Vii. приборы для анализа сигналов
Электронные осциллографы. Назначение и классификация. Параметры,
структурная схема и принцип функционирования универсальных осциллографов. Цифровые осциллографы. Применение электронных осциллографов для измерения напряжения и тока, частоты и угла сдвига фаз, измерения параметров импульсов. Погрешности при измерениях производимых с помощью осциллографов.[1: с.175…183; 2: с.89…95, 120…122; 3: с.174…197, 216…221; 4: с.177…212, 259…261, 272…275].
VII.1. Основные сведения и методические указания.
Электронным осциллографомназывают электронное устройство, позволяющее наблюдать на экране график изменения напряжения, подаваемое на его вертикально-отклоняющий вход. Развертывающее по ширине экрана напряжение подается на горизонтально-отклоняющий вход. Поскольку в подавляющем большинстве случаев, требуется наблюдать изменение входного напряжения во времени, то развертывающее напряжение формируют линейно возрастающим во времени, т.е. пилообразным.
Способность визуализировать сигналы – чрезвычайно важное качество осциллографа, позволяющее оперативно проводить контроль и диагностику электрических цепей. Кроме того, современные осциллографы позволяют получать графики сигналов с весьма точно выдержанными масштабами по осям координат, что позволяет определять в различные моменты времени период, частоту и сдвиг сигналов по фазе. Таким образом, современный осциллограф является универсальным измерительным устройством.
Разработаны и используются различные типы электронных осциллографов: универсальные, скоростные, запоминающие и специальные.
Самые распространенные универсальные осциллографы позволяют исследовать разнообразные электрические сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне от долей милливольт до сотен вольт. Полоса лучших универсальных осциллографов составляет 300…400 МГц. Часто универсальные осциллографы выполняют со сменными блоками, расширяющими их функциональные возможности.
Для исследования быстропротекающих процессов (нано- и пикосекундной длительности) предназначены скоростные осциллографы, в которых используется специальная электронно-лучевая трубка бегущей волны.
Запоминающие осциллографы, имеющие специальные электронно-лучевые трубки, обладают способностью сохранять и воспроизводить изображение сигнала в течение длительного времени после исчезновения его на входе. Основное назначение запоминающих осциллографов – исследование однократных и редко повторяющихся процессов.
Специальные осциллографы оснащены дополнительными блоками целевого назначения. К ним относятся и цифровые осциллографы, позволяющие не только наблюдать сигнал, но и передавать его в цифровом виде на компьютер для дальнейшей обработки. Специальные осциллографы снабжаются блоками измерения напряжений, токови сопротивлений (мультиметрами), а также устройствами для исследования вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов.
По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов различают одноканальные и многоканальные осциллографы. Совмещение на экране изображений нескольких входных сигналов реализуют или использованием специальных многолучевых трубок, или путем периодического переключения осциллографа на разные входы с помощью электронного коммутатора.
Цифровые осциллографы
В последнее время большее значение приобретают цифровые осциллографы, несмотря на значительно большую их стоимость по сравнению с обычными, аналоговыми осциллографами. Главное их отличие заключается в том, что исследуемые непрерывные сигналы еще на входе осциллографа, с помощью специальных аналого-цифровых преобразователей, преобразуются в цифровую форму, т.е. представляются в виде последовательности числовых кодов. Поэтому, благодаря дальнейшей обработки в самом осциллографе этой цифровой информации с помощью микропроцессорной техники, можно получить значение широкого ряда параметров исследуемого сигнала и с высокой точностью. А, следовательно, на экране осциллографа можно отображать не только сам исследуемый процесс, и, одновременно его числовые параметры, но, например, его спектральный состав или автокорреляционную функцию. Однако, заметим, что бурно развивающиеся в настоящее время так называемые виртуальные приборы создают им серьезную конкуренцию.
VII.2. Вопросы для самопроверки.
1. При каких условиях возможно получение изображения временного процесса на экране осциллографа?
2. В каких режимах может работать генератор напряжения развертки электронного осциллографа?
3. Для чего нужна синхронизация напряжения развертки в осциллографе, и какие виды синхронизации в нем используются?
4. Как с помощью универсального осциллографа измерить напряжение входного напряжения, его частоту и период?
5. В чем особенность двулучевых и двухканальных осциллографов, и какие новые возможности они дают?
6. Предложите способ нахождения траектории светящегося пятна на экране осциллографа при произвольных Ux(t) и Uy(t).
7. В чем заключается принципиальное отличие цифровых осциллографов от обычных аналоговых?
8. Как определить экспериментально нелинейность развертывающего напряжения осциллографа?
9. Изобразить осциллограмму, которая должна получиться на экране осциллографа, если частота f исследуемого сигнала синусоидальной формы равна 5 кГц, а частота fр линейно изменяющегося напряжения развертки идеальной формы равна 4 кГц.