Методика получения осциллограмм непрерывных и импульсных сигналов

При выборе осциллографа в первую очередь следует обращать внимание на его технические характеристики: частотный диапазон, чувствительность, размер экрана. При этом изображение должно занимать центральную часть экрана и составлять 70...80% его площади. В цифровых приборах это требование обычно выполняется автоматически. Следует также обращать внимание на входные параметры осциллографа. Так, у некоторых осциллографов входное сопротивление находится в пределах 1МОм, что может оказывать шунтирующее действие на высокоомную исследуемую схему. Такое же неблагоприятное действие оказывает и входная емкость, которая вместе с емкостью соединительных проводов может составить несколько десятков пикофарад. При измерении импульсов и напряжений высоких частот для подсоединения исследуемой схемы должны использоваться высокочастотные кабели.

Измерение амплитудных значений напряжения. В универсальных осциллографах используется метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране осциллографа. Цена деления сетки устанавливается заранее с помощью калибратора амплитуды. Пример определения параметров сигнала с помощью масштабной сетки представлен на (рис. 10.16).

Параметры импульсов определяются следующим образом:

U_p = C_yI_y — размах (амплитуда импульса);

T = C_xL_x — период следования импульсов;

τ_n = C_xI_x — длительность импульса;

|C_x| — цена деления сетки по горизонтали, с/дел;

|C_y| — цена деления сетки по вертикали, B/дел,

где I_y, L_x, I_xвыражены в делениях сетки. Погрешность измерения амплитуды сигнала при этом методе измерения составляет 4...7%.

Измерение временных параметров сигнала. В отличие от частотомеров и измерителей временных интервалов с помощью осциллографов можно измерять параметры сигналов сложной временной структуры, например ступенчатых сигналов или сигналов кодовой последовательности. Можно также измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом измерения является метод калиброванной развертки, или калиброванных меток (рис. 10.17). На схеме U_c — напряжение исследуемого сигнала; U_к — напряжение калиброванного сигнала; τ_и — длительность импульса.

Реальная погрешность данного метода находится в пределах 10% и зависит от числа меток. Калиброванные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала путем модуляции яркости луча, т.е. подачи на сетку ЭЛТ напряжения известной частоты f₀, или периода колебания T₀ = 1/f₀. При этом T_c = nT₀, где n — число калиброванных меток. Разные способы повышения точности этого метода также используются и в цифровых осциллографах. За счет этого можно получить погрешность менее 1%.

В ряде случаев сравнение частот двух гармонических сигналов производят методом интерференционных фигур (фигур Лиссажу). С этой целью колебания известной (образцовой) частотыf₀ подаются на один вход осциллографа, например X (собственная развертка осциллографа отключается). На второй вход поступают колебания неизвестной частотыf_изм. Частоту образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа получилась простейшая устойчивая фигура, виды которой приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1. Интерференционные фигуры при разных фазовых сдвигах между сигналами

Соотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено путем деления числа точек пересечения по вертикали на число точек пересечения по горизонтали.

Данная процедура иллюстрируется (рис. 10.18), где соотношение составляет

= = = .

Получение осциллограмм импульсных сигналов. При измерении импульсных сигналов особое значение имеет правильное определение формы и параметров фронтов импульса. Основными влияющими факторами на правильное воспроизведение импульсного сигнала являются:

Ø частотный диапазон канала вертикального отклонения

∆F = f_B ‒ f_H,

где f_B/f_H — верхняя и нижняя граничные частотыканала соответственно;

Ø переходная характеристика осциллографа.

Частотные свойства осциллографа определяются амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) — зависимостью размера изображения гармонического сигнала от его частоты. Амплитудно-частотная характеристика имеет полосу пропускания частот, которая определяется верхней граничной частотойf_B, отсчитываемой на уровне 0,707 от значения АЧХ на низких частотах. Среди других параметров следует отметить рабочий диапазон АЧХ, в пределах которого ее неравномерность не превышает погрешности измерения напряжения для данного осциллографа.

Не менее важным параметром осциллографов является их переходная характеристика, вид которой показан на (рис. 10.19). К параметрам переходной характеристики осциллографа относится время нарастания фронта τ_н.о — интервал, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 установившегося значения (максимального уровня амплитудного значения напряжения U_m) переходной характеристики. Плоская часть переходной характеристики может быть с выбросом или осцилляциями. Для оценки выбросов используются дополнительные параметры: время нарастания τ_н.о, время установления фронта τ_ус, отсчитываемое от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляции до заданного уровня, и выброс амплитуды δ. Время нарастания является основным параметром канала Y осциллографа.

Для исследования кратковременных импульсов требуется осциллограф, у которого время нарастания должно быть не более 0,3 длительности сигнала. Учитывая изложенное ранее, верхняя граница частотного диапазона определяется по формуле

f_B = .

При этом длительность фронта импульса уточняется в соответствии со следующим выражением:

τ_ф ≅ ,

где τ_изм — измеренное значение длительности фронта; τ_н.о — время нарастания фронта, определяемое по переходной характеристике осциллографа (не более 0,1...0,3 длительности сигнала).

От нижней граничной частоты f_H зависит величина скоса ∆U_m вершины импульса (рис. 10.20). Эта граничная частота может быть определена по формуле

f_и ≤ ,

где δ_и — допустимая относительная величина спада вершины импульса;

δ_и =

При получении осциллограмм импульсов со значительной скважностью, т.е. коротких импульсов, имеющих большой период повторения, используется ждущая развертка.

Контрольные вопросы

1Какова методика измерения временных интервалов с помощью осциллографа?

2В чем заключается сущность методики измерения параметров импульсных сигналов с помощью осциллографа?

3Как создается временной масштаб на горизонтальной оси экрана?

4Как выглядит осциллограмма круговой развертки?

5Как осуществляется управление лучом ЭЛТ?

6Чем объясняется искажение осциллограммы сигнала из-за нелинейности развертки?

7В чем состоит методика измерения напряжений с помощью осциллографа?

8Методика измерения периода, длительности и фронтов импульса, с помощью осциллографа?

9Методика измерения сдвига фазы, с помощью осциллографа?