Цена 11 коп
Н.Д.ФЕДОРОВ
НеоБЫНН1111енный осиипиограф
Н. Д. ФЕДОРОВ
НЕОБЫКНОВЕННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ
АТОМИЗДАТ
МОСКВА 1969
УДК 621.317.755(023)
Необыкновенный осциллограф. Федоров Н. Д. М.» Атомиздат, 1969.
В книге в популярной форме рассказано о принципе действия и вариантах стробоскопического осциллографа — прибора для наблюдения формы импульсое наносекундной длительности с небольшой амплитудой. При стробоскопическом преобразовании сигнала удается (обойтись без широкополосных усилителей и для наблюдения сигнала использовать обычные осциллографы. Эти приборы незаменимы в исследовании скоростных процессов в полупроводниках,'фотоумножителях, электронной аппаратуре наносекундного диапазона, в ускорительной технике.
Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся новыми методами радиоизмерений.
Книга содержит 27 рисунков, 17 литературных ссылок.
3-3-12
116—69
Предисловие
В этой книге рассказывается о стробоскопическом осциллографе — электронном приборе, предназначенном для наблюдения формы периодически повторяющихся импульсов наносекундной длительности с малой амплитудой (до 2—3 мв), 1 наносекунда = = 10“9 (секунды. Для наблюдения слабых наносекундных импульсов обычными методами потребовались бы осциллографические трубки с очень высокой чувствительностью и громадной полосой пропускания ^частот или сочетание широкополосных трубок малой чувствительности и широкополосных высокочувствительных усилителей сигнала. Известно, что требования высокой чувствительности и широкополосности противоречивы. Невозможно создать ни широкополосные трубки с высокой чувствительностью, ни широкополосные усилители с высокой чувствительностью. Таким образом, обычными осциллографическими методами не удается проникнуть в область наносекунд, чтобы наблюдать слабые импульс ные сигналы.
В стробоскопических осциллографах применяются обычные осциллографические трубки и нет широкополосных усилителей. Тем не менее полоса пропускания прибора достигает в лучших образцах очень большой величины (3,5 Ггц). Такая полоса пропускания позволяет наблюдать периодические импульсы с временем нарастания фронта несколько десятых долей наносекунды. Но главное — широкая полоса «уживается» с высокой чувствительностью. Чувствительность стробоскопических осциллографов не хуже 10—20 мв!см. В стробоскопическом осциллографе исчезло противоречие между широкопол осностью и чувствительностью. Высокая чувствительность и широкополосность позволяют использо
3
вать этот ррибор для наблюдения не только слабых на-носекундных периодических импульсов, но и слабых колебаний высоких и сверхвысоких частот. Высокочастотная техника, полупроводниковая электроника, техника ускорителей заряженных частиц и экспериментальная ядерная физика — вот некоторые из областей применения стробоскопического осциллографа.
В настоящей книге сделана попытка рассказать в популярной форме широкому кругу читателей о принципе работы и применении стробоскопического осциллографа.
В последние годы возросло число опубликованных работ, где для измерений использовали стробоскопический метод наблюдения. Однако стробоскопический осциллограф заслуживает более широкого применения, особенно в связи с быстрым развитием наносекундной техники. С разработкой новых быстродействующих полупроводниковых приборов схемы стробоскопических осциллографов будут упрощены, а их параметры улучшены. Это позволяет расширить сферу использования таких осциллографов.
Книга начинается с краткого обзора недостатков обычных скоростных осциллографов с тем, чтобы потом стали более ощутимы преимущества стробоскопических осциллографов.
Глава 1
СКОРОСТНЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
Искажение импульса и полоса пропускания
Часто при исследованиях требуется наблюдать форму импульсов с длительностью в несколько наносекунд с передним фронтом в доли наносекунды. Известны задачи, когда необходимо измерять еще меньшие интервалы времени. Естественно желание применить осциллографический метод наблюдения, широко распространенный в обычной измерительной практике. Исследуемый сигнал, если он велик, подают непосредственно на отклоняющие электроды электроннолучевой трубки, если же амплитуда сигнала мала, — он предварительно усиливается.
Любое устройство, через которое проходит исследуемый сигнал или импульс, в той или иной степени искажает сигнал, и поэтому форма импульса на выходе отличается от формы импульса на входе. Искажения, как известно, связаны с шириной полосы пропускания устройства: чем она шире, тем искажения импульса меньше. Полосой пропускания обычно называют диапазон частот, в пределах которого выходное напряжение падает на 30%! от максимального значения при условии, что входное напряжение поддерживается постоянным.
Полоса пропускания однозначно определяет самый короткий импульс, который может пройти через данное устройство с допустимыми искажениями. Обычно рассматривается прохождение импульса, передний фронт которого значительно меньше длительности. В этом случае ширина требуемой полосы определяется временем фронта. Эта связь выражается следующей приближенной формулой:
2 Н. Д. Федоров
5
где А/— полоса пропускания, гц; Тф — время фронта, сек,.
В специальных широкополосных усилителях удается получить полосу пропускания до 250 Мгц. Такие усилители можно применять для наблюдения импульсов с временем фронта не менее нескольких наносекунд, что явно недостаточно для поставленной задачи.
Выясним теперь, какие искажения вносит сама электроннолучевая трубка (ЭЛТ). Предположим, что сигнал от источника до отклоняющих электродов трубки прошел без искажений. В этом случае оказывается, что решающее значение имеет искажение наблюдаемой на экране формы импульса за счет конечного времени пролета электронов в пространстве между отклоняющими электродами. Время пролета влияет также и на чувствительность ЭЛТ.
Влияние времени пролета электронов на чувствительность трубки
Время пролета электрона тпр в отклоняющей системе определяется длиной системы I и скоростью электрона v:
I
Скорость зависит от анодного напряжения трубки и может быть найдена по формуле
v =
а^6-107 см/сек,
где Ua — анодное напряжение, в; е и иг — заряд и масса электрона соответственно. При 1 = 2 см и 104 в время пролета равно примерно 0,3 нсек. Для других значений исходных величин это время может составить несколько наносекунд.
Предположим, что мы наблюдаем не импульс, а синусоидальное напряжение. Рассмотрим при этом такой частный случай, когда время пролета электрона в отклоняющей системе равно периоду колебаний. Тогда в течение положительного полупериода электрон отклоняется вверх, а в течение отрицательного — на такое же
6
расстояние вниз. Поэтому электрон, пройдя отклоняющую систему, не получит отклонения и будет двигаться далее по оси трубки. Такой же результат будет и в тех случаях, когда время пролета равно любому целому числу периодов наблюдаемого колебания. Это может произойти или при увеличении частоты сигнала в целое число раз ;по сравнению с первым случаем, или при уменьшении во столько же раз скорости электронов.
Если время пролета составляет незначительную часть периода, то напряжение на электродах можно считать постоянным, и отклонение электрона на экране трубки будет определяться мгновенным значением напряжения сигнала в момент входа электрона в пространство между электродами.
Эффективность действия отклоняющих электродов в трубках принято характеризовать чувствительностью, под которой понимают величину напряжения на отклоняющих электродах, вызывающую смещение электронного пятна на экране на 1 см. Чувствительность обычных трубок при постоянном или низкочастотном напряжении сигнала составляет 10—30 в!см. С увеличением частоты сигнала чувствительность начинает уменьшаться вследствие влияния времени пролета электронов и достигает нуля, когда период сигнала становится равен времени пролета.
Расчет показывает, что влияние времени пролета при данной частоте сигнала / на чувствительность выражается следующей зависимостью:
. штпр
SIU----
h =	,
штпр 2
где йо — чувствительность при постоянном напряжении сигнала (статическая чувствительность); h—чувствительность при частоте сигнала f (динамическая чувствительность) ; о = 2 лД
По аналогии с другими электронными устройствами можно ввести понятие полосы пропускания отклоняющей системы: диапазон частот, *в пределах которого чувствительность уменьшается до уровня 0,7 максимального значения, равного ho. Таким образом,
2*
7
нижняя частота /н=0, а верхняя fa определится из условия
шХпр sin ——— -----2— = 0,7. 0)7 пр
Поэтому
, _ 0,45 ~г И 'в“ т	2- ‘
-пр	^--Пр
а полоса пропускания
*^тпр
Например, если время пролета Тпр=10-9 сек, то '&}=* = 500 Мгц, и с помощью трубки можно наблюдать синусоидальный сигнал с частотой до ,500 Мгц.
Влияние времени пролета электронов на форму импульса
Мы только что выяснили, как влияет время пролета электронов на чувствительность трубки при синусоидальном сигнале. Полученные выводы можно применить и к импульсному сигналу, так как любой импульсный сигнал можно представить бесконечной суммой синусоидальных колебаний — гармоник, т. е. его можно характеризовать также и некоторым частотным спектром. Однако ни одно электронное устройство не обладает бесконечно большой полосой пропускания. Поэтому при передаче сигнала происходит ограничение спектра ;частот и, следовательно, искажение передаваемого сигнала. Чтобы искажения были допустимыми, необходимо из первоначального спектра сигнала сохранить частоты вплоть до некоторой верхней частоты. Это и ’определяет необходимую полосу пропускания тракта передачи сигнала, в .частности, отклоняющих электродов электроннолучевой трубки.
Но можно рассмотреть искажения импульсного сигнала и не прибегая к частотному спектру. Предположим, что напряжение сигнала изменяется скачкообразно
8
(рис. 1, а). Влияние времени пролета электронов про-явится в том, что вертикальное отклонение электронного луча на экране будет не мгновенным, а постепен
ным, причем время смещения т окажется равным времени пролета тпр (рис. 1,6). Картина мало изменится, если сигнал будет нарастать не скачкообразно, а в течение времени, меньшего времени пролета. В этом случае искажение импульса также будет практически определяться временем пролета. ;
Для ослабления искажений этого вида необходимо уменьшить время пролета: или укоротить отклоняющие электроды, или увеличить скорость электронов. Увеличение скорости легко достигается повышением анодного напряжения, но при этом снижается чувствительность желательно.
Рис. 1. Искажение форм сигнала на экране ЭЛТ, вызванное временем пролета электронов в отклоняющей системе.
трубки, что, конечно, не
Скорость развертки электронного луча
Для наблюдения на экране трубки, например, 10 периодов синусоидального колебания с частотой /=3000 Мгц при горизонтальном размере изображения А =10 см требуется скорость горизонтального перемещения (развертки) электронного луча
v0 = Lf — 3* 109 см/сек.
Таким образом, при скоростной осциллографии необходимо обеспечить движение луча по экрану со скоростью, близкой к скорости света (3-1010 см)сек). Получить эти скорости можно только с помощью сложных схем генераторов развертки. Трудность состоит в том, что нужно получить очень быстрое изменение потенциалов на отклоняющих электродах, которые имеют значительную емкость. Кроме того, увеличение скорости раз
9
вертки всегда сопровождается резким снижением яркости осциллограммы, поэтому для повышения яркости приходится увеличивать анодное напряжение. А это, как уже отмечалось, приводит к снижению чувствительности трубки. Эффект снижения чувствительности можно несколько ослабить, если применить трубки с послеускорением электронов.
Минимальная длительность исследуемого импульса
Возможности трубки лучше характеризовать относительной чувствительностью. Относительной чувствительностью называют напряжение на отклоняющих электродах, необходимое для смещения электронного пятна на экране трубки на расстояние, равное диаметру пятна. Чем меньше диаметр пятна, тем выше относительная чувствительность, тем более слабый сигнал можно обнаружить или тем меньший интервал времени можно измерить.
Минимальный интервал, который можно отсчитать при скорости развертки цр при диаметре пятна d,
t = — ‘'МИН
Up
Это время определяет разрешающую способность самой трубки по времени. В трубках удается получить электронное пятно ,с диаметром около 0,01 см. При скорости развертки ир=109 см/сек разрешающая способность оказывается равной /МИн:=10”11 сек=0,01 нсек. Однако в действительности она намного хуже, так как трудно получить стабильное положение пятна на экране: пятно дрожит. В лучших скоростных осциллографах удалось получить разрешающую способность лишь около 0,015 нсек. Кроме того, малый размер пятна удается получить только при слабой яркости. Слабый же сигнал, создающий небольшое смещение пятна, можно наблюдать только с помощью микроскопа.
Мы не учли еще влияния полосы пропускания отклоняющей системы, которое увеличивает время нарастания импульса. В лучшем случае оно составляет 0,025—0,08 нсек. Если учесть также, что время пролета электронов ухудшает временное разрешение на 0,02—0,05 нсек, то реальная разрешающая способность скоростных осциллографов оказывается равной приблизительно 0,1 нсек [1].
10
Параметры некоторых скоростных осциллографов
Полосу пропускания отклоняющей системы скоростных осциллографов можно увеличить, изменив конструкцию самой трубки. Самый простой путь — уменьшить размеры отклоняющих электродов и выводов. При этом произойдет уменьшение емкости электродов и индуктивности выводов. Однако это позволяет повысить полосу всего лишь примерно до 200 Мгц. Дальнейшее увеличение полосы стало возможным в результате замены отклоняющих электродов плоской высокочастотной линией передачи, нагруженной на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. Такая система отклонения применена в трубке 13Л0101М скоростного осциллографа С1-10. Полоса пропускания осциллографа 1000 Мгц, наименьшее время развертки 10 нсек, чувствительность осциллографа, однако, очень низкая — 50 в/см.
Применяются также отклоняющие системы коаксиального типа, но чувствительность их также низка. Она несколько выше в так называемых трубках бегущей волны. В этих трубках отклоняющая система представляет собой ленточную спираль, помещенную внутрь металлического экрана. Электронный пучок проходит по оси спирали. Исследуемый сигнал подводят к началу спиральной линии (между спиралью и экраном). Сигнал распространяется по этой линии. На другом конце имеется активная нагрузка, равная волновому сопротивлению спиральной линии, поэтому нет отражения сиг-нала от конца линии. При выбранном шаге спирали можно подобрать такое анодное напряжение трубки, что скорость распространения сигнала вдоль оси системы будет равна скорости электронов. В результате этого синхронизма электроны испытывают отклоняющее воздействие на всем ;пути до экрана трубки, и чувствительность возрастает. Трубка бегущей волны 13Л0102М применена в скоростном осциллографе С1-14. Полоса пропускания осциллографа составляет 3000 Мгц, чувствительность 33 в/см, наименьшая скорость развертки 10 нсек. !	'
Таким образом, в скоростных осциллографах вследствие противоречия между полосой пропускания и чувствительностью очень широкую полосу частот удается получить только ценой потери чувствительности. Труд
11
ности на этом пути возрастают по мере перехода к наблюдению все более коротких импульсов.
Противоречие между полосой и чувствительностью значительно слабее в стробоскопическом методе наблюдения 'сигналов, к рассмотрению которого мы переходим.
Глава 2
СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД [НАБЛЮДЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА
Принцип стробоскопического преобразования
В технике стробоскопом называют прибор для контроля вращательного движения, с помощью которого можно измерить число оборотов вала. Насадим на вал черный диск с одной радиальной белой полосой. Направим на диск свет от импульсного источника. Если импульсы света будут появляться в те моменты времени, когда белая полоса занимает одно и то же положение, например вертикальное, то диск будет казаться неподвижным. Частота следования световых импульсов в этом случае равна числу оборотов вала. Если частоту вспышек несколько уменьшить (или увеличить), то при каждой следующей вспышке полоса окажется левее (или правее) предыдущего положения, и диск будет казаться вращающимся в левую или правую сторону с небольшой скоростью. Для определения числа оборотов вала достаточно подобрать и измерить частоту следования вспышек света, при которой диск кажется неподвижным.
Таким образом, при стробоскопическом способе контроля скорости вращения необходимо иметь периодически следующие вспышки света. Меняя интервал времени между «стробирующими» вспышками, можно как бы изменять масштаб времени: когда период следования вспышек равен времени одного оборота вала — диск кажется нам неподвижным, когда эти величины немного отличаются — диск кажется вращающимся со скоростью, много меньшей действительной скорости вращения. Если время одного оборота диска То, а разность между ним и периодохм следования вспышек ДЛ то ско-
рость вращения вала «уменьшится» в То/At раз. Рассуждение нетрудно распространить и на случай, когда на диске нанесено через равные углы несколько белых радиальных ПОЛОС.	1
Аналогичное изменение масштаба времени происходит и в стробоскопическом осциллографе [2]. Принцип стробоскопического преобразования периодических сиг-
Рис. 2. Принцип стробоскопического преобразования исследуемого сигнала.
налов поясним с помощью рис. 2. Для простоты возьмем сигнал, имеющий форму трапеции (рис. 2, а). Период сигнала равен То. На рис. 2, б показаны так называемые стробирующие импульсы, длительность которых значительно меньше периода и длительности сигнала. Пусть период стробирующих импульсов Тс превышает период сигнала То на небольшую величину ДА Тогда каждый следующий стробирующий импульс '(строб-импульс) смещается относительно сигнала на время At. Для простоты предположим, что первый строб-импульс пришел в начале импульса сигнала (точка 0, рис. 2,а). Тогда второй строб-импульс будет соответствовать точке Л смещенной от начала сигнала на время ДА Аналогично третий строб-импульс будет соответствовать точке 2, сдвинутой относительно начала сигнала уже на 2Д^ и т. д. На рис. 2 исследуемый сигнал разбит на шесть интервалов лишь для большей наглядности. 1	;
В стробоскопе, используемом для контроля вращения, анализатором является глаз наблюдателя. В стро
13
боскопическом осциллографе эту функцию выполняет схема, называемая преобразователем. К преобразователю подводят сигнал и строб-импульсы. Преобразователь можно представить в виде некоторой «ключевой» схемы, которая открывается при поступлении строб-импульса на время, равное его длительности. Если строб-импульс приходит в то время, когда имеется сигнал, то на выходе преобразователя возникает импульс тока, амплитуда которого пропорциональна мгновенному значению сигнала в момент прихода строб-импульса. Длительность импульсов тока определится длительностью строб-импульсов. Амплитуда выходных импульсов меняется от строб-импульса к строб-импульсу, повторяя форму исследуемого сигнала (рис. 2,в). Таким образом, выходные импульсы преобразователя оказываются промодул ированными по амплитуде исследуемым сигналом: огибающая импульсов повторяет форму сигнала.
Как же выделить теперь огибающую этих импульсов, следующую во времени с более низкой частотой, чем сам исследуемый сигнал? Амплитудная модуляция означает, что среднее значение тока за время между соседними импульсами не остается постоянным. Изменение его среднего значения за время Тс как раз повторяет огибающую. Обнаружить изменение среднего значения и низкочастотную составляющую тока после преобразователя можно с помощью фильтра нижних частот. Этот фильтр пропустит только низкочастотные составляющие разложения импульсов тока в ряд Фурье, появившиеся в результате амплитудной модуляции импульсов сигналом.
Однако в стробоскопических осциллографах чаще применяют другой способ выделения огибающей — так называемый метод накопления ’заряда в конденсаторе.
На выходе преобразователя всегда имеется некоторая емкость. В случае необходимости можно включить дополнительно конденсатор. Во время строб-импульса происходит заряд емкости выходным импульсом тока преобразователя. Если постоянная времени заряда, равная произведению емкости на внутреннее сопротивление преобразователя, много меньше длительности строб-импульса, то за время строб-импульса емкость успеет зарядиться импульсом тока преобразователя. После окон
14
чания строб-импульса емкость начинает разряжаться. Но преобразователь имеет большое сопротивление, когда нет строб-импульса («ключ разомкнут»), поэтому постоянная времени разряда оказывается на несколько порядков больше, чем при заряде, и импульс затягивается или удлиняется.
При появлении следующего строб-импульса процесс повторяется, но амплитуда напряжения на емкости становится иной, так как она заряжается теперь импульсом тока с другой амплитудой, соответствующей мгновенному значению сигнала в момент появления нового строб-импульса.
Повторяя этот процесс, можно преобразовать очень короткие импульсы тока преобразователя в значительно более длинные импульсы напряжения, изменение амплитуды которых повторит форму импульса исследуемого сигнала. Далее эти импульсы напряжения можно усилить обычными импульсными усилителями и наблюдать на экране стандартных осциллографов, если развертка луча !по горизонтали будет производиться напряжением, синхронизованным с первым строб-импульсом, от которого начинался цикл «зондирования» исследуемого сигнала. На экране будет изображена серия импульсов, огибающая которых дает форму импульса исследуемого сигнала (рис. 2, г). Заметим, что при высокой частоте следования импульсов сигнала конденсатор на выходе преобразователя может не ^успеть заметно уменьшить заряд до прихода следующего строб-импульса. Тогда напряжение на конденсаторе будет иметь ступенчатый характер и непосредственно воспроизведет форму исследуемого сигнала (рис. 2, д). В этом случае схема работает подобно пиковому (амплитудному) детектору.
Изменение масштаба времени
Выяснив принцип работы преобразователя, вернемся к рис. 2. Там мы разбили импульс сигнала на шесть интервалов длительностью —TG каждый. Поэтому длительность Тпр преобразованного импульса, изображаемого на экране электроннолучевой трубки, оказывается в шесть раз больше периода строб-им-пульсов:
Тпр = 6ТС.
15
Для хорошего изображения сигнала необходимо большее число интервалов, чтобы огибающая была проведена через десятки, сотни вершин импульсов. Но это означает, что и длительность преобразованного импульса Гдр также возрастет. В общем случае, когда число интервалов равно N, длительность преобразованного импульса j	:
Т = NT
Длительность самого импульса сигнала
т0 = ММ.
Интервал Д/ удобно называть шагом считывания. Очевидно, что масштаб увеличения длительности импульса сигнала определится величиной
__ гпР	ntc = Тс
"О	МЫ Ы '
Другими словами, растягивание импульса сигнала во времени в результате стробоскопического преобразования равно отношению периода строб-импульсов к шагу считывания. Если шаг считывания мал, то ТС^ТО и m^Td&t. Таким образом, импульс сигнала «удлиняется» во столько раз, во сколько раз период сигнала больше шага считывания. В частном случае, когда длительность импульса сигнала равна периоду (то = То), шаг считывания At=x^N—T^N и m — N, т. е. масштаб изменения времени равен числу интервалов, на которые разбивается исследуемый сигнал в процессе стробирования.
Полоса пропускания
Итак, при стробоскопическом осциллографи-ровании форма сигнала записывается некоторым количеством точек. В промежутках между этими точками, т. е. в интервале -между стробирующими импульсами, отсутствует информация об изменении сигнала, поэтому представление о сигнале оказывается неполным. Чем больше точек, тем меньше отличие изображения от самого сигнала. Сколько же точек надо взять, чтобы искажения были допустимыми? Оказывается, что число точек, в которых нужно «считать» величину сигнала, связано с наивысшей частотой в спектре сигнала /в. Эту
16
связь устанавливает фундаментальная теорема Котельникова, опубликованная в 1933 г. Теорема формально гласит: «Любую функцию состоящую из частот от 0 до /ь можно непрерывно передавать с любой точностью при помощи чисел, следующих друг за другом через 1/2Л сек». Здесь f\ — верхняя граничная частота спектра. В применение к нашему случаю можно сказать следующее. Любой сигнал, имеющий спектр частот от О до /в, можно передавать с любой точностью при помощи чисел, равных мгновенной величине сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на 1/2/в сек. Таким образом, интервал l/2fB — необходимый шаг считывания.
Пусть, например, исследуемый сигнал — прямоугольный импульс длительностью то—10 нсек. Верхнюю граничную частоту fB можно оценить по величине допустимого искажения фронта импульса
Будем считать искажение фронта допустимым, если Тф не превышает 10% длительности импульса, т. е. Тф~0,1 то. При то=Ю нсек /в — 400 Мгц. Тогда по теореме Котельникова необходимо передавать сигнал в моменты времени, отстоящие друг от друга на
ДА —----10~9 сек.
2-4-10»
Это значит, что сигнал следует передать по крайней мере десятью точками.
Длительность стробирующих импульсов должна быть меньше шага считывания ДА В последнем примере она не должна превышать 1 нсек. Для наблюдения более коротких импульсов сигналов следует сокращать длительность стробирующих импульсов. Получение очень коротких строб-импульсов представляет большую техническую трудность. Если при заданной длительности импульса 'сигнала желательно получить больше точек изображения, то это можно осуществить, только уменьшая шаг считывания. А если при этом длительность строб-импульса окажется сравнимой с шагом считывания, то необходимо уменьшить и длительность строб-импульса. Таким образом, наивысшая частота в спектре сигнала, которую можно наблюдать стробоскопическим
17
Строб-импульс
Сигнал
Рис. 3. Зависимость эффекта преобразования от длительности строб-импульса.
дает эффекта на выходе
осциллографом, или наилучшее разрешение по времени, которое можно получить в преобразователе, определяется длительностью строб-импульсов.
Зависимость эффекта преобразования при [выбранной частоте синусоидального сигнала от ширины строб-импульса можно легко проиллюстрировать. На рис. 3 изображен случай, когда ширина строб-импульса равна - периоду синусоидального 1 сигнала. Из-за изменения в течение (строб-импульса знака сигнала напряжение на выходе преобразователя не появится. Этот I эффект аналогичен влиянию времени пролета электронов в ЭЛТ. Когда время ' пролета равнялось периоду сигнала, никакого отклонения луча на экране не наблюдалось. Случай, приведенный на рис. 3, является предельным, он соответствует частоте сигнала, которая вообще не соз-преобразователя. Очевидно,
что эта предельная частота
/ пред " 0 /тс
Это соотношение можно использовать для оценки частотных свойств преобразователя, если известна длительность строб-импульса тс. Обычно же работу стробоскопического осциллографа характеризует эффективная полоса пропускания, равная наивысшей частоте синусоидального сигнала. Точнее, — это частота, при которой амплитуда сигнала на выходе преобразователя уменьшается на 30% по сравнению с низкочастотным сигналом. В лучших осциллографах эффективная полоса составляет 2—3 Ггц.
С эффективной полосой пропускания однозначно связана другая характеристика стробоскопического осциллографа — собственное время установления 18
(или нарастания), которое определяет разрешающую способность по времени. По сути дела, это — увеличение фронта импульса сигнала, вносимое преобразователем. Стробоскопический осциллограф не может быть использован для наблюдения импульсов сигнала, длительность которых меньше времени установления. Время установления в лучших стробоскопических осциллографах составляет сейчас несколько десятых долей наносекунды.
Общие выводы и замечания
Если исследуемый сигнал с длительностью импульса то и частотой следования fo изображается большим числом точек N, то шаг считывания At^xo/N. Это означает, что период строб-импульса Тс должен быть больше периода сигнала То на величину шага считывания А/, если стробирование производится в каждом импульсе сигнала (без пропуска). Другими словами, частота следования строб-импульсов
1 _ 1
Тс — То + дГ
Длительность импульса сигнала после стробоскопического преобразования увеличивается в m раз
Пр —
где m = Тс/А/, а частота следования преобразованного сигнала уменьшается в m раз
Р ~ m
Если стробирование производится в каждом импульсе сигнала, то частота строб-импульсов fc мало отличается от частоты следования сигнала /о, так как А/<С Т0. При большой частоте сигнала затрудняется преобразование сигнала. Поэтому было предложено стробирование с пропуском ряда импульсов сигнала. В этом случае
где k — коэффициент деления частоты.
19
Наконец, следует заметить, что для нормальной работы стробоскопического осциллографа необходимо обеспечить синхронизацию процессов в нем с исследуемым сигналом. Надо, во-первых, синхронизовать с сигналом первый строб-импульс, с которого начинается зондирование импульса сигнала (точка 0, см. рис. 2). Во-вторых, должна быть синхронизация начала горизонтальной развертки луча электроннолучевой трубки с первым строб-импульсом. Синхронизация осложняется тем, что амплитуда исследуемого сигнала очень мала (милливольты), а частота может быть очень высокой (сотни мегагерц, гигагерцы).
Глава 3
ОСОБЕННОСТИ СХЕМЫ СТРОБОСКОПИЧЕСКОГО
ОСЦИЛЛОГРАФА
Блок-схема
Упрощенная блок-схема стробоскопического осциллографа приведена на рис. 4. Синхронизация работы отдельных элементов ^стробоскопического осцилло-
Рис. 4. Упрощенная блок-схема стробоскопического осциллографа.
графа обеспечивается входным устройством, к которому подводятся запускающие импульсы.
Мы отмечали, что запускающие импульсы должны быть сами синхронизованы с исследуемым сигналом.
20
При рассмотрении этой задачи необходимо знать, от какого источника поступает сигнал. Есть источники, которые могут быть запущены сами от вспомогательного генератора. Тогда в качестве запускающих импульсов стробоскопического осциллографа можно взять также импульсы вспомогательного генератора. В этом случае задача синхронизации решается просто, особенно если учесть, что оператор может легко регулировать частоту следования импульсов, подобрать необходимую форму и амплитуду запускающих импульсов. В схемах стандартных современных стробоскопических осциллографов предусматривается собственный генератор для такого запуска источников сигнала.
В тех случаях, когда источник сигнала не может быть синхронизован ;(запущен) внешним сигналом, для запуска стробоскопического осциллографа приходится использовать сам сигнал. Так как амплитуда сигнала при стробоскопическом осциллографировании часто очень мала, то во входном устройстве необходимы специальные схемы, обеспечивающие падежную синхронизацию.	1
Входное устройство создает импульс, запускающий генератор горизонтальной развертки ЭЛТ. Таким образом осуществляется синхронизация развертки с запускающим импульсом, а следовательно, и с сигналом. С приходом запускающего импульса начинает также работать генератор сдвига — схема, определяющая смещение строб-импульса относительно начала исследуемого сигнала на интервалы А/, 2А^, ЗА^ и т. д. (см. рис. 2).
В формирователе строб-импульсов происходит создание импульсов с длительностью и амплитудой, необходимыми для наиболее эффективной работы преобразователя. Исследуемый сигнал подводится к преобразователю. На выходе преобразователя появляются импульсы напряжения с амплитудой, пропорциональной мгновенным значениям сигнала в моменты прихода строб-импульсов.
В результате влияния емкости преобразователя длительность импульсов напряжения значительно больше длительности стробирующих импульсов. Импульсы напряжения поступают в импульсный усилитель, а после него — в удлинитель, производящий дополнительное расширение импульса, необходимое для более удобного
3 Н. Д. Федоров
21
наблюдения изображения на экране ЭЛТ: у каждого импульса создается плоская вершина. Импульсы с выхода удлинителя подводятся к пластинам вертикального отклонения ЭЛТ. Так как горизонтальное отклонение луча обеспечивается пилообразным напряжением, синхронизованным с запускающим импульсом, на экране ЭЛТ 'появляется серия импульсов, огибающая которых повторяет форму исследуемого сигнала.
Длительность развертки луча должна быть достаточной для наблюдения одного импульса сигнала. Это время определяется длительностью преобразованного импульса Тпр.
За время Тпр на вход осциллографа приходит много импульсов сигнала, а следовательно, и много запускающих импульсов. Надо принять меры, чтобы во время развертки запускающие импульсы не нарушали работу генераторов сдвига и развертки. Эта функция выполняется блокирующим устройством, которое после прихода первого запускающего импульса закрывает входное устройство. Запускающий импульс может пройти через входное устройство лишь после окончания развертки. С этого момента начинается новая развертка и новый цикл изображения сигнала.
Чтобы наблюдать на экране только огибающую импульсов, поступающих на пластины вертикального отклонения, предусматривается появление луча ’(подсвет) только в течение плоских вершин импульсов. Частота развертки луча не должна быть ниже 10 гц, так как иначе будет мерцание изображения. При низких частотах лучше использовать трубки с большим послесвечением.
Максимальная частота развертки в стробоскопических осциллографах достигает нескольких десятков килогерц.
Если частота следования импульсов сигнала относительно невелика, то генератор сдвига и формирователь строб-импульсов успевают выработать к приходу следующего импульса сигнала смещенный строб-импульс. Когда же частота следования импульсов сигнала велика, приходится зондировать строб-импульсом не каждый, а лишь один из нескольких импульсов сигнала. Для этого необходимо использовать схемы деления частоты следования. При частотах следования сигнала выше 10 Мгц можно применять делители частоты релак-
22
рационного типа. Напряжение низкой частоты, получающееся в результате деления, оказывается синхронизованным с поступающим высокочастотным сигналом.
Рассмотрим теперь особенности схем важнейших блоков стробоскопического осциллографа [1, 3].
Генератор сдвига и развертки
В стробоскопическом осциллографе сдвиг строб-импульсов относительно импульса сигнала на время Д^, 2Д/, ЗД^ и т. д. может быть произведен сложением двух пилообразных напряжений с разными периодами (рис. 5). Период «быстрой пилы» Т выбирают равным периоду исследуемого сигнала То, а период
Быстрая пила
Рис. 5. Принцип работы генератора сдвига строб-импуль-сов.
«медленной пилы» — длительности горизонтальной раз-вертки луча на экране ЭЛТ. Оба пилообразных напряжения синхронизованы с запускающими импульсами стробоскопического осциллографа. Напряжения быстрой и медленной пил складываются. Суммарное напряжение подводится к схеме, имеющей порог срабатывания t/n-Точки пересечения кривой суммарного напряжения с пороговой прямой показаны цифрами 0, 1, 2 и т. д.
3*	23
На рис. 5 начальные точки быстрой и медленной пил (точки Л и В) несколько сдвинуты, поэтому первая точка пересечения первого «зубца» быстрой пилы с пороговым уровнем оказывается смещенной от начала быстрой пилы на время to. Следующая точка пересечения 1 сдвинута от начала следующего зубца быстрой пилы на /0 + АЛ Если оба пилообразных напряжения имеют идеальную форму, т. е. их нарастающие участки изображаются отрезками прямых линий, то каждое следующее пересечение смещено по быстрой пиле на время АЛ Например, точке 4 соответствует смещение от начала на /о + 4АЛ 1
Так относительно просто получается временной сдвиг на А/ по быстрой пиле при каждом новом пересечении порогового уровня. Теперь необходимо лишь выработать с помощью формирователя строб-импульсы в моменты времени, соответствующие точкам (?, /, 2 и т. д.
Для получения быстрой пилы можно использовать известный метод заряда емкости постоянным током. В этом случае получается хорошая линейность изменения напряжения, что очень важно для стробоскопического осциллографа. Для улучшения линейности в схемах применяют обратную связь.
Рассматривая генераторы сдвига, необходимо отметить, что в современных стробоскопических осциллографах вместо медленной пилы используют ступенчатое нарастающее напряжение (рис. 5, г). Строб-импульс вырабатывается при каждом пересечении ступенек с нарастающими участками быстрой пилы. Раньше требовалась хорошая линейность медленной пилы (так же, как и быстрой), теперь необходимо создать нарастающее напряжение с равной высотой ступенек.
В настоящее время известно много схем, обеспечивающих получение хорошего ступенчатого напряжения. Применение ступенчатого напряжения обеспечивает стабильность появления i во : времени стробирующих импульсов.
Для горизонтальной развертки луча ЭЛТ стробоскопического осциллографа может быть использована медленная пила или пилообразное напряжение, создаваемое отдельной схемой. Особых требований к этой схеме не предъявляется. Можно использовать хорошо известные схемы генераторов разверток обычных осциллографов.
24
Генератор строб-импульсов
Как правило, строб-импульсы формируются в два этапа. Сначала создается быстрый и большой скачок напряжения, а потом из этого скачка формируется короткий строб-импульс. На первом этапе используют блокинг-генераторы на лампах со вторичной эмиссией или усилители, работающие в режиме ограничения сигнала (усилители-ограничители). Но больший интерес представляют схемы для второго этапа.	f
К преобразователю
Рис. 6. Схема выходного каскада пульсов (tz) и форма импульса схемы (б).

генератора строб-им-в различных точках
На рис. 6 изображен один из вариантов схемы выходного каскада генератора строб-импульсов. Созданный на первом этапе импульс большой амплитуды с крутым фронтом (~10 нсек) подводится к лампе с малыми межэлектродными емкостями и большой крутизной анодного тока. В схеме применена лампа карандашного типа 5675, аналогичная отечественной лампе 6С13Д. Для уменьшения влияния проходной емкости лампы применена схема включения с общей (заземленной) сеткой, когда входным электродом является катод. Обычно лампа монтируется внутри коаксиальной резонансной линии, используемой на втором этапе форми
25
рования строб-импульсов. Анодной нагрузкой лампы являются два тройника, два Т-образных участка из коаксиальных линий. Горизонтальный участок первого тройника Т\ нагружен на емкость, блокировочную для ввода анодного напряжения лампы. Поэтому горизонтальный участок можно считать на высокой частоте короткозамкнутым. Вертикальный участок тройника присоединен к середине горизонтального участка (точка А). Точка А разбивает этот участок на два с равными временами задержки сигнала Ть К вертикальному участку тройника присоединяется второй тройник Т2. Тройник Т2 имеет короткозамкнутый шлейф с временем задержки Тг- В результате прохождения импульсного сигнала по первому тройнику фронт импульса уменьшается до величины, равной времени задержки ти (точка В). На выходе же второго тройника получаются короткие импульсы, определяемые временем задержки тг (точка С). Таким образом, происходит двойное дифференцирование импульса, поступающего от лампы на вход системы из двух тройников. '
Иногда вместо короткозамкнутого шлейфа тройника Т2 применяют диод, работающий в режиме ограничения. Схема «срезает» основание строб-импульсов, пропуская лишь очень короткие импульсы.
Формирование строб-импульсов на втором этапе можно осуществить с помощью схемы на быстродействующих полупроводниковых диодах, включенных между внешним и внутренним электродами обычной коаксиальной линии (вместо тройника 7\). Эта линия стоит на выходе схемы первого этапа формирования строб-импульсов. Диод в исходном состоянии открыт. С приходом импульса диод за очень короткое время закрывается, поэтому вдоль линии начинает распространяться волна напряжения. В линии имеется короткозамкнутый шлейф, который дифференцирует импульс. В результате получается короткий строб-импульс. Таким способом можно создать строб-импульсы с длительностью до 0,2 нсек и амплитудой 0,5 в.
Преобразователь
Схемы преобразователей могут быть созданы как на электронных лампах, так и на полупроводниковых диодах. Однако ламповые схемы не позволяют по-26
лучить разрешающую способность меньше нескольких наносекунд. Это ограничение объясняется влиянием межэлектродных емкостей ламп, хотя в лучших схемах и используются СВЧ-пентоды и широкополосные лампы с большим отношением крутизны анодного тока к емкости. С ламповыми преобразователями можно получить эффективную полосу пропускания лишь порядка нескольких сотен мегагерц.
Рис. 7. Схема преобразователя на полупроводниковом диоде (а) и вольт-амперная характеристика диода с импульсом сигнала и строб-импульсом (б).
Схема широкополосного преобразователя показана на рис. 7. Полупроводниковый диод смонтирован внутри коаксиальной линии. К диоду подводятся сигнал и строб-импульсы. Диод заперт напряжением источника смещения. Амплитуда строб-импульса должна быть достаточной для того, чтобы выйти на линейный участок вольт-амперной характеристики диода. Тогда изменение амплитуды импульсов тока диода при поступлении строб-импульсов повторит форму исследуемого сигнала.
В течение каждого строб-импульса диод открыт и происходит заряд емкости С. Постоянная времени заряда, равная произведению емкости на прямое сопротивление диода, может быть сделана очень малой. Тогда потенциал емкости успеет за время строб-импульса заметно измениться. Как только прекратится строб-импульс, диод закрывается и конденсатор начинает разряжаться через внутреннее (обратное) сопротивление запертого диода. Обратное сопротивление чрезвычайно велико по сравнению с прямым, поэтому разряд идет
< 27
с большей постоянной времени, т. е. медленнее, чем заряд. Происходит (Затягивание, или удлинение, импульсов. Длительность выходных импульсов напряжения в преобразователях может доходить до нескольких микросекунд. При такой длительности для дальнейшего усиления могут быть использованы стандартные усилительные схемы с большим коэффициентом усиления,
выход сигнала
б
Рис. 8. Вариант схемы преобразователя на полупроводниковом диоде (а) н его эквивалентная схема (б).
что обеспечивает хорошую чувствительность стробоскопических осциллографов.
Однако в действительности эффективность работы преобразователей хуже, так как диод переходит в закрытое состояние не сразу после окончания строб-импульса, а только через некоторое время, называемое временем восстановления обратного сопротивления. В лучших образцах полупроводниковых диодов оно оказывается близким к 1 нсек. Наличие времени восстановления обратного сопротивления приводит к тому, что емкость разряжается сначала с малой постоянной вре-28
мени и происходит потеря сигнала на выходе стробоскопического преобразователя.
Конструкция одного из преобразователей показана на рис. 8. Выходная емкость преобразователя, о которой мы только что товорили, получается здесь за счет емкости электрода полупроводникового диода и корпуса (внешнего электрода) коаксиальной линии.
Глава 4
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СТРОБОСКОПИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ
Стробоскопические осциллографы с использованием постоянной разности частот сигнала и строб-импульса
Рассмотрим простейшие стробоскопические осциллографы, специально разработанные для наблюдения наносекундных импульсов с очень высокой частотой: десятки — сотни мегагерц. В известных схемах стробоскопических осциллографов для преобразования сигнала используются: 1) постоянная разность частот следования сигнала и стробоскопического импульса (4]; 2) фазовая модуляция строб-импульсов, частота которых предварительно делается равной частоте сигнала i[5]; 3) элементы и электронные приборы техники сверхвысокочастотных колебаний [6].
Рассмотрим стробоскопические осциллографы, работающие по первому принципу преобразования сигнала.
В рассматриваемом осциллографе к преобразователю подводятся импульсы сигнала с частотой /о и строб-импульсы с постоянной частотой /с, создаваемые отдельным генератором. Очевидно, что вследствие разности частот каждый следующий строб-импульс будет смещен относительно импульса сигнала на время, равное разности периодов \t=Tc—TQ—l/fc—l/fQ. Чтобы «просмотреть» весь период сигнала, потребуется число строб-импульсов
Д/ Тс — т0
29
Таким образом, полное время, необходимое для просмотра периода сигнала, ;
Изображение одного периода исследуемого сигнала, а следовательно, и одного импульса сигнала повторяется с частотой
F А ТС~Т0 = J----------------1_
Тп то7'с То тс °
Частота повторения изображения оказывается равной разности частот сигнала и строб-импульсов. Если выбрать частоту близкой к /0, то частота изображения F
Рис. 9. Блок-схема стробоскопического осин.сюг рифа, работающего при постояиной разности частот сигнала и строб-импульсов.
будет низкой, удобной для наблюдения па экране обычных осциллографов.
Основной недостаток рассмотренного способа стробирования— очень высокие требования к стабильности частот сигнала и строб-импульсов. Относительное изменение разности частот F—fo—fc из-за нестабильности fo и fc должно быть очень малым. Если это условие не выполняется, то изображение сигнала на экране будет размазанным. Произойдет это вследствие непопадания строб-импульса в одну и ту же точку сигнала при повторном цикле изображения. Следует отметить, что и в этом варианте стробоскопического осциллографа можно зондировать строб-импульсом не каждый импульс сигнала, а с пропуском, причем частоты fo и fc должны
30
отличаться почти в целое число раз. Если зондируется каждый Л-й импульс сигнала, то требуется, чтобы
Рассмотрим особенности варианта стробоскопического осциллографа с использованием постоянной разности частот сигнала и строб-импульсов [4]. Блок-схема осциллографа показана па рис. 9. Осциллограф использовали для наблюдения наносекундных импульсов, следующих с частотой около 640 Мгц. Эта частота получалась в результате 64-кратного умножения частоты кварцевого генератора КГ 2 (/2—10 Мгц). Наносекунд-ные импульсы с частотой 640 Мгц получили с помощью выходного формирующего устройства ФУз. Эти импульсы и были объектом наблюдения. Строб-импульсы формировались из синусоидального напряжения, создаваемого вспомогательным кварцевым генератором КГ\. Частота этого генератора немного выше частоты fz генератора КГ^ Разность частот 6=fi—fz составляла 100 гц. Высокая стабильность частот обоих кварцевых генераторов обеспечивает достаточно постоянную разность частот б, и работа стробоскопического осциллографа не нарушается.
Частота f\ также умножается, но только в 32 раза. В формирующем устройстве ФУ\ из синусоидального напряжения создаются отрицательные импульсы с длительностью на половине высоты 3-Ю-9 сек и частотой 320 Мгц.
Напряжение с генератора КГ\ подводится, кроме того, к формирующему устройству ФУг, на выходе которого появляются положительные импульсы с частотой /1 = 10 Мгц. Эти импульсы и импульсы от ФУ\ с частотой 320 Мгц подаются к схеме совпадения СС, на выходе которой будет появляться импульс только через каждые 32 импульса, приходящих с ФУ{. Выходные импульсы ..схемы совпадения и используются в качестве строб-импульсов. Частота строб-импульсов /1 = 10 Мгц, а длительность их путем выбора параметров схемы совпадения может быть сделана меньше, чем импульсов, идущих с частотой 320 Мгц. Длительность строб-импульсов на половине высоты в рассматриваемом стробоскопическом осциллографе оказалась меньше 3-10-10сек. Импульсы сигнала (640 Мгц) и строб-импульсы (10 Мгц) (подводят к преобразователю 17, а от него через фильтр Ф к осциллографу О,
31
Конструкция и эквивалентная схема преобразователя были показаны на рис. 8. Детектором служил полупроводниковый диод из арсенида галлия, вмонтированный между экраном и внутренним электродом коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 ом. Плавное изменение сечения этой линии потребовалось для устранения отражений, возникающих при резком изменении поперечных размеров. Между корпусом диода и экраном линии имеется небольшая емкость С. Сопротивления в цепи диода i/?i, Rz и емкость С образуют низкочастотный фильтр Ф (см. рис. 9), который устраняет высшие гармонические составляющие сигнала и строб-импульсов, но сохраняет низкочастотные составляющие спектра, необходимые для воспроизведения огибающей «вырезок» сигнала в моменты прихода строб-импульсов. Полоса пропускания фильтра 300 кгц, поэтому он действительно устраняет составляющие с частотой следования строб-импульсов 10 Мгц и выше.
Огибающая вырезок сигнала наблюдается на экране осциллографа. Частота повторения сигнала на экране равна 64 (fi—/2) =6400 гц. В схеме осциллографа стабильность частоты сигнала (64 f2) и частоты строб-импульсов (fi) очень высока, так как она определяется стабильностью кварцевых генераторов. Надо заметить, что применение умножителей составляет особенность данной схемы. Умножители использовались, например, для получения сигнала, что не имеет прямого отношения к работе стробоскопического осциллографа. Нас мало интересует, как создается сигнал. Важно то, что применение кварцевых генераторов с очень близкими частотами и умножителей для получения сигнала и строб-импульсов позволило сделать частоту сигнала кратной частоте строб-импульсов и тем самым облегчило наблюдение сигнала, i
Использование постоянства разности частот сигнала и строб-импульсов для стробоскопического наблюдения особенно удобно, если подобрать или специально изготовить кварцевый генератор с частотой, близкой к частоте 'сигнала или к частоте, в несколько раз меньшей ее. Сама частота сигнала предполагается очень стабильной. Однако часто нужно наблюдать сигналы с различными частотами. В этом случае применение подобных стробоскопических осциллографов с кварцевым генератором вряд ли возможно. Применять перестраиваемые 32
по частоте генераторы для сов также затруднительно, генераторы не обладают стоты.
формирования строб-импуль-так как обычно диапазонные высокой стабильностью ча-
Стробоскопический осциллограф с фазовой модуляцией частоты строб-импульсов
Известно, что многие физические установки и приборы запускаются от высокочастотных генераторов. Импульсы сигнала в них жестко синхронизованы с высокочастотным напряжением. В этих приборах высокочастотное напряжение генератора можно использовать для формирования строб-импульсов. В простейшем случае частота следования строб-импульсов равна ча
Рис. 110. Упрощенная блок-схема стробоскопического осциллографа с фазовой модуляцией строб-импульсов.
стоте генератора. Вообще говоря, можно применить делители частоты и формировать строб-импульсы с частотой следования в целое число раз меньше частоты генератора или частоты -сигнала. -
Рассмотрим случай равенства частот. Предположим, что высокочастотное напряжение внешнего генератора, используемое для получения строб-импульсов, предварительно модулируется по фазе низкочастотным напряжением генератора развертки '(рис. 10). Форма этого на
33
Пряжения пилообразная или синусоидальная. Тогда по такому же закону будет изменяться во времени фаза высокочастотного напряжения и положение строб-им-пульсов, вырабатываемых из этого напряжения.
Периодическое смещение строб-импульсов позволит получить вырезки сигнала, огибающая которых повторит форму импульса сигнала. Для наблюдения формы огибающей горизонтальное отклонение луча осциллографа должно производиться тем же напряжением, которым создается модуляция по. фазе.
Рис. 11. Блок-схема стробоскопического осциллографа с фазовой модуляцией строб-импульсов.
На рис. 11 приведена блок-схема стробоскопического осциллографа с фазовой модуляцией [5]. Источником синусоидального высокочастотного напряжения служит генератор с кварцевой стабилизацией частоты КГ (f= = 5,208 Мгц). Напряжение с генератора поступает на фазовращатель ФВ с ручной регулировкой фазы. Затем следует фазовый модулятор ФМ, к которому подводится пилообразное напряжение с частотой 1 кгц от генератора развертки ГР. Модулированное по фазе напряжение подводится к умножителю частоты У72, в котором частота увеличивается в шесть раз и становится равной 31,25 Мгц. Соответственно во столько же раз возрастает и глубина модуляции фазы. Первоначальное изменение фазы составляет 60°, поэтому изменение фазы после умножителя достигает 360°, что позволяет Перекрыть период исследуемого сигнала. Сигналом служат колебания с частотой 31,25 Мгц, полученные с помощью умножителя УЧЬ
М
Генератор строб-импульсов ГС ограничивает высоко-частотное напряжение по амплитуде и укорачивает полученные импульсы по длительности. Короткие импульсы используют как строб-импульсы. Строб-импульсы н импульсы исследуемого сигнала, следующие с одинаковой частотой, подводятся к преобразователю П. В результате фазовой модуляции высокочастотного напряжения строб-импульсы периодически смещаются во времени с частотой 1 кгц.
Для выделения огибающей вырезок сигнала, получающихся на выходе преобразователя, используется накопление заряда в конденсаторе. Период исследуемого сигнала 32 нсек. Постоянная времени заряда емкости преобразователя меньше периода сигнала, а постоянная времени разряда велика — около 1 мксек. Это .позволяет «запомнить» мгновенное значение сигнала в момент появления любого строб-импульса до приводя следующего.
Рассмотрим некоторые особенности схемы стробоскопического осциллографа с фазовой модуляцией. Для ручной регулировки фазы служит 4-секторный конденсатор. Регулируя фазу, можно перемещать наблюдаемый сигнал по экрану осциллографа. Периодическая модуляция фазы обеспечивается с помощью полупроводникового диода — варикапа, который присоединен к аноду лампы через конденсатор в 22 пф. Под действием вилообразного напряжения периодически ' изменяется емкость варикапа и, следовательно, фаза напряжения.
Для получения пилообразного напряжения использована обычная схема из мультивибратора и /?С-цепоч-ки. Мультивибратор создает прямоугольные импульсы, а /?С-цепочка формирует пилообразное напряжение. С помощью катодных повторителей пилообразное напряжение подводится к пластинам электроннолучевой трубки и к варикапу. Прямоугольные импульсы мультивибратора подводятся также к модулятору трубки, чтобы погасить луч во время обратного хода.
Модулированное по фазе высокочастотное напряжение с выходного каскада умножителя частоты подводится к дисковому триоду Й639А, который предназначен для получения из синусоидального напряжения строб-импульсов. Триод работает в режиме ограничения сигнала. Напряжение подводится к катоду, а управляющая сетка по высокой частоте заземлена, чтобы уменьшить
35
проходную (емкость между катодом и анодом. Триод имеет значительную крутизну и большую мощность, рассеиваемую на аноде. В анодную цепь включен ртрезок\ коаксиального кабеля, закороченный на конце. Поэтому) импульс в анодной цепи оказывается короче входного импульса. Дальнейшее укорочение строб-импульсов происходит в выходной лампе 5876. Для согласования с волновыми сопротивлениями кабелей входное и выходное сопротивления этого каскада равны 50 ом, Строб-импульсы подводят к преобразователю, в качестве которого используют полупроводниковый диод 1N263.
Как уже отмечалось, минимальное наблюдаемое время нарастания сигнала определяется шириной ,строб-импульса, которая в рассматриваемой схеме была равна около 0,3 нсек. Смещая с помощью фазовращателя строб-импульс, можно наблюдать любую часть периода сигнала, равного 32 нсек. Регулировкой усиления в цепи горизонтальной развертки электроннолучевой трубки можно изменить шкалу времени от 1 до 30 нсек. При частоте фазовой модуляции 11 кгц за один период развертки получается 31250 строб-импульсов. Часть строб-импульсов приходится на обратный ход луча. Чтобы не ухудшалось изображение, и применяется отмеченное ранее гашение электронного луча при его обратном ходе по экрану.
Вообще говоря, обратный ход можно использовать для наблюдения другого сигнала. В этом случае для модуляции фазы вместо пилообразного напряжения следует брать синусоидальное. 1Конечно, необходим электронный коммутатор сигнала, синхронный с напряжением модуляции.
Описанный осциллограф был использован для наблюдения синусоидального сигнала с частотой 500 Мгц, а также для наблюдения огибающей радиочастотного сигнала с несущей частотой 10000 Мгц (10 Гец) при масштабе горизонтальной развертки 1 нсек на 1 см (рис. 12).
В описанной схеме осциллографа умножение частоты использовано для увеличения глубины модуляции фазы. Умножитель не является принципиальным элементом схемы, это скорее особенность описываемого варианта. Главное же заключается в применении фазовой модуляции.
36
Способ фазовой модуляции можно применить и в том случае, если и без вспомогательного генератора запуска источник создает периодический высокочастотный сигнал. В этом случае в стробоскопическом осциллографе надо иметь собственный ВЧ-генератор, который
Рис. 12. Осциллограммы, полученные стробоскопическим осциллографом с фазовой модуляцией, при исследовании синусоидального сигнала
500 Мгц (а) и огибающей СВЧ-колебаний с несущей частотой 10 Ггц (б).
должен быть синхронизован высокочастотным сигналом. Затем следует ввести фазовую модуляцию и получить строб-импульсы.
Стробоскопический СВЧ-осциллограф
В стробоскопических осциллографах, в которых высокочастотная часть ^схемы (преобразователь и генератор строб-импульсов) выполнена на полупроводниковых или ламповых электронных приборах, трудно получить очень короткие строб-импульсы и очень широкую полосу частот.
Е. 1Б. Володин и В. Н. Никифоров [6] описали разработанный ими стробоскопический осциллограф, высокочастотная часть которого собрана на элементах техники СВЧ-колебаний — лампах бегущей волны и волноводных элементах, обладающих очень большой щиро-кополосностью.
Получение строб-импульсов в этом осциллографе основано на той особенности лампы бегущей волны (ЛБВ), что коэффициент ее усиления резко падает (до тысячи раз), когда входной сигнал становится больше некоторой величины. Практически строб-импульсы получают следующим образом. К ЛБВ подводят управляющие СВЧ-колебания от двух отражательных клистрон-ных генераторов с различными частотами. Таким обра-
37
зом, входной сигнал ЛЕВ имеет характер биений, огибающая которых показана на рис. 13. Биения приводят к резкому изменению мощности выходного сигнала вследствие резкой зависимости коэффициента усиления от входного сигнала. Выходные импульсы оказываются очень короткими и используются как строб-импульсы. Длительность строб-импульсов зависит от амплитуды управляющих колебаний, а частота равна частоте биений, т. е. разности частот управляющих колебаний. Таким образом, в этом осциллографе очень легко управлять частотой строб-импульсов: для этого достаточно
Рис. 13. Периодические изменения коэффициента усиления и выходной мощности ЛЕВ напряжением СВЧ-биений.
изменить частоту одного из клистронов, регулируя напряжение на отражательном электроде или перестраивая резонатор. Регулировкой выходной мощности клистронов можно изменять длительность строб-импульсов.
Отметим также, что ЛБВ используется и как стробоскопический преобразователь сигнала. Принципиальная блок-схема стробоскопического осциллографа показана на рис. 14.
К ЛБВ\ подводят два управляющих напряжения Ру\ и РУ2 от отражательных клистронов Ki и /<2 с частотами fi и f%. С помощью кристаллического модулятора М производится модуляция исследуемым сигналом с частотой Fq колебаний третьего клистронного генератора Лз, частота которого fo. Частотный спектр колебаний на выходе модулятора Рм показан на рис. 14. Напряжение с выхода модулятора подводится к ЛБВ\. Под действием напряжения биений управляющих напряжений Ру\ и РУ2 ЛБВ\ работает как стробоскопический преобразователь, если частоты строб-импульсов (биений) и сигнала не равны. (Использование такой разности частот мы уже рассматривали раньше.) Импульсы СВЧ-колебаний на выходе ЛБВ^ оказываются
38
модулированным по амплитуде сигналом, поступающим с модулятора. Спектр на выходе ЛБВ\ обозначен Рь После ЛБВ\ поставлен полосовой фильтр ПФ, выделяющий часть спектра 2 Д/, несущую информацию об исследуемом сигнале. Полоса пропускания фильтра 20 7Игц достаточна для пропускания десяти гармоник преобразованного сигнала. В осциллографе частота fi клистрона Ki выбрана такой, чтобы частоту исследуемого сигнала Ео можно было преобразовать в частоту, лежащую в диапазоне 0,5—1,5 Мгц,
рм

Рис. 14. Упрощенная блок-схема стробоскопического СВЧ-осциллографа.
Так как напряжение преобразованного сигнала на выходе фильтра весьма мало, то предусматривается усиление сигнала второй лампой бегущей волны — ЛБВ^. Исследуемый сигнал выделяется после ЛБВ% демодулятором Д и затем дополнительно усиливается усилителем с полосой пропускания от 0,5 до 4,5 Мгц. Для наблюдения сигнала использован осциллограф ЭО-58М с полосой пропускания 5 Мгц и чувствительностью ;1,6 мв/мм.
Для получения хорошей стабильности частоты строб-импульсов необходимо стабилизировать частоты клист-ронных генераторов и Къ с помощью системы автоподстройки (на рис. 14 она не показана). Систему авто-подстройки можно использовать и для внешней синхронизации. В этом случае появляется возможность иссле
89
довать фазовые соотношения между наблюдаемым сигналом и колебанием, поступающим в канал синхронизации.
Полосовой фильтр на выходе ЛБВХ представляет собой волноводную полость, отделенную двумя индуктивными диафрагмами. Эта система эквивалентна обычному резонансному контуру. В рассматриваемом
•-wwwm
Рис. 15. Осциллограммы, полученные с помощью стробоскопического СВЧ-осциллографа:
а — синусоидальный сигнал 180 Мгц (10 лее); б — синусоидальный сигнал 300 Мгц (10 мв), выделенный из смеси синусоидальных напряжений 400 Мгц (100	60 Мгц (100 мв) и 200 Мгц
(50 мв).
случае полоса частот контура, как уже отмечалось, составляла 20 Мгц. Фильтр выделяет часть спектра Af=±10 Мгц, не пропуская частоты управляющих напряжений и другие составляющие спектра на выходе ЛБВь
При экспериментальном исследовании макета стробоскопического осциллографа были получены максимальная полоса частот до 2 Ггц и высокая чувствительность— 1 мв1мм. По мне-
нию авторов, эти параметры могут быть улучшены в несколько раз. Частота следования сигнала может на-
ходиться в пределах от 10 Мгц до 2 Ггц. :На рис. 15 показана осциллограмма сигналов, полученных с помощью стробоскопического СВЧ-осциллографа.
Глава 5
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ СТРОБОСКОПИЧЕСКОГО
ОСЦИЛЛОГРАФИРОВАНИЯ
Двухканальный стробоскопический осциллограф
В современных стробоскопических осциллографах предусматривается возможность одновременного наблюдения двух сигналов. В осциллографе имеется два канала, в каждом — свой преобразователь. Однако преобразователи работают поочередно в результате поочередного воздействия строб-импульсов. Выходные импульсы сигнала каждого преобразователя удлиняют-40
ся и подводятся к пластинам вертикального отклонения ЭЛТ.
Одновременное наблюдение на экране двух сигналов позволяет проследить изменение формы импульса и временной сдвиг в двух точках исследуемой схемы или фазовые сдвиги синусоидальных сигналов в высокочастотных схемах. Если сигналы подаются на разные пары пластин, то на экране ЭЛТ можно наблюдать фигуры Лиссажу и измерять сдвиг фазы высокочастотных синусоидальных сигналов. Наличие двух каналов, безусловно, сильно расширяет возможности стробоскопического метода наблюдения.
Самостробирующий осциллограф
В этом осциллографе в качестве строб-импульсов используются сами импульсы исследуемого сигнала. Это упрощает схему осциллографа и позволяет наблюдать очень короткие импульсы сигнала. В обычном стробоскопическом осциллографе для наблюдения более коротких импульсов требуются и более короткие строб-импульсы. В самостробирующем осциллографе это требование выполняется автоматически.
Блок-схема самостробирующего устройства показана на рис. 16 [7]. Исследуемый сигнал попадает в устройство через коаксиальный разветвитель Pi, который создает два импульса. Один импульс распространяется вдоль ветви Ь\, второй — вдоль &2. Обе ветви являются высокочастотными линиями с волновым сопротивлением 50 ом. Аттенюаторы А служат для получения нагрузки линий, равной волновому сопротивлению. Тогда не будет отражений сигнала от нагрузки и искажения формы импульса. В юдну ветвь включена линия /3 с переменной задержкой. Импульсы с обеих ветвей поступают на схему совпадения, состоящую из разветвителя Р2 и детектора— кристаллического диода D с широкой полосой пропускания.
При изменении длины линии задержки /3 (времени задержки) один импульс на входе детектора смещается относительно другого, меняется степень перекрытия импульсов и, следовательно, напряжение на выходе. Если вначале, при некоторой величине задержки, импульсы не перекрываются, то при последующем увеличении задержки импульсы начнут перекрываться, совпа-
41
дать, а затем полностью разделяться. При периодическом изменении задержки форма выходного напряжения, конечно, не будет совпадать с формой импульса сигнала, но по ней можно получить представление о форме исследуемого импульса.
Рис. 16. Блок-схема сам остр обирующего осциллографа.
Предположим, что детектор имеет квадратичную характеристику:
i == аи2.
Обозначим (f) и (I) изменения во времени обоих импульсов. Тогда суммарное напряжение на входе детектора
и (0 - их (t) + и2 (t).
Напряжение на выходе детектора пропорционально его току i = а \их (0 + «2 (О]2 = а [«х2 (/) +	(/) (t) + «22 (01 •
Если импульсы не перекрываются, то
В случае полного перекрытия это произведение максимально.
Более детальное рассмотрение показывает, что, наблюдая зависимость выходного сигнала детектора от времени задержки, можно определить по параболической части зависимости сумму времени нарастания (фронта) и спада импульса сигнала (£фр+^сп)> по линейной части —ширину плоской части импульса ^Пл> а по наклону линейной части — амплитуду импульса. 42
Результаты измерений показаны на рис. 17. По вертикальной оси отложено относительное отклонение луча ЭЛТ, соответствующее выходному напряжению детек
тора, а по горизонтальной — длина линии задержки
При длине примерно
^3-
25 см импульсы начинают перекрываться, так как выходной сигнал возрастает. Наклон кривой остается постоянным при изменении длины линии от 45 до 100 см. Затем сигнал уменьшается, что указывает на начинающееся расхождение импульсов. При длине примерно 175 см импульсы полностью расходятся н
Рис. 17. Экспериментальная зависимость выходного сигнала детектора от длины линий задержки
выходное напряжение перестает изменяться н оказывается равным напряжению при нулевой длине линии.
В эксперименте использовалась воздушная линия задержки, в которой 30 см длины соответствовали времени задержки 1 нсек. Поэтому, предполагая, что импульс сигнала имеет форму трапеции, можно вычислить по кривой на рис. 17, что длительность плато импульса ^пл=‘2,8 нсек, а сумма времени фронта и спада (^фр+ + ^сп)=0,7 нсек. Эти же величины, измеренные обычным стробоскопическим осциллографом, составляли соответственно приблизительно 2 и |1 нсек.
Несмотря на ряд экспериментальных трудностей, метод самостробирования является перспективным. Дальнейшая разработка позволит перейти к наблюдению этим методом еще более коротких импульсов, с временем фронта и спада, существенно меньшим 1 нсек.
Развитие способов регистрации сигиала
Наблюдение сигнала на экране ЭЛТ во многих случаях не дает необходимой точности отсчета. Фотографирование экрана и последующая обработка
43
изображения частично решают эту задачу. Однако лучшим решением является применение схем запоминания, записи на ленту самописца или на ленту в цифровом виде. Эти методы и применяются в современных стробоскопических осциллографах.
В запоминающем осциллографе изображение на экране можно сохранить сколь угодно долго. Изображение при необходимости [«стирается» нажатием кнопки. Это особо важно при наблюдении редко повторяющихся импульсов. Осциллограммы разных импульсов можно совмещать, при этом яркость изображения возрастает. Случайные выбросы на импульсах при таком наложении создают лишь слабый фон.
В одном из рекламных сообщений фирмы «Analab. Instrument. Corp.» (США) описывается запоминающий стробоскопический осциллограф 1220/70 для регистрации сигналов с частотным спектром от 0 до 5 Ггц. Чувствительность этого осциллографа высокая — 2 мв)см. Осциллограф двухканальный, время нарастания в каждом канале 0,5 нсек. Оба канала имеют внутренние линии задержки, позволяющие обходиться без внешнего запуска развертки. Внутренний запуск может осуществляться при частотах повторения до 5 Ггц. Скорость развертки регулируется от 60 нсек!см до '2 мксек!см. С помощью отдельного программирующего устройства можно регистрировать последовательно десять импульсов от разных источников сигнала или в десяти разных точках одного прибора. Для каждого сигнала отводится своя часть экрана. Все осциллограммы располагаются одна под другой и сохраняются как угодно долго.
Для регистрации сигнала на ленте необходимо в осциллографе иметь специальный выходной каскад. Принципиальных трудностей при этом нет. Можно использовать для записи сигнала различные типы самописцев. В одном из стробоскопических осциллографов использован широко распространенный у нас потенциометр — самописец типа ЭПП-09 Ml [3].
Запись сигнала в цифровом виде в настоящее время широко используется в электронно-вычислительных машинах. Цифровая запись результатов измерения на ленту нашла уже применение и в экспериментальной ядер-ной физике. Поэтому каких-либо особых трудностей при использовании техники цифропечати в стробоскопических осциллографах не существует.
44
Стробоскопический осциллограф для наблюдения случайных импульсов
Наблюдение периодически следующих импульсов сигнала стробоскопическим осциллографом возможно потому, что либо развертка луча и строб-импульсы синхронизованы с входным сигналом, либо источник сигнала можно запускать внешними импульсами, которые одновременно используются и для получения строб-импульсов и развертки. Так или иначе, но обеспечивается синхронность процессов в осциллографе с сигналом.
Однако даже при внешнем запуске источника сигнала положение импульса сигнала во времени по ряду причин оказывается нестабильным, нарушается периодичность, появляется «дрожание» импульса. В этом случае изображение сигнала на экране окажется размытым, так как при каждой новой развертке или новом цикле зондирования сигнала строб-импульсы будут попадать в другие точки импульса сигнала.
Еще в [1952 г. Мак-Куин предложил способ борьбы с этим недостатком в первом стробоскопическом осциллографе с эффективной полосой пропускания до 300 Мгц [8].
В схему осциллографа было введено корректирующее («антидрожательное») устройство. Источник сигнала запускался импульсами генератора, входящего в схему осциллографа. Между этим генератором и источником сигнала введена регулируемая задержка времени. Импульсы генератора, предшествующие импульсам сигнала, запускают сначала схему генерирования строб-импульсов. Горизонтальная координата точки изображения на экране при любом строб-импульсе определяется в этом осциллографе временем между строб-импульсом и фронтом импульса сигнала. Для измерения этого времени вырабатывается вспомогательный импульс, связанный с фронтом импульса сигнала. В результате удается получить на экране хорошее изображение сигнала.
На рис. 118 приведены осциллограммы фронта импульсного сигнала магнетрона с длиной волны 3 см, полученные обычным стробоскопическим осциллографом. Размазанность фронта объясняется нестабильностью запуска тиратрона, использованного в схеме пита-
45
Ния магнетрона. Применение «антидрожательного» устройства позволило получить осциллограмму, показанную на рис. (18, а.
Описанный способ стабилизации изображения импульса сигнала на экране аналогичен по результату запуску развертки обычных импульсных осциллографов от сигнала, в цепь которого включена линия задержки. Но включение этой линии приводит к искажению сигнала. В рассмотренном стробоскопическом осциллографе нет линии задержки в цепи сигнала, поэтому нет
Рис. 18. Осциллограммы переднего фронта импульса магнетрона с корректирующим устройством (а) п без него (б).
недостатка, свойственного обычным осциллографам с линией задержки.
Мы рассмотрели случай нестабильности следования импульсов сигнала. Но часто требуется наблюдать сигналы, появление которых носит совершенно случайный характер, например импульсы фотоумножителей при регистрации ядерных излучений. Как применить стробоскопический метод наблюдения к этому случаю?
В 1957 г. Сагерман описал вариант стробоскопического осциллографа для наблюдения статистически следующих импульсов [9]. В осциллограф была введена для сигнала задержки ~8*10~8 сек, н поэтому возможен внутренний запуск развертки от заднего фронта наблюдаемого импульса. Однако внутренний запуск усложняется, если исследуемый импульс имеет статистическую неопределенность формы или площади. Особенно это важно при наблюдении слабых сигналов, сравнимых с уровнем шума. Большой разброс в амплитуде и форме импульса наблюдается на выходе фотоумножителей, регистрирующих ядерное излучение. Кроме разброса по энергии падающих на фотокатод частиц име-46
ется неопределенность выхода электронов с фотокатода, времени собирания и коэффициента усиления.
В обычном осциллографе с запуском развертки от сигнала момент начала развертки зависит от амплитуды импульса и его формы. Поэтому имеем размазывание изображения не только ^а счет действительной нестабильной амплитуды и формы импульса, но и «ложное» размазывание, связанное с зависимостью начала развертки от амплитуды и формы входного импульса. Для борьбы с этими недостатками приходится прибегать к фотографированию одиночных импульсов, а затем выбирать средний импульс из большого числа фотографий или обрабатывать негатив после длительной экспозиции с помощью денситометра или микрофотометра. Стробоскопический осциллограф не может изображать одиночный импульс. Поэтому надо искать другой путь.
Сагерман предложил использовать устройство, отбирающее только вырезки тех импульсов сигнала, которые попадают в специальный сортирующий канал. Это устраняет как влияние изменения площади сигнала, так и временное смещение (дрожание) изображения. Однако этот способ не устраняет влияния неопределенности формы сигнала и вызванного ею дрожания изображения. Чтобы нестабильность формы сигнала меньше сказывалась на запуске развертки, необходимо применять специальные скоростные (широкополосные) триггерные устройства, которые запускаются от переднего фронта сигнала, где временная неопределенность обычно меньше, чем на заднем фронте. Применение этих мер позволило наблюдать импульсы с любой степенью неопределенности по площади, разбросом (дисперсией) по форме около ’10% и дрожанием изображения примерно 2- 1О“10 сек.
Вертикальное размазывание сигнала изображается как вертикальное распределение точек, которые можно легко просмотреть; чтобы найти форму «среднего» импульса. Однако этот процесс усреднения можно автоматизировать, применив интегрирующие схемы. За большое время влияние нестабильностей и шума сильно уменьшается, а энергия от сигнала накапливается. Таким образом, в этом случае одновременно улучшается отношение сигнала к шуму, приведенному ко входу устройства. Другими словами, ценой увеличения времени наблюдения можно перейти к наблюдению сигна
• 47
лов на уровне шума, ,что сделать обычными средствами практически невозможно. На эти преимущества стробоскопического метода наблюдения сигналов впервые обратил внимание Б. А. Мамырин [ 10].
Описанный Сагерманом стробоскопический осциллограф имеет время нарастания 5,6-10-10 сек (между уровнями 10 и 90%), максимальную скорость развертки около 4*10-и сек/см, максимальную чувствительность примерно 6 мв/см. Приведенный ко входу пиковый уровень шумов составляет около 0,3 мв. Осциллограф одинаково успешно регистрирует и периодические, и случайные импульсы, так как дрожание изображения, связанное с изменением амплитуды случайных импульсов, устраняется отбором только тех импульсов, которые попадают в сортировочный канал.
В 1964 г. появилась работа [11], в которой экспериментально доказано, что для стробоскопического наблюдения непериодических сигналов можно использовать строб-импульсы, создаваемые вспомогательным генератором периодических импульсов, который не синхронизован с исследуемым сигналом.
В этом случае положение строб-импульсов случайно по отношению к сигналу. Работа осциллографа основана на измерении отрезка времени между началом импульса сигнала и строб-импульсом. Блок-схема осциллографа показана на рис. 119.
Пусть сигнал поступает на вход схемы в момент времени Одновременно с появлением сигнала на другой вход прибора поступает импульс, который запускает устройство развертки, создающее линейно нарастающее напряжение. Допустим, что через произвольное время t\ на третий вход схемы подается строб-импульс. Строб-импульс поступает на схему преобразования (отбора), на выходе которой получается импульс с амплитудой, пропорциональной мгновенному значению сигнала в момент времени /о+/ь Эта амплитуда запоминается в схеме памяти, и удлиненный импульс подводится к пластинам вертикального отклонения ЭЛТ.
Но строб-импульс поступает и на линию задержки с временем задержки /3. Задержанный строб-импульс приходит в блок временной развертки и прекращает развертку. Таким образом фиксируется уровень напряжения развертки, соответствующий моменту времени fo+Л+^з. Этот уровень запоминается в схеме памяти
48
канала горизонтального .отклонения луча ЭЛТ. Амплитуда сигнала на схеме памяти будет функцией интервала времени 6 + от момента начала сигнала до момента остановки генератора развертки.
Таким образом, в схемах памяти сохраняется информация о мгновенном значении сигнала в момент поступ
Сигнал
Линия задержки
Рис. 19. Блок-схема стробоскопического осциллографа для наблюдения нерегулярно следующих во времени импульсов.
ления строб-импульса и о временной координате строб-импульса. При подаче напряжений с обеих схем памяти на разные пары пластины ЭЛТ электронный луч будет смещаться в определенную точку экрана. Через 2— 3 мксек память выключается и схема готова к следующему запуску и изображению нового мгновенного значения сигнала и т. д. В течение достаточно большого времени точки на экране изобразят форму исследуемого сигнала. Если импульсы сигнала приходят редко, то необходимо фотографировать экран осциллографа. Па рис. 20 приведены осциллограммы, полученные при фотографировании экрана в моменты прихода 21-го строб-импульса.
Авторы работы [И] приводят некоторые параметры экспериментального образца стробоскопического осциллографа. Полоса пропускания его более 250 Мгц. Ско
49
рость развертки изменяется от 10 нсек/см до 1 мксек/сМ при чувствительности горизонтального отклонения ; луча 0,2 в/см. Коэффициент усиления в канале вертикального отклонения равен 10. Уровень шумов, приведенный ко входу, составляет 3—5 мв. Входное сопротивление 50 ом. Строб-импульсы формируются из импульсов блокинг-генератора с помощью диода 1N914 с малым временем восстановления обратного сопротивления. Частота блокинг-генератора, собранного на транзисторе,
11	*
21.
5 • 9.
16 •
4 .
18 •
12*
Рис. 20. Изображение сигнала на экране, полученное при 21-м строб-импульсе.
равна примерно 100 кгц. Обострение (укорочение) строб-импульсов производится сверхминиатюрной коаксиальной линией длиной 7,2 мм. Для проверки работы схемы использовали серийный стробоскопический осциллограф типа «Tektronix 541». Наблюдали осциллограммы при разных частотах повторения сигнала. При уменьшении частоты за то же время экспозиции уменьшается число точек изображения, 'поэтому с уменьшением частоты приходится увеличивать время экспозиции, хотя это и приводит к размазыванию 1 осциллограммы из-за нестабильностей электронной схемы и послесвечения люминофора экрана.
Преимущество рассмотренного осциллографа со случайным стробированием сигнала заключается в том, что не требуется синхронизация входного сигнала и строб-импульсов. Кроме того, не нужно применять линию задержки в канале сигнала, которая искажает сигнал и уменьшает входное сопротивление прибора. В описанном осциллографе линия задержки находится в цепи строб-импульса.
50
Недостатком же этого осциллографа является то, что время наблюдения определяется не только частотой следования сигнала, как в обычном осциллографе, но также и частотой строб-импульсов, а вернее, частотой совпадения импульсов сигнала и строб-импульсов. Если эти совпадения происходят редко, то время снятия осциллограмм велико.
Параметры серийных стробоскопических осциллографов
Основными параметрами стробоскопических осциллографов, как это следует из всего сказанного, являются эффективная полоса пропускания, связанное с этой полосой время установления сигнала на выходе преобразователя при подаче идеального скачка напряжения на входе и чувствительность. Сейчас уже разработаны Стробоскопические осциллографы с полосой пропускания до 3,5 Ггц. Это стало возможным в результате применения новых быстродействующих полупроводниковых диодов и схем для получения очень коротких строб-импульсов. Чувствительность стробоскопических осциллографов не связана ;с полосой пропускания, поэтому она оказывается высокой, доходит до 1 мв/см.
Основные параметры некоторых серийных стробоскопических осциллографов США
Тип прибора	Полоса пропускания, Мгц	Время установления, псе к	Чувствительность,  мв/см
Lumatron 112А	1700	0,2	3
Tektronix 661/4SI	1000	0,35	2
Hewlett — Packard 185B/187B	1000	0,35	3
В таблице приведены параметры некоторых серийных стробоскопических осциллографов США. В СССР выпускается стробоскопическая приставка к стандартному осциллографу С1-21. Приставка превращает этот осциллограф в стробоскопический с полосой пропускания 200 Мгц и временем установления !2 нсек. Можно наблюдать импульсы с фронтом 2—2,5 нсек и частотой повторения до 20 кгц при амплитуде импульсов от
51
50 мв. Сейчас в СССР начинается серийный выпуск стробоскопического осциллографа с полосой пропускания до 600 Мгц.
Глава 6
ПРИМЕНЕНИЯ СТРОБОСКОПИЧЕСКОГО МЕТОДА НАБЛЮДЕНИЯ
Ядерная физика. В этой области науки стробоскопический осциллограф нашел основное применение при экспериментальных исследованиях на ускорителях заряженных частиц. Во многих современных ускорителях увеличение энергии заряженных частиц производится в результате воздействия высокочастотного напряжения. В процессе ускорения формируются наносекунд-ные сгустки частиц, следующие с частотой приложенного ВЧ-напряжения. Многие ядернофизические исследования требуют сгустков частиц определенной, очень малой длительности. К (таким исследованиям относится, например, определение скорости быстрых нейтронов по времени их пролета. Нейтроны получаются при соударении ускоренных дейтонов с мишенью. Чем короче сгусток ускоренных дейтонов, тем короче нейтронный импульс, тем лучше разрешающая способность метода и точнее определяется скорость. Наблюдая форму сгустка дейтонов с помощью стробоскопического осциллографа, можно контролировать влияние ’ режима работы ускорителя на результаты Измерений.
Однако наблюдение формы сгустков ускоренных частиц представляет и самостоятельный интерес для ускорительной техники. Дело в том, что ускорители — очень сложные установки. На движение частиц в "них оказывают влияние многие факторы, учесть которые расчетом затруднительно. Обычно предусматривают специальные корректирующие устройства, с помощью которых можно скомпенсировать влияние неточностей изготовления элементов ускорителя и, более того, подобрать наилучшие условия для ускорения частиц. Оперативный контроль формы сгустков стробоскопическим осциллографом упрощает настройку ускорителя и облегчает его ввод в эксплуатацию.
52
Рассмотрим пример использований стробоскопического осциллографа на самом распространенном ускорителе заряженных частиц —электростатическом ускорителе Ванде Грааф а.
Стробоскопический осциллограф был I использован для получения [на ускорителе Ван де Граафа очень коротких сгустков частиц (2 нсек) [12].
Рнс. 21. Мншень для пучка ускоренных частиц при контроле формы сгустков стробоскопическим осциллографом.
В обычном ускорителе Вян де Граафа не образуются сгустки, так как в качестве ускоряющего напряжения [используется постоянное ^напряжение, а не высокочастотное. Для получения сгустков ионный пучок, вышедший из источника с помощью специальных отклоняющих пластин, превращается в прерывистый (импульсный). Затем в ^другом устройстве, к которому подводится синусоидальное напряжение с частотой 5 Мгц. создается модуляция частиц по Энергии (по скорости), как в клистронных генераторах СВЧ-колебаний. На пути от модулятора до мишени .частицы группируются в сгустки, т. е. -модуляция по скорости (энергии) превращается в модуляцию ПО ПЛОТНОСТИ.
Для наблюдения формы сгустков вход стробоскопического осциллографа присоединен к специальной мишени (рис. Й1), поставленной на пути пучка. Мишень сконструирована таким образом, чтобы не было искажения формы сигнала, созданного сгустками цаносе-кундной длительности. Токоприемник смонтирован на кварцевом диске. Он соединен с конусным электродом, который вместе с другим конусом образует коаксиальную линию с волновым сопротивлением 50 ом, К выходу этой линии ’присоединяется коаксиальный кабель (с та-
53
Ким же волновым сопротивлением), идущий ко входу осциллографа.
Когда в ускорителе нет сгустков, то при среднем значении тока пучка ускоренных частиц 5 мка на сопротивлении 50 ом получается напряжение 20 мв. Для измерений использовали стробоскопический осциллограф типа Hewlett-Packard 185 В/187В с чувствительностью 10 мв]см и уровнем шумов 2 мв. При наладке контролировали форму напряжения на отклоняющей системе (прерывателе), модуляторе и мишени.
Следующий по распространенности ускоритель заряженных частиц — циклотрон. ’ Принцип действия циклотрона чрезвычайно прост и известен с тридцатых годов. Однако на пути практической реализации этого принципа имеются трудности.
Для идеального ускорения частиц в циклотроне требуется, чтобы йериод обращения частиц в магнитном поле Тм был равен периоду высокочастотного напряжения Гу, приложенного между электродами, т. е. должен быть «резонанс»:
Период обращения I т ___________________ m
м “ е ‘ “я 9
где т, е — масса и заряд ускоряемой частицы; с — скорость света; Н — напряженность магнитного поля.
Условие резонансного ускорения в циклотроне не удается дохранить все время, так как в процессе ускорения увеличение скорости приводит к увеличению массы. Следовательно, период обращения Гм растет, а период ВЧ-напряжения Гу ; остается неизменным. Это приводит к нарушению синхронизма: за каждое .следующее прохождение ускоряющего зазора частица получает все меньшее и меньшее приращение энергии. При значительном Нарушении синхронизма может начаться торможение частиц, т. е. они проходят зазор в тормозящий полупериод высокочастотного напряжения. В результате из-за роста массы частиц уменьшается число частиц, ускоренных до максимальной энергии.
Положение, однако, усложняется тем, что ^магнитное поле Н в циклотроне нельзя оставлять постоянным. Необходимо, чтобы оно спадало от центра магнита к
54
периферии, в противном случае частицы будут удаляться от средней плоскости, т. е. произойдет расфокусировка пучка.
Но спад магнитного поля приводит к еще большему нарушению условия резонанса (синхронизма). Таким образом, условия фокусировки и ! резонанса оказываются противоречивыми.
Можно представить себе такой ускоритель со спадающим магнитным полем, в котором резонанс поддерживается непрерывным изменением периода высокочастотного ускоряющего напряжения по такому закону, чтобы он был равен периоду обращения 'частицы в любой момент времени. Закон изменения периода ВЧ-напряжения должен учитывать одновременно рост массы частицы в процессе ускорения и спад магнитного поля. Подобные ускорители называются фазотронами.
Существует и другой метод сохранения условия резонанса, не нарушающий фокусировку пучка частиц. Предположим, что период Ту ускоряющего напряжения не изменяется. Очевидно, что увеличение массы при ускорении частиц не будет приводить к изменению периода обращения Гм, если по такому же закону заставить увеличиваться магнитное поле Я. В этом случае условие резонанса не будет нарушаться, но! зато не будет фокусировки пучка из-за роста магнитного поля. В 11938 г. Томас (США) опубликовал оригинальный способ получения фокусировки пучка в таком ускорителе. Он предложил ввести азимутальное изменение магнитного поля, т. е. превратить полюса магнитов из плоских в волнистые, с «горбами» и «впадинами», но так, чтобы среднее поле на любой круговой орбите окружности оставалось таким же, как в обычном циклотроне. Период обращения частицы будет определяться средним значением поля за оборот. Поэтому, чтобы синхронизм сохранился, необходим рост среднего значения поля от центра магнита к периферии. Это значит, что зазор между горбами обоих полюсов должен уменьшаться от центра магнита. Конечно, должен уменьшиться зазор и в месте впадин. Томас доказал, что наличие горбов и впадин приводит к появлению эффекта фокусировки. Циклотроны с таким магнитным полем получили название циклотронов с азимутальным изменением магнитного поля.
55
Контроль фазовых соотношений между обращением частиц и ВЧ-ускоряющим Напряжением в обычном циклотроне, фазотроне или в циклотроне с азимутальным изменением магнитного поля и создание I наилучших условий ускорения частиц можно осуществить с помощью стробоскопического осциллографа.
Рис. 22. Схема контроля стробоскопическим осциллографом фазовых «соотношений в циклотроне.
Фазой ускоренных частиц называют фазу ВЧ-напря-жения, при которой частица проходит ускоряющий промежуток. Нулевая фаза соответствует амплитудному значению напряжения. Схема измерения фазы i в циклотроне двухканальным стробоскопическим ! осциллографом показана на рис. [22 [13]. Зонд, принимающий пучок заряженных частиц, помещен внутри экрана. Сигнал, создаваемый сгустками, подводится к первому каналу осциллографа. Запуск производится синусоидальным напряжением, снимаемым с помощью витка связи с резонансного контура циклотрона. Это же напряжение подводится ко второму каналу осциллографа.
На экране осциллографа ’ воспроизводится форма сигнала, создаваемого сгустками частиц, и синусоидальное напряжение, пропорциональное ускоряющему напряжению на дуантах. Из-за задержек в !обеих цепях положение сигнала на экране относительно синусоиды не соответствует реальной Картине. Необходима калибровка по фазе, «привязка» сигнала к синусоиде. 56
Нулевая фаза, соответствующая амплитудному значению синусоиды, может быть найдена двумя способами. В первом используется изменение частоты ускоряющего напряжения от резонансного значения, соответствующего наилучшим условиям ускорения частиц. Измерительный зонд устанавливается близко к ионному источнику. В этом положении амплитуда импульса на экране при изменении частоты мало меняется, если фаза частиц не выходит за диапазон от —90° до +90°, в!не которого высокочастотное поле между дуантами из ускоряющего превращается в тормозящее. Изменение частоты вызывает смещение импульса по экрану. Заметив его крайние положения, соответствующие частотам, при которых начинается заметное уменьшение амплитуды импульса, и найдя середину отрезка, мы определим положение точки на экране, соответствующее фазе 0°.
При втором способе калибровки используется высокочастотная помеха на зонд от -дуантов. В этом случае на вход первого канала осциллографа поступит суммарное напряжение от сигнала и помехи. Помеха появляется вследствие емкостной связи зонда с дуантом. Сопротивление этой емкости и i входное - сопротивление кабеля, равное волновому ' сопротивлению (125 ом), составляют делитель напряжения. Так как сопротивление емкости значительно больше волнового сопротивления кабеля, напряжение от (помехи будет сдвинуто по фазе на 90° относительно напряжения на !дуанте. Переход через нуль 'синусоиды ! помехи (точка 0, рис. 22) соответствует нулевой фазе ускоряемых ‘частиц.
В опытах среднее значение тока пучка составляло 2,5 мка. Разрешение по фазе было лучше, чем 5°. ;Изме-- нение формы сгустка и фазы в процессе ускорения частиц контролировалось путем установки зонда на различные расстояния от источника ионов. Если синхронизовать привод (зонда с движением ленты самописца, то можно осуществлять запись ]на ’ленту.
В рассмотренном случае применения стробоскопического осциллографа для измерений на циклотроне зонд полностью «перехватывал» пучок частиц. Это позволяло наблюдать и форму сгустка, и фазовые соотношения. Однако можно представить себе случай, когда сигнал получается за счет емкостной связи зонда с пучком. Такой способ измерения ’может быть очень полезен в
57
тех ускорителях, где необходимо контролировать качество пучка, не прерывая ^ведущихся физических экспе
риментов.
На рис. 23 показана схема использования стробоскопического осциллографа с емкостным зондом [14]. Пу
чок заряженных частиц можно представить как неко<
торый проводник, тогда между ним и зондом существует емкость. При ширине зонда 25 мм и расстоянии
Стробоскопический осциллограф
Рис. 23. Схема контроля фазы с помощью емкостного зонда.
перемещение этой точки
до оси пучка 18 мм эта емкость оценивается 0,1 пф. Поэтому постоянная времени входной цепи при волновом сопротивлении кабеля 50 ом будет составлять 5-Ю"12 сек. Длительность сгустков составляла 5—20 нсек. Очевидно, что при таком соотношении постоянной времени и длительности сгустков происходит дифференцирование сигнала. Переход сигнала на экране осцил-
лографа через нулевое значение соответствует максимальному значению тока в сгустке ускоренных частиц. Наблюдая по экрану при смещении зонда,
можно получить представление об изменении фазы частиц в процессе их ускорения. Получить по изображению на экране форму самого Сигнала возможно, хотя и
весьма трудно.
Нахождение нулевой фазы на экране может быть сделано одним из описанных ранее способов: по влиянию изменения частоты или по высокочастотной помехе. Результаты калибровки обоими способами совпадали с точностью до нескольких градусов. Чтобы улучшить разрешение по фазе, необходимо брать зонд с малой шириной, но при этом снижается чувствительность. При ширине зонда 25 мм, хотя и снижалось разрешение по фазе, но чувствительность оказывалась достаточной для измерений при малых токах пучка (до 45 мка).
Некоторым преимуществом емкостного зонда является то, что для его калибровки можно использовать открытый провод, по которому проходят импульсы, создаваемые вспомогательным генератором наносекундных
58
импульсов. Открытый провод моделирует пучок заряженных частиц. Калибровка будет тем лучше, чем ближе форма импульсов тока в открытом проводе к форме исследуемых сгустков частиц. Открытый провод, имеющий емкостную связь с зондом, был использован авторами статьи для выбора лучшей конструкции зонда. Провод длиной 3 ж и диаметром 2 мм присоединяли к генератору наносекундных импульсов через линию задержки 60 нсек. Нагрузкой провода служило сопротивление 50 ом. Генератор импульсов — ртутный с частотой 750 имп/сек. Расстояние между проводом и зондом составляло приблизительно 25 мм, максимальный ток в проводе 32,5 ма. Для наблюдения использовали стробоскопический осциллограф Tektronix 555 со стробоскопическим блоком, скорость развертки до 1 нсек!см, чувствительность (10 мв!см. Этот осциллограф применен и для основных измерений на циклотроне.
Аналогично применение стробоскопических осциллографов для контроля фазовых соотношений в циклотроне с азимутальным изменением .магнитного 1поля. Из других применений 1 стробоскопического осциллографа напомним о наблюдении статистически следующих импульсов, получающихся в фотоумножителях при воздействии на детектор ядерного излучения. Стробоскопический осциллограф может оказаться незаменимым прибором при настройке различной измерительной и высокочастотной аппаратуры, импользуемой в экспериментальной ядерной физике, особенно при настройке скоростных пересчетных схем, детекторов ядерных частиц высоких энергий, генераторов наносекундных импульсов. ;
Полупроводниковая электроника. Полупроводниковые приборы все сильнее вытесняют электронные лампы. Развитие полупроводниковой техники невозможно без дальнейшей разработки методов массового контроля параметров и отбраковки изготавливаемых приборов. Хороший контроль качества продукции позволяет тщательнее отработать технологию производства и уменьшить разброс параметров приборов.
При массовом выпуске полупроводниковых диодов и триодов (транзисторов) производится контроль их типовых параметров. Часто требуется 1 также проверка импульсных свойств этих (приборов, например времени восстановления обратного сопротивления диода при пе-
59
реходе от прямого включения диода к обратному, fi специальных импульсных диодах оно может составлять доли наносекунды. Диоды с малым временем восстановления обратного сопротивления необходимы, в частности, для преобразовательных схем стробоскопических осциллографов, i
Стробоскопический метод позволяет создать приборы для полуавтоматического и автоматического контроля импульсных свойств полупроводниковых приборов. Прибор фирмы «Wiltron Company» измеряет время восстановления обратного сопротивления в пределах от 1 до 50 нсек, а фирмы «Texas Instruments» — от Д до 10 нсек.
Применение обычного стробоскопического осциллографа для массового контроля переходных характер^ стик полупроводниковых приборов неэффективно. .Определение длительности процесса по меткам времени утомительно, требует значительного времени и поэтому не обеспечивает высокой производительности контроля. Кроме того, наблюдение на экране осциллографа не позволяет автоматизировать процесс разбраковки полупроводниковых приборов по параметрам, i
Принципиально можно, сохранив стробоскопический метод 'наблюдения, обойтись i без осциллографической трубки. Для этого достаточно последовательно j измерять сигнал на выходе преобразователя при различных положениях 'строб-импульса относительно импульса .сигнала, устанавливаемых с помощью линии задержки. Сняв зависимость показаний вольтметра от величиаЫ задержки строб-импульса и построив график, !мы получим форму исследуемого импульса. Для снятия всей кривой требуется много времени, но при необходимости* для документального контроля, можно применить записывающее или цифропечатающее устройство.
Стробоскопический метод контроля без трубки ркаг зывается удобным для массового контроля полупроводниковых приборов по длительности переходных процессов. Возможности этого способа и результаты его применения были описаны Г. А. Маранцем [15]. Прибор был назван автором стробоскопическим запаздывающим вольтметром.
Пусть требуется отобрать транзисторы по длительности переднего фронта импульса выходного (коллекторного) тока. Будем считать годным тот транзистор,
60
у которого время (нарастания выходного тока до уровня 0,9 относительно установившегося значения меньше, чем задано техническими условиями. Обозначим заданное время /Макс- Введем в канал формирования строб-импульсов задержку времени, равную '/макс- Тогда строб-импульсы будут появляться через время /макс после подачи входного ; импульса. Величина установившегося тока известна заранее, поэтому известна и величина 0,9 1 /уст- Если в момент ( прихода строб-импульса мгновенное значение сигнала меньше, чем 0,9 /уст, то транзистор имеет большое время переднего фронта, не удовлетворяющее техническим : условиям. Такой транзистор должен быть забракован. I Аналогично можно проконтролировать время рассасывания носителей в базе Транзистора и длительность спада выходного тока.
С : помощью ( стробоскопического запаздывающего вольтметра можно сортировать полупроводниковые диоды по времени восстановления обратного сопротивления. Стробоскопический запаздывающий вольтметр сохраняет (высокую чувствительность и 1 широкополос-ность, характерные для стробоскопического ! осциллографа, но может работать при большом уровне шума. Последнее объясняется тем, что стрелочный прибор в пиковом вольтметре преобразователя усредняет значение измеренной величины и тем самым уменьшает допустимое отношение сигнала к шуму. Прибор позволяет производить измерения при времени нарастания и спада импульсов около 1 нсек,
В описанном стробоскопическом вольтметре использовали серийные радиоизмерительные приборы: генератор импульсов ГКИ-4Б и (пиковый вольтметр МВИ-1. Генератор служил источником импульсов, подводимых к полупроводниковым приборам, и для ! формирования строб-импульсов. Применение ! стандартных приборов упрощает установку. Однако в ^гех случаях, когда требуется смещать строб-импульс Относительно сигнала на время, большее 80 нсек, необходимо вводить дополнительную линию задержки.
В 1963 г. Ганн (США) (при исследовании Полупроводниковых материалов из арсенида галлия обнаружил эффект, который сразу же привлек внимание специалистов многих стран. Эффект ; заключается в том, t что когда к образцу полупроводникового материала прикладывают постоянное напряжение, создающее в образ-
61
це напряженность поля более некоторой критической величины ,(3,5 кв! см), то во внешней цепи появляются наносекундные импульсы тока, которые следуют с частотой, определяемой длиной образца (20—1000 мкм).
Простота способа получения коротких импульсов позволяет использовать приборы Ганна для генерирования СВЧ-колебаний. Сейчас уже имеются такие генераторы с импульсной мощностью 40 мет на частоте 40 Ггц. Итак, генераторы на приборах Ганна становятся конкурентами электронных маломощных генераторов СВЧ-колебаний — отражательных клистронов-
Полная теория приборов Ганна еще не разработана, поэтому большую ценность имеют экспериментальные исследования. Для контроля импульса тока и распределения потенциала в образце применяли стробоскопические осциллографы. В одной работе ' использовали осциллограф типа Hewlett—Packard 185В для измерения длительностей импульсов до нескольких десятков наносекунд, в 1 другой — типа Hewlett—Packard 185А/188А с предварительным ! усилителем, имеющим время установления (нарастания) меньше 0,1 нсек.
Вычислительная техника. Наносекундную технику в настоящее время начинают использовать для , разработки быстродействующих электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Большое быстродействие и 'малые габариты ЭВМ обеспечивают магнитные элементы. Сейчас особое внимание уделяется применению тонких магнитных пленок, f
Стробоскопический осциллограф может быть использован для исследования I процессов намагничивания и перемагничивания тонких магнитных пленок наносе-кундными импульсами тока. Одно из таких применений описано О. С. Колотовым и В. А. Погожевым [16]. В стробоскопическом преобразователе сигнала ими был применен обычный СВЧ-диод (ДКС-ЗМ). Собственное время установления было не хуже 0,3 нсек, а чувствительность '10 мв/см. На рис. 24 приведена осциллограм-' ма сигнала, полученного при перемагничивании тонкой пермаллоевой пленки.;
Конечно, приведенным примером не может ограничиваться возможное применение стробоскопического осциллографа при разработке быстродействующих ЭВМ.
Радиотехника. Стробоскопический осциллограф может быть использован для контроля работы высокоча-62
стотных генераторов в различных радиотехнических системах связи, радиолокации и навигации. Он позволяет наблюдать фазовые соотношения и переходные процессы в генераторах СВЧ-колебаний, работающих , в
импульсном режиме. Мы уже приводили раньше при-
мер наблюдения переходного процесса в магнетроне (см. рис. 48), нетрудно представить себе и другие измерения.
Наблюдение фазовых соотношений возможно с помощью двухканальных стробоскопических осциллографов. При одновременном наблюдении на экране двух синусоидальных колебаний для отсчета сдвига фазы используется масштаб времени развертки
Рис. 24. Сигнал перемагничивания пермаллоевой пленки.
или метки времени. В случае подачи обоих сигналов к различным парам пластин ЭЛТ отсчет сдвига фазы можно определить также по фигуре
Лиссажу.
Стробоскопический осциллограф ’ используется для наблюдения огибающей коротких импульсов СВЧ-коле-
баний. На рис. 42,6 была показана осциллограмма огибающей импульса колебаний с несущей частотой 10 Ггц при масштабе развертки 1 нсек!см. Осциллограмма получена с помощью стробоскопического осциллографа с фазовой модуляцией частоты строб-импульсов. В этом осциллографе преобразователь выполнен на базе волноводной секции.
Выделение периодических 1 сигналов из шумов. Из-за
большой важности этого вопроса рассмотрим его отдельно. Известно, что цифровое 1 усреднение слабого
повторяющегося сигнала позволяет улучшить отношение уровней сигнала и помехи, т. е. дает возможность наблюдать более слабые сигналы, чем при обычных методах регистрации. Усреднение 1 сигнала применяется, например, в аппаратуре для измерения магнитного поля методом ядерного магнитного ]резонанса.
При цифровом усреднении мгновенные значения сигнала за период повторения преобразуются с помощью специального аналого-цифрового преобразователя в цифровую форму. Получающиеся цифры запоминаются в устройстве памяти. При следующем ^«прохождении» периода сигнала регистрируются новые числа. Числа на-
63
капливаются в разных каналах. Информация о мгновенном значении сигнала в выбранный момент периода по-падает только в один канал: например, точке 1 сигнала соответствует первый канал, точке 2 — второй и т. д. Каждое следующее число в выбранном канале L может отличаться от предыдущего, так как вместе с сигналом регистрируется и имеющийся шум. Однако если в канале накапливать большое количество чисел, то шум при этом усреднится, так как он носит случайный характер; о-в то прибавляется к сигналу, то вычитается из него. Среднее значение числа в каждом канале будет близко к истинному мгновенному значению сигнала в рассматриваемый момент времени.
В качестве цифрового запоминающего ( устройства можно использовать многоканальные анализаторы. Однако число точек сигнала ограничено длительностью цикла памяти анализатора. Кроме того, необходимо затратить дополнительное время для преобразования амплитуды в число. Поэтому при помощи i цифрового усреднения таким способом не удается обнаружить в шумах сигнал длительностью порядка микросекунды. Требуется усовершенствовать методику измерений.
Робинсон и Йоги [17] предложили дополнить обычный метод цифрового усреднения стробированием, при котором за каждый период сигнала делается одно зондирование сигнала строб-импульсом. Время до прихода следующего строб-импульса можно использовать для преобразования и запоминания. Мгновенное значение сигнала «затягивается» и превращается потом в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем. Полученное число суммируется с итоговым числом, {накопленным для этого в соответствующем канале (ячейке) запоминающего устройства. Следующий сигнал стробируется в более поздний момент периода, а новое число попадает теперь в следующую ячейку запоминающего устройства (номер ячейки на единицу больше). Число периодов, необходимых для полного стробирования сигнала, равно выбранному числу точек стробирования. После завершения одного цикла стробирования процесс повторяется и вновь полученные числа суммируются с числами в соответствующих ячейках памяти.
Возможности метода стробирования с цифровым усреднением проверяли на примере выделения из шумов слабого сигнала от детектора инфракрасного излуче
64
ния с временем i нарастания от микросекунды до нескольких миллисекунд. Так как развертка стробоскопических осциллографов была более быстрой, чем требовалось, авторы применили осциллограф с развертывающим устройством, предназначенным для записи на ленту самописца. В этом устройстве применено стробирование, i обеспечивающее полосу пропускания около
Стробоскопический осциллограф
Амплитудный анализатор
Рис. 25. Схема соединений стробоскопического осциллографа и амплитудного анализатора импульсов.
30 Мгц. Цифровое усреднение производил модернизированный 400-канальный амплитудный анализатор. К анализатору было добавлено устройство для  записи на магнитной ленте.
Блок-схема измерительного устройства показана на рис. ,25.
Развертывающее устройство РУ преобразует каждый импульс один раз в точке, определяемой напряжением на входе внешней развертки. Напряжение сигнала в точке стробирования запоминается схемой удлинения в развертывающем устройстве до прихода следующего строб-импульса, усиливается операционным усилителем У1 и подается на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП в анализаторе. Преобразователь создает последовательность импульсов с Частотой повторения 2 Мгц, длительность .которой [пропорциональна напряжению на входе. Эти импульсы подаются в счетчик данных СД анализатора. Числа, регистрируемые ! счетчиком данных, запоминаются в ячейках цифровой памяти ЦП. Направление чисел в соответствующую ячейку производится с помощью адресного счетчика АС. Пере
65
КлЮчение адреса осуществляется импульсом, совпадающим со строб-импульсом в развертывающем устройстве. Строб-импульс проходит через транзисторный усилитель У2 и подводится к адресному счетчику. Внешнюю развертку создает ступенчатое напряжение, вырабатываемое для индикатора в схеме анализатора. Каждая ступенька этого напряжения соответствует определенному адресу схемы памяти.
Система действует следующим образом. Сигнал изображается на экране осциллографа, развертка которого работает в режиме внешнего запуска. Адресный счетчик установлен на нуль и все ячейки памяти «очищены». Так как адрес нулевой, то и внешнее развертывающее напряжение равно нулю. Следовательно, первое стробирование происходит в начале хода луча трубки осциллографа. Результат,  накопленный в первой ячейке памяти, считывается счетчиком данных. Созданная аналого-цифровым преобразователем последовательность импульсов с частотой 2 Мгц добавляется к предшествующему содержанию ячейки счетчика данных, первоначально к нулю, а сумма вновь запоминается в первой ячейке. Строб-импульс, вырабатываемый развертывающим устройством, переводит адресный счетчик на единицу, подготавливая следующий цикл. Ступенчатое напряжение увеличивается на одну ступеньку, и t следующее стробирование произойдет немного позже. Далее процесс повторяется до тех дор, пока не будут пройдены все ячейки памяти. После этого адрес автоматически возвращается на нуль и вновь повторяется стробирование сигнала с суммированием результатов этого цикла с результатами всех предыдущих. Полное число циклов можно выбрать заранее, установив необходимое число на счетчике данных анализатора. Счетчик данных остановит процесс накопления после достижения заданного числа циклов ^стробирования.
Ценной особенностью описанного метода является устранение из сигнала периодических помех. Если периодические помехи несинхронны с сигналом, то они в процессе накопления усредняются и не влияют на точность измерения сигнала. Если же они синхронны с сигналом, то их влияние можно почти полностью исключить методом вычитания. Для этого необходимо накопить и зарегистрировать ; помехи на магнитной пленке в отсутствие сигнала, а затем вычесть их из
66
суммы сигнала и помех, накопленной в анализаторе. Во время этих двух операций необходимо поддерживать неизменными условия эксперимента.
На рис. 26, а показан 'сигнал от инфракрасного детектора при интенсивном пучке импульсного источника, а на рис. 26,6 — осциллограмма выходного напряжения детектора при ослабленном пучке, когда - амплитуда шума примерно в пять раз больше сигнала. Усиление во втором случае увеличивается.
Рис. 26. Выходное напряжение детектора инфракрасного импульсного излучения при нормальной интенсивности (а) и когда шум примерно в пять раз больше сигнала (б).
Рис. 27. Выделение сигнала (в) из результатов накопления сигнала и помехи (а) и одной помехи (б).
На рис. 27, а показан результат накопления за 900 циклов. Основная доля хаотического шума усреднялась, но сигнал еще замаскирован переходными процессами переключения, выделенными  детектором из импульсного пучка света. Эти переходные процессы не были усреднены, так как они синхронизованы с полезным сигналом. Для их устранения была применена следующая процедура. Сигнал с помехой записали на магнитной ленте. Затем детектор закрыли непрозрачным экраном и провели накопление помехи за 900 циклов (рис. 27,6). Этот результат записали на другом участке магнитной ленты. Наконец, первый результат вновь ввели с записи в анализатор и из него вычли результат, полученный во втором измерении. Окончательная величина сигнала показана на рис. 27, в. Максимальная частота повторения сигнала составляла в этих опытах 4 кгц, так как цикл памяти и время преобразования
67
занимает 250 мксек. Максимальная скорость развертки 0,1 мксек на одно деление шкалы осциллограммы.
Применение многоканального анализатора для цифрового усреднения усложняет систему измерений. Система упрощается, если вместо i цифрового усреднения принять усреднение аналоговое. Робинсон и Йоги разработали и испытали такую установку. Она 'состоит из осциллографа, развертывающего .устройства со стробированием сигнала и самописца. Усреднение стробированного сигнала производится с помощью 7?С-интегра-тора, включенного между развертывающим устройством и самописцем. Интегратор отфильтровывает шум. Точка стробирования перемещается по сигналу либо внутренним, либо внешним пилообразным напряжением развертки. Если скорость стробирования достаточно мала и интегратор успевает «отрабатывать» изменения полезного сигнала, то при этом методе не происходит заметного уменьшения ширины полосы. При сигналах с малой длительностью система может быть существенно улучшена путем установки на входе осциллографа фильтра высоких частот, ослабляющего низкочастотные компоненты шума.
Для проверки Характеристик такой системы 1 было произведено 1 сложение импульсов ! длительностью 0,25 мксек и широкополосного шума при Помощи двухканального ' входного ! блока осциллографа. Частота повторения сигнала равна НО кгц, скорость развертки 0,1 мксек на одно деление. Использовался интегратор с Постоянным временем 39 сек и усилитель постоянного тока. Стробирование проводилось от внешнего генератора через 11 мин. Удалось хорошо выделить сигнал на выходе системы при пиковом напряжении шума, примерно в 75 раз большем амплитуды импульса сигнала.
Сравнение систем цифрового и аналогового усреднения при стробировании сигнала показывает, что первая имеет следующие преимущества. Во-первых, в цифровой системе отсутствует нижний предел частоты повторения сигнала, а сигнал должен быть лишь повторяющимся, но не обязательно периодически. Во-вторых, цифровая система позволяет I вычитать периодические помехи. Хотя теоретически ^эта возможность имеется и в аналоговой системе, но реализовать ее практически невозможно, так как неизвестна форма помехи. Главное преимущество аналоговой 'системы усреднения — ее
68
простота. При этом также облегчается определение величины сигнала, так как оно не зависит от числа циклов. Основной недостаток аналоговой системы — зависимость чувствительности от частоты ! повторения сигнала. По мере повышения частоты все более затрудняется фильтрация флюктуаций. Верхние пределы скорости развертки и полосы частот для обеих систем усреднения могут быть доведены до наносекундного диапазона, если вместо комбинации обычного осциллографа с развертывающим устройством применить стробоскопический осциллограф.!
Литература
1.	Моругин Л. Л., Глебова Г. В. Наносекундная техника. М., «Советское радио», 1964.
2.	Вол В. А. «Радиотехника», 13,63 (1958).
3.	Глушковский М. Е. «Приборы и техника эксперимента», №5, 114 (1963); «Изв. вузов. Радиотехника», № 1, 3 (1963).
4.	Goodall W. М., Dietrich A. F. Proc. IRE, 48, 1951 (I960).
5.	F а г b е г A. S. Rev. Scicnt Instrum., 31, 25 (1960).
6.	Володин E. Б., Никифоров В. Н. «Приборы и техн, эксперим.», № 6, 106 (1963).
7.	АгуридисД. К. «Приборы для научных исследований», № 12, 91 (1963).
8.	Me Qneen J. G. Electronic Engng, No. 10, 436 (1952).
9.	Sugarman R. Rev. Scicnt Instrum., 28, 933 (1957).
10.	Мамырин Б. А. «Ж. техн, физ.», 1, 627 (1957).
11.	Frye G. J., N a h m c a n N. S. Trans. IEEE IM, 13, 8 (1964); Экспресс-информация, № 36. Контрольно-измерительная техника, ВИНИТИ, 1965.
12.	D a n d у D., Hammond D. P. Nucl. Instrum. and Methods, 30, 23 ,(1964).
13.	Dois C. G. Nucl. Instrum. and Methods, 18, 19, 595 (1962).
14.	White W. H. et al. Nucl. Instrum. and Methods, 18, 19, 601 (1962).
15.	Маранц В. Г. В сб. «Полупроводниковые приборы и их применение». Под ред. А. Я. Федотова. Вып. 8. М., «Советское радио», 1962, стр. 137.
16.	Колотов О. С„ Погожев В. А. «Изв, АН СССР. Сер. физика», XXIX. 538 (1965).
17.	Робинсон и Йоги. «Приборы для научных исследований», № 4, 107 (1965).
Оглавление
Предисловие		3
Глава 1. (	Скоростные осциллографы для наблюдения коротких импульсов	5
Глава 2.	Стробоскопический метод наблюдения периодического сигнала	12
Глава 3.	Особенности схемы стробосиопического осциллографа	20
Глава 4.	Специальные стробоскопические осциллографы для высокочастотных сигналов	29
Глава 5.	Развитие техники стробоскопического осциллографирования	40
Глава 6.	Применения стробоскопического метода наблюдения	52
Литература		70
Николай Дмитриевич Федоров
НЕОБЫКНОВЕННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ
Редактор В. Е. Сайков
Художественный редактор А* С. Александров
Художник Н. Н. Румянцев
Технический редактор А. Л. Гулина
Корректор Н. М. Арбузова
Сдано в набор 3I/III 1969 г. Подписано к печ. 9/VII 1969 г. Т-00091 Формат 84х108’/32 Бумага типографская Ns 2 Усл. печ. л. 3,78 Уч.-изд. л. 3,65 Тираж 26 000 экз.
Цена 11 коп. Зак. изд. 1755 Зак. тип. 191
Атомиздат, Москва, К-31, ул. Жданова, 5/7.
Московская типография № 6 Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР. Москва, Ж-88, 1-й Южно-портовыЙ пр_, 17.