5.3.5Скоростные и стробоскопические осциллографы.

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

1. Паразитные резонансы, возникающие в цепях, образуемых емкостью пластин и индуктивностью подводящих проводов, включая вводы пластин. Паразитная резонансная частота должна быть намного больше высшей гармоники исследуемого сигнала.

2. Влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта исследуемого сигнала.

3. Влияние конечного времени пролета электронов между пластинами ЭЛТ, которое должно составлять 1...10 не. Если за время нахождения электрона между пластинами сигнал изменится, то отклонение электронного луча будет непредсказуемо.

4. Необходимо иметь очень широкую полосу пропускания канала V. Полоса пропускания для передачи прямоугольного импульса приближенно может быть рассчитана по формуле Δf = 2/τ_и. Тогда при длительности импульса τ_и = 1 не полоса пропускания Δf =2 ГГц.

5. Для наблюдения наносекундных импульсов и колебаний СВЧ 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).

6. Изображение на экране может оказаться очень бледным, поскольку луч вычерчивает осциллограмму с огромной скоростью.

При конструировании скоростных осциллографов требуется учитывать все вышеизложенное. В скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяются 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. Существующие серийные скоростные осциллографы имеют верхнюю граничную частоту меньше 10 ГГц.

При исследовании быстротекущих процессов с малой амплитудой напряжения, описанные выше скоростные осциллографы не пригодны из-за низкой чувствительности. Эта проблема решается с помощью стробоскопической приставки (преобразователя) к универсальному осциллографу.

5.3.6 Стробоскопические осциллографы

Стробоскопический метод осциллографирования позволяет 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 колебания. Они обладают большой чувствительностью, т.е. входные сигналы могут иметь малую амплитуду.

Стробоскопическим называют электронный осциллограф, в котором для получения на экране ЭЛТ формы сигнала используется отбор его мгновенных значений (выборки сигнала) и выполняется его временное преобразование, т.е. изображение сигнала дается в увеличенном масштабе времени.

Скорость развертки уменьшают путем трансформации масштаба времени. На экране осциллографа появляется изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличенном временном масштабе. Стробоскопический метод реализуют с помощью амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) исследуемого сигнала.

Принципиальная схема и временные диаграммы стробоскопического осциллографа приведены на Рис. 4 .12.

Рис. 4.12. Принцип работы стробоскопического осциллографа:

а – схема преобразователя; б – временные диаграммы.

Исследуемые импульсы U_с длительностью т и периодом повторения Т_с, подаются вместе со специальными (очень короткими) строб-импульсами U₂ (они играют роль переносчиков информации о сигнале) на стробоскопический смеситель преобразователя (Рис. 4 .12, а). Период следования строб-импульсов Т_стр = Т_с + Δt, где АГ называется шагом считывания. Длительность Δt выбирается из условия Δt = τln (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 Δt, 3-й сдвинут от начала 3-го (3) импульса U_c на 2Δt и т.д. (рис. 4.6, б).

На выходе смесителя появляются короткие импульсы Uз (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. 4 .12, б).

Как видно из диаграммы сигнала Uз, огибающая промодулированных строб-импульсов (жирная штриховая линия (Рис. 4 .12, б)) практически повторяет форму исследуемых импульсов U_c но по сравнению с ними растянута во времени. Импульсы Uз усиливают, затем расширяют до длительности, меньшей Т_с, и подают через усилитель канала У на отклоняющие пластины стробоскопического осциллографа. При этом на экране осциллографа с обычными ЭЛТ и пилообразной разверткой наблюдают форму импульсов U_c.

Степень растянутости наблюдаемого импульса во времени (временное преобразование) характеризуется коэффициентом трансформации масштаба времени

K_тр = nТстр/τ,

где n - число строб-импульсов, считывающих импульс U_c. Поскольку n = τ /Δt, то

К_тр = Т_стр/Δt

В современных осциллографах К_тр достигает десятков тысяч, что позволяет при обычных развертках наблюдать форму наносекундных импульсов.

Полоса пропускания современных стробоскопических осциллографов составляет несколько десятков гигагерц, уровень входного сигнала — от нескольких милливольт до десятков вольт.