Осциллографирование наносекундных импульсов

        Осциллографы широкого применения непригодны для исследования импульсов с малой длительностью и небольшой высотой. Причина заключается в том, что полоса частот, пропускаемая каналом вертикального отклонения этих осциллографов, недостаточна для неискаженного воспроизведения формы импульса, особенно его фронта. Кроме того, конечное время пролета электронов и наличие паразитных параметров отклоняющих пластин и их выводов вызывают дополнительные частотные ограничения. В скоростных осциллографах используются сверхширокополосные усилители с распределенным усилением и электронно - лучевые трубки с отклоняющими системами, работающими по принципу бегущей волны. Это позволяет получить полосу пропускания в несколько гигагерц. Однако такие осциллографы имеют малую чувствительность, очень сложны, дороги и неудобны в эксплуатации. Таким образом, с помощью универсальных и скоростных осциллографов невозможно проникнуть в область наносекундных импульсов и сверхвысокочастотных колебаний. Для их исследования предложен стробоскопический метод осциллографирования, на основе которого созданы осциллографы на обычных электронно -лучевых трубках без широкополосных усилителей, сочетающие высокую чувствительность и широкую эквивалентную полосу пропускания.

 В стробоскопических осциллографах, как и в известных механических и электрических стробоскопах, происходит кажущееся замедление быстропротекаемого 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 ∆t  в пределах длительности сигнала τ  или в пределах его периода следования T_с. Интервал ∆t  называется шагом считывания; его длительность зависит от числа точек считывания, ∆t = τ/n =T_c/n. Очевидно, что длительность строб - импульса должна быть много меньше шага считывания: τ_стр << ∆t .

Рис. 1. Принцип стробоскопического осциллографирования.

а - исследуемый сигнал,

б - стробирующие импульсы,

в - модулированные импульсы,

г - осциллограмма.

Сигнал и строб - импульсы (Рис.1 а,б) подаются в смеситель осциллографа, на выходе которого возникают импульсы напряжения, высота которых пропорциональна мгновенным значениям исследуемого сигнала в точках измерения (считывания) (Рис. 4 в). Огибающая этих импульсов (Рис. 4 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  + ∆t. Считывание можно производить не в каждый период сигнала, а через  m  периодов, в этом случае период следования строб - импульса должен быть равен  T_стр + m⋅T_с + ∆t,  где  m = 1, 2, 3, ... .

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

 Коэффициент временной трансформации в современных стробоскопических осциллографах достигает десятков тысяч.

Рис.2. 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. 2. 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.). 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. Принцип формирования стробимпульсов

1 - импульсы синхронизации, 2 - напряжение «быстрой пилы»,        3 - напряжение «медленной пилы»,  4 - импульсы блока сравнения,5 - стробирующие импульсы.

 Для получения последовательности строб - импульсов со сдвигом каждого последующего относительно предыдущего на интервал  ∆t  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 строб - импульсов, умноженному на число точек считывания. Отношение длительности «медленной пилы» к длительности «быстрой» равно коэффициенту временной трансформации. Напряжения «быстрой» и «медленной пилы» поступают в блок сравнения, и при их равенстве возникает импульс, запускающий генератор строб - импульсов и прекращающий работу генератора «быстрой пилы». При каждом последующем синхронизирующем импульсе момент запуска генератора строб - импульсов сдвигается относительно начала «быстрой пилы» на интервал ∆t.

 Исследуемый сигнал поступает через коаксиальный разъем в смеситель, который является единственным сверхвысокочастотным широкополосным узлом стробоскопического осциллографа. Смеситель выполняют по однодиодной схеме (Рис. 4). Диод устанавливают в такой режим, при котором он закрыт в отсутствие или при наличии исследуемого сигнала и открывается только при поступлении стобирующего импульса на время, равное длительности последнего. 

Рис. 4. Смеситель стробоскопического осциллографа.

Высота импульса тока диода определяется суммой напряжения сигнала и строб - импульса. Конденсатор С быстро заряжается до некоторого напряжения и после прекращения строб - импульса медленно разряжается через резистор R . При этом короткие импульсы тока диода преобразуются в широкие импульсы напряжения. Высота этих импульсов пропорциональна величине 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 вертикально- отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. На пластины горизонтального отклонения подается усиленное напряжение «медленной пилы». Импульсы с блока сравнения одновременно с запуском генератора строб - импульсов 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 строб - импульса приводит к потере начала изображения исследуемого сигнала. Для устранения этого недостатка сигнал поступает на вход смесителя через отрезок коаксиального кабеля, выполняющего роль линии задержки.

 Промышленность выпускает несколько типов одно - и двухлучевых стробоскопических осциллографов с эффективной полосой пропускания  0 - 2 ГГц  и 0 - 5 ГГц, а также стробоскопические приставки, расширяющие частотные возможности универсальных осциллографов. В ближайшее время благодаря прогрессу в производстве быстродействующих полупроводниковых приборов и интегральных узлов ожидается расширение эффективной полосы до 15 - 20 ГГц.