Стробоскопические осциллографы

Стробоскопическим называется осциллограф, использующий для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляющий его временное преобразование. Принцип работы стробоскопического осциллографа основан на измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью коротких стробирующих импульсов напряжения. Этот принцип базируется на эффекте кажущегося замедления быстропеременного процесса (стробоскопический эффект) и позволяет разрешить два противоречивых требования – обеспечение широкой полосы пропускания и высокой чувствительности осциллографа. Он наглядно поясняется с помощью временных диаграмм, приведенных на рис. 5.

Исследуемый сигнал (рис. 5, а) и строб-импульсы (рис. 5, б), длительность которых много меньше t_х, поступают на стробоскопический смеситель, содержащий диодную ключевую схему и устройство кратковременной памяти (в виде зарядного конденсатора). Ключевая схема открывается только на время действия строб-импульса, а зарядный ток конденсатора зависит от суммарного напряжения, воздействующего на диод. В результате выходной импульс смесителя оказывается промодулированным по амплитуде мгновенным значением сигнала, соответствующим моменту поступления строб-импульса. Кроме того, этот импульс расширяется во времени, так как после запирания диода конденсатор разряжается через резистор с большим сопротивлением.

Рис. 5. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы стробоскопического осциллографа: а – исследуемый сигнал; б – строб-импульсы; в – огибающая импульсов на выходе стробоскопического смесителя

Если теперь организовать временной автоматический сдвиг строб-импульсов относительно сигнала, то это приведет к появлению на выходе смесителя последовательности расширенных импульсов, огибающая которых будет повторять форму сигнала (рис. 5, в). Временной автосдвиг строб-импульсов будет обеспечен, если (рис. 5, б)

Т_С=Т_х+DТ, (1)

где DТ – отрезок времени, называемый шагом считывания. Схема временного автосдвига – важнейший функциональный узел любого стробоскопического осциллографа, входящий в состав устройства стробоскопической развертки.

Выделяя огибающую расширенных импульсов, можно получить аналоговый сигнал, идентичный по форме исследуемому, но значительно «растянутый» (трансформированный) во времени. Этот сигнал может быть усилен относительно узкополосным усилителем и воспроизведен на экране обычной ЭЛТ. Таким образом, стробоскопический осциллограф может быть спроектирован на обычной элементной базе. Это принципиальное преимущество стробоскопических осциллографов по сравнению со скоростными.

Временное преобразование исследуемого сигнала при стробировании принято характеризовать коэффициентом трансформации масштаба времени

k_тр=nT_с/t_x, (2)

где n – число точек считывания сигнала. Очевидно (рис. 12), t_x/n=DT, т.е.

k_тр=T_с/DT (3)

Поскольку стробирование исследуемого сигнала приводит к дискретизации измерительной информации, необходимо всегда знать минимально необходимое число точек считывания сигнала n_min. На практике выбор значения n (плотности точек считывания) диктуется разными соображениями и прежде всего удобством наблюдения изображения сигнала на экране ЭЛТ. Поэтому, как правило, n>n_min – так называемая нормальная стробоскопическая развертка. При медленных развертках, когда детали формы сигнала не имеют принципиального значения, может быть n<n_min. Кроме того, считывание сигнала не обязательно должно соответствовать каждому последующему периоду его, как это показано на рис. 5.

Можно еще более растянуть временной масштаб, если считывание будет осуществляться после пропуска некоторого числа m периодов сигнала.

Таким образом, любой стробоскопический осциллограф имеет в своем составе функциональные узлы, заимствованные от обычных универсальных осциллографов (ЭЛТ, УВО, УГО, ЭК. калибраторы и др.), и специальные узлы, к которым относятся генератор строб-импульсов (ГС), стробоскопический преобразователь, объединяющий смеситель и дополнительные узлы, где осуществляется преобразование импульсов в аналоговый сигнал, а также устройство стробоскопической развертки со схемой временного автосдвига строб-импульсов. В качестве примера на рис. 6 приведена структурная схема одноканального стробоскопического осциллографа.

Осциллограф запускается синхронизирующими сигналами, подаваемыми на специальный вход и опережающими исследуемый сигнал на время задержки стробоскопической развертки. Это могут быть либо внешние импульсы, либо внешнее синусоидальное напряжение или сам исследуемый сигнал (в последнем случае на вход смесителя сигнал должен подаваться через ЛЗ, компенсирующую задержку развертки). В устройстве синхронизации формируются стандартные импульсы запуска, частота повторения которых либо равна частоте исследуемого сигнала, либо в m раз меньше.

Рис. 6 Структурная схема одноканального стробоскопического осциллографа

Сформированные импульсы запуска управляют работой схемы временного автосдвига, в которую входят генератор «быстрого» пилообразного напряжения (ГБПН), генератор «медленного» ступенчато-пилообразного напряжения (ГМПН) и компаратор К. Длительность БПН равна длительности исследуемого сигнала, а длительность МПН в коэффициент развертки раз больше. В моменты равенства БПН и МПН срабатывает К и своим выходным сигналом запускает генератор импульсов запуска (ГИЗ), формирующий импульсы с крутым фронтом. Они запускают ГС и ГМПН и срывают колебания ГБПН.

После каждого импульса ГИЗ напряжение ГМПН ступенчато повышается на строго постоянную дозированную величину, а в промежутках между импульсами остается постоянным. Этот процесс продолжается до уровня, определяемого величиной k_тр, после чего МПН автоматически сбрасывается и начинается новое нарастание. Видно, что момент равенства БПН и МПН автоматически сдвигается относительно начала БПИ по мере поступления импульсов запуска. Следствием этого является временной автосдвиг строб-импульсов ГС относительно сигнала т.е. реализуется рассмотренный выше принцип пробирования.

Выходное напряжение ГМПН является одновременно напряжением стробоскопической развертки и после усиления в УГО подается на пластины X ЭЛТ. Это напряжение возрастает хотя и дискретно, но по линейному закону, а начало и конец развертки фиксируются импульсами запуска. Cтробоскопическая развертка может быть нормальной (наблюдается сканирование луча на экране ЭЛТ со скоростью, обеспечивающей исследование наблюдаемой осциллограммы), ручной (осуществляется оператором вручную) и внешней (создается внешним пилообразным напряжением). Реализуются также однократная и задержанная развертки.

Рассмотрим теперь работу стробоскопического преобразователя. Расширенные и промодулированные огибающей исследуемого сигнала импульсы с выхода смесителя передаются по цепочке, содержащей предварительный усилитель, аттенюатор, функционально аналогичный аттенюатору ВУ универсального осциллографа, и импульсный усилитель, который, кроме того, еще расширяет импульсы выборок. Полученный таким образом импульсный сигнал поступает на вход расширителя импульсов (РИ), где превращается в аналоговый сигнал за счет расширения импульсов до периода повторения. Аналоговый сигнал имеет вид ступенчато-изменяющегося напряжения. Это напряжение усиливается в УВО и подается на пластины Y ЭЛТ. Для повышения четкости изображения плоские участки напряжения подсвечивают импульсами схемы подсвета луча.