86. Измерение мощности методом с использованием направленных ответвителей.
Метод с использованием направленных ответвителей
Применение направленных ответвителей (НО) позволяет использовать для измерения Рпр ваттметры поглощаемой мощности. Структурная схема, реализующая этот метод, выглядит следующим образом (рисунок 3.6):
Как видно из этого рисунка, ваттметры включаются во вторичные каналы НО, включенных в тракт передачи и ориентированных на ответвление Рпад (НО1) и Ротр (НО2). В соответствии с общеизвестными свойствами НО ваттметр во вторичном канале НО1 измеряет мощность , а ваттметр во вторичном канале НО2 измеряет мощность Р2, пропорциональную Ротр. Эта пропорциональность определяется переходными ослаблениями НО соответственно С1 и С2. Таким образом, получим ,
где С1 и С2 – определяются как (в разах) = (в дБ)
Переходное ослабление промышленных типов НО лежит в пределах
(0,1-0,001) (10-30) дБ. Если С1=С2=С, то При практических измерениях можно использовать только один ваттметр, подключая его поочередно к выходам НО1 и НО2, а свободный выход соответственно НО2 и НО1 нагружая на согласованную нагрузку. Если же рассматриваемую схему дополнить устройством вычитания (Р1-Р2), то можно также использовать только один ваттметр и шкалу его проградуировать прямо в значениях Рпр. Это позволяет также и автоматизировать процесс измерения Рпр.
Основными достоинствами рассмотренного метода являются возможность использования для измерения больших мощностей ваттметров поглощаемой мощности малого уровня, а также применимость для встроенного контроля в различных устройствах. Недостатками являются: большая погрешность измерений и ограниченный частотный диапазон. Примером ваттметра, реализующего этот метод, является ваттметр типа М2-32.
87. Принцип работы стробоскопического осциллографа.
а) Общий принцип работы стробоскопического осциллографа
Стробоскопическим осциллографом называется осциллограф, использующий для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляющий временное преобразованием этого сигнала. Таким образом, принцип работы стробоскопического осциллографа основан на измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов, которые осуществляются с помощью коротких, так называемых, стробирующих импульсов (стробимпульсов) напряжения. Этот принцип позволил разрешить два противоречивых требования – широкая полоса пропускания и высокая чувствительность, благодаря чему стробоскопические осциллографы нашли широкое применение при исследовании формы колебаний СВЧ и периодических импульсных сигналов нано и пикосекундной длительности. Принцип работы стробоскопического осциллографа наглядно можно пояснить с помощью временных диаграмм, приведенных на рисунке 6.7.
Рисунок 6.7 – Временные диаграммы, поясняющие принцип стробоскопического преобразования сигнала в стробоскопическом осциллографе
Исследуемый сигнал (рисунок 6.7,а) и стробимпульсы (рисунок 6.7,б), длительность которых много меньше , поступают одновременно на стробоскопический смеситель, содержащий диодную ключевую схему и устройство кратковременной памяти (в виде зарядного конденсатора). Ключевая схема открывается только на время действия стробимпульса, а зарядный ток конденсатора зависит от суммарного напряжения, воздействующего на диод. Таким образом, приращение напряжения на конденсаторе будет определяться соотношением полярностей и амплитуд исследуемого сигнала и стробимпульса. Так как амплитуда стробимпульса постоянна, то выходной импульс смесителя оказывается промодулированным по амплитуде мгновенным значением сигнала, соответствующим моменту поступления стробимпульса. Кроме того, этот импульс расширяется во времени, т.к. после запирания диода конденсатор разряжается через резистор с большим сопротивлением (рисунок 6.7,в).Если организовать временной автоматический сдвиг стробимпульсов относительно начала сигнала, то это приведет за счёт периодичности сигнала к появлению на выходе стробоскопического смесителя последовательности расширенных импульсов напряжения, огибающая амплитуд которых будет повторять форму сигнала (рисунок 6.7,в). Эта последовательность импульсов, в свою очередь, будет циклически повторяться. Временной автосдвиг стробимпульсов будет обеспечен, если (рисунок 6.7,б) , (6.5)
где Т – отрезок времени, называемый шагом считывания, на который сдвигается строб-импульс относительно начала сигнала при каждом его повторении. Схема временного автосдвига – важнейший функциональный узел любого стробоскопического осциллографа, входящий в состав устройства стробоскопической развертки.Выделяя огибающую расширенных импульсов, можно получить аналоговый сигнал, идентичный по форме исследуемому, но значительно «растянутый» (трансформированный) во времени. Этот сигнал может быть усилен относительно узкополосным усилителем и воспроизведен на экране обычной ЭЛТ. Таким образом, если исследуемый сигнал имеет периодичный характер, то стробоскопический осциллограф не только позволяет решить поставленную задачу, но и может быть спроектирован на обычной элементной базе. Это следует квалифицировать как принципиальное преимущество стробоскопических осциллографов по сравнению со скоростными.Временное преобразование исследуемого сигнала при стробировании принято характеризовать коэффициентом трансформации масштаба времени: Ктр=n*Тс/tx
где n – число точек считывания сигнала. Очевидно (рисунок 6.7) , т.е.
Ктр= Тс/ΔT (6.6) Поскольку стробирование исследуемого сигнала приводит к дискретизации измерительной информации (путем взятия и запоминания выборок сигнала), необходимо всегда знать минимально необходимое число точек считывания сигнала . С учетом теоремы Котельникова может быть оценено по формуле , где – верхняя граничная частота спектра . На практике выбор значения n диктуется разными соображениями и прежде всего удобством наблюдения сигнала на экране ЭЛТ. Поэтому, как правило, n > (так называемый нормальный режим работы устройства стробоскопической развертки), но в некоторых случаях (например, при медленных развертках, когда детали формы сигнала не имеют принципиального значения) может быть n < . Можно ещё более растянуть временной масштаб, если считывание будет осуществляться после пропуска некоторого числа m периодов сигнала, т.е. вместо необходимо обеспечить , что увеличивает практически в m раз.
б) Структурная схема стробоскопического осциллографа и принцип ее работы
В качестве примера рассмотрим структурную схему одноканального стробоскопического осциллографа (рисунок 6.8).
Рисунок 6.8 – Структурная схема одноканального стробоскопического осциллографа
Как видно из рисунка 6.8, любой стробоскопический осциллограф имеет в своем составе функциональные узлы, заимствованные от обычных универсальных осциллографов (ЭЛТ, УВО, УГО, ЭК, калибраторы и др.), и специальные узлы, к которым относятся генератор стробимпульсов (ГС), ГИЗ, стробоскопический преобразователь, включающий стробоскопический смеситель (СС) и дополнительные узлы, ПУ, аттенюатор, ИУ, РИ, где осуществляется преобразование выходных импульсов СС в аналоговый сигнал, и устройство стробоскопической развертки со схемой временного автосдвига стробимпульсов.Осциллограф запускается синхронизирующими сигналами, подаваемыми на специальный вход и жестко связанными по времени с исследуемым сигналом, опережая его на время задержки стробоскопической развертки. Это могут быть либо внешние сигналы, положительной или отрицательной, либо внешнее синусоидальное напряжение, либо, наконец, сам исследуемый сигнал. В последнем случае на вход СС сигнал должен подаваться через встроенную или внешнюю ЛЗ, компенсирующую задержку развертки. Зарисуем временные диаграммы, поясняющие принцип работы стробоскопического осциллографа (рисунок 6.9).
Рисунок 6.9 – Временные диаграммы, поясняющие принцип работы стробоскопического осциллографа
В устройстве синхронизации формируются стандартные импульсы запуска, частота повторения которых либо равна частоте синхронизируемого сигнала (рисунок 6.9,б), либо в m раз меньше.Сформированные импульсы запуска управляют работой схемы временного автосдвига, в которую входят генератор «быстрого» пилообразного напряжения (ГБПН), генератор «медленного» ступенчато-пилообразного напряжения (ГМПН) и компаратор К. Как видно из рисунка 6.9,в, длительность БПН равна длительности исследуемо сигнала (рисунок 6.8,а), а длительность МПН в Ктр раз больше (это следует из формулы (6.6) после умножения числителя и знаменателя на n).
В моменты равенства БПН и МПН срабатывает К и своим выходным сигналом запускает генератор импульсов запуска (ГИЗ), формирующий импульсы с крутым фронтом, которые как видно из рисунка 6.8 запускают ГС, срывают колебания ГБПН и запускают ГМПН. При этом после каждого импульса ГИЗ напряжение ГМПН ступенчато повышается, а в промежутках между импульсами остается постоянным (рисунок 6.9,в). Высота всех ступенек одинакова. Это процесс продолжается до определенного уровня (определяемого величиной Ктр), после чего МПН автоматически сбрасывается и начинается новое нарастание. Видно, что момент равенства БПН и МПН автоматически сдвигается относительно начала БПН по мере поступления импульсов запуска, т.е. образуется временной автосдвиг момента сравнения, являющийся линейной функцией времени. Следствием этого является временной автосдвиг стробимпульсов, генерируемых ГС, относительно начала сигнала (рисунок 6.9,г).Ступенчатое изменение МНП обеспечивает при работе с осциллографом постоянное значение , а, следовательно, и . Это особенно важно при исследовании и регистрации сигналов с низкой частотой повторения.Выходное напряжение ГМПН является одновременно напряжением стробоскопической развертки, и после усиления в УГО подается на пластины Х ЭЛТ. В современных осциллографах применяется следующие виды стробоскопических разверток: нормальная, ручная, внешняя, однократная и задержанная развертки.Нормальная развертка – развертка при которой в автоколебательном или ждущем режимах наблюдается сканирование луча на экране ЭЛТ со скоростью, которая обеспечивает исследование наблюдаемой осциллограммы; ручная развертка – развертка, осуществляемая внешним пилообразным напряжением; однократная и задержанная развертки – их определение и реализация аналогичны, как и в универсальном осциллографе.
Основным назначением СС является взятие выборок сигнала и предварительное запоминание полученных данных. Расширенные и промодулированные по амплитуде огибающей исследуемого сигнала импульсы с выхода СС передаются по цепочке, содержащей ПУ, аттенюатор, и импульсный усилитель (ИУ), на вход расширителя импульсов (РИ), где превращается в аналоговый сигнал за счет расширения импульсов до периода повторения.Аттенюатор выполняет функции аналогичные аттенюатору ВУ универсального осциллографа, т.е с его помощью изменяется в требуемых пределах коэффициент отклонения . Импульсный усилитель не только усиливает, но и дополнительно расширяет импульсы выборок.
Аналоговый сигнал имеет вид ступенчато-изменяющегося напряжения, огибающая которого аналогична по форме исследуемому сигналу (рисунок 6.9,д). Это напряжение затем усиливается в УВО и подается на пластины Y ЭЛТ.Для повышения четкости изображения начало плоских участков этого напряжения подсвечивают импульсами схемы подсвета луча, управляемой ГИЗ (рисунок 6.9, ж). Тогда исследуемый сигнал будет изображаться в виде светящихся точек (черточек), равномерно отстоящих друг от друга (рисунок 6.9). Плотность точек регулируется изменением ΔТ. Такое точечное изображение сигнала – характерная внешняя особенность осциллограмм стробоскопических осциллографов.Характерной особенностью стробоскопического преобразователя является наличие отрицательной обратной связи с РИ на СС, в цепь которой также включен аттенюатор. Напряжение отрицательной обратной связи автоматически регулирует исходное положение рабочей точки на вольтамперной характеристике диодов ключевой схемы СС, обеспечивая высокую линейность преобразования. Основным режимом работы стробпреобразователя является режим «нормально». В этом режиме общий коэффициент передачи по петле отрицательной обратной связи близок или равен единице и поддерживается постоянным за счет синхронного переключения аттенюаторов в цепях прямой и обратной связи (рисунок 6.8). Реакция преобразователя на изменение значения сигнала в двух последовательных выборках при этом устанавливается за один период сигнала, т.е. переходные процессы заканчиваются за промежуток времени между двумя отсчетами. Однако при малых значениях на линии развертки начинают наблюдаться значительные собственные шумы. Чтобы их уменьшить в осциллографе имеется специальный режим «сглажено». В этом режиме коэффициент передачи по петле отрицательной обратной связи устанавливается меньше единицы, что уменьшает размах шумового напряжения на выходе преобразователя при той же величине аналогового сигнала. Однако реакция преобразователя на изменение сигнала в этом режиме значительно медленнее и устанавливается за несколько периодов повторения сигнала, число их обычно не менее пяти. Поэтому для исключения искажений сигнала в режиме «сглажено» число точек считывания на крутых участках сигнала, наблюдаемого в нормальном режиме, должно быть не менее 30-50.
Отметим в заключение еще одну характерную особенность современных стробоскопических осциллографов – возможность сочетания в одном приборе функций обычного универсального осциллографа и стробоскопического, т.е. создание универсальных стробоскопических осциллографов, способных исследовать сигналы с длительностью от 10-9с до единиц секунд.
На быстрых развертках (нано- и микросекундный диапазон) такой осциллограф работает как стробоскопический с трансформацией масштаба времени, так называемый режим эффективного времени. На медленных развертках (миллисекунды и секунды) также осуществляется дискретное преобразование сигнала, но без трансформации масштаба времени, – режим реального времени. Исследование сигналов промежуточной длительности (десятки микросекунд) проводится в режиме комбинированного времени, который сочетает в себе возможности режимов эффективного и реального времени.
Стробоскопические осциллографы характеризуются следующими специфическими дополнительными параметрами: 1)параметры напряжения компенсации (максимальное значение и коэффициент передачи) – постоянного напряжения, подаваемого на СС и позволяющего скомпенсировать постоянную составляющую исследуемого сигнала. Благодаря этому изображение может быть установлено в рабочей части экрана при любом значении (в универсальном осциллографе это обеспечивается наличием закрытого входа); 2)след точки – искажение формы точки на экране ЭЛТ, обусловленное утечкой в РИ. Это наблюдается обычно при больших значениях . 3)эмиссия стробимпульса со входа осциллографа и эмиссия сигнала со входа синхронизации – паразитные сигналы на соответствующих входах, обусловленные соответственно действием стробимпульсов и импульсов синхронизации.