Стробоскопические осциллографы

В стробоскопических осциллографах, как и в известных механических и электрических стробоскопах, происходит кажущееся замедление быстропротекающего процесса, т. е. трансформируется масштаб времени. Поступающие на вход стробоскопического осциллографа сигналы последовательно измеряются (считываются) в точках при помощи коротких стробирующих импульсов, длительность которых τ_стр. Последовательность измерения достигается путем автоматического сдвига во времени стробимпульса на интервал Δt в пределах длительности сигнала τ или в пределах его периода следования T_с. Интервал Δt называется шагом считывания. Его длительность зависит от числа точек считывания, n = τ/Δt или m = T_с/Δt. Очевидно, что длительность стробимпульса должна быть много меньше шага считывания: τ_стр<< Δt. Сигнал и стробимпульсы (рис. 3.5, а, б) подаются в смеситель осциллографа, на выходе которого возникают импульсы напряжения, высота которых пропорциональна мгновенным значениям исследуемого сигнала в точках измерения (считывания) (рис. 3.5, в). Огибающая этих импульсов (рис. 3.5, г) повторяет форму исследуемого сигнала. Таким образом, исследуемый сигнал «растягивается» во времени в несколько раз, и во столько же раз расширяется эквивалентная полоса пропускания осциллографа. Для обеспечения автоматического сдвига стробирующих импульсов их период следования должен отличаться от периода следования сигнала точно на шаг считывания: T_стр = T_с + Δt. Считывание можно производить не в каждый период сигнала, а через l периодов. В этом случае период следования стробимпульсов должен быть равен: T_стр = l × T_с + Δt, где l = 1, 2, 3, ….

Растяжку сигнала во времени и эквивалентное расширение полосы пропускания частот осциллографа удобно характеризовать коэффициентом временной трансформации:

.

Коэффициент временной трансформации в современных стробоскопических осциллографах достигает десятков тысяч.

Рис. 3.5. Принцип стробоскопического осциллографирования:
а – исследуемый сигнал; б – стробирующие импульсы;
в – модулированные импульсы; г – осциллограмма

Рис. 3.6. Структурная схема стробоскопического осциллографа:
1 – смеситель; 2 – усилитель; 3 – расширитель; 4 – усилитель Y;
5 – генератор стробирующих импульсов; 6 – блок подсветки; 7 – ЭЛТ;
8 – блок формирования; 9 – генератор «быстрой пилы»; 10 – блок сравнения;
11– генератор «медленной пилы»; 12 – усилитель X

Структурная схема стробоскопического осциллографа представлена на рис. 3.6. Запускающие импульсы (это может быть и исследуемый сигнал) поступают через вход синхронизации на формирующее устройство, где они преобразуются в короткие импульсы, форма и полярность которых не зависят от вида запускающих импульсов (рис. 3.7).

Для возможности осуществления таких преобразований формирующее устройство состоит из ослабителя, усилителя, инвертора, ограничителя и делителя частоты. Сформированные импульсы используются для синхронизации всех остальных узлов осциллографа и поэтому называются синхронизирующими.

Рис. 3.7. Принцип формирования стробимпульсов:
1 – импульсы синхронизации; 2 – напряжение «быстрой пилы»;
3 – напряжение «медленной пилы»;
4 – импульсы блока сравнения; 5 – стробирующие импульсы

Для получения последовательности стробимпульсов со сдвигом каждого последующего относительно предыдущего на интервал Δt синхронизирующий импульс запускает устройство автоматического сдвига, состоящее из генератора пилообразного напряжения с быстрым нарастанием – «быстрой пилы», генератора пилообразного напряжения с медленным нарастанием – «медленной пилы» и блока сравнения.

Длительность «быстрой пилы» должна быть равна длительности или периоду следования сигнала, а «медленной» – периоду следования стробимпульсов, умноженному на число точек считывания. Отношение длительности «медленной пилы» к длительности «быстрой» равно коэффициенту временной трансформации K_врт. Напряжения «быстрой» и «медленной пилы» поступают в блок сравнения, и при их равенстве возникает импульс, запускающий генератор стробимпульсов и прекращающий работу генератора «быстрой пилы». При каждом последующем синхронизирующем импульсе момент запуска генератора строб­импульсов сдвигается относительно начала «быстрой пилы» на интервалΔt. Исследуемый сигнал поступает через коаксиальный разъем в смеситель, который является единственным широкополосным сверхвысокочастотным узлом стробоскопического осциллографа. Смеситель выполняют по однодиодной схеме (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Смеситель стробоскопического осциллографа

Диод устанавливают в такой режим, при котором он закрыт в отсутствие или при наличии исследуемого сигнала и открывается только при поступлении стробирующего импульса на время, равное длительности последнего. Амплитуда импульса тока диода определяется суммой напряжения сигнала и стробимпульса. Конденсатор С быстро заряжается до некоторого напряжения и после прекращения стробимпульса медленно разряжается через резистор R. При этом короткие импульсы тока диода преобразуются в широкие импульсы напряжения. Амплитуда этих импульсов линейно зависит от напряжения сигнала в момент считывания. Далее импульсы напряжения поступают на усилитель и расширитель, в котором «растягиваются» на весь период следования импульсов. Дискретный процесс преобразуется в ступенчатый аналоговый. После усиления узкополосным усилителем импульс подается на пластины вертикального отклонения электроннолучевой трубки. На пластины горизонтального отклонения подается усиленное напряжение «медленной пилы».

Импульсы блока сравнения одновременно с запуском генератора стробимпульсов поступают в канал управления яркостью трубки, благодаря чему осциллограмма образуется светящимися точками или штрихами, равномерно отстоящими друг от друга. Интервал времени между началом синхронизирующего импульса и возникновением стробимпульса приводит к потере начала изображения исследуемого сигнала. Для устранения этого недостатка сигнал поступает на вход смесителя через отрезок коаксиального кабеля, выполняющего роль линии задержки.