Скоростные осциллографы

Развитие техники СВЧ, микроэлектроники, вычислительной техники, оптических квантовых генераторов привело к необходимости исследования формы колебаний СВЧ и импульсных сигналов очень малой длительности. Для этого нужны осциллографы с очень широкой полосой пропускания и высокой скоростью развертки. В то же время полоса пропускания самого быстродействующего универсального осциллографа не превышает 500 МГц, а скорость развертки явно недостаточна. Причины, которые не позволяют обычным универсальным осциллографам работать на сверхвысоких частотах, следующие:

влияние емкостей и индуктивностей вводов отклоняющих пластин на форму фронта осциллограммы;

влияние конечного времени пролета электронов между отклоняющими пластинами (оно становится соизмеримым с периодом повторения исследуемых сигналов, а если оно становится равным или кратным этому периоду, то отклонения луча вообще не произойдет);

уменьшается яркость осциллограммы из-за высоких скоростей перемещения луча по экрану;

невозможность создания усилителей вертикального отклонения с очень широкой полосой пропускания и высокоскоростных генераторов развертки.

Перечисленные выше обстоятельства привели к появлению скоростных и стробоскопических осциллографов.

Скоростные осциллографы (рисунок 6.17) – это электронные приборы, предназначенные для исследования формы колебаний СВЧ и кратковременных импульсных сигналов с помощью специальной ЭЛТ, называемой трубкой бегущей волны (ТБВ).

Рисунок 6.17 – Структурная схема скоростного осциллографа

Такая трубка имеет отклоняющую систему в виде линии бегущей волны. Благодаря синхронизации фазовой скорости распространения электромагнитной волны, создаваемой в этой линии измеряемым сигналом, и скорости электронного луча исключается влияние времени пролета электронов и существенно повышается чувствительность ТБВ. Это позволяет исследовать форму СВЧ сигналов в реальном масштабе времени без дополнительного их преобразования.

Как видно из рисунка 6.17, в структурной схеме скоростного осциллографа отсутствует усилитель вертикального отклонения. Исследуемый сигнал либо прямо, либо через линию задержки подается на отклоняющую систему ТБВ. Таким образом, широкополосность и чувствительность канала вертикального отклонения полностью определяется параметрами ТБВ.

Отклонение луча по горизонтали осуществляется в ТБВ с помощью пластин X, как и у обычных ЭЛТ. Получение требуемых характеристик отклонения осуществляется с помощью схемных решений. Особенностью развертки скоростных осциллографов по горизонтали является возможность ее синхронизации и запуска световыми сигналами с помощью оптического преобразователя, преобразующие эти лучи в электрический сигнал. Кроме того, в скоростных осциллографах отсутствует канал Z. Подсвет прямого хода луча осуществляется с помощью специальной импульсной схемы подсвета.

Измерения в скоростных осциллографах проводятся с помощью калибратора длительности и формирователя растров.

Рассмотрим работу формирователя растров. Мы уже знаем, что в таком осциллографе отсутствует УВО, поэтому применение калибратора амплитуды становится невозможным. В то же время нелинейность канала Y вносит существенные искажения в результаты измерения напряжения. Для уменьшения искажений в трубке формируют горизонтальный растр, создаваемый напряжением ступенчатой формы с погрешностью установки каждой ступеньки не более ± 1%. Для наблюдения растра на экране напряжения ступенек подаются на вход канала Y и синхронизируют канал развертки Х. Растр с осциллограммой фотографируют на фотопленку, а затем исследуют его и снимают параметры сигнала с помощью специальных оптических устройств.