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:

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

2. 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)

3. 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.