7.4. Скоростные и стробоскопические осциллографы

Развитие техники СВЧ, микроэлектроники, вычислительной тех­ники, оптических квантовых генераторов (ОКГ), ядерной физики и других областей науки и техники вызвало к жизни необходимость исследования формы колебаний СВЧ и импульсных сигналов нано- и пикосекундной длительности. Для этого необходимы осциллогра­фы с очень широкой полосой пропускания и высокими скоростями разверток. В то же время полоса пропускания самого быстродей­ствующего универсального осциллографа не превышает 500 МГц, а скорость развертки явно недостаточна. Отметим основные причи­ны, ограничивающие технические возможности универсальных ос­циллографов в этом плане.

1. Влияние емкости и индуктивности вводов отклоняющих пла­стин ЭЛТ на форму фронта осциллограммы. Начинают влиять даже емкости в единицы пикофарад, а в сочетании со значительной ин­дуктивностью вводов реальными становятся паразитные резонансы в такой цепи на частотах исследуемых сигналов.

2. Влияние конечного времени пролета электронов между откло­няющими пластинами ЭЛТ — типичная причина, ограничивающая диапазон рабочих частот всех электровакуумных приборов. Если время пролета становится соизмеримым с периодом повторения ис­следуемого сигнала, ЭЛТ уже нельзя считать безынерционным при­бором. Если же оно равно или кратно периоду сигнала, то откло­нение пятна вообще будет отсутствовать.

3. Уменьшение яркости осциллограммы при высоких скоростях перемещения луча по экрану ЭЛТ. Например, если требуется полу­чить изображение импульса с нс при ширине осциллограммы 100 мм, скорость должна быть 20 000 км/с. В то же время яркость осциллограммы должна быть достаточной для фотографирования.

4. Практическая трудность создания УВО с очень широкой по­лосой пропускания (например, более 500 МГц) и высокоскорост­ных ГР.

Перечисленные недостатки универсальных осциллографов были преодолены только с появлением скоростных и стробоскопических осциллографов.

7.4.1. Скоростные осциллографы

Скоростные осциллографы обеспечивают исследование формы колебаний СВЧ и кратковременных импульсных сигналов с по­мощью специальной ЭЛТ — трубки бегущей волны (ТБВ). Она име­ет отклоняющую систему в виде линии бегущей волны. Благодаря синхронизации фазовой скорости распространения электромагнитной волны, создаваемой в этой линии исследуемым сигналом, и ско­рости электронного луча исключается влияние времени пролета электронов и существенно повышается чувствительность ТБВ. Хотя во многих случаях она еще недостаточна (что послужило одной из основных причин разработки стробоскопических осциллографов), но позволяет исследовать форму сигналов в реальном масштабе вре­мени (без временного или частотного преобразования). Кроме того, могут исследоваться однократные и редкоповторяющиеся сигналы, что делает скоростные осциллографы незаменимыми приборами при решении целого ряда измерительных задач.

Как видно из рис. 7.14, характерной особенностью скоростного осциллографа является отсутствие УВО. Исследуемый сигнал либо прямо, либо через ЛЗ подается на отклоняющую систему ТБВ. Та­ким образом, широкополосность и чувствительность канала верти­кального отклонения полностью определяются параметрами ТБВ.

Отклонение луча по горизонтали осуществляется в ТБВ, как и в обычных ЭЛТ, с помощью пластин X. Поэтому канал X в целом аналогичен

Р ис. 7.14. Структурная схема скоростного осциллографа.

используемому в универсальном осциллографе, а полу­чение требуемых характеристик развертывающего напряжения до­стигается схемными решениями. При этом в различных режимах работы осциллографа развертка либо должна быть очень быстрой (например, в режиме ждущей развертки), либо может быть сравни­тельно медленной (например, в режиме автоколебательной разверт­ки при наблюдении нескольких периодов сигнала). Характерной особенностью канала X является возможность осуществления син­хронизации и запуска развертки световыми сигналами (например, от ОКГ) с помощью оптического преобразователя, преобразующе­го эти сигналы в электрические. Кроме того, в скоростных осцилло­графах отсутствует усилитель Z. Поэтому подсвет прямого хода луча осуществляется с помощью специальной импульсной схемы подсвета.

Измерения в скоростных осциллографах проводятся с помощью калибратора длительности и формирователя растров. Если функции калибратора длительности нам уже известны, то назначение формирователя растров требует пояснений.

В связи с отсутствием УВО применение калибратора амплитуды становится невозможным. В то же время нелинейность канала Y вносит существенную погрешность в результаты измерения U_x. Для ее уменьшения формируют горизонтальный растр, создаваемый на­пряжением ступенчатой формы (например, 0, 2, 4, 6 В и т. д.) с по­грешностью установки каждой «ступеньки» не более ±1 %. Для наблюдения линий растра на экране ТБВ выход формирователя соединяется со входом Y, а развертка синхронизируется схемой формирования «ступенек». Поскольку напряжение растра и исследуе­мый сигнал подаются на ТБВ поочередно, применение метода наи­более эффективно при регистрации растра и осциллограммы на фотопленку с последующим визуальным сравнением изображений или измерением их параметров с помощью специальных оптических устройств.