Скоростные и стробоскопические осциллографы

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

• влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта исследуемого сигнала;

• паразитные резонансы, возникающие в цепях, образуемых емкостью пластин и индуктивностью подводящих проводов, включая вводы пластин;

• влияние конечного времени пролета электронов между пластинами ЭЛТ, составляющее 1... 10 нc;

• необходимо иметь широкую полосу пропускания канала Y; полосу пропускания для передачи прямоугольного импульса приближенно можно рассчитать по формуле , тогда при длительности импульса t_и = 1 не полоса пропускания Df = 2, 5 ГГц;

• для наблюдения наносекундных импульсов и СВЧ-колебаний требуются высокие скорости движения луча по экрану; так, например, для получения изображения импульса длительностью t_и = 5 нc на экране ЭЛТ шириной L = 100 мм скорость движения луча должна быть порядка u= 20 000 км/с (u = L/t_и — скорость движения луча, L — размер изображения на экране).

В скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяют 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. Разработанные скоростные ос­циллографы имеют верхнюю граничную частоту 5...7, 5 ГГц.

При исследовании быстротекущих процессов с малой ам­плитудой напряжения, описанные скоростные осциллографы не пригодны из-за низкой чувствительности. Проблему решают с помощью специальной стробоскопической приставки к универсальному осциллографу. Стробоскопический метод осциллографирования дает возможность 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 сигналы вплоть до СВЧ- колебаний.

Стробоскопическим называют осциллограф, в котором для получения на экране ЭЛТ формы сигнала используют отбор его мгновенных значений и выполняют временное преобразование, т.е. изображение сигнала дают в увеличенном масштабе времени. Принцип действия заключается в преобразо­вании нескольких идентичных сигналов малой длительности в один, имеющий большую длительность и повторяющий форму входных сигналов. Скорость развертки уменьшают путем транс­формации масштаба времени. На экране осциллографа появляется изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в уве­личенном временном масштабе. Структурная схема стробоскопи­ческого осциллографа кроме узлов, типичных для универсальных осциллографов, содержит стробоскопический преобразователь и устройство стробоскопической развертки, включающее генератор развертки, генератор строб-импульсов (они играют роль перенос­чиков информации о сигнале) и блок автоматического сдвига, за­дающий шаг считывания.

Основным устройством осциллографа является стробоско­пический преобразователь, в котором происходит дискретизация повторяющегося исследуемого сигнала с помощью кратковре­менных строб-импульсов. Структурная схема и временные диа­граммы преобразователя входного сигнала приведены на рис. 5.12. Исследуемые импульсы U_c, длительностью t и периодом повто­рения Т_с подают совместно со строб-импульсами U₂ на стробо­скопический смеситель (рис. 5.12, а). Период следования строб-импульсов T_стр = Т_с + Dt, где Dt — шаг считывания. Длительность Dt выбирают из условия Dt = t/п (п — 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 Dt, 3-й сдвинут от начала 3-го (3) импульса U_c на 2Dt и т.д. (рис. 5.12, б).

Рис. 5.12. Принцип работы стробоскопического преобразователя:

а — схема; б — временные диаграммы

На выходе смесителя появляются короткие импульсы U₃ (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_с (рис.5.12, б). Как видно из диаграммы сигнала U₃, огибающая промодулированных строб-импульсов (жирная штриховая линия на рис. 5.12, 6) практически повторяет форму исследуемых импульсов U_c, но по сравнению с ними растянута во времени. Импульсы U₃ усиливают, затем расширяют до требуемой длительности и подают через уси­литель канала Y на отклоняющие пластины стробоскопического осциллографа. При этом на экране осциллографа с обычными ЭЛТ и пилообразной разверткой наблюдают форму импульсов U_c.

Для большей контрастности изображения плоские участки расширенного во времени исследуемого сигнала подсвечивают импульсами схемы подсвета луча. Таким образом изображение сигнала будет иметь вид светящихся черточек, что является ха­рактерным признаком осциллограммы стробоскопического ос­циллографа.

Степень растянутости наблюдаемого импульса во времени (временное преобразование) характеризуют коэффициентом трансформации масштаба времени К_ТР = nТ_стр/t, где п — число строб-импульсов, считывающих импульс U_c. Поскольку п = t /Dt, то

К_ТР = Т_стр/Dt,

В современных осциллографах К_ТР достигает десятков тысяч, что позволяет при обычных развертках наблюдать форму нано-секундных импульсов. Полоса пропускания современных стробо­скопических осциллографов превышает 10 ГГц; уровень входно­го сигнала — от нескольких милливольт до десятков вольт; погрешность измерения 5...7, 5 %.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: