Скоростные и стробоскопические осциллографы

При наблюдении и исследовании коротких импульсов (сигналов наносекундных длительностей) и колебаний СВЧ-диапазона возникает ряд сложностей, которые делают применение универсальных осциллографов затруднительным. Можно выделить несколько основных факторов, затрудняющих применение для этих целей универсальных осциллографов:

• влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта исследуемого сигнала;

• паразитные резонансы, возникающие в цепях, образуемых емкостью пластин и индуктивностью подводящих проводов, включая вводы пластин;

• влияние конечного времени пролета электронов между пластинами ЭЛТ, составляющее 1... 10 нc;

• необходимо иметь широкую полосу пропускания канала Y; полосу пропускания для передачи прямоугольного импульса приближенно можно рассчитать по формуле Δ ƒ ≈ 2, 5/τ _и, тогда при длительности импульса τ _и = 1 нc полоса пропускания Δ ƒ = 2, 5 ГГц;

• для наблюдения наносекундных импульсов и СВЧ-колебаний требуются высокие скорости движения луча по экрану; так, например, для получения изображения импульса длительностью τ _и = 5 нc на экране ЭЛТ шириной L — 100 мм скорость движения луча должна быть порядка v = 20 000 км/с (v = L/ τ _и — скорость движения луча, L — размер изображения на экране).

Все отмеченные недостатки требуется учитывать при разработке скоростных осциллографов. В скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяют специальные ЭЛТ бегущей волны, что в результате не позволяет получить высокую чувствительность канала вертикального отклонения (S_y «1 мм/В). Создание высокоскоростных разверток также встречает трудности; необходимо поднимать напряжение развертки до нескольких сотен вольт. Разработанные скоростные осциллографы имеют верхнюю граничную частоту 5...7, 5 ГГц.

При исследовании быстротекущих процессов с малой амплитудой напряжения, описанные скоростные осциллографы не пригодны из-за низкой чувствительности. Проблему решают с помощью специальной стробоскопической приставки к универсальному осциллографу. Стробоскопический метод осциллографирования дает возможность существенно уменьшить скорость развертки по сравнению с той, которая требуется при непосредственном наблюдении исследуемого сигнала на скоростном осциллографе. Стробоскопические осциллографы позволяют наблюдать очень короткие периодические импульсы и высокочастотные сигналы вплоть до СВЧ- колебаний.

Стробоскопическим называют осциллограф, в котором для получения на экране ЭЛТ формы сигнала используют отбор его мгновенных значений (выборки сигнала) и выполняют временное преобразование, т.е. изображение сигнала дают в увеличенном масштабе времени. Принцип действия заключается в преобразовании нескольких идентичных сигналов малой длительности в один, имеющий большую длительность и повторяющий форму входных сигналов. Скорость развертки уменьшают путем трансформации масштаба времени. На экране осциллографа появляется изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличенном временном масштабе. Структурная схема стробоскопического осциллографа кроме узлов, типичных для универсальных осциллографов, содержит стробоскопический преобразователь и устройство стробоскопической развертки, включающее генератор развертки, генератор строб-импульсов (они играют роль переносчиков информации о сигнале) и блок автоматического сдвига, задающий шаг считывания.

Основным устройством осциллографа является стробоскопический преобразователь, в котором происходит дискретизация повторяющегося исследуемого сигнала с помощью кратковременных строб - импульсов. Структурная схема и временные диаграммы преобразователя входного сигнала приведены на рис. 5.12. Исследуемые импульсы U_c, длительностью τ и периодом повторения Т_с подают совместно со строб - импульсами U₂ на стробоскопический смеситель (рис. 5.12, а). Период следования строб - импульсов T_стр = Т_с + Δ t, где Δ t — шаг считывания. Длительность Δ t выбирают из условия Δ t = τ /n {n — целое число). В результате этого преобразования оказывается, что первый строб - импульс совпадает с началом первого импульса U_c (1), 2-й — сдвинут от начала 2-го (2) импульса U_c на Δ t, 3-й сдвинут от начала 3-го (3) импульса U_c на 2 Δ t и т.д. (рис. 5.12, б).

На выходе смесителя появляются короткие импульсы U₃, (жирные линии с точкой), совпадающие по времени со строб - импульсами (U₂), но имеющие амплитуду, равную амплитуде исследуемых импульсов U_c в момент поступления строб - импульсов U₂. Поэтому импульсы U₃ называют строб - импульсами, промодулированными по амплитуде исследуемым сигналом U_c (рис.5.12, б). Как видно из диаграммы сигнала U₃, огибающая промодулированных строб - импульсов (жирная штриховая линия на рис. 5.12, б) практически повторяет форму исследуемых импульсов U_c, но по сравнению с ними растянута во времени. Импульсы U₃ усиливают, затем расширяют до требуемой длительности и подают через усилитель канала Y на отклоняющие пластины стробоскопического осциллографа. При этом на экране осциллографа с обычными ЭЛТ и пилообразной разверткой наблюдают форму импульсов U_c.

Для большей контрастности изображения плоские участки расширенного во времени исследуемого сигнала подсвечивают импульсами схемы подсвета луча. Таким образом изображение сигнала будет иметь вид светящихся черточек, что является характерным признаком осциллограммы стробоскопического осциллографа.

Степень растянутости наблюдаемого импульса во времени (временное преобразование) характеризуют коэффициентом трансформации масштаба времени К_тр = пТ_стр/τ, где п — число строб - импульсов, считывающих импульс U_c. Поскольку п = τ /Δ t, то

К_тр = пТ_стр/ Δ t.

В современных осциллографах К_тр достигает десятков тысяч, что позволяет при обычных развертках наблюдать форму наносекундных импульсов. Полоса пропускания современных стробоскопических осциллографов превышает 10 ГГц; уровень входного сигнала — от нескольких милливольт до десятков вольт; погрешность измерения 5...7, 5 %.