8. Стробоскопический осциллограф

Для исследования быстропротекающих процессов или очень коротких импульсов (периодически повторяющихся или искусствен­но превращаемых в периодическую последовательность) успешно применяется стробоскопический метод осциллографирования. Он позволяет значительно уменьшить скорость развертки по срав­нению с той, которая требуется при непосредственном наблюдении исследуемого импульса иа скоростном осциллографе, и резко су- вить полосу пропускания усилителя вертикального отклонения, что решает проблему усиления сигнала. Не требуя применения спе­циальных ЭЛТ, метод дает возможность получить эквивалентную полосу пропускания порядка сотен и тысяч мегагерц при факти­ческой полосе пропускания усилителя вертикального отклонения в десятки килогерц или единицы мегагерц и чувствительности до 1 мм/мВ.

Скорость развертки удается уменьшить, трансформируя мас­штаб времени. На экране осциллографа появляется изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличенном вре­менном масштабе. Осуществляется стробоскопический метод с по­мощью амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) исследуемого сигнала. При этом роль переносчиков информации играют корот­кие стробирующие импульсы, длительность которых зна­чительно меньше длительности импульса, подлежащего осциллографированию.

Итак, суть стробоскопического метода осциллографирования заключается в считывании дискретных значений исследуемого сиг­нала путем амплитудной модуляции исследуемым напряжением последовательности коротких стробирующих импульсов, фаза ко­торых изменяется относительно исследуемого сигнала, а их часто­та Fстр равна или в целое число p раз меньше (Fстр = F/p) частоты повторения F импульсов исследуемого напряжения. При этом с каждым из повторяющихся сигналов должно совпадать не более одного стробирующего импульса.

Структурная схема стробоскопического осциллографа приведе­на на рисунке (для упрощения не показаны входные блоки). Его работа заключается в следующем.

Синхронизирующие импульсы (рис. 3.21, а), жестко связанные с исследуемым сигналом, поступают в схему синхронизации. Она формирует из импульсов синхронизации стандартные импульсы с крутым фронтом. Сформированные сигналы подаются в схему ав­томатического сдвига и запускают генератор, вырабатывающий «быстрое» .пилообразное напряжение (рис. 3.21,6). Оно подводится к входу 1 компаратора, где сравнивается с поступающим на вход 2 «медленным» развертывающим напряжением (рис. 3.21,в). Последнее представляет собой ступенчатое линейно-изменяющееся напряжение. В каждый момент равенства значений напряжений на входах 1 я 2 .компаратора на его выходе возникает импульс (рис. 3.21,г), которым запускается генератор стробирующих им­пульсов. Выходной сигнал компаратора подается также в гене­ратор «медленного» развертывающего напряжения и его «ступень­ка» получает приращение.

К приходу следующего синхронизирующего импульса по исте­чении периода Т (рис. 3.21,а) значение напряжения на входе 2 компаратора больше, чем в предыдущем случае (рис. 3.21,в). Вы­ходной импульс компаратора появляется через интервал относительно предыдущего выходного импульса (рис. 3.21, г). Так как каждому выходному импульсу компаратора соответствует стробирующий импульс (рис. 3.21, г и д), то период следования стро­бирующих импульсов получается равным . Сдвиг каждого последующего стробирующего импульса относительно соответст­вующего ему синхронизирующего (опорного) импульса увеличи­вается на интервал . (рис. 3.21, а и д). Интервал считывания , как видно из рис. 3.21, в, можно регулировать изменением при­ращения ступенчатого напряжения «медленной развертки». При включении делителя частоты в схеме синхронизации период сле­дования стробирующих импульсов получается (р — коэф­фициент деления частоты следования синхронизирующих им­пульсов).

Исследуемый сигнал подводится (рис. 3.20) к смесителю, где осуществляется амплитудная модуляция стробирующих импульсов (АИМ). С выхода смесителя импульсы поступают через усилитель и расширитель на вход усилителя вертикального отклонения. К вертикально отклоняющим пластинам подводятся широкие им­пульсы, амплитуды которых пропорциональны считанным значе­ниям исследуемого сигнала.

Формирователь импульсов подсвета с поступлением на его вход сигнала компаратора вырабатывает стандартный импульс, кото­рый подается на электрод управления яркостью ЭЛТ (рис. 3.20), в результате чего подсвечивается начальная часть вершины рас­ширенного импульса. На экране получается последовательность светящихся точек, размеры вертикального отклонения которых со­ответствуют считанным значениям напряжения исследуемого сиг­нала, поданного на вход осциллографа. Так создается осцилло­грамма исследуемого сигнала.

Стробоскопический метод обеспечивает высокую чувствитель­ность осциллографа, так как вследствие узкой полосы пропускания усилителя вертикального отклонения последний имеет низкий уро­вень собственных шумов. Рассмотренный принцип считывания сиг­нала по точкам позволяет со сравнительно большой степенью точ­ности измерять интервалы времени на сигнале и легко изменять временной масштаб осциллограммы. Степень искажения осцилло­грамм, получаемых при стробоскопическом осциллографировании, зависит от интервала считывания и погрешностей, вносимых пре­образователем. При правильном выборе интервала считывания (он не должен быть слишком малым) и рациональном выполне­нии преобразователя относительные погрешности воспроизведения невелики.

В заключение следует отметить, что имеются аналоговые и цифровые стробоскопические осциллографы. Современные цифро­вые приборы этого вида строятся на основе микропроцессорной системы.