РАЗВЕРТЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО К ОСЦИЛЛОСКОПУ Советский патент 1969 года по МПК G01R13/24 

Известны развертывающие устройства к осциллоскопам, содержащие электроннолучевую трубку, генератор отклоняющего напряжения и делители напряжения. Для измерения с помощью этих осциллоскопов сигналов без запускающего синхроимпульса на входе осциллоскопа необходимо включать линию задержки, .которая существенно сужает ширину полосы пропускания. Создание широкополосной линии задержки представляет техническую трудность и влечет за собой увеличение габаритов осциллоскопов и их стоимости.

Изобретение заключается в том, что на входе осциллоскопа включены главный и опорный амллитудные 1компа:рато,ры, выходные сигналы с которых поданы на измеритель отрезков времени, подключенный к одной паре отклоняющих пластин электроннолучевой трубки. К другой царе от-клоняющих пластин подключены главный амплитудный компаратор и генератор отклоняющего напряжения.

Измеритель отрезков времени содержит бистабильную схему развертки с двумя входами, один из которых соединен непосредственно со входом измерителя отрезков времени, а другой-со вторым его входом через линии задержки, а выход бистабильной схемы развертки соединен с генератором тока, сигнал с которого через интегратор со сбросом и усилитель подан на накопительную схему, соеди)

ненную с генератором разрядных имйульсоЁ. Амплитудные компараторы состоят из туннельного диода, на один из электродов которого, заземленный через емкость, подан один из сравниваемых сигналов, а на второй электрод через сопротивление или диод подан второй сравниваемый сигнал.

Эти отличия позволяют увеличить широкополосность устройства.

На фиг. 1 дана блок-схема развертывающего устройства; на фиг. 2 изобрал ен фронт нарастания измеряемого импульса; на фиг. 3 - принципиальная схема компаратора; на фиг. 4 - блок-схема измерителя отрезков времени; на фиг. 5 показаны импульсы в различных точках измерителя отрезков времени.

Схема, приведенная на фиг. 1, предназначена для одновременной визуализации только одного сигнала. Предполагается, что изображаемый сигнал является повторяющимся импульсом напряжения и для визуализации желателен фронт нарастания.

Входной сигнал подается на вход 1 главного компаратора 2 и на вход 3 опорного компаратора 4. Па второй вход опорного компаратора поступает эталонное напряжение EQ от источника напряжения 5. Эталонное напряжение устанавливается с помощью делителя напряжения 6 так, чтобы оно было в пределах

Напряжение отклонения е, поступающее с генератора 7 на другой вход главного компаратора 2, устанавливается делителем 8.

Выходные Импульсы с главного компаратора 2 и опорного компаратора 4 подаются соответственно на первый и второй входы измерителя 9 отрезков времени. Выход измерителя соединен с горизонтально отклоняющими пластинами 10 приемной трубки 11. Вертикально отклоняющие пластины 12 трубки соединены с выходом генератора 7.

Каждый компаратор устроен так, что на его выходе возникает импульс, если напряжения на обоих входах отвечают определенному линейному отнощению. Для упрощения принято, что названное отношение соответствует равенству обоих напряжений.

Выходной импульс опорного компаратора 4 возникает в момент, когда фронт нарастания превышает уровень напряжения EQ. Этот момент в дальнейшем будет называться эталонным временем t (см. фиг. 2).

Напрял ение отклонения е иЗменяется в диапазоне Де, который несколько больше диапазона образующегося сигнала. В течение периода повторения изображаемого сигнала оно изменяется настолько мало, что этим изменением можно пренебречь. Напряжение е,. может быть ступенчатым, синусоидальным или пилообразным колебанием, частота повторения которого значительно меньше частоты повторения изображаемого сигнала.

Выходной импульс главного компаратора 2, который возникает в момент времени t, когда изображаемый фронт нарастания переходит имеющийся уровень напряжения лежит в промежутке времени Д. В промежуток времени, ;когда напряжение в отклонения выше или ниже диапазона напряжения образующегося сигнала (т. е. по краям диапазона Де) на выходе главного ко,мпа1ратора импульсов невозникает.

Напряжение на выходе измерителя 9 отрезков времени пропорционально промежутку времени t-tg между импульса мн у обоих его входов. Измеритель отрезков времени устроен так, что напряжение, пропорциональное отрезку времени между двумя импульсами, на его выходе остается неизменным до тех пор, пока его не изменит следующая пара импульсов.

Изображение в осциллоскопе состоит из отдельных точек. Вертикальная ордината каждой точки пропордиональна мгновенному значению напряжения отклонения е, а также мгновенному значению напряжения сигнала, а горизонтальная ордината пропорциональна отрезку времени t-/о и расположению точки по времени в сигнале. На экране возникает истинное изображение сигнала.

Образовавшаяся точка сигнала выбирается по напряжению (по мгновенному значению отклоняющего напряжения у второго входа главного компаратора 2), и положение этой точки во времени зависит от хода сигнала. Поэтому

вертикальные отклоняющие пластины питаются от отклоняющего генератора.

Если крутизна фронта импульса (см. фиг. 2) увеличивается до бесконечности та.к, что возникает идеальный скачок напряжения, то отрезок времени Д/ уменьшается до At 0. Выходные импульсы компараторов 2 и 4 возникают одновременно, независимо от отклоняющего напряжения е. Ноэтому выходное напряжение измерителя 9 отрезков времени, а также горизонтальная ордината всех точек изображения на экране постоянны и независимы от отклоняющего напряжения е. На экране образуется идеальный скачок напряжения в виде вертикальной линии.

Время нара стания данного устройства равно нулю, несмотря на то, что скорость работы компараторов 2 w. 4 конечна и в них после момента равенства сравниваемых напряжений возникает замедление во времени выходных импульсов. Это замедление не должно быть идентичньгм для обоих компараторов и не должно быть также продолжительное время постоянным.

Схема не содержит цепей, нуждающихся в триггерировании перед поступлением образовавшегося сигнала. Ноэтому при включении устройства не нужен опережающий триггерный сигнал, и при нерегулярной частоте повторения рассматриваемого сигнала не нужна широкополосная линия задержки.

Могут быть различные варианты схемы, изображенной на фиг. 1. Так, чтобы получить на экране три последовательных сигнала одинаковой частоты, в схему включают три главных компаратора 2 и три делителя 8. Делители соединяют с генератором 7 отклоняющего напряжения через переключатель (например, электронный) на три положения. Главные компараторы устроены так, что без поступления отклоняющего напряжения они не выдают выходных импульсов. Благодаря переключателю, который подает отклоняющее напряжение только в один из компараторов, на второй вход измерителя отрезков времени поступают импульсы только с одного из главных компараторов. Ноэтому на экране последовательно возникают все три сигнала.

Если по условиям измерения исследуемые сигналы нельзя подавать на различные компараторы, а только на один общий главный компаратор, то в схему фиг. 1 включают один главный компаратор и три делителя 8. Входные сигналы подают «а главный компаратор через переключатель на при положения. Для соблюдения широкополосности целесообразно поставить механический переключатель, несмотря на то, что это ограничит максимальную частоту переключения. Второй вход главного .компаратора 2 соединен с выхода-ми трех делителей 8. Входы делителей нодключены « генератору 7 отклоняющего напряжения через переключатель. Остальная часть схемы подобна фиг. 1. Согласно изобретению главный компараiQp 2 и опорный компаратор 4 развертываюш.его устройства Одинаковы. Отличаются они только там, что на их втОрые входы подаются различные напряжения (е и ) На фиг. 3 приведен один из вариантов исполнения компараторов. Компаратор с последовательным входом обоих сравниваемых сигналов СОСТОИТ из сопротивления 13, туннельного диода 14, разделительного конденсатора 15 и конденсатора 16, одна обкладка которого заземлена. Напряжение исследуемого сигнала е подается на анод диода 14 через сопротивление 13. Отклоняющее напряжение е (или контрольное о) подается на катод диода 14. Выходное напряжение снимается с конденсатора 15. Здесь используется то обстоятельство, что отклоняющее напряжение е и, тем более, контрольное напряжение о изменяются медленно, а выходное напряжение . 0 изменяется быстро. Конденсаторы 15 и 16 выбирают так, что они-представляют для отклоняющего и контрольного напряжений большое сопротивление, а для быстро меняющихся - небольшое. Емкость туннельного диода 14 вместе с сопротивлением 13 образует резистиБНо-емкОСтное звено, которое искажает измеряемый Сигнал еще до сравнения. Это препятствует нолному использованию принципиально бесконечно малого времени нарастания осциллоскопа. Чтобы Избежать образования интегрирующего резистнвно-емкостного звена, сопротивление 13 заменяют выпрямляющим диодом, катод которого соединяют с анодом туннельного диода 14. К аноду диода 14 подключают генератор постоянного тока. На вход 17 измерителя отрезков времени (см. фиг. 4) поступают импульсы К. (см. фиг. 5,а) С .контрольного ко.мпаратора 4. На вход 18 измерителя попадают импульсы L. Эти импульсы, модулированные относительно кривой К, представляют собой выходные импульсы главного компаратора 2. Модуляция положения на фиг. 2 соответствует отрезку времени А/ и обозначена на фиг. 5,6 сплошной линией, а штриховая линия представляет собой обе границы шага модуляции. В соответствии с фиг. 2, где момент го времени располол ен в отрезке А, импульсы по кривой К на фиг. 5 располагаются в пределах шага модуляции импульсов по кривой L. Это означает, что в соответствии с фиг. 2 отрезок времени, который использует измеритель, мол-сет иМеть как отрицательное, так и положительное значение. Так как при дальнейшей обработке изменить знак было бы трудно, то на входе 18 измерителя установлена линия задержки 19, замедление /ю которой больше, чем наибольшее встречающееся на практике оперел ение импульсов по кривой L относительно импульсов К. (т. е. больше, чем наибольшее опережение выходного импульса главного компаратора 2 относительно выходного импульса нией 19 задержки приведен на фиг. 5,6 в виде кривой М. Из фиг. 5 следует, что весь ход А модуляции 1на кривой М расположен после -импульсов кривой К, и отрезок времени между импульсами /С и М не изменяет знака в течение всего шага. Вход 17 ведет к первому входу бистабильной Схемы 1развертки 20. Выход линии задержки 19 соединен со второй линией задерл ки 21, причем соединение осуществляется через замкнутый переключатель 22, и поэтому ее можно отключить. Схема развертки 20 выбрана так, ЧТО она включается в «рабочее положение импульсами, подаваемыми на первый вход, а импульсами, подаваемыми на второй вход, переключается в исходное полол ение «покоя. На выходе бистабильной схемы развертки появляются импульсы, обозначающие продолжительность «рабочего положения, т.е. фронт этих импульсов возникает в момент импульса на первом входе, и его тыльная сторона возникает в момент импульса на втором входе бистабильной схемы развертки. Эти импульсы приведены на фиг. 5 в виде кривой Л . Выходной сигнал схемы развертки 20 представляет собой импульсы с постоянной аМПЛИтудой, длительность которых равна времени прохол дения импульсов у ВХОда 17 и импульсов, замедленных линией задержки 19. Осциллоскоп с предлагаемым устройством используется для изображения быстрых процессов. Так как длина всех до сих пор упомянутых ОТрезков времени, а длительность импульсов кривой yV ПО порядку величины равна продолжительности образованных осциллоскопом фронтов импульсов, то практически эти величины лежат в пределах наносекунд. Бистабильная схема развертки 20 поэтому лучше всего исполняется, например, в виде схемы с туннельным диодом. Выходной импульс бистабильной схемы развертки 20 подается на управляющий электрод генератора тока 23. Этот генератор тока может быть собран, например, на пентоде или транзисторе. На его вы.ход выдается импульс тока, продолжительность которого соответствует импульсу на управляюп ем электроде и поэтому соответствует кривой N на фиг. 5,г. Этот импульс зарял ает конденсатор 24. Напpялveниe на :конденсаторе пропорционально интегралу от тока зарядки по времени. Поэтому во время импульса тока на конденсаторе возникает напряжение, которое линейно возрастает во времени. По окончании импульса тока прекращается рост напряжения, и на конденсаторе остается напряжение, пропорциональное продолл ительности импульса тока. Это напрял ение показано на фиг. 5,( кривой Р. Параллельно конденсатору 24 подключен разрядный контур 25, управляемый импульсами. идущими со входа 17 измерителя отрезков времени. Этот контур устроен так, что конденсатор 24 в определенное время (обозначенное са на вход 17 снова разряжается до исходного напряжения. Та.к, зарядка конденсатора 24 может повториться в ближайший период. Отрезок времени /25 должен больше практически встречающейся максимальной продолжительности импульса генератора тока 23. Разрядный контур может состоять, например, из моностабильного Мультивибратора (который цриггерируется входом 17 и период колебания которого равен промежутку времени /25) и разрядного диода или, намного проще, - из сопротивления (включенного -параллельно конденсатору 24, которое достаточно велико, чтобы вызвать нелинейность увеличения напряжеВИЯ у конденсатора 24, но все же достаточно мало, чтобы обеспечить полный разряд кондо момента следующей зарядки. денсатора до момента Другими словами, постоянная времени, образованная этим сопротивлением и конденсатором 24, должна намного превышать максимальную продолжительность импульсов тока генератора 23, но в то же время быть намного меньше периода повторения рассматриваемого в осциллоскопе сигнала. Таким образом, на выходе конденсатора 24 получают импульсы (кривая Р, амплитуды которых пропорциональны времени между импульсами на входе 17 и импульсами на входе /8, замедленными линией задержки 19. Сигнал от .конденсатора 24 направляется в усилитель 26, который усиливает его до необходимого для дальнейшей обработки уровня (т. е. на 1 -10 в). Усилитель 26 не должен передавать точную форму импульсов на конденсаторе 24, но пропорциональность амплитудами его выходных импульсов и амнлитудами импульсов на конденсаторе 24 должна сохраняться. Это можно обеспечить также с помощью относительно узкополосного многоступенчатого усилителя. Выходные импульсы усилителя 26 подаются на первый вход накопительной схемы 27, которая содаржитнакопительный конденсатор, заряжаемый от выходного импульса усилителя 26 через зарядный диод. На накопительном конденсаторе остается заряд, равный амплитуде выходного импульса усилителя 26, также в том случае, если этот импульс уже затух. Накопительная схема 27 содержит также разрядный диод, который возбуледается разрядными импульсами с генератора 28 через второй вход схемы 27. Этот генератор триггерируется импульсами со входа 17 измерителя. Разрядные им-пульсы, направленные через разрядный диод, вызывают возврат напряжения накопительного кон. денсатора схемы 27 к исходному выходному напряжению. Сигнал накопительного конденсатора схемы 27 показан на фит. 5,е в виде кривой Q. В данном случае предполагают, что В усилителе 26 (как в любом усилителе) сигнал замедляется, что находит в данном случае полезное применение. Это замедление показано на фиг. 5,е отрезком /26сохраняется в схеме 27 до поступления следующего импульса на вход 17 измерителя отрезков времени. Данный импульс с помощью генератора 28 разрядных импульсов вызывает новый разряд накопительной схемы 27 так, что она тут же (спустя промежуток времени /2в) сн-ова может зарядиться следующим выходным импульсом усилителя 26. Этот процесс, напр.имер, виден в правой половине фиг. 5. Ось времени между левой и правой частями чертежа имеет разрыв, так как практически период повторения быстрых импульсов обычно намного превыщает продолжительность фронта, и весь масштаб времени изобразнть на фиг. 5 невозможно. Выход 29 накопительной схемы 27 является выходом измерителя 9 отрезКОВ времени. Линия задержки 21 для контро.ля и эталонирования базиса времени осциллоскопа. Если, например, в линии задержки 21 возникает замедление, равное 1 «се/с, изображение фронта импульса в приемной трубке при открытии переключателя 22 смещается вправо на отрезок, соответствующий в данном маештабе 1 нсек. Изменив амплитуду импульсов тока генератора 23, емкость конденсатора 24 или усилителя 26, можно установить масштаб базиса времени так, чтобы отрезок времени в наносекундах на экране соответствовал цело:му числу горизонтальных единиц длины. Если переключатель 22 попеременно включают и выключают (механически или электронным способом) быстрее, чем может реагировать глаз, на экране возникает видимое нродолжительное двойное изображение фронта импульса, причем горизонтальное расстояние между изображениями замедления линии задерл ки 21 позволяет постоянно контролировать масщтаб времени осциллоскопа. При описании осциллоскопа предполагалось, что он содержит приемную трубку 11 с отклоняющими пластинами 10 и 12. Сущлость изобретения не из.менится, если аппарат применить в качестве приставки к обычному осциллоскопу, приемная трубка которого и отклоняющий усилитель используются функционально. В этом случае провода, идущие к пластинам 10 и 12, необходимо присоединить ,к соответствующим отклоняющим входам обычного осциллоскопа. Кроме того, генератор отклоняющего напряжения 7 можно заменить пилообразным генератором обычного осциллоскопа. Таким образом можно уменьщить размеры и стоимость приставки. Предмет изобретения 1. Развертывающее устройство к осциллоскопу, содержащее электроннолучевую трубку, генератор отклоняющего напряжения и делители напряжения, отличающееся тем, что, с щелью увеличения щирокополосности, на входе осциллоскопа включены главный и опорный

с которых поданы на измеритель отрезков времени, подключеиный .к одной паре отклоняющих пластин электроннолучевой трубки, причем к другой паре отклоняющих пластин подключены главный амплитудный компаратор и генератор отклоняющего напряжения.

2. УстройствоПО п. 1, отличающееся тем, что измеритель отрезков времени -содержит бистабильную схему развертки с двумя -входами, один из .которых соединен непосредст-венн-о со входом измерителя отрезков времени, а другой-со вторым его входом через линии эадержки, а выход бистабильной схемы развертки соединен с генератором тока, сигнал с которого через интегратор со сбросом и усилитель подан на накопительную схему, соединенную с генера-тором разрядных импульсов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что амплитудные компараторы состоят из туннельного диода, на один из электродов которого, заземленный через емкость, подан один из сравниваемых сигналов, а на второй электрод через сопротивление или диод подан второй сравниваемый сигнал.

15

i 4

ег(.)

/7

22 аг4