4.4 Стробоскопические электронные осциллографы

Стробоскопические осциллографы позволяют наблюдать форму и измерять амплитудно-временные параметры периодических сигналов милли-, микро-, нано- и пикосекундного диапазонов. Эти осциллографы предназначены для исследования переходных процессов в быстродействующих полупроводниковых приборах, микромодульной и интегральной схемотехнике, при производстве быстродействующих ЭВМ, экспериментальных исследованиях на ускорителях заряженных частиц, в ядерной физике, технике связи, измерительной технике и т. п. Наиболее эффективно стробоскопические осциллографы можно использовать при определении динамических параметров полупроводниковых приборов, интегральных схем и параметров импульсных схем.

Для наблюдения слабых наносекундных импульсов потребовались бы осциллографические трубки с очень высокой чувствительностью и широкой полосой пропускания частот или сочетание широкополосных трубок малой чувствительности и широкополосных высокочувствительных усилителей сигнала. Эти требования противоречивы, поэтому при построении осциллографов возникают трудности, когда необходимо обеспечить высокую чувствительность и широкую полосу пропускания частот. Эти противоречия удается преодолеть в стробоскопических осциллографах, где не требуются специальные трубки и широкополосные усилители. Полоса пропускания усилителей стробоскопических осциллографов достигает нескольких гигагерц при довольно высоком минимальном коэффициенте отклонения (5-10 мВ/дел). В этих осциллографах используется метод увеличения масштаба времени исследуемого импульса в результате чего как бы уменьшается скорость нарастания импульса, а, следовательно, уменьшается и ширина его частотного спектра. Эквивалентная полоса пропускания усилителя вертикального отклонения при этом увеличивается во столько раз, во сколько раз расширяется исследуемый
импульс. Масштаб увеличения периода  исследуемого импульса
, где  - период преобразованного импульса.

Так как масштаб увеличения может достигнуть значения, равного, то эквивалентная полоса пропускания обычных усилителей вертикального отклонения возрастает от сотен килогерц до нескольких гигагерц.

Принцип действия стробоскопического осциллографа основан на масштабно-временном преобразовании спектра исследуемого сигнала методом амплитудно-импульсной модуляции, усилении и расширении промоделированного сигнала и выделении исходной формы сигнала - демодуляции. На рис. 4. 13, а представлена упрощенная схема стробоскопического осциллографа.

От внешнего или собственного генератора стробоскопического осциллографа запускающие импульсы синхронизации (импульсы положительной и отрицательной полярности, синусоидальные импульсы) подаются на вход схемы синхронизации, в которой осуществляется формирование основного синхроимпульса стандартной формы, запускающего схему развертки. Основной синхроимпульс (рис. 4. 13, б) поступает на вход схемы запуска генератора быстрого пилообразного напряжения и генератора медленного ступенчатого пилообразного напряжения. Генератор медленного ступенчатого пилообразного напряжения является также и генератором развертывающего напряжения осциллографа. Генератор быстрого пилообразного напряжения работает в ждущем режиме, крутизна S генерируемого напряжения, а период повторения равен периоду исследуемого сигнала (рис. 4. 13, а). С приходом каждого синхроимпульса (рис. 4. 13, б) напряжение с генератора медленного пилообразного напряжения возрастает на ступеньку (рис. 4. 13, г). Период  медленного ступенчатого пилообразного напряжения много больше периода быстрого пилообразного напряжения и равен  (п - число интервалов, на которые разбит исследуемый импульс). Формируемые этими генераторами напряжения поступают в схему сравнения. В пределах одного периода развертки  сравнение быстрого пилообразного напряжения со ступенчатым происходит п раз и каждый раз на более высоком уровне: .

Таким образом, момент равенства напряжений смещен на время относительно предыдущего момента. Значение временного сдвига выходного импульса схемы сравнения.

В момент сравнения напряжений на выходе схемы сравнения образуется импульс, запускающий генератор строб-импульсов, который вырабатывает короткие прямоугольные импульсы (строб-импульсы) длительностью , много меньше длительности исследуемого импульса, и периодом повторения (рис. 4. 13, д). Каждый последующий строб-импульс сдвинут относительно предыдущего на время . Таким образом, строб-импульсы в определенной временной последовательности поступают на вход смесителя-модулятора (см. рис. 4. 13, а). Одновременно генератор строб-импульсов вырабатывает импульс, который, поступая в генератор быстрого пилообразного напряжения, срывает его колебания и переводит последний в ждущий режим до прихода следующего синхроимпульса. Через линию задержки на другой вход смесителя-модулятора поступает исследуемый сигнал периодом  (рис. 4. 13, б).

Смеситель-модулятор представляет собой электронный ключ, открываемый на время, равное длительности строб-импульса (стробирующие «ворота»). Но так как на вход смесителя подан еще и исследуемый сигнал, то на выходе смесителя-модулятора возникают строб-импульсы, промодулированные по амплитуде исследуемым сигналом. Амплитуда строб-импульса пропорциональна мгновенному значению исследуемого сигнала в момент прихода строб-импульса (рис. 4. 13, д).

Модулированный по амплитуде строб-импульс при необходимости усиливается импульсным усилителем и расширяется в схеме расширителя (рис. 4. 13, е). Огибающая расширенных строб-импульсов повторяет форму исследуемого сигнала, но следует во времени с более низкой частотой, т. е. период преобразованного сигнала растянут (трансформирован) во времени. Расширенные импульсы через усилитель ВО поступают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Для большей контрастности изображения плоские участки строб-импульсов расширенного сигнала подсвечиваются импульсами подсвета. В результате на экране осциллографа создается огибающая строб-импульсов в виде светящихся черточек (точек), воспроизводящая форму исследуемого сигнала в расширенном виде (рис. 4. 13, ж).

Возможность демодуляции сигнала позволяет после интегратора получать аналоговое напряжение. Период преобразованного сигнала оказывается в m раз больше исследуемого сигнала и в n раз больше периода строб-импульса . Масштаб увеличения m длительности исследуемого импульса равен отношению периода строб-импульсов  к шагу считывания , т. е. , где - шаг считывания, дискретизации.

Примерное значение необходимого шага считывания определяется из формулы где - верхняя частота в спектре исследуемого сигнала.

Для нормального функционирования необходимо обеспечить в осциллографе:

• получение на входе смесителя строб-импульсов, сдвинутых относительно начала исследуемого сигнала на интервалы ;

• синхронизацию первого строб-импульса с исследуемым сигналом;

Рисунок 4. 13 – Упрощенная схема стробоскопического осциллографа (а) и временные диаграммы напряжений, поясняющие процесс стробоскопического осциллографирования (б-ж)

• синхронизацию начала развертывающего напряжения с первым строб-импульсом.

Результаты исследования сигналов можно наблюдать на экране ЭЛТ, фотографировать или записывать на двухкоординатный самописец. По схеме аналогичной схеме на рис. 4. 13, а, выполнен осциллограф С7-8 с бистабильной запоминающей ЭЛТ, которая может выполнять двойную функцию: в качестве устройства памяти и в обычном осциллографическом режиме.

Осциллограф имеет два идентичных канала в вертикальном тракте и обеспечивает раздельные и одновременные режимы работы двух каналов; сложение и вычитание сигналов этих каналов и др. Как и во всех осциллографах, в стробоскопическом осциллографе измерение напряжения и временных интервалов осуществляется по заранее откалиброванным шкалам коэффициента отклонения и длительности развертки. Осциллограф снабжен калибратором напряжения и калибратором времени.