7.4. СТРОБОСКОПИЧЕСКОЕ ОСЦИЛЛОГРАФИРОВАНИЕ

Повторяющиеся электрические процессы можно исследовать стробоскопическим методом, особенно плодотворным при наблюдении широкополосных сигналов и колебаний СВЧ. Стробоскопические осциллографы позволяют воспроизводить форму колебаний со спектрами, простирающимися до десятков гигагерц, что на один-два порядка больше частотного предела обычных осциллографов.

Метод преобразования. В основу метода положен стробоскопический эффект, возникающий при взаимодействии двух близких по частоте повторений периодических колебаний. Одно из колебаний представляет собой последовательность коротких стробирующих импульсов w„, вырабатываемых генератором G (рис. 7.7, а). Вместе с исследуемым напряжением стробирующие импульсы поступают на преобразователь. Период повторения стробирующих импульсов Тс (рис. 7.7, б) выбирают несколько большим периода повторения Тх импульсов исследуемого напряжения, чтобы разность Лс= Тс- Тх оставалась постоянной. Следовательно, положение очередного стробирующего импульса относительно начала соответствующего импульса исследуемого напряжения меняется: за период Тх стробирующий импульс смещается на интервал времени Лс, называемый шагом считывания.

В моменты прихода стробирующих импульсов преобразователь модулирует их напряжением Ux, т. е. происходит считывание значения Ux. Кроме того, модулированные по амплитуде стробирующие импульсы в преобразователе несколько расширяются. Амплитуды импульсов напряжения и„ на выходе преобразователя пропорциональны значениям Ux при очередном считывании. Так, первый из стробирующих импульсов на рис. 7.7, б соответствует Ux= Ui = 0, второй (его положение на временной оси показано

штриховой линией) пришел в момент, когда Ux-Ui, а третий - при Ux=U3. Соответствующие импульсы напряжения и п имеют амплитуды, равные О, KU2 и KU3. где К - коэффициент преобразования.

Таким образом, значениям Ux, считанным с постоянным шагом Ate, соответствуют равноотстоящие во времени импульсы напряжения Ып, следующие с периодом 7"с. Поскольку коэффициент преобразования постоянен, то огибающая импульсов на выходе преобразователя будет повторять форму исследуемых импульсов, как показано на рис. 7.7, б штриховой линией. Огибающую наблюдают на экране осциллографа и по ней измеряют параметры исследуемого импульса.

Как следует из рис. 7.7, для периодических исследуемых импульсов период повторения огибающей составит пТс = {п-\- \)Тх, где п - число считываний за период огибающей. Отношение периода огибающей к периоду исследуемых импульсов называют коэффициентом трансформации времени:

,пТс/Тх = п+\. (7.4)

При стробоскопическом преобразовании происходит и преобразование спектра: эффективная ширина спектра огибающей в п+1 раз уже спектра сигнала.

В современных осциллографах Кт может достигать десятков тысяч.

Стробирующие импульсы не обязательно должны следовать за каждым импульсом исследуемого напряжения. При анализе входных напряжений с большой частотой повторения оказывается удобным производить считывание через некоторое целое число т импульсов входного напряжения. В результате период стробирую-щих импульсов увеличивается до Тс= тТ-\-Ate, а коэффициент трансформации возрастет приблизительно в т раз.

Пример 7.3. Определим необходимую продолжительность анализа периодической последовательности импульсов длительностью 1 мкс и периодом 10 мкс, если для надежного воспроизведения формы импульса надо сделать 10 считываний. Шаг считывания Aij.= 10~/10= 10 не, период стробирующих импульсов Тс=Т-\-10 мкс, время измерений, необходимое для выполнения 10 отсчетов, 7изм= 10Г<;= 1 мс. Для импульсов с большим периодом время измерений может оказаться порядка секунды и более.

Стробоскопический осциллограф. В стробоскопическом осциллографе (рис. 7.8, а) автоматически поддерживают постоянство шага считывания при непериодическом входном сигнале. Для этого импульсами синхронизирующего напряжения Ысинх (рис. 7.8, б), предшествующими импульсам исследуемого сигнала Ux, одновременно запускают генераторы G1 быстрого пилообразного напряжения и G2 ступенчатого напряжения развертки. В момент

5* 131

Рис. 7.8

Lijil

II 11

a \c

a \c a" \c"

равенства их выходных напряжений ывп и Ыр компаратор А2 запускает генератор G3 стробирующих импульсов.

Высота /Уст ступенек напряжения развертки постоянна, а начало ступенек соответствует моментам прихода синхронизирующих импульсов. Поэтому катеты Ьс\ Ъс\ Ь"с" подобных треугольников аЬс; аЬс; а"Ь"с" увеличиваются на высоту ступеньки с приходом очередного стробирующего импульса независимо от длительности паузы между исследуемыми импульсами. Катеты ас; ас; а"с" также увеличиваются на шаг считывания Д/с с приходом очередного импульса, т. е. шаг считывания постоянный. Стробоскопический преобразователь функционально объединен со схемой памяти, хранящей значения амплитуды выходного импульса преобразователя в течение паузы между стробирующими импульсами. Поэтому выходное напряжение преобразователя Ып имеет ступенчатую форму. Значения t/:=0; KVi; KU3 вертикально отклоняющего напряжения Uy на выходе усилителя А1 пропорциональны значениям U\=0; U2; U3 исследуемого напряжения при считывании.

Под действием ступенчатого напряжения развертки луч пооче-редко занимает равноотстоящие дискретные положения по оси абсцисс. При смещении луча на один шаг напряжение uy изменяется и на экране ЭЛТ возникают светящиеся точки, совокупность которых воспроизводит форму исследуемого напряжения (рис. 7.8, в, где цифры обозначают номер стробирующего импульса, при котором данная точка получена). В каждой точке луч находится в течение почти всей паузы между стробирующими импульсами, что позволяет получить высокую яркость осциллограммы.

Случайное считывание. Формирование синхронизирующего импульса, предшествующего исследуемому, не всегда возможно. В этом случае развертку приходится запускать фронтом исследуе-