ivanstudent

Путь к Файлу: /Измерительная техника и датчики / 217 / F5.DOC

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   2
Пользователь:   ivanstudent
Добавлен:   24.12.2014
Размер:   541.5 КБ
СКАЧАТЬ

5.  ЭЛЕКТРОННО - ЛУЧЕВЫЕ  ОСЦИЛЛОГРАФЫ

 

                Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) - это универсальный измерительный прибор, предназначенный для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов.

          В зависимости от назначения и технических характеристик осциллографы подразделяются на:

1) Универсальные (обозначение С1- . . ., например, С1-83).

 Предназначены для наблюдения периодических сигналов в широкой полосе частот (0 – 350 мГц), амплитуд (единицы мВ¸сотни В), длительности импульсов (единицы нс до нескольких с). Это осциллографы реального времени.

2) Скоростные (обозначение С7- . . .).

Предназначены для исследования в реальном масштабе времени СВЧ колебаний, однократных или редко повторяющихся и периодических импульсных сигналов с длительностью в доли и единицы нс.

Полоса пропускания (0¸5) ГГц.

3) Стробоскопические (С7 - . . .).

Используют стробоскопический метод понижения частоты сигнала, т. е. трансформацию масштаба времени сигнала. Применимы для наблюдения СВЧ и коротких импульсных (обязательно повторяющихся) сигналов. Обладают высокой чувствительностью (доли мВ), широкой полосой частот (до 10 ГГц). Длительность импульсов может достигать единиц пс.

4) Запоминающие (С8 - . . .).

Позволяют с помощью специальной ЭЛТ запоминать исследуемые сигналы и длительно воспроизводить осциллограмму после их исчезновения на входе. Применяется для исследования сигналов с f < 1 Гц, одиночных сигналов, а также периодически повторяющихся сигналов, когда необходимо сравнить их форму через некоторое время.

Время непрерывного воспроизведения осциллограмм - до нескольких десятков минут, время хранения сигналов - до нескольких суток.

5) Специальные (С9 - . . .).

Предназначены для исследования широко применяющихся сигналов, например, телевизионных.

ЭЛО в большинстве своем аналоговые приборы. В последнее время созданы цифровые осциллографы, в которых исследуемый сигнал и напряжение развертки квантуются по уровню и дискретизируются по времени, запоминаются в цифровой форме в ОЗУ. Для обработки сигналов используется встроенная ЭВМ. Кроме того, различают:

а) многоканальные ЭЛО,

б) многолучевые ЭЛО.

В многоканальных - ЭЛТ однолучевая, для просмотра нескольких сигналов используется коммутатор. В многолучевых - используется многолучевая ЭЛТ. Некоторые виды осциллографов имеют сменные блоки, что позволяет в зависимости от решаемой задачи изменять технические параметры (например, полосу пропускания, чувствительность и т.д.) или расширять функциональные возможности прибора (стробоскопические преобразователи, многоканальные усилители с коммутатором, задерживающие развертки, управляемые калибраторы сигналов и т. д.).

 

5.1. Универсальный электронно-лучевой осциллограф

 

                Структурная схема ЭЛО приведена на рис. 5.1.

 

 

F5
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 5.1

 

Основные составляющие ЭЛО: канал вертикального отклонения луча - канал ВО или Y (ВУ, ПУ, ЛЗ, Вых.У), канал горизонтального отклонения луча - канал ГО или Х (БС, ГР, УГО), канал управления лучом по яркости      (Канал Z), калибратор (КА, КД) и ЭЛТ со схемами питания.

         

          5.1.1. Канал ВО (Y).

1) Входное устройство (ВУ) содержит коммутируемую емкость (открытый, закрытый вход), делитель напряжения для расширения пределов измерения, обеспечивает высокое входное сопротивление.

2) Предварительный усилитель (ПУ) усиливает входной сигнал с малыми шумами.

3) Линия задержки (ЛЗ) с временем задержки порядка 0,1 мкс обеспечивает поступление сигнала на отклоняющие пластины Y ЭЛТ после поступления сигнала развертки на отклоняющие пластины X для осуществления возможности наблюдения переднего фронта импульса при внутренней синхронизации. В некоторых ЭЛО отсутствует.

4) Выходной усилитель (Вых.У) служит для усиления сигнала до величины, необходимой для полного отклонения луча в пределах экрана по вертикали.

               

5.1.2. Канал ГО (Х).

1) Генератор развертки (ГР) предназначен для формирования пилообразного напряжения, вызывающего равномерное отклонение луча по горизонтали пропорционально времени (напряжение развертки). Под термином «развертка» понимается линейное перемещение луча по экрану ЭЛТ.

Рассмотрим принцип формирования изображения на экране ЭЛТ     (рис. 5.2).

F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5

Рис. 5.2

Положение луча в каждый момент времени определяется величинами отклоняющих напряжений F5 и F5. Для примера на вход Y подано синусоидальное напряжение F5, а на вход Х - линейно нарастающее напряжение развертки F5. На экране ЭЛТ (на рис. 5.2 это область между осями F5 и F5) в момент времени, условно обозначенный цифрой «0», луч займет положение «0». В момент времени «1» он перейдет в положение «1» и т. д. Из рисунка видно, что неподвижное изображение (когда луч повторяет свое движение по одному и тому же пути) получается при равенстве периодов F5 и F5, т. е. F5 или F5. При увеличении периода пилообразного напряжения развертки в п раз, на экране появится изображение п периодов исследуемого сигнала. То есть, в общем виде условие неподвижности изображения будет иметь вид

                                        F5, п = 1, 2, 3, . . .                                    (5.1)

Реально напряжение развертки не может спадать  мгновенно, при этом время нарастания F5 называется временем прямого хода F5, время спада - временем обратного хода луча F5, т. е. F5. Обычно, обратный ход луча искажает картину на экране (F5 << F5), поэтому обратный ход обычно гасится.

Исследование сигналов в широком диапазоне частот обеспечивается переключением частоты напряжения развертки, предусмотренным в генераторе развертки. И, следовательно, к генератору предъявляются следующие требования: высокая линейность, малое время обратного хода, достаточная амплитуда, широкие пределы регулировки частоты (от сотых долей Гц до нескольких десятков МГц).

Рассмотрим возможные режимы развертки осциллографа, определяемые в основном режимом работы ГР:

а) режим непрерывной развертки (автоколебательный режим ГР) - применяется для наблюдения синусоидальных сигналов и импульсных сигналов с относительно небольшой скважностью;

б) ждущий режим - для исследования импульсных сигналов с большой скважностью и временных соотношений между сигналами. ГР запускается только по приходу запускающего импульса, сформированного из входного сигнала блока синхронизации, затем возвращается в режим ожидания следующего запускающего импульса;

в) однократный - предназначен для фотографирования (регистрации) одиночных сигналов или для их запоминания. Нажатие кнопки «Пуск» (в блоке управления разверткой на передней панели ЭЛО) разрешает запуск ГР очередным импульсом запуска. После однократного запуска ГР не может быть запущен до следующего разрешения в виде нажатия кнопки «Пуск».

г) для получения изображения более крупного масштаба на временной оси предусмотрен режим «растягивания» во времени, путем увеличения коэффициента усиления УГО в заданное число раз (обычно 2, 5, 10). Управление этим режимом осуществляется переключателем «Множитель», имеющим положения 0,5; 0,2; 0,1;

д) для более детального исследования части сигнала в некоторых осциллографах используют метод задерживающей и задержанной разверток. Задерживающая (медленная) развертка позволяет видеть весь сигнал, а задержанная (быстрая - запускается по специальной метке, устанавливаемой на изображении сигнала) - обеспечивает крупное изображение выделенной части сигнала;

е) существует режим отклонения исследуемым сигналом по горизонтали. Включается переключателем F5.

2) Блок синхронизации и запуска (БС) предназначен для получения устойчивого изображения сигнала на экране. Начало развертки должно совпадать с одной и той же точкой исследуемого сигнала. Для этого БС вырабатывает импульс запуска ГР. В режиме «внутренняя синхронизация» - из предварительно усиленного исследуемого сигнала, а в режиме «внешняя синхронизация» - из внешнего синхросигнала, поданного на вход синхронизации. Выбор точки осуществляется ручкой «Уровень».

3) Усилитель горизонтального отклонения (УГО) - предназначен для усиления сигнала развертки до величины, необходимой для полного отклонения луча по горизонтали.

 

5.1.3. Канал Z.

Предназначен для установки яркости изображения, в том числе и вручную. Во время прямого хода луча на усилитель F5 с генератора развертки подается импульс подсветки, обратный ход луча гасится.

 

5.1.4. Калибраторы амплитуды и длительности (КА и КД).

Предназначены для повышения точности измерений путем контроля и калибровки номинальных значений коэффициентов отклонения и развертки.

Во многих осциллографах с целью расширения функциональных возможностей существуют входы X, Y, Z для подачи внешних управляющих напряжений непосредственно на электроды ЭЛТ.

Следует отметить, что кроме стандартной линейной развертки, когда на пластины Х ЭЛТ подается линейно изменяющееся напряжение, на практике достаточно широкое применение нашли круговая и спиральная развертки.

Круговая развертка формируется путем подачи на входы Х и Y осциллографа синусоидальных напряжений одинаковой частоты, сдвинутых друг относительно друга на 90°, т. е.:

F5.

Луч чертит на экране окружность за один период входных сигналов. Спиральная развертка (см. рис. 5.3,а) создается при подаче на входы Х и Y сдвинутых на 90° синусоидальных напряжений одной частоты с линейно изменяющимися амплитудами. Например, как на рис. 5.3,б. Число витков спирали F5.

 

F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5F5

 

Рис. 5.3

 

5.2. Основные характеристики осциллографов

 

                1) Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала вертикального отклонения (рис. 5.4) - зависимость коэффициента усиления канала от частоты. Полоса пропускания - от постоянного тока (открытый вход) или от F5 равной нескольким герцам (при закрытом входе) до F5. Частоты F5 и F5 определяются на уровне 0,707 (-3 дБ) от значения коэффициента усиления на некоторой опорной частоте (обычно £ F5).

F5

Рис. 5.4

2) Переходная характеристика - отклик на экране осциллографа на скачок напряжения на входе Y (рис. 5.5). Характеризуется выбросом F5, обычно не превышающим нескольких процентов от уровня сигнала, временем нарастания F5 - в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 установившегося значения и временем установления F5 - интервалом времени от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляций после выброса до значения не превышающего погрешности измерения уровня. Причем при оптимальном виде АЧХ справедлива следующая зависимость

                                                         F5.                                                    (5.2)

F5

Рис. 5.5

 

3) Коэффициент отклонения F5- обратен чувствительности канала ВО, характеризует масштаб изображения по вертикали

F5, где F5.

          Здесь F5 - чувствительность ЭЛТ осциллографа. Иначе

                                                           F5,                                                 (5.3)

где F5 - величина входного напряжения, F5 - размер изображения сигнала по вертикали. F5 изменяется аттенюатором на передней панели ступенями с кратностью 1, 2, 5; размерностью F5 - в В/см, мВ/см . . . мкВ/см или в/дел, мВ/дел, мкВ/дел. Для увеличения диапазона измеряемых напряжений используется множитель F5, принимающий значения 1 или 10.

          4) Коэффициент развертки F5 характеризует масштаб изображения по горизонтали.

                      F5  с/дел,  мс/дел,  мкс/дел  или  с/см,  мс/см,  мкс/см.  (5.4)

          Представляет собой отношение времени прямого хода луча F5 к длине перемещения луча на экране F5. Иногда используется понятие скорости развертки F5. Величина F5 может достигать десятков и сотен км/сек. Для увеличения чувствительности канала горизонтального отклонения используется множитель развертки, обычно со значениями 0,1; 0,2; 0,5.

          5) Входное сопротивление - определяет влияние осциллографа на исследуемую цепь. Обычно F5 ³ 1 Мом; для низкочастотных осциллографов F5 30¸40 пФ, для высокочастотных F5 3¸5 пФ.

          6) При выборе осциллографа для решения конкретных измерительных задач следует учитывать и другие характеристики осциллографа: рабочую площадь экрана, цвет свечения, диапазоны амплитуд и длительностей входных сигналов, количество каналов, возможность применения сменных блоков и т.д.

 

5.3. Измерение параметров сигналов

 

Осциллограф позволяет проводить прямые измерения фактически только двух параметров сигнала - величины напряжения и величины временного интервала.

1. Измерение напряжения.

а) Метод калиброванной шкалы.

                Метод основан на применении известного коэффициента отклоненияF5F5 , значения которого переключаются с помощью предварительно откалиброванного аттенюатора (делителя) входного устройства канала вертикального отклонения осциллографа. Значение измеряемой амплитуды определяется выражением:      

                                                    F5 [В],                                      (5.5)

где F5 - коэффициент отклонения (В/дел),

       F5 - значение множителя (обычно 1 или 10),

       F5 - размер изображения по вертикали (дел).

Погрешность метода составляет 5¸10%.

б) Метод сравнения.

Метод основан на сравнении амплитуды измеряемого сигнала с амплитудой калиброванного образцового напряжения, подаваемых поочередно на  Y - вход осциллографа. Источник калиброванного напряжения может быть внутренним или внешним. Погрешность метода 3-5%.

Для повышения точности используют дифференциальный усилитель канала (обычно, это сменный блок), на оба входа которого одновременно подают измеряемый и калибровочный сигналы. ЭЛТ осциллографа в этом случае является нуль-индикатором (индикатором равенства амплитуд сигналов). Погрешность метода определяется в основном погрешностью задания калибровочного напряжения и может быть уменьшена до 1%.

                2. Измерение временных интервалов.        

а) Метод калиброванной шкалы (калиброванной развертки).

Метод основан на использовании известного, предварительно откалиброванного коэффициента развертки F5[с/дел], значения которого задаются переключением времязадающих цепей генератора развертки канала горизонтального отклонения осциллографа.

Значение измеряемого временного интервала определяется по формуле:

                                                    F5 [с],                                         (5.6)

где F5 - коэффициент развертки (с/дел),

      F5 - множитель развертки (обычно 0,1; 0,2; 0,5),

      F5 - размер изображения по горизонтали (дел).

Погрешность метода составлет 5-10%.

б) Метод сравнения.

Метод основан на использовании высокостабильных образцовых (маркерных) меток времени, которые совмещаются с измеряемым временным интервалом. Для получения меток на Z-вход осциллографа подается сигнал генератора образцовой частоты, осуществляющий модуляцию яркости луча. Значение измеряемого временного промежутка определяется выражением

F5,

где п, F5 - соответственно число и период образцовых меток. Погрешность метода может достигать 1-3%. Существуют различные модификации метода сравнения, позволяющие получить значительно более высокую точность измерения временных интервалов (погрешность измерения временных интервалов порядка 1 нс).

5.4. Погрешности измерений

 

Различают следующие виды погрешности измерений с помощью осциллографа: погрешность F5, общая погрешность измерения U, погрешность F5, общая погрешность измерения t, параметры переходной характеристики, параметры АЧХ.

Обычно эти погрешности нормируются и приводятся в техническом описании на осциллограф.

При этом можно выделить следующие виды погрешностей:

1) Погрешность измерения напряжения из-за спада АЧХ.

Из АЧХ канала Y осциллографа видно, что в пределах полосы пропускания при равных значениях входного напряжения величина изображения на экране осциллографа будет уменьшаться по мере приближения частоты сигнала к значению F5. Т.е. возникает частотная погрешность, обусловленная спадом АЧХ в области верхних частот. Погрешность носит систематический характер, и поэтому может быть устранена путем введения поправочного множителя, определяемого из конкретной АЧХ осциллографа.

2) Погрешность при измерении длительности фронта и среза импульсов за счет переходной характеристики.

Из переходной характеристики осциллографа видно, что при исследовании импульсных сигналов происходит увеличение длительности фронта и среза изображения импульса на экране относительно входного из-за влияния входной цепи и времени нарастания осциллографа. В общем виде длительность фронта изображения

                                            F5,                                            (5.7) 

где F5 - длительность фронта импульса на входе осциллографа;

      F5 - время нарастания входной цепи;

      F5 - время нарастания переходной характеристики.

          Погрешность F5 носит систематический характер.

          При согласованном входном кабеле часто F5 достаточно мала, и тогда реальная длительность фронта определится выражением:

                                                    F5.                                             (5.8)

3) Погрешности за счет неравномерности переходной характеристики и АХЧ, нелинейности F5 и F5 устранить не удается из-за индивидуального характера этих погрешностей. Они носят случайный характер и нормируются в техническом описании (например, F5%).

4) Случайная визуальная погрешность определения размеров изображений по вертикали и горизонтали

                                                  F5%,                                             (5.9)

где q - ширина луча,

       l - размер изображения.

                Часто в техническом описании даются общие погрешности измерения напряжения и времени, представляющие собой сумму указанных выше погрешностей. В зависимости от них выпускаются осциллографы четырех классов точности 1, 2, 3, 4, погрешности которых соответственно 3, 5, 10, 12%.

                Выбор осциллографа для решения конкретной измерительной задачи осуществляется согласно назначения и по техническим параметрам (полоса пропускания, диапазон измерений, погрешности и т. д.) различных типов осциллографов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика