Скоростные и стробоскопические осциллографы

Скоростные осциллографы по принципу действия похожи на осциллографы универсальные, при этом имеют большую полосу пропускания. Отличия заключаются в других решениях электронных схем усилителя вертикального отклонения, генератора развертки и специальной электронно-лучевой трубке, и мы не будем углубляться в устройство указанных узлов.

Для исследования быстропротекающих периодических процессов, как правило, целесообразнее использовать стробоскопические осциллографы, нежели скоростные, поскольку первые имеют эффективные полосы пропускания, практически такие же, как и скоростные, но их стоимость значительно ниже.

Основная идея при стробоскопическом подходе к осциллографированию быстропротекающих сигналов заключается в трансформации масштаба времени. На рис. 9 наглядно представлен указанный принцип, осуществляемый с применением амплитудной модуляции. В определенные моменты (С, С₂, С₃ и т. д.) времени стробирующий импульс, длительность которого много меньше длительности наблюдаемого импульса, «выхватывает» мгновенные значения напряжения входного сигнала (рис. 9, б), после чего изображение на экране «рисуется по точкам» (рис. 9, в).

Исследуемый сигнал представляет собой повторяющиеся с периодом Т импульсы одинаковой формы (рис. 9, а). Этим сигналом модулируется период стробирующих импульсов Т + АТ. Величина АТ называется интервалом дискретизации, или интервалом считывания. При этом период Т кратен интервалу дискретизации АТ. В результате перемножения стробирующего импульса на входной сигнал получается импульс, высота (напряжение) которого равна мгновенному значению входного сигнала. Первое дискретное значение считывается в первом импульсе в момент времени t = АТ, второе — во втором в момент времени t =Т + 2АТ и т. д.

Масштаб времени увеличивается в Т/АТ раз, соответственно, скорость развертки, необходимая для наблюдения импульсов в такое же количество раз, меньше, чем была бы необходима при использовании скоростного осциллографа. Масштаб времени можно изменить еще больше, если считывать каждое последующее значение, пропуская определенное количество импульсов.

На рис. 10 представлена схема стробоскопического осциллографа.

Запускающие импульсы, в качестве которых может быть использован исследуемый сигнал, поступают через вход синхронизации на устройство формирования, аналогичное таковому в универсальных осциллографах. Для получения последовательности 24.

Рис. 9. Принцип трансформации масштаба времени.

Рис. 10. Блок-схема стробоскопического осциллографа стробирующих импульсов со сдвигом каждого на АТ относительно синхроимпульсов последний 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 больше длительности исследуемого импульса, но меньше периода их следования, длительность «медленной пилы» должна быть равна произведению периода следования стробирующих импульсов на число точек считывания. Отношение длительности «медленной пилы» к длительности «быстрой» называется коэффициентом временной трансформации.

Напряжения генератора «быстрой» и «медленной пилы» поступают в блок сравнения, и при их равенстве возникает импульс, запускающий генератор стробирующих импульсов и прекращающий работу генератора «быстрой пилы». При каждом последующем синхронизирующем импульсе момент запуска генератора стробирующих импульсов сдвигается относительно начала «быстрой пилы» на интервал At, величина которого связана с периодом следования импульсов и скоростью нарастания выходного напряжения генератора «медленной пилы». Последняя, как уже было сказано выше, зависит от количества точек считывания и времени развертки.

При равенстве напряжений на выходе генераторов «быстрой» и «медленной пилы» блок сравнения вырабатывает электрический импульс, запускающий генератор стробирующих импульсов и блок подсветки. Стробирующий импульс попадает в единственный высокочастотный блок стробоскопического осциллографа — смеситель, принципиальная схема которого представлена на рис. 11.

Импульс силы тока диода Д определяется суммой напряжения сигнала и стробирующего импульса. Конденсатор С заряжается до некоторого напряжения за время действия стробирующего импульса и после его прекращения медленно разряжается через резистор R_r При этом короткие импульсы тока диода преобразуются в широкие импульсы напряжения. Величина этих импульсов пропорциональна напряжению сигнала в момент считывания. Далее импульсы напряжения поступают на усилитель, аналогичный таковым в универсальных осциллографах, и расширитель, в котором «растягиваются» на весь период следования импульсов. Дискретный процесс преобразуется в ступенчатый аналоговый. После усиления узкополосным усилителем импульс подается на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. На пластины горизонтального отклонения подается усиленное напряжение «медленной пилы». Импульсы с блока сравнения одновременно с запуском генератора стробирующих импульсов поступают в канал управления яркостью электроннолучевой трубки, благодаря чему осциллограмма образуется светящимися точками или штрихами, равномерно отстоящими друг от друга.

Рис. 11. Принципиальная схема смесителя стробоскопического осциллографа.

В настоящее время промышленностью выпускаются цифровые стробоскопические осциллографы с полосой пропускания до 100 ГГц, например, DSA8300 (Tektronix, USA). В СССР кроме стробоскопических осциллографов выпускались стробоскопические приставки к универсальным осциллографам.