Часть 1. Методы измерения импульсных токов и напряжений.
1.1 Основы импульсных измерений.
В процессе исследования характеристик сильноточных импульсных приборов необходимо во время разряда измерять потенциалы и токи на основные и вспомогательные электроды. Однако нестационарный характер измерений накладывает требования на быстродействие аппаратуры: временное разрешение должно быть не более 1мкс.
Резкие скачки напряжения и протекание больших импульсов токов производят электромагнитные наводки на измерительную аппаратуру, искажая результаты измерений. Устранение наводок производится, как правило, многократным экранированием измерительных приборов и подводящих кабелей и выбором точки заземления. В каждом конкретном случае уменьшение наводок представляет собой самостоятельную задачу.
Схема измерений обычно состоит из измерительного устройства (пояс Роговского, делитель напряжения и т.д.), соединительного кабеля (как правило коаксиального) и осциллографа. Для передачи неискажённого сигнала от измерительного устройства к осциллографу необходимо согласование кабеля с этим устройством.
Коаксиальный кабель состоит из центральной медной жилы, проходящей в толстой изоляционной оболочке, поверх которой одета экранирующая оплётка из медной проволоки
Любой коаксиальный кабель можно характеризовать волновым сопротивлением Z = (L/C) ,где L и C -рассредоточенные индуктивность и ёмкость кабеля. В зависимости от соотношения между Z и сопротивлением нагрузки – Rн в кабеле может наблюдаться либо режим бегущих волн (при Z= Rн ), либо режим стоячих волн (при Z < Rн или Z > Rн ).
В режиме бегущей волны вся энергия передаваемого сигнала выделяется в нагрузке, что обеспечивает максимальный полезный сигнал на входе измерительного прибора (осциллографа). В случае Z < Rн или (Z > Rн) часть сигнала отражается от нагрузки, что приводит к меньшей величине полезного сигнала на входе осциллографа и его искажению.
Поэтому коаксиальный кабель с волновым сопротивлением Z, подключенный обоими концами на чисто активное сопротивление Rн = Z, передаёт сигнал с составляющими вплоть до сверхвысоких частот (СВЧ) без искажений. Правильное согласование кабеля показано на рис.1.
Рис.1. Схемы согласования кабеля.
Е – источник передаваемого сигнала;
Rвн – внутреннее сопротивление источника;
Rн – сопротивление нагрузки
Схема рис.1-а реализуется в том случае, если сопротивление источника Rвн << Z, схема рис.1-б — если Rвн >> Z. Коэффициент передачи по напряжению в схемах рис.1
K = Uн / Uсиг = 1 / 2 ,
где Uн – напряжение сигнала, регистрируемое на нагрузке.
Uсиг – напряжение сигнала.
Если вход осциллографа низкоомныый и равен Z, то Rн есть просто сопротивление входа осциллографа Rвх. Большинство применяемых осциллографов имеют входной импеданс Rвх = 0.5 1 МОм и Cвх = 25 40 пФ. Если осциллограф с таким высокоомным входом подключить к кабелю, согласованному по схеме рис.2, то, начиная с некоторой граничной частоты, высокочастотные составляющие напряжения сигнала будут иметь коэффициент передачи менее 1/2 (т.е. сигнал начнет искажаться). Этот эффект обусловлен увеличением реактивной составляющей сопротивления входа осциллографа. Rр = 1/ Свх вплоть до Rр Rн.
Для увеличения полосы пропускания необходимо либо уменьшить величину волнового сопротивления кабеля (например использовать кабель с Z = 50 Ом вместо кабеля с Z = 75 Oм ), либо уменьшить величину входной ёмкости осциллографа.
В случае коротких длин кабелей можно вообще отказаться от согласования кабеля, а представить его как дополнительную ёмкость Ск. Такая схема включения показана на рис.2.
Рис.2. Эквивалентная схема включения осциллографа без согласования кабеля.
Общая ёмкость входа на схеме рис.2 равна: С = Свх + Ск и реактивное сопротивление: Rр = 1/ (Свх + Ск); Если внутреннее сопротивление Rвн = 0, то эта схема имеет большую полосу пропускания, ограниченную только на очень высоких частотах индуктивностью кабеля. Если же Rвн > 0, то верхняя граничная частота неискажённой передачи по напряжению равна:
гр = 2·fгр = ·(Rн + Rвн) / (Rн · Rвн) ,
где – допустимая степень "завала" (т.е. искажения) высокой частоты (в %), а коэффициент передачи по напряжению равен:
К = Rн / (Rн + Rвн) .
Схема, изображенная на рис.2 применяется в случае использования кабелей малой длины и малого внутреннего сопротивления источника напряжения. Высокочастотные составляющие сигнала определяют величину и форму переднего фронта импульса, поэтому минимальная длительность неискаженного фронта должна быть t = 2 / гр;