Основные понятия и определения 8 страница



S- переключатель режимов измерения (переменное напряжение – постоянное напряжение).

Рассмотрим основные схемы и принцип действия входных детекторов.

Первая схема представляет входной детектор амплитудных значений с открытым входом. На рисунке приведена его схема и диаграмма, поясняющая работу.

При проектировании таких схем следует выбирать следующие элементы:

С=0.02…0.05 мкФ.

R=50…100 мОм.

Работа детектора достаточно очевидна. При похождении положительной полуволны напряжения емкость С заряжается практически до амплитудного значения. При прохождении отрицательной полуволны напряжения диод VD закрыт, и емкость начинает разряжаться через цепи микроамперметра. Так как сопротивление этой цепи велико заряд на обкладках конденсатора, а, следовательно, и напряжение на емкости будут изменяться медленно и за полпериода входного напряжения изменятся незначительно. Таким образом, на емкости поддерживается напряжение близкое к амплитудному.

На следующей схеме представлен детектор амплитудных значений с закрытым входом, и диаграмма поясняющая его работу.

Работу детектора поясняет соотношение:

Подробно работу таких детекторов рассмотрим на примере одной из практических схем.

                     

Детектор содержит входную емкость С, диод VD, нагрузочное сопротивление R, RC фильтр и усилитель постоянного тока УПТ.

Схема работает следующим образом: Входное напряжение u(t) приложенное к цепи C-VD вызывает на резисторе R падение напряжения со смещением на величину равную –Um (см рисунок). Далее это напряжение через фильтр подается на усилитель и измерительный механизм. Прибор, собранный по такой схеме показывает амплитудное значение входного напряжения. Формулы, поясняющие этот процесс, приведены ниже:

.

Если , тогда: .

Преобразователи (детекторы) средневыпрямленного значения.

На схеме приведенной ниже показан детектор средневыпрямленного значения.

                                

Показания прибора соответствуют:

Преобразователи (детекторы) среднеквадратичного значения.

Преобразователь среднеквадратичного значения получают путем апроксимации квадратичной функции несколькими отрезками (см. рисунок). Как правило, такие детекторы представляют собой электронные схемы. Одна из простейших схем апроксимации представлена на рисунке.

Схема работает следующим образом: Каждый из диодов VD1 – VD3 находится под своим напряжением смещения, соответственно U1 – U3, которые формирует резистивный делитель напряжения R4 – R6 и источник дополнительного питания Uп. При изменении входного напряжения U в пределах от 0…Uп происходит следующее: В начальный момент, когда U<U1, измеряемый ток Iи определяется цепью R1VD3- и является первым участком апроксимации (см. диаграмму). Когда напряжение U лежит в пределах U1<U<U2 происходит пробой диода VD2, и ток через измерительный механизм равен i1+i2. Это второй участок апроксимации. На третьем участке(U2<U<U3) пробивается VD1 и ток составляет Iи составляет сумму трех токов i1+i2+i3. Таким образом, кривая Iп=U2 получается апроксимированной тремя отрезками.

Уравнения, поясняющие работу схемы на переменном напряжении, приведены ниже.

- коэффициент пропорциональности.

При входном напряжении произвольной формы работу схемы поясняют следующие уравнения:

Измерительные генераторы сигналов.

Генератором измерительных сигналов называют источники напряжения, вырабатывающие стабильные испытательные сигналы с известными с определенной точностью параметрами (частотой, напряжением, мощностью и формой).

Генераторы различают по форме выходного напряжения, по частотному диапазону, по величине и мощности выходного сигнала.

По форме выходного сигнала генераторы бывают:

  • Генераторы сигналов синусоидальной формы.
  • Импульсные генераторы одиночных импульсов или серии (пачки) импульсов.
  • Генераторы сигналов специальной формы – треугольной, трапецеидальной, пилообразной, синусоквадратичной и др.
  • Генераторы качающейся частоты (это маломощные со специальным, чаще линейным, законом изменения частоты).
  • Шумовые генераторы с бесконечно широким сплошным спектром частот и калиброванным уровнем выходного сигнала.

По виду модуляции выходного сигнала генераторы бывают:

  • С амплитудной синусоидальной модуляции.
  • С частотной синусоидальной модуляцией.
  • С импульсной модуляцией.
  • С частотной модуляцией.
  • С фазовой модуляцией.
  • С комбинированной модуляцией.

По частотному диапазону выходного сигнала генераторы делятся на:

  • Инфранизкочастотные с частотой выходного сигнала до 20 Гц.
  • Низкочастотные с частотой выходного сигнала 20…200000 Гц. (20…20000Гц.- звуковые и 20000…200000 Гц.- ультразвуковые).
  • Высокочастотные с частотой выходного сигнала 200 кГц…50 мГц.
  • Сверхвысокочастотные (СВЧ) с коаксиальным выходом с частотой выходного сигнала 50 мГц…10 ГГц.
  • СВЧ с волновым выходом с частотой выходного сигнала >10 ГГц.

Наибольшее распространение получили генераторы синусоидальных сигналов. Они применяются для настройки радиоэлектронной аппаратуры и устройств автоматики.

Параметры генераторов синусоидальных колебаний.

Важнейшим параметром, характеризующим форму выходного сигнала, являются нелинейные искажения (измеряются в %). А параметр, определяющий нелинейные искажения называется коэффициент гармоник.

.

U1, U2, Un- действующие значения, соответственно первой и высших гармоник составляющих спектр выходного сигнала. Данный коэффициент зависит от частоты и мощности на выходе.

Диапазон регулируемых частот характеризуется коэффициентом перекрытия.

.

Стабильность частоты в процессе работы определяется коэффициентом стабильности.

,

где f1- частота генератора, измененная внешними условиями (например, изменением температуры или подключением нагрузки).

f0- начальная частота генератора.

Электронно-лучевые осциллографы.

Электронно-лучевые осциллографы – приборы, предназначенные для визуального наблюдения форм исследуемых электрических сигналов. Кроме того, осциллографы могут применяться для измерения частоты, периода и амплитуды.

Основная деталь электронного осциллографа - электронно-лучевая трубка (смотри рисунок), напоминающая по форме телевизионный кинескоп.

                               

Экран трубки (8) покрыт изнутри люминофором - веществом, способным светиться под ударами электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают. Испускаются же электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала) (1) и катода (2). Между “пушкой” и экраном размещены модулятор (3), регулирующий поток летящих к экрану электронов, два анода (4 и5), создающих нужное ускорение пучку электронов и его фокусировку, и две пары пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной Y (6) и вертикальной X (7) осям.

Работает электроннолучевая трубка следующим образом:

На нить накала подают переменное напряжение, на модулятор постоянное, отрицательной полярности по отношению к катоду на аноды - положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону, относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины (пластины Пх), а также ”рисующей” на экране форму исследуемых колебаний (пластины Пу).

Чтобы представить, как получается на экране изображение, экран трубки представим в виде окружности (хотя у трубки он может быть и прямоугольный) и поместим внутри нее отклоняющие пластины (см. рисунок). Если подвести к горизонтальным пластинам Пхпилообразное напряжение, на экране появится светящаяся горизонтальная линия - ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения.

                     

Если теперь одновременно с пилообразным напряжением, поданным на пластины Пх, подать на другую пару пластин (вертикальных - Пу), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности “изогнется” по форме колебаний и “нарисует” на экране изображение.

В случае равенства периодов синусоидального и пилообразного колебаний, на экране будет изображение одного периода синусоиды. При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в периоде колебаний пилообразного напряжения развертки. В осциллографе имеется регулировка частоты развертки, с помощью которой добиваются нужного числа наблюдаемых на экране колебаний исследуемого сигнала.

Структурная схема осциллографа.

На рисунке изображена структурная схема осциллографа. На сегодняшний день существует большое число различных по конструкции и назначению осциллографов. По-разному выглядят их лицевые панели (панели управления), несколько отличаются названия ручек управления и переключатели. Но в любом осциллографе существует минимально необходимый набор узлов, без которых он не может работать. Рассмотрим назначение этих основных узлов. На примере осциллографа С 1-68.

На рисунке:

ВА- входной аттенюатор; ВК- входной каскад усилителя; ПУ- предварительный усилитель; ЛЗ- линия задержки; ВУ- выходной усилитель; К- калибратор; СБ- схема блокировки; УП- усилитель подсвета; СС- схема синхронизации; ГР- генератор развертки; ЭЛТ- электроннолучевая трубка.

Схема работает следующим образом.

Блок питания

Блок питания обеспечивает энергией работу всех узлов электронного осциллографа. На вход блока питания поступает переменное напряжение, как правило, величиной 220 В. В нем оно преобразуется в напряжения разной величины: переменное 6,3 В для питания нити накала электронно-лучевой трубки, постоянное напряжение 12-24 В для питания усилителей и генератора, около 150 В для питания оконечных усилителей горизонтального и вертикального отклонения луча, несколько сотен вольт для фокусировки электронного луча и несколько тысяч вольт для ускорения электронного пучка.

Из блока питания кроме выключателя питания, выведены на переднюю панель осциллографа регуляторы: “ФОКУСИРОВКА” и “ЯРКОСТЬ” При вращении этих ручек изменяются напряжения, подаваемые на первый анод и модулятор. При изменении напряжения на первом аноде, меняется конфигурация электростатического поля, что приводит к изменению ширины электронного луча. При изменении напряжения на модуляторе изменяется ток электронного луча (изменяется кинетическая энергия электронов), что приводит к изменению яркости свечения люминофора экрана.

Генератор развертки

Выдает пилообразное напряжение, частоту которого можно изменять грубо (ступенями) и плавно. На лицевой панели осциллографа они называются “ЧАСТОТА ГРУБО” (или “ДЛИТЕЛЬНОСТЬ РАЗВЕРТКИ”) и “ЧАСТОТА ПЛАВНО”. Диапазон частот генератора весьма широк - от единиц герц до единиц мегагерц. Около переключателя диапазонов проставлены значения длительности (продолжительности) пилообразных колебаний.

Усилитель канала горизонтального отклонения

С генератора развертки сигнал подается на усилитель канала горизонтального отклонения (канала X). Этот усилитель необходим для получения такой амплитуды пилообразного напряжения, при которой электронный луч отклоняется на весь экран. В усилителе расположены регулятор длины линии развертки, на передней панели осциллографа он называется “УСИЛЕНИЕ X“ или “ АМПЛИТУДА X”, и регулятор смещения лини развертки по горизонтали.

Канал вертикальной развертки

Состоит из входного аттенюатора (делителя входного сигнала) и двух усилителей - предварительного и оконечного. Аттенюатор позволяет выбирать нужную амплитуду рассматриваемого изображения в зависимости от амплитуды исследуемых колебаний. С помощью переключателя входного аттенюатора, амплитуду сигнала можно уменьшить. Более плавные изменения уровня сигнала, а значит и размера изображения на экране, получают с помощью регулятора чувствительности оконечного усилителя канала Y. В оконечном усилителе этого канала, как и канала горизонтального отклонения, есть регулировка смещения луча, а значит, и изображения, по вертикали.

Кроме того, на входе канала вертикального отклонения стоит переключатель 1, с помощью которого можно либо подавать на усилитель постоянную составляющую исследуемого сигнала, либо избавляться от нее включением разделительного конденсатора. Это в свою очередь, позволяет пользоваться осциллографом как вольтметром постоянного тока, способным измерять постоянные напряжения. Причем входное сопротивление канала Y достаточно высокое - более 1 МОм.

О ДРУГИХ РЕГУЛИРОВКАХ

У генератора развертки есть еще один переключатель - переключатель режима работы развертки. Он также выведен на переднюю панель осциллографа (на структурной схеме он не указан). Генератор разверток может работать в двух режимах: в автоматическом - генерирует пилообразное напряжение заданной длительности и в ждущем режиме - “ожидает” прихода входного сигнала, и с его появлением запускается. Этот режим бывает необходим при исследовании сигналов появляющихся случайно, либо при исследовании параметров импульса, когда его передний фронт должен быть в начале развертки. В автоматическом режиме работы случайный сигнал может появиться в любом месте развертки, что усложняет его наблюдение. Ждущий режим целесообразно применять во время импульсных измерений.

Синхронизация

Если между генератором развертки и сигналом нет никакой связи, то начинаться развертка и появляться сигнал будут в разное время, изображение сигнала на экране осциллографа будет перемещаться либо в одну, либо в другую сторону - в зависимости от разности частот сигнала и развертки. Чтобы остановить изображение нужно “засинхронизировать” генератор, т.е. обеспечить такой режим работы, при котором начало развертки, будет совпадать с началом появления периодического сигнала на входе Y (скажем синусоидального). Причем синхронизировать генератор можно как от внутреннего сигнала (он берется с усилителя вертикального отклонения), так и от внешнего, подаваемого на гнезда “ВXОД СИНXР.”. Выбирают тот или иной режим переключателем S2 - ВНУТР.- ВНЕШН. синхронизация (на структурной схеме переключатель находится в положении “внутренняя синхронизация).

Принцип синхронизации поясняет следующая диаграмма.

Для наблюдения высокочастотных сигналов, когда их частота во много раз превышает принципиально возможную частоту каналов усиления осциллографа, применяют стробоскопические осциллографы.

Принцип работы стробоскопического осциллографа поясняет следующая диаграмма.

Осциллограф работает следующим образом: Каждый период исследуемого напряжения u(t) формируется синхронизирующий импульс Uc, который запускает генератор развертки. Генератор развертки формирует напряжение пилообразной формы, которое сравнивается со ступенчато - нарастающим (на U) напряжением (см. диаграмму). В момент равенства напряжений формируется строб – импульс, причем каждый последующий период строб – импульса увеличивается по отношению к предыдущему на величину t. В момент прихода строб – импульса формируется импульс выборки. Его амплитуда равна амплитуде исследуемого сигнала и выводится на экран осциллографа. Таким образом, на экране получается изображение в виде импульсов, амплитудная огибающая которых, соответствует исследуемому сигналу только “растянутому” во времени. Стробоскопические осциллографы применяются в телевизионной, радиолокационной и других видах высокочастотной техники.

Погрешности осциллографов.

У осциллографов, при измерении напряжений, выделяют следующие погрешности:

  • Погрешность номинального коэффициента отклонения по вертикали К0.
  • Погрешность преобразования, вызванная неравномерностью переходной характеристики Н.
  • Визуальная погрешность (%):

.

Где b- ширина линии луча, h- размах изображения по вертикали.

Суммарная погрешность измерения напряжения определяется как:

.

Осциллографы по метрологической точности делятся на четыре класса. В приведенной ниже таблице даны основные нормируемые параметры для каждого из классов.

Наименование параметра

Норма для электронных осциллографов класса точности

1 2 3 4
Основная погрешность измерения напряжения, % не более 3 5 10 12
Основная погрешность коэффициентов отклонения, % не более 2.5 4 8 10
Основная погрешность измерения временных интервалов, % не более 3 5 10 12
Основная погрешность коэффициента развертки, % не более 2.5 4 8 10
Неравномерность вершины переходной характеристики, % не более 1.5 2 3 5

Промышленностью выпускались запоминающие осциллографы. Однако в на  стоящее время они применяются крайне редко. Их место заняла цифровая техника (ЭВМ, ПК) на базе быстрых процессоров. Поэтому в данном курсе этот класс приборов рассмотрен не будет.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 207; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!