Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 24

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 24)

При исследовании быстротекущих процессов с малой ам­плитудой напряжения, описанные скоростные осциллографы не пригодны из-за низкой чувствительности. Проблему решают с помощью специальной стробоскопической приставки к универсальному осциллографу. Стробоскопический метод осциллографирования дает возможность существенно уменьшить скорость развертки по сравнению с той, которая требуется при непосредст­венном наблюдении исследуемого сигнала на скоростном осциллографе. Стробоскопические осциллографы позволяют наблю­дать очень короткие периодические импульсы и высокочастотные сигналы вплоть до СВЧ-колебаний.

Стробоскопическим называют осциллограф, в котором для получения на экране ЭЛТ формы сигнала используют отбор его мгновенных значений (выборки сигнала) и выполняют временное преобразование, т.е. изображение сигнала дают в увеличенном масштабе времени. Принцип действия заключается в преобразо­вании нескольких идентичных сигналов малой длительности в один, имеющий большую длительность и повторяющий форму входных сигналов. Скорость развертки уменьшают путем трансформации масштаба времени. На экране осциллографа появляется изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в уве­личенном временном масштабе. Структурная схема стробоскопи­ческого осциллографа кроме узлов, типичных для универсальных осциллографов, содержит стробоскопический преобразователь и устройство стробоскопической развертки, включающее генератор развертки, генератор строб-импульсов (они играют роль перенос­чиков информации о сигнале) и блок автоматического сдвига, за­дающий шаг считывания.

Основным устройством осциллографа является стробоско­пический преобразователь, в котором происходит дискретизация повторяющегося исследуемого сигнала с помощью кратковре­менных строб-импульсов. Структурная схема и временные диа­граммы преобразователя входного сигнала приведены на рис. 5.12. Исследуемые импульсы U_c, длительностью τ и периодом повто­рения Т_с подают совместно со строб-импульсами U₂ на стробо­скопический смеситель (рис. 5.12, а). Период следования строб-импульсов T_стр=Т_с+∆t, где ∆t — шаг считывания. Длительность ∆t выбирают из условия ∆t=τ/n (n — целое число). В результате этого преобразования оказывается, что первый строб-импульс совпадает с началом первого импульса U_с(1), 2-й — сдвинут от начала 2-го (2) импульса U_с на ∆t, 3-й сдвинут от начала 3-го (3) импульса U_с на 2∆t и т.д. (рис. 5.12, б).

На выходе смесителя появляются короткие импульсы U₃ (жирные линии с точкой), совпадающие по времени со строб-импульсами (U₂), но имеющие амплитуду, равную амплитуде ис­следуемых импульсов U_c в момент поступления строб-импульсов U₂. Поэтому импульсы U₃ называют строб-импульсами, промодулированными по амплитуде исследуемым сигналом U_с (рис.5. 12, б). Как видно из диаграммы сигнала U₃, огибающая промодулированных строб-импульсов (жирная штриховая линия на рис. 5.12, б) практически повторяет форму исследуемых импульсов U_c, но по сравнению с ними растянута во времени. Импульсы U₃ усиливают, затем расширяют до требуемой длительности и подают через уси­литель канала Y на отклоняющие пластины стробоскопического осциллографа. При этом на экране осциллографа с обычными ЭЛТ и пилообразной разверткой наблюдают форму импульсов U_с.

Для большей контрастности изображения плоские участки расширенного во времени исследуемого сигнала подсвечивают импульсами схемы подсвета луча. Таким образом изображение сигнала будет иметь вид светящихся черточек, что является характерным признаком осциллограммы стробоскопического ос­циллографа.

Степень растянутости наблюдаемого импульса во времени (временное преобразование) характеризуют коэффициентом трансформации масштаба времени К_тр=nT_стр/τ, где n — число строб-импульсов, считывающих импульс U_c.

Поскольку n= τ/∆t, то

В современных осциллографах К_тр достигает десятков тысяч, что позволяет при обычных развертках наблюдать форму наносекундных импульсов. Полоса пропускания современных стробо­скопических осциллографов превышает 10 ГГц; уровень входно­го сигнала — от нескольких милливольт до десятков вольт; погрешность измерения 5...7,5 %.

5.5. Осциллографирование непрерывных и импульсных сигналов

Поскольку основным требованием, предъявляемым к каждо­му измерительному прибору, является минимальная погрешность измерения, то при выборе осциллографа следует в первую оче­редь обратить внимание на его такие технические характеристи­ки, как частотный диапазон, чувствительность, размер экрана. При этом изображение должно занимать центральную часть эк­рана и составлять 70...80 % его площади. Ширина луча должна быть минимальной при достаточной яркости. Надо иметь в виду и входные параметры осциллографа. Так, у некоторых осцилло­графов входное сопротивление порядка 1 МОм, что может оказы­вать шунтирующее действие на высокоомную исследуемую схе­му. То же неблагоприятное действие оказывает и входная емкость, которая вместе с емкостью соединительных кабелей мо­жет составить несколько десятков пикофарад. При измерении импульсов и напряжений высоких частот для соединений источ­ников сигналов и внешних генераторов с осциллографом исполь­зуют специальные высокочастотные кабели.

Измерение амплитуды и временных параметров сигнала

В универсальных осциллографах используют метод измере­ния амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещен­ной на экране ЭЛТ. Цену деления сетки устанавливают с помо­щью калибратора амплитуды.

Иллюстрация данного метода измерения представ­лена на рис. 5.13, где пока­заны периодические сигна­лы. Параметры импульсов определяют следующим об­разом: U_р = С_уlу, U_р — раз­мах (амплитуда импульса); |Су| — цена деления сетки по вертикали, В/дел; Т=С_х/L_х — период следования им­пульсов; τ_п = С_хl_x — дли­тельность импульса; |С_x| — цена деления сетки по гори­зонтали, с/дел; 1_y, L_х, 1_x — выражены в делениях сетки.

Погрешность измерения амплитуды сигнала не ниже 3...5 %. Существуют методы повышения точности измерения амплитуды исследуемого сигнала, например компенсационные. Эти методы чаще всего применяют только в цифровых осциллографах, что позволяет получить численные значения параметров с погрешно­стью 1...2%.

В отличие от частотомеров и измерителей временных интер­валов, с помощью осциллографов можно измерять параметры сиг­налов сложной вре­менной структуры, например ступенчатых сиг­налов или сигналов кодовых последователь­ностей. Можно измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым мето­дом исследования являет­ся метод калиброванной развертки (калиброван­ных меток) (рис. 5.14). Реальная погрешность метода составляет порядка 10% и зависит от количества меток. Калибровочные метки из­вестной частоты наносятся на изображение сигнала длительностью τ_и путем модуляции яркости луча, т.е. подачей на сетку ЭЛТ напря­жения известной частоты f₀=1/T₀. При этом длительность сигнала τ_и=nT₀, где п — количество калибровочных меток.

Остановимся на способе измерения частоты по интерферен­ционным фигурам, называемым фигурами Лиссажу. Измерение основано на сравнении неизвестной частоты f_x с известной часто­той f₀ воспроизводимой мерой. С этой целью колебания извест­ной (образцовой) частоты f₀ подают на один вход осциллографа (например, Y). На вход X (при этом собственную развертку ос­циллографа отключают) поступают колебания измеряемой часто­ты f_x. Частоту f₀ образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа наблюдалась простейшая устойчивая фи­гура, примерные виды которой при разных фазовых сдвигах пока­заны в табл. 5.1. Форма фигур Лиссажу зависит от отношения час­тот т/п и начальных фаз сравниваемых колебаний.

Соотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено как отношение числа точек пересечения фигуры Лиссажу т по вертикали к числу точек пересечения п по горизон­тали. Например, из рис. 5.15 легко видеть, что это отношение равно: f_x= f₀=2/4=1/2. Отсюда измеряемую частоту определя­ют как: f_x= f₀/2.

Точность данного метода определения частоты гармони­ческого колебания оказывается достаточно высокой и опреде­ляется стабильностью образцо­вого генератора, однако получе­ние и наблюдение таких фигур — достаточно сложная измери­тельная задача.

Осциллографирование импульсных сигналов

При измерении импульсных сигналов особое значение имеет правильное определение вида и параметров фронтов импульса. Основными влияющими факторами на правильное воспроизведе­ние импульсного сигнала являются: частотный диапазон канала вертикального отклонения ∆F=f_в-f_н, (f_в, f_н — соответственно верхняя и нижняя граничные частоты канала); переходная харак­теристика канала осциллографа. Частотные свойства осциллогра­фа отражаются параметрами его амплитудно-частотной характери­стики (АЧХ) — зависимости размера изображения гармонического сигнала от его частоты.

Амплитудно-частотную характеристику характеризуют поло­сой пропускания, определяемой верхней граничной частотой /в, отсчитываемой по уровню 0,707 от значения АЧХ на низких час­тотах. Среди других параметров отметим рабочий диапазон АЧХ, в пределах которого ее неравномерность не превышает погреш­ности измерения Напряжения. Этот параметр определяет частот­ные границы измерения амплитуд гармонических сигналов с за­данной точностью.

К параметрам переходной характеристики, представленной на рис. 5.16, относят время нарастания τ_н.о — интервал, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 от установившегося значения (уровня U_m) переходной характеристики. Плоская часть переход­ной характеристики может быть с выбросом или с осцилляциями; в этих случаях используют дополнительные параметры: время установления τ_у.о, отсчитываемое от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляции до заданного уровня; выброс определяется параметром δ. Время нарастания — основной па­раметр канала вертикального отклонения Y осциллографа. Дня исследования кратковременных входных сигналов не­обходим осциллограф, имею­щий время нарастания не более 0,3 от длительности сигнала. Обычно рекомендуют верхнюю границу частотного диапазона определять по формуле f_в = 2/τ_и.

5.6. Цифровые осциллографы

Цифровой осциллограф позволяет одновременно наблюдать на экране сигнал и получать численные значения ряда его пара­метров с большей точностью, чем это возможно путем считыва-Н0я количественных величин непосредственно с экрана обычного осциллографа. Это возможно потому, что параметры сигнала из­меряют непосредственно на входе цифрового осциллографа, тогда как сигнал, прошедший через канал вертикального отклонения, может быть измерен с существенными ошибками (до 10%).

На экране современного цифрового осциллографа, помимо собственно осциллограмм, отображается состояние органов управления (чувствительность, длительность развертки и т.п.). Предусмотрен вывод информации с осциллографа на печать и другие функциональные возможности. Однако этим не ограни­чиваются возможности цифровых осциллографов. Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессорами позволяет оп­ределять действующее значение напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране преобразования Фурье для любого вида сигнала. В устройствах цифровых осциллографов осуществляется полная цифровая обработка сигнала, поэтому в них, как правило, используют отображение на новейших индикаторных панелях.

В цифровых осциллографах отображение результата измере­ния осуществляют тремя способами:

1. параллельно с наблюдением изображения сигнала на экране, его численные параметры высвечиваются на табло;

2. оператор подводит к изображению сигнала на экране световые метки так, чтобы отметить измеряемый параметр, и по цифре на соответствующей регулировке определяет величину интересующе­го параметра;

3. используют специальные индикаторы и растровый метод формирования изображения исследуемых сигналов и цифровой информации.

В современных цифровых осциллографах автоматически ус­танавливают оптимальные размеры изображения на экране труб­ки. Ниже приводятся параметры современного цифрового авто­матизированного осциллографа, который является характерным представителем этого класса приборов.

Структурная схема цифрового осциллографа содержит: атте­нюатор входного сигнала; усилители вертикального и горизонталь­ного отклонения; измерители амплитуды и временных интервалов; интерфейсы сигнала и измерителей; микропроцессорный контрол­лер; генератор развертки; схему синхронизации и электронно­лучевую трубку.

Технические характеристики типового современного цифро­вого осциллографа:

1. полоса пропускания 0... 100 МГц;

2. размер экрана 80 х 100 мм;

3. погрешность цифровых измерений 2...3 %.

Функциональные возможности:

1. автоматическая установка размеров изображения;

2. автоматическая синхронизация; разност­ные измерения между двумя метками;

3. автоматическое измерение размаха, максимума и минимума амплитуды сигналов, периода, длительности, паузы, фронта и спада импульсов;

4. вход в канал общего пользования.

Из структурной схемы, представленной на рис. 5.17, видно, что амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала определяют с помощью встроенных в прибор измерителей. На основании данных измерений микропроцессорный контроллер производит вычисление требуемых коэффициентов отклонения

Характеристики

Список файлов книги