6. Стробоскопические осциллографы

Для исследования быстропротеиающих 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 т 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 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 осцилло- графираванию. Принцип трансформации масштаба времени пояс­няет рис. 3.19.

Исследуемый сигнал (рис. 3.19,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. 3.19,6). Пер­вое дискретное значение считывается в 1-м импульсе исследуе­мого сигнала стробирующим импульсом с₁ сдвинутым относитель­но опорного импульса 0₁ на интервал ∆Т; второе дискретное зна­чение считывается во 2-м импульсе сигнала стробирующим им­пульсом с₂, сдвинутым от опорного импульса о₂ на интервал 2∆Т; третье дискретное значение — в З-м импульсе сигнала импульсом с₃, причем интервал о₃с₃ равен З∆Т, и т. д. Таким образом, осцил-

лографируемый сигнал .полностью считывается по точкам импуль- сами (рис. 3.19,0). 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/∆Т 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, 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 равна или в целое число р раз меньше частоты повторения F импульсов исследуемого напряжения. При этом с каждым из повторяющихся сигналов должно совпадать не более одного стробирующего импульса.

Возможность применения при стробоскопическом осциллогра- фировании усилителя вертикального отклонения с полосой про­пускания во много раз более узкой, чем требуется при непосред­ственном наблюдении импульсов наносекундной или пикосекунд­ной длительности «а экране скоростного осциллографа, обуслов­лена следующим. Так как моменты появления стробируюищх им­пульсов, считывающих соседние дискретные значения исследуемого сигнала, разделены значительными интервалами времени или рТ=р/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 не нужно принимать меры для сохранения их фор­мы. Поэтому наличие частотных искажений, вносящих системати­ческую погрешность, при линейном режиме работы усилителя не нарушает пропорциональности между амплитудами выходного напряжения и усиливаемого стробирующего импульса.

Структурная схема стробоскопического осциллографа приведе­на на рис. 3.20 (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-иаменяющееся напряжение. В каждый момент равенства значений напряжений на входах 1 и 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 имиульс компаратора появляется через интервал Т+∆Т относительно предыдущего выходного импульса (рис. 3.21,г). Так как каждому выходному импульсу компаратора соответствует стро- бирующий импульс (рис. 3.21,г и д), то период следования стро­бирующих импульсов получается равным Т+∆Т. Сдвиг каждого последующего стробирующего импульса относительно соответст­вующего ему синхронизирующего (опорного) импульса увеличи­вается на интервал ∆Т (рис. 3.21,а и д). Интервал считывания ∆Т, 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 рТ+∆Т (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.