою очередь, определяется ускоряющим анодным напряжением Ua

Для пластин с длиной порядка единиц сантиметров время пролета составляет доли наносекунд. При подаче на пластины синусоидального напряжения частоты f электрон во время пролета испытывает отклоняющее воздействие меняющегося напряжения. Результирующее отклонение (а, следовательно, и чувствительность) будет зависеть от соотношения времени пролета и периода отклоняющего напряжения T = 1/f:

При времени пролета, равном периоду отклоняющего напряжения, электрон отклоняют две противоположных по знаку полуволны синусои-

дального сигнала. То есть на критической частоте fкр = 1 τ пр , где время

пролета и период сигнала совпадают, чувствительность ЭЛТ равна нулю. Полоса пропускания ЭЛТ меньше значения критической частоты. Она определяется верхней граничной частотой fв, на которой чувствитель-

ность составляет 0,707 от ее значения на нулевой частоте h0. Для увеличения рабочей полосы fв следует повышать критическую частоту fкр. Это

можно сделать, снизив время пролета электрона увеличением ускоряющего напряжения Ua или укорочением отклоняющих пластин. И то, и

другое приводит, к сожалению, к уменьшению статической чувствительности h0 . Поэтому при проектировании широкополосных ЭЛТ, как пра-

вило, используют все возможные компромиссные способы повышения статической чувствительности: увеличение расстояния до экрана, снижение анодного напряжения (жертвуя при этом яркостью свечения экрана), уменьшение зазора между пластинами (с соответствующим ограничением размера экрана по вертикали).

Вторым фактором, ограничивающим широкополосность осциллографов, является влияние емкости отклоняющих пластин и индуктивности проводов, подводящих сигнал к пластинам. Они вызывают нежелательные резонансы, искажают форму коротких импульсов. Поэтому выводы отклоняющих пластин делают максимально короткими. Их впаивают в колбу ЭЛТ в непосредственной близости от пластин. Оконечный каскад усилителя Y располагают вблизи выводов. Выходное сопротивление оконечного усилителя стремятся делать малым, что позволяет снизить влияние емкостной нагрузки пластин на формуотклоняющего напряжения.

149

ством таких систем является прижатость электромагнитного поля к поверхности. Область взаимодействия с лучом при этом мала по высоте, что не позволяет получить большие углы отклонения электронов. Это обстоятельство ограничивает высоту изображения на экране ТБВ несколькими сантиметрами.

Свойства трубки бегущей волны определяют особенности структурной схемы скоростного осциллографа. Для получения высокой рабочей полосы часто отказываются от усиления сигнала в канале Y. Входной сигнал подают прямо на отклоняющую систему ТБВ. При этом скоростной осциллограф имеет низкое входное сопротивление, равное волновому сопротивлению отклоняющей системы (50 или 75 Ом), и низкую чувствительность. Для повышения чувствительности осциллографа используют малые значения ускоряющего напряжения Uа. Отсюда – низкая яр-

кость изображения и жесткие требования к фокусировке луча. Из-за ограниченной чувствительности и малого угла отклонения скоростные осциллографы имеют небольшой размер экрана. Эти особенности заставляют использовать различные методы фотофиксации получаемых осциллограмм.

Серьезная проблема возникает при разработке блока развертки широкополосных осциллографов. Требуется генератор быстрой развертки, обеспечивающий коэффициенты развертки порядка единиц и десятков пс. При этом необходимо получить на пластинах Х пилообразное напряжение с высокой линейностью. Данная задача решается схемами специальной скоростной развертки. Блок развертки скоростного осциллографа обычно работает в расширенном диапазоне длительностей (коэффициенты развертки от долей нс/дел до мкс/дел), что позволяет наблюдать сигналы как малой, так и большой длительности. Синхронизацию и запуск развертки делают внешним сигналом. Для запуска от входного сигнала используют делитель (тройник), который позволяет подать сигнал как на вход Y, так и на вход внешнего запуска.

Калибровку канала Х скоростного осциллографа проводят обычным способом – подстройкой коэффициента развертки при наблюдении образцового сигнала (меандра). Калибровка по оси Y в обычном смысле невозможна (у ТБВ нет регулировки чувствительности). Поэтому для определения масштаба по вертикали в скоростных осциллографах создают на экране изображение сетки с образцовыми значениями напряжений. Калибратором является генератор образцового ступенчатого напряжения. Полученный горизонтальный растр фотографируется. Затем на этот же снимок фотографируется осциллограмма самого сигнала.

Скоростные осциллографы позволяют существенно расширить рабочую полосу частот. Так, в отечественном осциллографе С7-19 со скоростной ТБВ 10ЛО105А достигнута полоса пропускания 5 ГГц, время нарастания ПХ 70 пс. Коэффициент отклонения осциллографа

151

170 мВ/мм, диапазон установки коэффициента развертки 0.2…100

нс/дел, входное сопротивление – 50 Ом. Размер экрана 40×60 мм. Пределы основной погрешности измерения амплитудных и временных параметров: ±10 %.

Область использования скоростных осциллографов – это исследование одиночных и неповторяющихся процессов и сигналов наносекундной и пикосекундной длительностей в реальном масштабе времени. В отличие от быстродействующих цифровых осциллографов эти приборы практически не пропускают фрагментов сигнала междукадрами изображения. Но они не могут запоминать осциллограммы, поэтому требуется фотографирование экрана.

Современные аналоговые скоростные осциллографы высокого класса позволяют преодолеть этот недостаток. Так, в осциллографе TS-81000 японской фирмы IWATSU применяется малогабаритная запоминающая 2-дюймовая ТБВ со встроенным ПЗС-видеоконвертором (рис. 6.3).

Отклоняющая система

Отклоняющая

бегущей волны Y

система по оси Х

Рис. 6.3. Трубка бегущей волны с ПЗС-матрицей

Осциллограмма сигнала создается на внутреннем экране ТБВ. Изображение через оптоволоконную матрицу передается на ПЗС-конвертор высокого разрешения (порядка 380000 пикселей). Он преобразует осциллограммуаналогового сигнала в картинку на большом ЖК-дисплее с раз-

решением 640×480 точек. Данные преобразованного сигнала сохраняются в памяти прибора.

Осциллограф обеспечивает коэффициент развертки от 200 пс/дел до 200мс/дел при минимальном коэффициенте отклонения 5 мВ/дел в полосе 1 ГГц (время нарастания порядка 350 пс). Это один из самых широкополосных в мире аналоговых запоминающих осциллографов. Яркость изображения у него существенно выше, чем у обычной ТБВ. Он обеспечивает

152