Стробоскопические осциллографы

Это самые чувствительные широкополосные приборы. Они предназначены для исследования формы, измерения амплитудных и временных параметров периодических сигналов нано- и пикосекундного диапазонов с эквивалентной полосой пропускания от постоянного тока до десятков гигагерц при уровнях сигналов от милливольт до единиц вольт, а также для исследования переходных процессов в быстродействующих полупроводниковых приборах, микромодульной и интегральной схемотехнике, в ядерной физике и т.п.

Наиболее эффективно стробоскопические осциллографы можно использовать при измерении динамических параметров полупроводниковых приборов, интегральных схем и параметров импульсных схем.

Для наблюдения слабых импульсов, измеряемых в наносекундах, 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 создании 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 стробоскопических осциллографах используют метод увеличения масштаба времени исследуемого импульса с сохранением формы, в результате чего как бы уменьшается скорость нарастания импульса и, следовательно, ширина его частотного спектра. Эквивалентная полоса пропускания усилителя ВО при этом увеличивается во столько раз, во сколько расширяется исследуемый импульс. Масштаб увеличения периода Т_и исследуемого импульса m = Т_п/Т_и (Т_п – период преобразованного импульса).

Так как масштаб увеличения может достигать значения 10⁴¸ 10⁶, то эквивалентная полоса пропускания обычных усилителей ВО возрастает от сотен килогерц до нескольких гигагерц.

Принцип работы стробоскопические осциллографы основан на считывании мгновенных значений повторяющихся исследуемых сигналов с помощью коротких стробирующих импульсов (строб-импульсов), автоматически сдвигающихся при повторении сигнала на Dt; 2Dt; 3Dt и т.д. (Dt – шаг считывания). Эти строб-импульсы создаются специальной схемой, при каждом периоде исследуемого сигнала продвигаются вдоль оси времени и через определенное число периодов проходят весь исследуемый сигнал. На рис. 9.14 представлены упрощенная схема стробоскопические осциллографы и временные диаграммы, поясняющие процесс масштабно-временного преобразования.

Рис. 9.14. Упрощенная схема стробоскопического осциллографа (а) и временные диаграммы напряжений, поясняющие процесс масштабно-временного преобразования (б–ж)

От внешнего или собственного генератора стробоскопического осциллографа запускающие импульсы синхронизации (импульсы положительной и отрицательной полярности) подаются на вход схемы синхронизации, в которой формируется основной синхроимпульс стандартной формы, запускающий схему развертки. Основной синхроимпульс поступает на входы схемы запуска генераторов медленного ступенчатого и быстрого пилообразного напряжений. Генератор медленного ступенчатого напряжения является также и генератором развертывающего напряжения осциллографа. Генератор быстрого пилообразного напряжения с крутизной S работает в ждущем режиме, период повторения равен периоду исследуемого сигнала Т_и (рис. 9.14, б). С приходом каждого синхроимпульса (рис. 9.14, в) напряжение с генератора медленного ступенчатого напряжения возрастает на ступеньку DU_ст (рис. 9.14, г). Период Т_р медленного ступенчатого напряжения много больше периода быстрого пилообразного напряжения и равен nТ_и(n – число интервалов, на которые разбит исследуемый импульс). Напряжения, формируемые этими генераторами, поступают в схему сравнения. В пределах одного периода развертки Т_р сравнение быстрого пилообразного напряжения со ступенчатым происходит n раз и каждый раз на более высоком уровне: DU_ст, 2DU_ст, ..., nDU_ст.

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

В момент равенства напряжений на выходе схемы сравнения образуется импульс, запускающий генератор строб-импульса, который вырабатывает короткий прямоугольный импульс (строб-импульс) длительностью t_с-и и периодом повторения Т_с-и = Т_и + Dt (рис. 9.14, д). Каждый последующий строб-импульс сдвинут относительно предыдущего на время Dt. Таким образом, строб-импульсы в определенной временной последовательности поступают на вход смесителя-модулятора (амплитудного модулятора) (рис. 9.14, а). Одновременно генератор строб-импульса вырабатывает импульс, который, поступая в генератор быстрого пилообразного напряжения, срывает колебания и переводит его в ждущий режим до прихода следующего синхроимпульса.

Через линию задержки на другой вход смесителя-модулятора поступает исследуемый сигнал u(t) с периодом Т_и (см. рис. 9.14, б). Смеситель-модулятор представляет собой электронный ключ, открываемый на время, равное длительности строб-импульса. Но так как на вход смесителя-модулятора подан еще и исследуемый сигнал, то на его выходе возникают строб-импульсы, промодулированные по амплитуде исследуемым сигналом. Амплитуда строб-импульса пропорциональна мгновенному значению исследуемого сигнала в момент прихода строб-импульса (рис. 9.14, е).

Модулированный по амплитуде строб-импульс при необходимости усиливается импульсным усилителем и расширяется в схеме расширителя (рис. 9.14, ж). Огибающая расширенных строб-импульсов повторяет форму исследуемого сигнала, но 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 (см. рис. 9.14, 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 Т_с-и. Масштаб увеличения m длительности исследуемого импульса равен отношению периода строб-импульсов Т_с-и = Т_и + Dt к шагу считывания (дискретизации) Dt, т.е. m = T_п/T_и = nT_c-и/(nDt) = T_c-и/Dt.

Примерное значение необходимого шага считывания определяется из формулы Dt = 0,5/f_в (f_в – верхняя частота в спектре исследуемого сигнала).

Кроме визуального наблюдения исходный сигнал со специального низкочастотного выхода можно записывать на двухкоординатный самописец и передавать в компьютер. Обычно стробоскопические осциллографы выполняются двухканальными, обеспечивают раздельный и одновременный режимы работы двух каналов, сложение и вычитание сигналов этих каналов.

Напряжение и временные интервалы измеряют по заранее откалиброванным шкалам коэффициентов отклонения и коэффициента развертки. Эквивалентная полоса частот некоторых осциллографов достигает 0¸18 ГГц и высокой чувствительности. С помощью таких осциллографов можно исследовать повторяющиеся сигналы длительностью 0,1 нс¸5 мкс, напряжением 10 мВ¸1 В с погрешностью измерения 5¸10%.