Скоростные и стробоскопические осциллографы
Скоростные осциллографы. Скоростные осциллографы предназначены для наблюдения и регистрации однократных и повторяющихся импульсных сигналов и периодических колебаний в полосе частот порядка единиц гигагерц. У скоростных осциллографов отсутствует усилитель в канале вертикального отклонения.
Исследуемый сигнал подается непосредственно на сигнальную отклоняющую систему ЭЛТ, построенную по принципу бегущей волны, которая исключает влияние времени пролета электронов через пространство отклоняющих пластин, за счет чего увеличивается широкополосность. Сигнальный вход скоростного осциллографа коаксиальный с волновым сопротивлением 50—100 Ом. В этих осциллографах применяются ЭЛТ с волоконно-оптическими экранами, а также квадрупольная фокусировка с системой магнитных линз, позволяющая увеличить скорость записи при фоторегистрации за счет лучшей фокусировки.
Стробоскопические осциллографы (СО). 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 СО можно использовать при определении 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 построении осциллографов возникают трудности, когда необходимо обеспечить высокую чувствительность и широкую полосу пропускания частот. Эти противоречия удается преодолеть в СО, 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 СО используют метод увеличения масштаба времени исследуемого импульса с сохранением формы, в результате чего как бы уменьшается скорость нарастания импульса и, следовательно, уменьшается ширина его частотного спектра. Эквивалентная полоса пропускания усилителя ВО при этом увеличивается во столько раз, во сколько раз расширяется исследуемый импульс. Масштаб увеличения периода Ти исследуемого импульса m = Тп/Ти (Тп —- период преобразованного импульса).
Так как масштаб увеличения может достигнуть значения, равного 104—106, то эквивалентная полоса пропускания обычных усилителей ВО возрастает от сотен килогерц до нескольких гигагерц.
Рис. 9.12. Упрощенная схема СО (а) и временные диаграммы напряжений, поясняющие процесс масштабно-временного преобразования (б—ж)
Принцип действия СО основан на масштабно-временном преобразовании спектра исследуемого сигнала методом амплитудно-импульсной модуляции, усилении и расширении промодулированного сигнала и выделении исходной формы сигнала — демодуляции. На рис. 9.12, а представлена упрощенная схема СО. 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 быстрого пилообразного и медленного ступенчатого напряжений. Генератор медленного ступенчатого пилообразного 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 Ти (рис. 9.12,б). С приходом каждого синхроимпульса (рис. 9.12, в) напряжение с генератора медленного пилообразного напряжения возрастает на ступеньку ΔUст (рис. 9.12, г). Период Тр медленного ступенчатого пилообразного напряжения много больше периода быстрого пилообразного напряжения и равен nТи (n — число интервалов, на которые разбит исследуемый импульс). Напряжения, формируемые этими генераторами, поступают в схему сравнения. В пределах одного периода развертки Тр сравнение быстрого пилообразного напряжения со ступенчатым происходит n раз и каждый раз на более высоком уровне: ΔUст , 2 ΔUст, …, n ΔUст.
Таким образом, момент равенства напряжений смещен на время относительно предыдущего момента. Значение временного сдвига выходного импульса схемы сравнения Δt= ΔUст /S.
В момент сравнения напряжений на выходе схемы сравнения образуется импульс, запускающий генератор строб-импульса, который вырабатывает короткий прямоугольный импульс (строб-импульс) длительностью tc-и и периодом повторения Тс-и = Tи+ Δt (рис. 9.12,(д). Каждый последующий строб-импульс сдвинут относительно предыдущего на время Δt. Таким образом, строб-импульсы в определенной временной последовательности поступают на вход смесителя-модулятора (амплитудного модулятора) (рис. 9.12, а). Одновременно генератор строб-импульса 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 u(t) периодом Ти (рис.9.12,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. 9.12,е).
Модулированный по амплитуде строб-импульс при необходимости усиливается импульсным усилителем и расширяется в схеме расширителя (рис. 9.12, 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 (рис. 9.12, 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 Тс.-и. Масштаб увеличения m длительности исследуемого импульса равен отношению периода строб-импульсов Тс-и=Ти+Δt к шагу считывания (дискретизации) Δt, т. е.
m=Тп/Ти = n Тс-и/nΔt= Тс-и/Δt. (9.11)
Примерное значение необходимого шага считывания определяется из формулы Δt=O,5/fв (fв — верхняя частота в спектре исследуемого сигнала).
Результаты исследования сигналов можно наблюдать на экране ЭЛТ, фотографировать или записывать на двухкоординатный самописец. По схеме, аналогичной схеме на рис. 9.12, а, выполнен осциллограф С7-8 с бистабильной запоминающей ЭЛТ, которая может работать в режиме 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 СО измерение напряжения и временных интервалов осуществляется по заранее откалиброванным шкалам коэффициента отклонения и коэффициента (длительности) развертки. Осциллограф снабжен калибраторами напряжения и времени.
Промышленность выпускает несколько типов одно- и двухканальных СО с полосой частот 0—18 ГГц и высокой чувствительностью. С помощью таких СО можно исследовать периодические или повторяющиеся сигналы длительностью от 0,1 нс до 5 мкс, напряжением от 10 мВ до 1 В с погрешностью измерения 5—10 %.