Стробоскопические осциллографы

Для исследования быстропротекающих процессов или очень коротких импульсов (периодически повторяющихся или искусственно периодизируемых) успешно применяется стробоскопический метод осциллографирования. Он позволяет значительно уменьшить скорость развертки по сравнению с той, которая требуется при непосредственном наблюдении исследуемого импульса на скоростном осциллографе, и резко сузить 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 единиц мегагерц и чувствительности до 1 мм/мВ.

Уменьшение скорости развертки достигается трансформацией масштаба времени. На экране осциллографа получается изображение кривой, подобной кривой исследуемого сигнала, 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. Принцип трансформации масштаба времени поясняет рис. 10.12.

Исследуемый сигнал (рис. 10.12, а) представляет собой повторяющиеся импульсы с периодом Т (частота повторений F = 1/T). Этим сигналом модулируется последовательность коротких импульсов с периодом следования Т+ Т (интервал Т называют интервалом дискретизации или считывания), причем период Т кратен интервалу считывания Т. В результате модуляции получают импульсы, высоты которых пропорциональны значениям исследуемого напряжения в отдельные моменты времени
(рис. 10.12, б).

Первое дискретное значение считывается в 1-м импульсе исследуемого сигнала стробирующим импульсом , сдвинутым относительно опорного импульса на интервал Т; второе дискретное значение считывается во 2-м импульсе сигнала стробирующим импульсом , сдвинутым от опорного импульса на интервал 2 Т; третье дискретное значение – в 3-м
импульсе сигнала импульсом , причем интервал равен З Т, и т.д.
Таким образом, осциллографируемый сигнал полностью считывается по точкам импульсами с₁, с₂, с₃, с₄, с₅, с₆ (рис. 10.12, в). После этого процесс считывания многократно повторяется.

Масштаб времени увеличивается во столько раз, во сколько период следования Т осциллографируемых импульсов больше интервала считывания Т. При этом для получения изображения на экране стробоскопического осциллографа требуется скорость развертки в m = T/ раз меньше, чем для получения такого же изображения непосредственно на экране скоростного осциллографа.

Масштаб можно растянуть еще больше, если считывать каждое последующее дискретное значение исследуемого сигнала не в идущих подряд импульсах исследуемого сигнала, а после пропуска некоторого числа р импульсов. Итак, сущность стробоскопического метода осциллографирования заключается в считывании дискретных

Рис. 10.12. Принцип трансформации масштаба времени

значений исследуемого сигнала путем амплитудной модуляции исследуемым напряжением последовательности коротких стробирующих импульсов, фаза которых изменяется относительно исследуемого сигнала, а их частота равна или в целое число р раз меньше () частоты повторения F исследуемого напряжения. При этом с каждым из повторяющихся сигналов должно совпадать не более одного стробирующего импульса.

Возможность применения при стробоскопическом осциллографировании усилителя вертикального отклонения с полосой пропускания, во много раз более узкой, чем требуется при непосредственном наблюдении наносекундной или пикосекундной длительности импульсов на экране скоростного осциллографа, обусловлена следующим. Так как моменты появления стробирующих импульсов, считывающих соседние дискретные значения исследуемого сигнала, разделены значительными интервалами времени Т = 1 / F ли pT = p / F, то можно растянуть, удлинить промодулированные сигналом стробирующие импульсы и тем самым во много раз сузить их спектр.

Кроме того, поскольку информацию о считанном дискретном значении сигнала несет только амплитуда стробирующего импульса, то при усилении промодулированных стробирующих импульсов нет заботы о сохранении их формы. Поэтому наличие частотных искажений, вносящих систематическую погрешность, при линейном режиме работы усилителя не нарушает пропорциональности между амплитудой выходного напряжения и амплитудой усиливаемого стробирующего импульса.

Стробоскопическое осциллографирование можно производить обычным импульсным осциллографом, дополнив его специальным функциональным блоком (рис. 10.13). Синхронизирующие импульсы (рис. 10.14, а) поступают через вход 2 в формирователь. Он содержит усилитель-ограничитель, увеличивающий крутизну фронтов импульсов, и делитель частоты, понижающий в случае необходимости частоту следования импульсов синхронизации. Сформированные импульсы запускают генератор «быстрой пилы». Напряжение этого генератора сравнивается в схеме автоматического сдвига импульсов с напряжением генератора развертки осциллографа («медленной пилой» – рис. 10.14, б), который также запускается синхронизирующим импульсом. В течение одного цикла «медленной пилы» ее напряжение несколько раз становится равным напряжению «быстрой пилы», В каждый момент равенства этих двух напряжений на выходе схемы автоматического сдвига возникает импульс (рис. 10.14, в), которым запускается генератор стробирующих импульсов. Последние одновременно с подачей на преобразователь поступают в генератор «быстрой пилы» и срывают его колебания. Период следования стробирующих импульсов получается равным Т+ Т (рТ+ Т), и сдвиг каждого последующего стробирующего импульса относительно соответствующего ему синхронизирующего (опорного) импульса увеличивается на Т. Из рис. 10.14 видно, что интервал считывания Т можно регулировать изменением крутизны (скорости изменения) «медленной пилы» напряжения.

Рис. 10.13. Структурная схема дополнительного стробоскопического блока к осциллографу

Исследуемый сигнал подводится через вход 1 (см. рис. 10.13) к преобразователю, где осуществляется амплитудная модуляция стробирующих импульсов (АИМ).

Рис. 10.14. Принцип автоматического сдвига пробирующих импульсов

С выхода преобразователя импульсы поступают через усилитель и расширитель на вход канала вертикального отклонения. К вертикально отклоняющим пластинам подводятся импульсы, амплитуды которых пропорциональны считываемым значениям исследуемого сигнала.

Схема подсвета обеспечивает наблюдение вершин импульсов, несущих информацию о считанных значениях сигнала в виде светящихся точек. Так получается осциллограмма исследуемого сигнала. Использование демодулятора АИМ (ФНЧ) позволяет получать непрерывное изображение.

Стробоскопический метод обеспечивает высокую чувствительность осциллографа, т. к. благодаря узкой полосе пропускания усилительного канала 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. Искажения осциллограмм, получаемых при стробоскопическом осциллографировании, зависят от выбора интервала считывания и погрешностей, вносимых преобразователем.

Промышленностью выпускаются как специальные стробоскопические осциллографы, так и дополнительные блоки (стробоскопические приставки) к обычным низкочастотным осциллографам.

О возможностях стробоскопического осциллографа можно судить по характеристикам прибора С7-13: эффективная полоса пропускания 0 –
10 ГГц; чувствительность 0,2 дел/мВ; длительность развертки от 2 нс/дел до 0,5 с/дел.

Запоминающие осциллографы

Они обладают свойствами запоминать и длительно воспроизводить исследуемые сигналы. Основное отличие таких осциллографов от универсальных – в применении запоминающих трубок с видимым изображением. Записываемый сигнал хранится в форме потенциального рельефа и может быть впоследствии воспроизведен путем считывания рельефа электронным лучом.

Однократный процесс запоминается трубкой на длительное время. Записанный сигнал может сохраняться весьма долго, если электронный луч заперт или осциллограф полностью выключен. Имеется возможность последовательно запоминать несколько процессов (без нарушения предыдущих записей) и впоследствии считывать все записи одновременно. Ненужные записи могут быть мгновенно стерты. Предусмотрены схемы регулировки скорости записи, времени воспроизведения, а также стирания записи.

Запоминающие осциллографы характеризуют помимо общих параметров универсальных приборов специфическими параметрами, к которым относятся: скорость записи (км/с), время памяти при воспроизведении изображения (мин), время памяти без воспроизведения изображения (ч).

Представление о возможностях запоминающих осциллографов дают параметры прибора C8-12: полоса пропускания – 5 сменных блоков усилителей с полосами от 0 – 50 МГц до 0 – 3,5 ГГц; коэффициент отклонения 10 МВ/дел – 5 В/дел; диапазон длительностей разверток – два сменных блока с длительностями соответственно 0,1 – 5 мкс/дел и 0,1 мкс/дел –
0,5 с/дел; максимальная скорость записи 4000 км/с; время воспроизведения 40 с; время сохранения записи 7 ч; погрешности измерения амплитуды и интервалов времени 10 %.