wyklad13, Elektronika
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
147
WYKLAD 13
Oscyloskopy
Rozwój przetworników analogowo-cyfrowych i metod szybkiego przetwarzania
danych spowodował upowszechnienie
się
oscyloskopów cyfrowych.
Częstości
próbkowania w najlepszych modelach
sięgają 10 GHz przy pasmach
przenoszenia dochodzących do wielu
gigaherców. W tańszych modelach, mimo
powolnych przetworników analogowo -
cyfrowych (np. 20 MHz jak w najtańszym
modelu HP) szerokie pasma przenoszenia
(60 i więcej MHz) uzyskuje się dzięki
próbkowaniu stroboskopowemu
.
Uniwersalny software (np. szybka
transformata Fouriera - FFT) i możliwośc
bezpośredniego połączenia z komputerem
czynią oscyloskopy cyfrowe najbardziej
uniwersalnymi urzadzeniami do badania
kształtu powtarzalnego sygnału elektrycznego
W ostatnich latach oscyloskopy cyfrowe
wyparły z laboratoriów używane wcześniej do analizy sygnałów powtarzalnych boxcar’y
(jednokanałowe uśredniacze analogowe) i transient digitizer’y (wielokanałowe uśredniacze
analogowe).
Zasada stroboskopowego próbkowania
sygnału. Impuls wyjściowy jest odtwarzany z
wielu impulsów wejściowych próbkowanych w
różnych chwilach czasu, w przeciwieństwie do
próbkowania w czasie rzeczywistym, które
odbywa się na pojedynczym impulsie
wejściowym, ale wymaga bardzo wysokiej
częstotliwości pracy przetwornika AC.
Oscyloskopy analogowe pełnią obecnie w laboratoriach jedynie funkcje pomocnicze.
Wyposażenie dodatkowe oscyloskopów
Wraz z oscyloskopem producenci dostarczają zwykle wyposażenie dodatkowe,
poszerzające jego możliwosci pomiarowe. Do podstawowego wyposażenia należą
oporniki
dopasowujące i sondy.
Oporniki
przeznaczone są do dopasowania wejścia oscyloskopu o wielkim oporze
(zwykle 1 MΩ) do impedancji falowej linii doprowadzającej sygnał (50Ω). Montuje się je
najczęściej w obudowach z przejściami koncentrycznymi. W wielu konstrukcjach rezystancję
wejściową oscyloskopu wybiera się za pomocą odpowiedniego przełącznika umieszczonego
na płycie czołowej.
Sondy bierna i czynna służą do badania sygnałów pochodzących ze źródeł o wielkiej
impedancji. Bezpośrednie włączenie takiego źródła do oscyloskopu za pomocą kabla
powoduje zniekształcenie sygnału, gdyż rezystancja wyjściowa badanego układu tworzy wraz
z pojemnością wejściowa oscyloskopu i pojemnością kabla filtr dolnoprzepustowy
zawężajacy pasmo częstotliwości przenoszonych sygnałów.
1
Oscyloskop cyfrowy jest idealnym układem pomiarowym do badania również sygnałów o
tak małej częstotliwości powtarzania (<<1 Hz) , że nazywa się je sygnałami pojedynczymi.
148
Jednym ze
sposobów
uniknięcia takiego
zmniejszenia
częstotliwości
granicznej układu
pomiarowego jest
zastosowanie
pojemnościowo
skompensowanego
dzielnika napięcia. Zrealizować go mocna za pomocą
sondy biernej
. Rezystancja wejściowa
sondy wynosi zwykle 10-100 MΩ. Pojemność
pasożytnicza C
pk
bocznikująca rezystancję wejściową
oscyloskopu kompensowana jest przez zastosowanie
zmiennego kondensatora C
S
włączonego równolegle
do opornika R
S
. Przy odpowiednim dobraniu wartości
C
S
stosunek podziału dla tego układu nie zależy od
częstotliwości sygnału. Dzięki temu sygnał dociera do
oscyloskopu bez zniekształceń, choć z odpowiednio
mniejszą amplitudą. Łatwo jest obliczyć optymalną
wartość C
S
, wychodząc z założenia, że nowo
powstały dzielnik powinien dzielić napięcie zmienne
w stopniu podobnym jak dzielnik bez pojemności.
Sondy bierne, ze strojona pojemnością C
montowane w niewielkich obudowach z
wyprowadzonym kablem łączącym je z
oscyloskopem. Końcówki wejściowe sondy wyposaża
się w uniwersalne chwytaki niewielkich rozmiarów
pozwalające na łatwe podłączenie jej do badanego obwodu. Optymalną wartość C
S
dobiera
się za pomocą sygnału testującego o kształcie prostokątnym.
Sposób dobierania optymalnej pojemności
sondy biernej za pomocą testującego
sygnału prostokątnego.
Zastosowanie sondy
biernej powoduje
zmniejszenie amplitudy
sygnału. Wady tej nie ma
sonda wtórnikowa (tzw.
aktywna lub czynna),
Stanowi ją wzmacniacz -
wtórnik napięciowy o wielkiej
rezystancji wejściowej (1-100
MΩ), charakteryzujący się także niewielką pojemnością wejściową (4-8 pF) i częstotliwością
graniczną przekraczającą nawet 1 GHz. Sonda montowana jest w niewielkiej obudowie
metalowej połączonej z oscyloskopem kablem sygnałowym i zasilającym. Wyjście jej
dopasowane jest do impedancji falowej kabla sygnałowego. Dzięki temu możliwy jest pomiar
szybkich sygnałów pochodzących ze źródeł o wielkich rezystancjach, bez wprowadzania
zniekształceń i bez zmniejszenia amplitudy napięcia.
Do pomiaru sygnałów o amplitudach od setek do dziesiątków tysięcy woltów stosuje
się
sondy rezystorowe
- dzielniki napięcia wykonane z oporników wysokonapięciowych,
tłumiące sygnał zwykle od 10 do 1000 razy. Pasmo przenoszenia niektórych z tych sond
dochodzi do 4 GHz.
149
Przyrządy pomiarowe w fizyce jądrowej
Wielokanałowy analizator amplitudy .
W doświadczeniach z zakresu fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych i dziedzin
pokrewnych odpowiedzi detektorów maja zwykle postać impulsów o różnych amplitudach.
Najważniejszym przyrządem służącym do analizy takich sygnałów jest wielokanałowy
analizator amplitudy (nazwy angielskie: multichannel analyzer, pulse height analyzer).
Badany impuls doprowadzany jest do
detektora szczytowego,
który na wyjściu
wytwarza napięcie stałe, proporcjonalne do amplitudy impulsu wejściowego. Napięcie to
podlega następnie przetwarzaniu na postać cyfrową przy użyciu szybkiego przetwornika
analogowo-cyfrowego. Binarne słowo wyjściowe przetwornika stanowi adres odpowiedniej
komórki w pamięci. Po wywołaniu tej komórki jej zawartość jest zwiększana o jeden.
Następnie wyzerowuje się detektor szczytowy i układ jest gotowy do przyjęcia kolejnego
impulsu. W ten sposób, po przebadaniu serii impulsów, w pamięci urządzenia powstaje
histogramowy rozkład ich amplitud. Współczesne analizatory pozwalają na badanie ciągu
impulsów powtarzanych z częstotliwością ponad 500 MHz.
Trudno jest przecenić role tego przyrządu. Amplituda impulsów pochodzących z
detektorów promieniowania, takich jak liczniki proporcjonalne, detektory półprzewodnikowe,
liczniki Showera, komory scyntylacyjne itd.. jest proporcjonalna do energii rejestrowanych
cząstek. Dzięki zastosowaniu analizatora wielokanałowego otrzymuje się wiec w prosty
sposób widmo energii promieniowania.
Elastyczna konstrukcja tego przyrządu pozwala na wszechstronne dostosowanie go do
różnych celów. Poniżej przedstawiono schemat doświadczenia, w którym analizator
wielokanałowy wykorzystano do pomiaru czasu połowicznego rozpadu jąder w pewnej
próbce. Przyrząd ten bywa wtedy nazywany
multiscalerem.
Pomiar polega na zliczaniu
impulsów pochodzących z detektora w ciągu następujących po sobie jednakowych odcinków
150
czasu o ustalonej długości. Po upływie
każdego przedziału czasu wynik
zapisywany jest w kolejnych kanałach
pamięci urządzenia. Przy odpowiednim
oprogramowaniu systemu czas
połowicznego rozpadu wyznaczany jest
automatycznie.
Przetwornik czas - amplituda
Ważnym przyrządem elektroniki jądrowej jest przetwornik czas-amplituda (TAC-
Time to Amplitude Converter). Jest to generator napięcia piłokształtnego uruchamiany za
pomocą impulsu dostarczanego na wejście WE1 i zatrzymywany, gdy na wejściu WE2
pojawi się drugi impuls.Układ ten
wytwarza wiec impulsy o amplitudach
proporcjonalnych do czasu miedzy włączeniem i wyłączeniem
generatora z
rozdzielczością subnanosekundową.
Obok
pokazano
wykorzystanie
analizatora
wielokanałowego i
TAC do badania
rozkładu prędkości
cząstek
promieniowania
zdolnych przenikać
przez detektory bez
znaczących strat. Za
pomocą systemu dwu detektorów (D
1
i D
2
) i układu TAC czas przelotu cząstki na odcinku
D
1
D
2
zamieniany jest na impuls o proporcjonalnej amplitudzie. Wiązka promieniowania
powinna mieć na tyle małe natężenie, by w każdej chwili na odcinku D
1
D
2
151
znajdowała się co najwyżej jedna cząstka. W wyniku analizy przebiegu wielu cząstek w
pamięci zastosowanego do detekcji wielokanałowego analizatora amplitudy zostaje
wytworzony rozkład czasów przelotu, który z łatwością mocna przekształcić na rozkład
prędkości lub energii cząstek. Systemy tego typu stosowane są na przykład
w
spektrometrach masowych działających na zasadzie pomiaru czasu przelotu
.
Działające podobnie do przetwornika TAC urządzenie, generujące na wyjściu słowo
wielobitowe reprezentujące liczbę proporcjonalną do długości odcinka czasu miedzy dwoma
impulsami nosi nazwę
przetwornika czas - liczba (TDC - Time to Digit Converter).
Bramki koincydencyjne i dyskryminatory
W przypadku sygnałów impulsowych podstawowymi metodami eliminacji
przebiegów niepożądanych (impulsów szumowych) są
dyskryminacja i koincydencja
.
Układ koincydencyjny
jest bramką analogową. Po dostarczeniu do jej wejścia
sterującego impulsu wyzwalającego
przenosi ona sygnały analogowe od
wejścia do wyjścia w przedziale czasu
ustalonym przez użytkownika.
Odwrotnie pracują
układy
antykoincydencyjne,
w których
impuls wyzwalający powoduje
zablokowanie przenoszenia na
określony czas. Bramki koincydencyjne
i antykoincydencyjne pozwalają
wyselekcjonować z ciągu wielu
impulsów tylko sygnały skorelowane
czasowo z przebiegiem
synchronizującym, tzw. triggerem. Dla
zapewnienia koincydencji oraz dla
kompensacji bezwładności złożonych
układów pomiarowych często
niezbędne jest stosowanie
regulowanych linii opóźniających.
Dyskryminator progowy
wytwarza impuls wyjściowy wtedy, gdy amplituda impulsu
wejściowego jest większa niż ustalony po
ziom napięcia U
1
. Użycie dwu dyskryminatorów i
bramki antykoincydencyjnej umożliwia
realizację
dyskryminatora
okienkowego
, czyli układu
sygnalizującego, że amplituda impulsu
wejściowego jest zawarta miedzy
dwoma wartościami napięcia U
1
i U
2
.
Zwykle czas trwania impulsów
wyjściowych ∆t może być regulowany.
Istnieją także dyskryminatory o
nazwie
constant fraction
, które
wytwarzają impuls wyjściowy w chwili,
gdy na zboczu impulsu wejściowego
napięcie przekroczy założony ułamek
amplitudy. Poniżej przedstawiono schemat doświadczenia, w którym korzysta się z opisanych
powyżej układów.
Dyskryminator
okienkowy
Dyskryminator progowy.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]