стр.133-187 (1066275), страница 7

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

Текст из файла (страница 7)

Запоминающие цифровые осциллографы. В последние годы широкое применение в измерительной технике находят запоми­нающие цифровые осциллографы (ЗЦО). Структурная схема ЗЦО приведена на рис. 5.11. Осциллограф может работать в двух режимах. Если сдвоенный переключатель П находится в положении 1, то схема представляет обычный универсальный осциллограф, а если в положении 2 — то схема работает как ЗЦО.

Упрощенно принцип действия ЗЦО можно описать следую­щим образом. Исследуемый сигнал u_с(t) с входа Y подают через аттенюатор на информационный вход аналого-цифрового преоб­разователя (АЦП). Из контроллера (управляющего устройства) на АЦП подаются еще и тактовые импульсы U_Т с периодом следо­вания Т. При поступлении в некоторый момент времени t_i одно­го из них, АЦП преобразует амплитуду сигнала u_с(t_i)в двоичный код U(t_i), т.е. набор кодовых чисел 0 и 1. В конце такого преобразования АЦП выдает на контроллер соответствующий сигнал.

При этом цифровой код передают в определенную ячейку запо­минающего устройства (ЗУ).

За время исследования сигнала Ц(1) в ЗУ накапливаются ко­ды его амплитуд U(t_i), U(t_i+T), U(t_i+2T) и т.д.; там они могут храниться любое время. Для воспроизведения хранимой инфор­мации по команде контроллера из памяти ЗУ коды считывают в требуемой последовательности и заданном темпе и подают на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который каждый код преобразует в соответствующее ему напряжение. Эти напряжения передают через усилитель на пластины У. Осциллограмма пред­ставляет собой набор светящихся точек. Для получения непре­рывной осциллограммы после ЗУ устанавливают блок сглажи­вания — фильтр нижних частот (на рис. 5.11 не показан).

Достоинства ЗЦО: практически неограниченное время хра­нения информации; широкие пределы скорости ее считывания; возможность замедленного воспроизведения отдельных участков запомненного сигнала; яркие и четкие осциллограммы; возмож­ность обработки информации в цифровом виде на компьютере или с помощью встроенного микропроцессора. Недостаток ЗЦО — из-за сравнительно невысокого быстродействия АЦП большинство осциллографов могут запоминать сигналы, имеющие частоту не выше 100 МГц. Электронно-лучевая трубка ЗЦО также имеет ряд недостатков: большие габариты (длина), высокие питающие нап­ряжения, сравнительно малая долговечность. Поэтому в последние годы в ЗЦО используют матричные газоразрядные и жидкокристаллические индикаторные панели.

5.4. Скоростные и стробоскопические осциллографы

При наблюдении и исследовании коротких импульсов (сигна­лов наносекундных длительностей) и колебаний СВЧ-диапазона возникает ряд сложностей, которые делают применение универ­сальных осциллографов затруднительным. Можно выделить не­сколько основных факторов, затрудняющих применение для этих целей универсальных осциллографов:

1. влияние емкости пластин ЭЛТ на крутизну фронта исследуемого сигнала;

2. паразитные резонансы, возникающие в цепях, образуемых емкостью пластин и индуктивностью подводящих проводов, включая вводы пластин;

3. влияние конечного времени пролета электронов между пла­стинами ЭЛТ, составляющее 1... 10 не;

4. необходимо иметь широкую полосу пропускания канала Y; полосу пропускания для передачи прямоугольного импульса приближенно можно рассчитать по формуле ∆f≈2,5/τ_и, тогда при длительности импульса τ_и= 1 не полоса пропускания ∆f=2,5 ГГц;

5. для наблюдения наносекундных импульсов и СВЧ-колебаний требуются высокие скорости движения луча по экрану; так, например, для получения изображения импульса длительностью τ_и = 5 не на экране ЭЛТ шириной L=100 мм скорость движения луча должна быть порядка v=20 000 км/с (v=L/ τ_и — скорость движения луча, L — размер изображения на экране).

Все отмеченные недостатки требуется учитывать при разра­ботке скоростных осциллографов. В скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяют специ­альные ЭЛТ бегущей волны, что в результате не позволяет полу­чить высокую чувствительность канала вертикального отклоне­ния (S_y≈1 мм/В). Создание высокоскоростных разверток также встречает трудности; необходимо поднимать напряжение раз­вертки до нескольких сотен вольт. Разработанные скоростные осциллографы имеют верхнюю граничную частоту 5...7,5 ГГц.

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.

Характеристики

Список файлов учебной работы