Uch_posobie_MiR (typo vsya zachita)

VI. ТЕХНИКА ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ Метод калиброванных шкал.

Метод применяют для измерения параметров сигнала на прямоугольной шкале – сетке, имеющей равноотстоящие вертикальные и горизонтальные линии. Регулировкой длительности развёртки и усиления канала Y добиваются совпадения линий сетки и осциллограммы сигнала калибратора (рис. 77). После чего прибор готов к измерению.

U(t)

К

Y

t

Рис. 77. Метод калиброванных шкал Этот метод является основным для большинства осциллографов. Точность

осциллографов обычно указывают применительно к данному методу.

Погрешности:

а) Совмещения – обычно шкала экрана удалена от люминесцентного слоя на 4-5 мм. В этом случае при наблюдении осциллограммы под некоторым углом возникает погрешность из-за параллакса, которая обычно составляет 1%. Для исключения этой погрешности в современных ЭЛТ шкалу наносят на внутренней стороне стекла экрана или изготавливают беспараллаксные шкалы, линии которых размещены друг против друга с обеих сторон прозрачного материала.

б) Отсчёта – определяется толщиной луча.

в) Погрешность меры – нестабильность кварцевого генератора (в калибраторе). г) Нелинейность канала Y (амплитудная характеристика канала). Амплитудная характеристика канала представляет собой зависимость откло-

нения луча по оси Y от напряжения Uвх на входных зажимах (рис. 78). Реальная амплитудная характеристика нелинейная. Рядом расположена идеализированная амплитудная характеристика. Допустим, что на вход Y подано эталонное напряжение от калибратора (импульс a). Амплитудная характеристика может иметь суще-

71

ственную нелинейность, однако калибровка оси формально будет выполнена и коэффициент отклонения будет соответствовать номинальному. Если теперь определить напряжение, соответствующее осциллограмме b, умножив вертикальный размер осциллограммы на коэффициент отклонения, получим U'вx. В действительности из-за нелинейности характеристики осциллограмма b вызвана напряжением U''вх. Абсолютная погрешность измерения, обусловленная нелинейностью амплитудной характеристики, определяется разностью между измеренным и истинным значением напряжения, т.е. D = U'вх – U''вх. Данная погрешность является систематической, однако её трудно учесть, так как для разных экземпляров приборов она различна. Вследствии этого напряжение калибратора должно быть близко к измеряемому напряжению.

Uвых	Uвых
	a
	b
	Uвх
	t
	Uвх
	a

b' = U'вх – за счёт нелинейности D = U'вх – U''вх

b'' = U''вх – истинное значение

t

Рис. 78. Нелинейность канала Y

Более точные методы. а) Встроенный метод сравнения.

Позволяет измерять временные параметры, например, временной интервал. Исследуемый импульс, подводимый ко входу Y осциллографа, передается через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющиеся пластины ЭЛТ. Генератор развёртки, содержащийся в канале горизонтального отклонения, вырабатывает линейно изменяющееся напряжение Up, момент начала которого определяется синхронизирующим сигналом. Это напряжение поступает на входы обоих компараторов. В компараторе I оно сравнивается с напряжением постоянного тока U1, подводимым ко второму входу компаратора I, а в компараторе II – с напряжением постоянного тока U2 (рис. 79).

72

Вх. Y		Y
	КВО
		ЭЛТ	Z
Вх. X	КГО	X
		U1	UI	Uфм
		Компаратор I		Формирователь
				меток
		Компаратор II		Измеритель	Индикатор
				интервалов
		U2	UII

Рис. 79. Встроенный метод сравнения

В момент t1, когда UP(t1) = U1, на выходе компаратора I возникает короткий импульс (рис. 80). Аналогично и на выходе компаратора II появляется короткий импульс, но в момент t2 выполнения условия UP(t2) = U2. Полученные импульсы поступают в формирователь импульсов меток, откуда после формирования подаются на управляющий электрод ЭЛТ. В моменты появления сформированных импульсов яркость свечения увеличивается и на изображении исследуемого прямоугольного импульса образуются яркостные метки.

Uр

U2

U1

t

UI

		t1					t
UII
				t2			t
Uфм
							t

Рис. 80. Временные диаграммы для встроенного метода сравнения С помощью органов регулировки, выведенных на переднюю панель прибора,

пользователь осциллографа может изменять напряжения U1 и U2. Это влечет за собой изменение моментов появления импульсов и, следовательно, положений яркостных меток на изображении исследуемого импульса. После того как метки бу-

73

дут установлены на требуемом уровне, интервал ∆t между импульсами, создающими яркостные метки, определяется измерителем интервалов времени. Результат измерения искомого значения длительности прямоугольного импульса отображается на цифровом дисплее.

б) Компенсационный метод.

Позволяет измерять амплитудные параметры. На вход усилителя Y кроме исследуемого сигнала поступает постоянное напряжение с движка потенциометра R. Если усилитель Y пропускает постоянную составляющую, то изменение напряжения, снимаемого с R, вызовет смещение осциллограммы в вертикальном направлении. Смещая осциллограмму, например, вниз так, чтобы её верхняя часть совпала с линией, и фиксируя изменение постоянного напряжения по разности показаний вольтметра определяем амплитуду импульса (рис. 81).

Исследуемый

К отклоняющим

пластинам

сигнал

Усилитель Y

E1

Вольтметр

постоянного

E2

R

тока

Рис. 81. Компенсационный метод

в) Метод сравнения с использованием калиброванного напряжения.

Калибратор в этом случае должен вырабатывать сигнал, напряжение которого может быть установлено с достаточно высокой точностью. Сущность метода показана на рис. 82. Калибровочное (меандр) напряжение поступает на регулятор, который снабжен шкалой, позволяющей произвести отсчёт установленного напряжения. К калибровочному напряжению добавляется постоянное напряжение, снимаемое с движка потенциометра R. Благодаря наличию источников E1 и Е2 постоянная составляющая, снимаемая с R, может быть, как положительной, так и отрицательной полярности. Электронный коммутатор, управляемый коммутирующими импульсами, подключает к усилителю Y поочередно то измеряемый сигнал, то калибровочное напряжение. При определенном соотношении между длительностями коммутирующих и калибровочных импульсов на экране образуются калибровочные метки. Потенциометр R позволяет их перемещать вверх или вниз, а регулятор калибровочного напряжения – изменять расстояние между ними. Действуя двумя регулировками, можно совмещать калибровочные метки (линии) с осциллограммой. Результат измерения определяется по шкале регулятора калибровочного напряжения. Существенным достоинством метода является подключение погрешности измерения, связанной с нелинейностью канала Y.

74

Коммутирующие

импульсы

Калибровочные

Uвх

Электронный

линии

Аттенюатор

Усилитель Y

коммутатор

E1

Регулятор

Источник

Сигнал

калибровочного

калибровочного

напряжения

напряжения

E2

R

Рис. 82. Метод сравнения с использованием калиброванного напряжения

Искажения осциллограмм.

Для непрерывного сигнала возможны следующие виды искажений осциллограммы, вызванные различными причинами, а именно: отсутствие гашения обратного хода луча (рис. 83); нелинейность развёртки (рис. 84); наличие помехи от сети, наводящейся на усилитель вертикального отклонения (рис. 85).

Uвх

t

Uр

t

Рис. 83. Искажение осциллограммы, вызванное отсутствием гашения обратного хода луча

Uвх		1
		t
Uр	2	2

1

t

Рис. 84. Искажение осциллограммы, вызванное нелинейностью развёртки

75

Uвх

t

Uп

50 Гц

t

Рис. 85. Искажение осциллограммы, вызванное наличием помехи от сети Для импульсного сигнала характерны искажения, вызванные следующими

причинами: завал амплитудно-частотной характеристики канала вертикального отклонения в области верхних частот; завал амплитудно-частотной характеристики канала вертикального отклонения в области нижних частот; завал амплитудно-ча- стотной характеристики канала вертикального отклонения и в области верхних и в области нижних частот; возникновение паразитного резонанса в корректирующих цепях (рис. 86).

Uвх

t

	Завал по ВЧ	Завал по ВЧ
		и НЧ
	Завал по НЧ	Паразитный
		резонанс

Рис. 86. Характерные искажения для импульсного сигнала

Многолучевые и многоканальные осциллографы.

Многолучевые и многоканальные осциллографы имеют n-входов Y и один вход Х, что позволяет одновременно наблюдать несколько сигналов.

Двухлучевые осциллографы используют трубки, в которых раздельно формируется и управляются два луча. Получение нескольких лучей в трубке ведет к повышению сложности и удорожания аппаратуры.

Двухканальные осциллографы используют один луч и два канала (рис.87).

76

C1
						Усилитель		Y
						Y
C2
								ЭЛТ

ГПН X

Рис. 87. Двухканальный осциллограф Режимы работы коммутатора: «1» – первый канал, «2» – второй канал, «1+2»

– одновременная работа обоих каналов, в режиме «Прерывания» – сигналы переключаются с частотой 100 кГц, в режиме «Попеременно» – сигналы переключаются после каждого цикла развёртки. Первый используется для наблюдения НЧ сигналов, второй для – ВЧ.

Чем больше каналов в осциллографе, тем ниже граничная частота, т.е. многоканальные электронный осциллографы как правило низкочастотные.

Основные факторы, ограничивающие применение классических электронных осциллографов для исследования скоростных процессов.

1. Недостаточная полоса пропускания (верхняя граничная полоса) усилителя

Y (рис. 88).

UY

Рис. 88. Ограниченная полоса пропускания усилителя вертикального отклонения

2.Малое свечение ЭЛТ при коротких воздействиях (при малых длительностях импульса, колебаниях сверхвысоких частот).

3.Время пролета электронов соизмеримо с периодом колебаний.

4.Паразитные резонансы, возникающие в цепях, образованных ёмкостью отклоняющих пластин и индуктивностью подводящих проводов.

5.Трудность получения быстрых развёрток:

iC;Q CU ;i(t) dQdt .

Все это предопределило особенности построения скоростных электронных осциллографов.

77

Стробоскопические осциллографы. Принцип действия.

	Uс
	Uст	T		t
			Dt	2Dt

t

Uп

t

Рис. 89. Принцип стробоскопического преобразования сигнала Принцип стробоскопического преобразования сигнала иллюстрирует рис. 89.

Исходным сигналом Uс, повторяющимся с периодом Т, модулируется по амплитуде последовательность коротких стробирующих импульсов Uст. Период сигнала меньше периода следования стробирующих импульсов на время ∆t. Если первый стробирующий импульс совпадает с началом первого периода сигнала, то второй стробирующий импульс сдвинут относительно начала периода на время ∆t, третий 2∆t и т.д. В результате амплитудной модуляции получаем последовательность импульсов Uп, в которой каждый импульс имеет размах, пропорциональный напряжению сигнала в стробируемой точке. Огибающая, соединяющая вершины модулированных импульсов, показана штриховой линией. Коэффициент растяжки K = T/Dt.

Структурная схема.

Суть стробоскопического метода осциллографирования (рис. 90) заключается в считывании дискретных значений исследуемого сигнала путём амплитудной модуляции исследуемым напряжением последовательности коротких стробирующих импульсов, фаза которых изменяется относительно исследуемого сигнала, а их частота Fстр равна или в целое число раз меньше (Fстр. = F/n) частоты повторения F импульсов исследуемого напряжения. При этом с каждым из повторяющихся сигналов должно совпадать не более одного стробирующего импульса. Временные диаграммы представлены на рис. 91. Высота импульсов подсвета одинакова. В отсутствии этих импульсов трубка закрыта: это позволяет избавиться от завалов по ПЧ, поскольку усиливаются импульсы большей длительности; развёртка «быстрая» заменяется на «медленную» в K раз.

78

Преобразователь

Uри

Вх. Y

Вход исследуемого

Усилитель

Расширитель

Усилитель

сигнала

Смеситель

вертикального

импульсов

импульсов

Uвх

отклонения

Вх. Z

Генератор

Формирователь

Uфип

стробирующих

импульсов

ЭЛТ

импульсов

Uкомпар

подсветки

Uсинхр

Вх. X

Вход

Генератор

Uгбпн

Uгмпн

Генератор

Усилитель

синхронизирующего

Схема

«быстрого»

«медленного»

сигнала

Компаратор

горизонтального

синхронизации

пилообразного

пилообразного

отклонения

напряжения

напряжения

Схема автоматического сдвига импульсов

Рис. 90. Структурная схема стробоскопического осциллографа

Uвх

t

Uсинхр

t

Uгбпн

t

Uгмпн

t

Uв компар

t

Uкомпар

Uри

Dt

2Dt

3Dt

4Dt

Dt

6Dt t

Uфип

t

t

Рис. 91. Временные диаграммы работы стробоскопического осциллографа

79

VII. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ, ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ И ФАЗОВЫХ СДВИГОВ

Частота является параметром, который потенциально измеряется наиболее точно. Это связано с тем, что здесь частотно-временная группа имеет наиболее точно воспроизводимую меру. Многие измерения, как электрических, так и неэлектрических величин сводятся к измерению частоты. Частота f или период T (T = 1/f)

– основные параметры любого гармонического сигнала (периодического). Частота – число идентичных событий в единицу времени. Для периодичных,

но не гармонических сигналов строго справедливо лишь понятие периода. T – наименьший интервал времени, удовлетворяющий уравнению:

U(t + jT) = U(t), где j =1, 2, 3 … n.

Аналоговые методы измерения частоты.

а) Метод сравнения (частоты с частотой).

Для измерения неизвестной частоты методом сравнения необходимо иметь генератор сигнала образцовой частоты и индикатор, с помощью которого можно определить равенство измеряемой и образцовой частот или их кратность. Если в качестве индикатора используется осциллограф, то способ измерения называют осциллографическим; если телефон, магнитоэлектрический микроамперметр или электронно-оптический индикатор, регистрирующие совпадение частот – способом нулевых биений или гетеродинным способом.

Метод сравнения принципиально пригоден для измерения низких и высоких частот. Он прост и довольно точен.

Осциллографический способ измерения частоты можно применить при линейной, синусоидальной и круговой развёртках.

1. Развёртка линейная непрерывная периодическая.

При линейной развёртке в качестве образцовой используется частота генератора развёртки данного осциллографа (рис. 92). Напряжение неизвестной частоты подают на вход канала вертикального отклонения осциллографа, а частоту генератора развёртки (при выведенной ручке напряжения синхронизации) изменяют до тех пор, пока на экране не получится изображение одного периода. При этом измеряемая частота равна установленной частоте развёртки. Во многих осциллографах частота развёртки калибрована и погрешность измерения соответствует погрешности калибровки. На экране осциллографа можно получить изображение нескольких периодов, при этом неизвестная частота больше частоты развёртки в п раз, где n – число периодов. Практически п не должно превышать 5 – 6. Диапазон частот определяется полосой пропускания канала вертикального отклонения.

80