Стробоскопические осциллографы

Стробоскопическим называется осциллограф, использующий для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или слу­чайный) отбор мгновенных значений исследуемого сигнала и осу­ществляющий его временное преобразование (ГОСТ 22737—77). Как следует из этого определения, принцип работы стробоскопиче­ского осциллографа основан на измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью коротких стробирующих им­пульсов напряжения. Этот принцип базируется на хорошо известном 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. 7.15.

Исследуемый сигнал (рис. 7.15, а) и строб-импульсы (рис. 7.15, б), длительность которых много меньше 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.

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. 7.15, в). Временной автосдвиг строб-импульсов будет обеспе­чен, если (рис. 7.15, б)

(7.5)

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

Рис. 7.15. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы стробоскопического осциллографа а — исследуемый сигнал; б — строб-импульсы; а — огибающая импульсов на выходе стро­боскопического смесителя.

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

где п — число точек считывания сигнала. Очевидно (рис. 7.15), , т. е.

(7.6)

Поскольку стробирование исследуемого сигнала приводит к ди­скретизации измерительной информации, необходимо всегда знать минимально необходимое число точек считывания сигнала . С учетом теоремы Котельникова (см. § 3.6.1) значение может быть оценено по формуле , где — верхняя гранич­ная частота спектра .

На практике выбор значения п (плотности точек считывания) диктуется разными соображениями и прежде всего удобством на­блюдения изображения сигнала на экране ЭЛТ. Поэтому, как пра­вило, — так называемая нормальная стробоскопическая развертка. При медленных развертках, когда детали формы сигнала не имеют принципиального значения, может быть . Кроме того, считывание сигнала не обязательно должно соответствовать каждому последующему периоду его, как это показано на рис. 7.15.

Рис. 7.16. Структурная схема одноканального стробоскопического осцилло­графа.

 

Можно еще более растянуть временной масштаб, если считывание будет осуществляться после пропуска некоторого числа т периодов сигнала. Тогда вместо (7.5) , что, как видно из (7.6), значительно увеличивает .

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. 7.16 приведена струк­турная схема одноканального стробоскопического осциллографа, а на рис. 7.17 — временные диаграммы, характеризующие работу его функциональных узлов (форма исследуемого сигнала на рис. 7.17, а соответствует приведенной на рис. 7.15, а).

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, либо, наконец, 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 (рис. 7.17, б), либо в m раз меньше.

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. Как видно из рис. 7.17, в, длительность БПН равна длительности иссле­дуемого сигнала, а длительность МПН в 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 (см. рис. 7.16) 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 (рис. 7.17, в). Этот процесс продолжается до уровня, определяемого величиной , после чего МПН автоматически сбрасывается и начинается новое нарастание. Видно, что момент равенства БПН и МПН авто­матически сдвигается относительно начала БПН по мере поступле­ния импульсов запуска. Следствием этого является временной авто­сдвиг строб-импульсов ГС относительно сигнала (рис. 7.17, г), т. е. реализуется рассмотренный выше принцип стробирования (см. рис. 7.15, б). Ступенчатое изменение МПН обеспечивает и как следствие , что очень важно при исследовании и регистрации сигналов.

Выходное напряжение ГМПН является одновременно напряже­нием стробоскопической развертки и после усиления в УГО пода­ется на пластины X

Рис. 7.17. Временные диаграммы, характеризующие работу функциональных узлов стробоскопического осциллографа:

а — исследуемый сигнал; б — импульсы запуска стробоскопической развертки; в —напря­жения ГБПН и ГМПН; г — строб-импульсы ГС; д — аналоговый сигнал на выходе РИ; е — импульсы подсвета; ж — изображение сигнала на экране ЭЛТ.

 

ЭЛТ. Это напряжение возрастает хотя и ди­скретно, но по линейному закону, а начало и конец развертки фик­сируются импульсами запуска (рис. 7.17, б). По определениям ГОСТ 23602—79, стробоскопическая 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 (рис. 7.17, д). Это напряжение усиливается в УВО и подается на пластины Y ЭЛТ. Для повышения четкости изображе­ния плоские участки напряжения подсвечивают импульсами схемы подсвета луча, управляемой ГИЗ (рис. 7.17, е). Тогда изображение сигнала будет иметь вид светящихся точек (черточек), равномерно отстоящих друг от друга (рис. 7.17, ж). Такое точечное изображе­ние— характерный внешний признак осциллограмм стробоскопиче­ских осциллографов.

Важной особенностью стробоскопического преобразователя яв­ляется наличие отрицательной обратной связи с РИ на смеситель (см. рис. 7.16), в цепь которой также включен аттенюатор. Напряжение ООС автоматически регулирует положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике диодов смесителя, обеспечивая высокую линейность преобразования. Основным режимом работы преобразо­вателя является режим «нормально», при котором общий коэффици­ент передачи по петле ООС поддерживается постоянным за счет син­хронного переключения аттенюаторов (см. рис. 7.16). Реакция пре­образователя на изменение сигнала устанавливается за один пери­од его, т. е. переходные процессы заканчиваются за промежуток времени между двумя отсчетами. Но при малых значениях на линии развертки начинают наблюдаться значительные собственные шумы. Чтобы их минимизировать, предусматривается специальный режим «сглажено», в котором коэффициент передачи по петле ООС уменьшается. Однако реакция преобразователя на изменение сигнала устанавливается теперь за несколько периодов повторения (больше пяти), и возможны искажения.

Широкополосность стробоскопических осциллографов опреде­ляется в первую очередь длительностью строб-импульса ГС, кото­рая должна быть много меньше (см. рис. 7.15). Если, например,

 

Рис. 7.18. Структурная схема ГС.

 

она равна 0,45 нс, то полоса пропускания осциллографа составляет 1 ГГц. При длительности строб-импульса 0,045 нс полоса пропуска­ния расширяется до 10 ГГц и т. д. Помимо этого, важным требова­нием, предъявляемым к ГС, является получение максимально воз­можной амплитуды строб-импульсов.

 

Наиболее распространенным способом формирования коротких импульсов является применение диодов с накоплением заряда (ДНЗ). Структурная схема ГС (рис. 7.18) содержит ФУ на лавинном транзисторе. Длительность фронта им­пульсов на его выходе не превышает 1 нс. В обострителе, как правило, приме­няются два ДНЗ, соединяемые по различным схемам. Один ДНЗ непосредствен­но выполняет функции обострителя, а второй играет роль ключа, размыкающего цепь через заданный промежуток времени. За счет этого достигается эффект двойного обострения и минимизируется длительность строб-импульса. Последний функциональный узел выполняет функции инвертора, если ключевая схема сме­сителя содержит несколько диодов, и расщепителя, если осциллограф является двухканальным и необходимо размножить строб-импульсы для смесителей обо­их каналов.

 

Отметим еще одну характерную особенность современных стро­боскопических осциллографов — возможность сочетания в одном приборе функций обычного универсального осциллографа и стробо­скопического. Такой осциллограф способен исследовать сигналы с длительностью от 10^-9 с до единиц секунд. На быстрых развертках (нано- и микросекундный диапазоны) он работает как стробоскопи­ческий с трансформацией масштаба времени. На медленных раз­вертках (миллисекунды и секунды) также осуществляется дискрет­ное преобразование сигнала, но без трансформации масштаба вре­мени. В этом уже нет необходимости, но для исследования сигнала в режиме реального времени используется готовая стробоскопиче­ская система с высокой чувствительностью. Затруднительным ока­зывается исследование сигналов промежуточной длительности (десятки микросекунд), так как применять стробоскопическое преоб­разование уже нецелесообразно, а наблюдать их в реальном време­ни еще нельзя. Избежать этих трудностей можно, вводя так назы­ваемый режим комбинированного времени, сочетающий возможности

режимов трансформированного и реального времени. В этом режиме считывание сигнала осуществляется серией из т импульсов (5... 10 импульсов) с одинаковыми расстояниями между ними. При каждом повторении сигнала вся серия сдвигается на ,и за неко­торое число периодов повторения считывается весь сигнал. Таким образом, изображение сигнала также получается в трансформиро­ванном масштабе времени, но время анализа в т раз меньше по сравнению с обычным стробоскопическим преобразованием.

Характерным примером, иллюстрирующим возможности стро­боскопических осциллографов, является прибор С9-9 — двухканальный стробоскопический осциллограф с полосой пропускания 0...18 ГГц.

ЗАПОМИНАЮЩИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Запоминающий осциллограф — это осциллограф, который при помощи специального устройства, например ЭЛТ с памятью или электронного ЗУ, позволяет сохранять на определенное время иссле­дуемый сигнал и при необходимости представлять его для однократ­ного или многократного визуального наблюдения или для дальней­шей обработки (ГОСТ 22737—77). Таким образом, основное назна­чение запоминающих осциллографов — исследование однократных и редкоповторяющихся сигналов, а также периодических сигналов, когда нужно сравнить их формы через некоторое время (ГОСТ 23601—79).

Как следует из приведенного определения, основным функцио­нальным звеном запоминающего осциллографа должны быть ЗУ или ЭЛТ с памятью. В первом случае мы фактически имеем ЦО (см. рис. 7.12), а во втором — осциллограф на базе запоминающей ЭЛТ с видимым изображением (ЗЭЛТ).

Как и обычные ЭЛТ, ЗЭЛТ рассматриваются в курсе «Электрон­ные приборы». Здесь отметим лишь, что ЗЭЛТ могут работать и в режиме обычного воспроизведения осциллограмм (без запомина­ния). Поэтому запоминающий осциллограф на базе ЗЭЛТ всегда совмещает и функции обычного универсального осциллографа. Структурная схема его базируется на схеме рис. 7.6 и содержит до­полнительные функциональные узлы, обеспечивающие управление памятью, воспроизведением и стиранием записанного изображения.

Запоминание исследуемого сигнала в осциллографе осуществля­ется путем записи его с помощью записывающего прожектора ЗЭЛТ, генератора развертки и схемы управления лучом. Запись может быть как однократной, так и многократной (последователь­ное наложение изображений). Последний режим называется на­коплением и позволяет существенно улучшить качество записывае­мого изображения для периодических сигналов. Записанное изобра­жение должно сохраняться в течение длительного времени для обеспечения возможности воспроизведения с помощью воспроизво­дящего прожектора ЗЭЛТ и схемы управления воспроизведением.

Перед записью сигнала необходимо стереть предшествующее изображение и подготовить развертку к новому запуску. Стирание производится подачей на подложку мишени ЗЭЛТ стирающего им­пульса и может быть ручным и автоматическим. При автоматиче­ском стирании обеспечивается регулируемая выдержка воспроизве­дения, а после стирания прибор автоматически подготавливается к новой записи. Для периодических сигналов процессы записи, вос­произведения и стирания могут автоматически чередоваться.