Волковой М.С. Метрология

111

при попадании которого на люминофор на экране возникает светящаяся точка. Электронный луч проходит между двумя взаимно перпендикулярными парами металлических отклоняющих пластин. Одна пара пластин (Y) предназначена для отклонения луча по вертикали, а другая (Х) – по горизонтали.

Вход Y	Канал Y
	Атт.Y	УY	ЛЗ	УВО
					ЭЛТ
Вход Z	Канал Z			Y	Х
	УZ		УУЯ
Вход	внутр.
внешн.
синхрониз.				УГО
	У		ГР
	внешн.
Вход Х				Калибратор
	Атт. Х
	Канал Х

Рис. 2.33. Структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа

Если к отклоняющим пластинам, составляющим пару, приложить электрическое напряжение, то между ними образуется электрическое поле, которое вызывает отклонение луча. Если к пластинам Y приложить исследуемое напряжение, например u(t) = Um sin t, а к пластинам Х пилообразное напряжение, то под совместным воздействием двух напряжений луч вычертит на экране синусоиду (рис. 2.34).

Кроме ЭЛТ структурная схема осциллографа (см. рис. 2.33) содержит канал вертикального отклонения луча (канал Y), канал горизонтального отклонения луча (канал Х), канал управления яркостью луча (канал Z) и калибратор амплитуды и длительности.

Канал Y состоит из аттенюатора (Атт. Y), предварительного усилителя (УY), линии задержки (ЛЗ) и усилителя вертикального отклонения (УВО). Аттенюатор предназначен для ослабления больших сигналов; предварительный усилитель (УY) для усиления слабых сигналов; линия задержки обеспечивает небольшую задержку сигнала относительно начала сигнала горизонтальной развертки; усилитель УВО обеспечивает подачу противофазного напряжения на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

112

Экран осциллографа

UY

t

T

t

TР

UХ

Рис. 2.34. Формирование осциллограммы при линейной развертке

По каналу Х на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ поступает напряжение развертки. Основным узлом этого канала является генератор развертки (ГР), вырабатывающий линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение, поступающее на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ через усилитель горизонтального отклонения (УГО). Напряжение развертки может быть синхронизировано с исследуемым сигналом, либо с напряжением сети, либо с сигналом от внешнего источника. Кроме того, есть возможность подать на отклоняющие пластины Х (через Атт. Х и УГО) исследуемый сигнал со входа Х осциллографа.

Канал Z служит для создания на осциллограмме яркостных меток и гашения луча на время обратного хода развертки и в режиме ожидания при ждущей развертке. Внешний сигнал для управления яркостью подводят ко входу Z. Канал содержит усилитель-ограничитель (Уz) и устройство управления яркостью луча (УУЯ), выходное напряжение которого поступает на управляющий электрод ЭЛТ.

Калибратор амплитуды и длительности представляет собой генератор образцовых сигналов, например прямоугольных импульсов с заданными амплитудой и частотой повторения.

Развертка и синхронизация. Развертка – это линия, которую чертит луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала. Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая пилообразным напряжением

113

генератора развертки. В зависимости от режима работы генератора развертки выделяют несколько видов развертки.

Автоколебательная развертка (также применяется термин «непрерывная») – это развертка, при которой генератор развертки вырабатывает периодически повторяющееся пилообразное напряжение даже при отсутствии сигнала запуска на его входе.

Ждущая развертка – развертка, при которой генератор развертки запускается только по приходу сигнала запуска (синхронизации).

Однократная развертка – развертка, при которой генератор развертки запускается сигналом запуска и вырабатывает единственный пилообразный импульс. Этот вид развертки применяется при фотографировании с экрана осциллографа неповторяющихся сигналов.

Автоколебательная развертка применяется для исследования периодических сигналов, а также импульсных сигналов с небольшой скважностью. По каждому импульсу развертки луч вычерчивает на экране изображение исследуемого сигнала. Если траектории луча в каждом цикле развертки совпадают, то на экране наблюдается устойчивое неподвижное изображение. Данное условие обеспечивается применением синхронизации, когда период развертки Тр кратен периоду исследуемого сигнала Т. На рис. 2.33 изображен случай, когда Тр = Т, при этом на экране осциллографа отображается один период исследуемого сигнала. Если Тр = пТ, то на экране отобразится п периодов исследуемого сигнала. Для того чтобы исключить влияние даже небольших изменений Т или Тр на стабильность осциллограммы, применяется синхронизация. Синхронизация может быть внутренней, когда начало цикла развертки привязывается к началу периода исследуемого сигнала, и внешней, когда генератор развертки запускается внешним сигналом, связанным с исследуемым сигналом.

При исследовании периодических импульсов с большой скважностью, у которых период повторения много больше длительности импульса, применение автоколебательной развертки нерационально. Если период развертки установить равным периоду повторения импульсов, то изображение импульса будет слишком узким, непригодным для измерения. Если же период развертки будет близок к длительности импульса, то изображение импульса на экране будет бледным и неустойчивым, потому что за период исследуемого сигнала луч много раз вычертит на экране линию нулевого уровня напряжения и только один раз – изображение импульса. Непериодические, случайные и однократные сигналы наблюдать в режиме автоколебательной развертки принципиально невозможно. В этих случаях используют ждущую развертку.

В режиме ждущей развертки при отсутствии сигнала на входе Y линия развертки на экране осциллографа также отсутствует. Генератор развертки запускается только при появлении исследуемого сигнала. При этом передний фронт исследуемого сигнала может не отобразиться на осцилло-

114

грамме. Для того чтобы наблюдать сигнал без потерь, его задерживают в канале Y с помощью линии задержки. Таким образом, сигнал достигнет отклоняющих пластин Y через некоторое время после начала развертки и отобразится полностью.

2.5.2. Запоминающие осциллографы

Запоминающими называются осциллографы, которые при помощи специального устройства, например запоминающей ЭЛТ или электронного запоминающего устройства, позволяют сохранять на определенное время исследуемый сигнал и при необходимости воспроизводить его осциллограмму. Запоминающие осциллографы используют для исследования однократных быстропротекающих сигналов. Обычный осциллограф для этих целей можно использовать только в сочетании с фотографированием.

Запоминающая электронно-лучевая трубка имеет экран, покрытый люминофором и два электронно-оптических прожектора: записывающий и считывающий. Вблизи экрана располагается диэлектрическая мишень, на которой перед записью создается отрицательный потенциал. Запись производится пучком электронов высокой энергии. При бомбардировке мишени число вторичных электронов, покидающих поверхность диэлектрика, больше, чем число первичных, и потенциал облученных участков мишени повышается, т.е. создается потенциальный рельеф. Если теперь на мишень направить рассеянный поток электронов от воспроизводящего прожектора, то большая часть потока будет задержана мишенью. Экрана достигнут и вызовут свечение люминофора только те электроны, которые попадут на участки с более высоким потенциалом. Таким образом, на экране воспроизведется осциллограмма запомненного сигнала. Другая возможность запоминания связана с использованием запоминающих устройств и реализована в цифровых осциллографах.

2.5.3.Цифровые осциллографы

Вцифровых осциллографах исследуемый аналоговый сигнал преобразуется в цифровой. Это позволяет не только наблюдать, но и запоминать информацию, а также получать практически любые характеристики сигнала: амплитудные, временные, спектральные, статистические – с более высокой точностью, чем при использовании аналогового осциллографа. Последнее возможно потому, что параметры сигнала измеряются непосредственно на входе осциллографа без влияния погрешностей канала вертикального отклонения, которые могут достигать 10 %.

Для получения малой погрешности измерений в цифровых осциллографах применяются АЦП, имеющие не менее десяти двоичных разрядов. Такие АЦП могут быть выполнены по параллельной схеме со временем преобразования 0,1–1,0 мкс. Быстродействие АЦП ограничивает полосу пропус-

115

кания осциллографа до единиц мегагерц. Для расширения полосы пропускания используется стробоскопическое преобразование измеряемого сигнала.

Оцифрованная информация о сигнале запоминается в ОЗУ. Адрес каждой ячейки памяти соответствует временному положению выборки, а содержимое – значению напряжения. Для отображения сигнала информация считывается из ОЗУ. Во время считывания теряется информация о сигнале, приходящем в момент считывания. Во избежание потерь используют два буферных ОЗУ, в одно из которых производится запись, а из другого – считывание.

Для расчета параметров сигнала и управления режимами работы осциллографа используется встроенный микропроцессорный контроллер. Для отображения осциллограммы сигнала и результатов измерений могут использоваться ЭЛТ или матричные индикаторные панели.

Функциональные возможности цифровых осциллографов:

–автоматическая установка размеров изображения;

–автоматическая синхронизация;

–разностные измерения между двумя метками;

–автоматическое измерение размаха, максимума и минимума сигнала, периода, длительности, паузы, времени нарастания и спада импульса;

–статистическая обработка сигнала;

–вход в канал общего пользования.

2.6.Измерение частоты и интервалов времени

2.6.1. Общие сведения

Частотой f называется число идентичных событий, происходящих в единицу времени. Единица циклической частоты – Герц (Гц) – соответствует одному событию за одну секунду. Гармонические сигналы характеризуются также угловой (круговой) частотой = 2 f, выражаемой в рад/с и равной изменению фазы сигнала (f) в единицу времени. Так, циклической частоте f = 1 Гц соответствует угловая частота = 2 , т.е. за 1 с фаза синусоиды изменяется на 2 .

Существует понятие мгновенной частоты f(t), однако при измерении определяется среднее значение частоты за время измерения, поскольку принцип измерения связанс подсчетом числа событийза некоторый отрезок времени.

Интервалом времени t в общем случае называется время, прошедшее между моментами двух последовательных событий. К числу таких интервалов относятся, например, период колебаний, длительность импульса или длительность интервала, определяемая разносом во времени двух импульсов.

Периодом Т любого периодического детерминированного сигнала u(t) называется наименьший интервал времени, через который регулярно и последовательно повторяется произвольно выбранное мгновенное значе-

116

ние этого сигнала. Частота f и период Т колебания связаны формулой f = = 1/T, поэтому измерение одной величины можно заменить измерением другой.

Для измерения частоты применяются аналоговые и цифровые частотомеры, реализующие метод непосредственной оценки; можно измерять частоту методом сравнения при помощи осциллографа.

2.6.2. Измерение частоты и интервала времени при помощи осциллографа

Для измерения частоты и интервалов времени может быть использована калиброванная развертка. При наличии линейной развертки горизонтальная ось экрана осциллографа является осью времени. На рабочую часть поверхности экрана нанесена сетка. Луч движется по экрану с заданной скоростью, проходя одно деление сетки за определенное время. Время, за которое луч проходит одно деление сетки, называется коэффициентом развертки Kр. Размерность коэффициента развертки на разных диапазонах может быть мкс/дел., мс/дел., с/дел. Временной интервал определяется умножением размера нужной части осциллограммы, выраженного в делениях сетки, на коэффициент развертки.

Для определения частоты описанным методом измеряется период Т исследуемого сигнала, а частота находится из выражения f = 1/Т.

Метод фигур Лиссажу основан на сравнении частоты двух гармонических сигналов, т.е. сигнал, частота которого измеряется, должен быть синусоидальной формы. Собственная развертка осциллографа отключается. На вход Y осциллографа подается исследуемый сигнал с частотой fизм, а на вход Х – гармонический сигнал с образцовой частотой fо. Частоту образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа получилось устойчивое изображение одной из фигур, приведенных в табл. 2.2.

						Таблица 2.2
Соотношение				Фазовый сдвиг, град
частот		0	45	90	135	180
fx	1
fy	1
fx	1
fy	2
fx	1
fy	3

117

Соотношение частот двух гармонических

колебаний может быть определено как отноше-

ние числа точек пересечения с вертикальной

прямой к числу точек пересечения с горизон-

тальной прямой. Например, как показано на

рис. 2.35, указанное выше соотношение состав-

Рис. 2.35. Определение

ляет:

f

x

ny

2

1

Прием, когда на вход Х

.

соотношения частот

fy

nx

4

2

осциллографа подается

гармонический сигнал,

иногда называют синусоидальной разверткой.

Использование

круговой

развертки

также позволяет с высокой точностью

определить кратность двух частот.

Круговая развертка реализуется пода-

чей на входы Х и Y осциллографа гар-

монических

напряжений

образцовой

частоты f0, одно из которых сдвинуто

п = 8

относительно другого на угол 90 гра-

дусов. При этом луч осциллографа

описывает на экране окружность со

Рис. 2.36. Определение кратности

скоростью один оборот за период сиг-

частот при круговой развертке

нала образцовой частоты. Напряжение

измеряемой

частоты

fх

Ux

Tx

подают на вход Z осцил-

лографа

для

модуляции

электронного луча по яр-

кости. Во время положи-

тельного

полупериода

модулирующего

сигнала

яркость свечения возрас-

UK

t

тает,

а во время отрица-

тельного – свечение гас-

нет.

При равенстве час-

t

тот fх = f0

на экране будет

T0

видна половина

окруж-

ности. Если fх > f0, на ок-

Рис. 2.37. Определение временного интервала

ружности

появятся тем-

ные

и

яркие

штрихи

с помощью калибровочных меток

(рис. 2.36). Число тем-

ных или ярких штрихов п

равно кратности частоты, откуда fх = п f0.

118

Метод калибровочных меток позволяет измерять временные параметры сигналов сложной формы. На вход Z осциллографа подается сигнал известной частоты f0, Т0 = 1/f0. На вход Y подается исследуемый сигнал Ux. Частоту калибровочного сигнала подбирают таким образом, чтобы на интервале Tx укладывалось целое число периодов Т0 (рис. 2.37).

Величину измеряемого интервала времени определяют по числу меток повышенной яркости на осциллограмме исследуемого сигнала Тх = пТ0, где п – число меток. Погрешность этого метода составляет порядка 10 % и зависит от количества меток.

2.6.3. Резонансный метод измерения частоты

Данный метод применяется для измерения высоких и сверхвысоких частот. На колебательный контур, составленный из катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости, подается сигнал, частоту которого необходимо измерить. Изменением емкости конденсатора контур настраивается в резонанс с частотой fx, при этом напряжение на контуре многократно возрастает. Момент резонанса определяют по показаниям электронного вольтметра. Искомая частота считывается со шкалы конденсатора переменной емкости. С целью повышения точности отсчета частоты и надежной фиксации резонанса механизм поворота ротора конденсатора делается с большим замедлением, а шкала имеет большое число делений.

При измерениях сверхвысоких частот в качестве резонансной системы используется объемный резонатор.

Погрешности измерения частоты резонансным методом зависят от добротности резонансной системы, неточности градуировки и механизма настройки, колебаний температуры и влажности окружающей среды. Реальная погрешность измерения может быть от 0,01 до 0,5 %.

2.6.4. Измерение частоты методом заряда и разряда конденсатора

Принцип действия конденсаторного частотомера может быть пояснен с помощью схемы и временных диаграмм, приведенных на рис. 2.38. Входной периодический сигнал любой формы неизвестной частоты U fx

преобразуется с помощью формирователя (Ф) в управляющий сигнал (Uупр) типа «меандр». При положительной полярности Uупр электронный ключ (Кл.) замкнут, и происходит заряд конденсатора (С) от источника (Е) через диод (VD1). При отрицательной полярности Uупр ключ разомкнут и конденсатор разряжается через резистор (R), миллиамперметр и диод (VD2). Среднее значение тока, протекающего через измерительный прибор, определяется формулой

119

1

Iср Tx 0iразр(t)dt.

В этой формуле значение интеграла равно площади заштрихованного импульса (см. рис. 2. 38,б). Эта площадь постоянна, поэтому Iср = kfx, где k – коэффициент пропорциональности.

+

C

VD2

U fx

E

Uупр

R

Ф

VD1

m

A

Кл.

а

U fx

t

Uупр

t

Uс

	t

iразр

t

Tх

б

Рис. 2.38. Конденсаторный частотомер: а – схема; б – временные диаграммы

120

Конденсаторные частотомеры просты, но их погрешность может достигать 5 %.

2.6.5. Цифровой метод измерения частоты

Принцип действия цифрового (электронно-счетного) частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т.е. на счете числа импульсов за интервал времени. Переменное напряжение, частоту fx которого необходимо измерить, преобразуется в последовательность коротких импульсов с частотой следования, равной fx. Если сосчитать число импульсов N за интервал времени Тсч, то частота

N

fx Tсч .

Структурная схема электронно-счетного частотомера изображена на рис. 2.39.

U fx

Uсч

Uкл

ЦОУ

ВУ

ФИ

Кл.

СИ

Т0

ГОЧ

ДЧ

УУ

Рис. 2.39. Структурная схема электронно-счетного частотомера

Исследуемый U fx подается на входное устройство (ВУ), усиливаю-

щее или ослабляющее его до необходимого уровня. Далее сигнал поступает на формирователь импульсов (ФИ), где он преобразуется в последовательность коротких однополярных импульсов, называемых счетными (Uсч). Счетные импульсы поступают на вход ключа (Кл.). На второй вход ключа приходят строб-импульсы строго определенной длительности Т0 от устройства управления (УУ). Интервал времени Т0 называется временем счета, длительность этого интервала задается генератором образцовой частоты (ГОЧ) с кварцевой стабилизацией и делителем частоты (ДЧ) с коэффициентом деления 10п. Ключ открывается строб-импульсом и в течение времени Т0 пропускает пакет из Nx счетных импульсов (рис. 2.40), причем

Nx = Т0 fx.

Счетчик импульсов СИ выдает в цифровое отсчетное устройство код, соответствующий Nx. Погрешность измерения частоты имеет систематическую и случайную составляющие. Систематическая составляющая по-