Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов


НазваниеУчреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов
страница8/16
Дата публикации05.04.2013
Размер2.36 Mb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Физика > Документы
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   16
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ
^ 3.1. Устройство электронно-лучевого осциллографа

Класс осциллографов сегодня может быть поделен на две силь­но различающиеся группы: аналоговые (электронно-лучевые и светолучевые) и цифровые. Каждая из этих групп имеет свои функци­ональные возможности, достоинства и недостатки, метрологичес­кие и эксплуатационные характеристики, свои области и специ­фику применения.

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) как законченный при­бор широкого назначения начал применяться в 30-х гг. XX в. (хотя электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) появилась еще в конце XIX в.). До на­стоящего времени ЭЛО является, пожалуй, одним из основных инструментов изучения различных динамических процессов во вре­менной области. Классический ЭЛО – это электронный аналого­вый измерительный прибор, который используется для исследова­ния, как правило, периодических процессов в реальном времени.

Упрощенно структуру ЭЛО можно представить тремя основны­ми частями (рис. 38): канал вертикального отклонения луча (ка­нал Y), канал горизонтального отклонения (канал X) и элект­ронно-лучевая трубка.


Рис. 38. Упрощенная структура электронно-лучевого осциллографа

Такое название каналов (Y и X) от­вечает классическому двухкоординатному представлению различ­ных функций (вертикальная ось – ось ординат Y, горизонтальная ось – ось абсцисс X).Назначение каналов Y и X преобразование входных исследу­емых и/или вспомогательных напряжений до уровней, необходи­мых для управления потоком электронов в электронно-лучевой трубке. Назначение этой трубки – формирование изображения ис­следуемого сигнала или изображения, отражающего результат вза­имодействия двух или нескольких сигналов.

Рассмотрим подробнее устройство и работу каждой из этих ча­стей.
^ 3.1.1. Каналы вертикального и горизонтального отклонения

Максимально упрощая рассматриваемую структуру ЭЛО (см. рис. 38), представим канал вертикального отклонения (канал Y) со­держащим только делитель напряжения (Д), усилитель (Уy) и пе­реключатель SW1. Делитель Д предназначен для уменьшения вход­ных исследуемых сигналов больших уровней, при этом переклю­чатель SW1 находится в положении 1. Усилитель Уy служит для усиления малых входных сигналов, при этом переключатель SW1 находится в положении 2. Выходной сигнал усилителя поступает на пластины Y ЭЛТ, а также на вход канала X. Все элементы кана­ла Y обладают достаточно широкой полосой частот пропускания (верхняя граница полосы у обычных моделей ЭЛО составляет еди­ницы – десятки мегагерц).

Канал горизонтального отклонения (канал X) в упрощенном виде можно представить так: генератор развертки (ГР), усилитель (УX), два переключателя SW2 и SW3. Вход внешней синхронизации (ВС) предназначен для запуска генератора развертки внешним вспомогательным сигналом. Генератор развертки формирует ли­нейно изменяющееся (пилообразное) напряжение, которое через УX поступает на пластины горизонтального отклонения – пла­стины X ЭЛТ. Это напряжение в течение интервала времени пря­мого хода как бы «разворачивает» исследуемый сигнал по гори­зонтальной оси (т.е. оси X) с постоянной скоростью. Таким обра­зом, создается аналогия развертки в текущем времени. Усилитель Ух предназначен для усиления входного сигнала до уровня, необхо­димого для нормального отклонения луча. В положении 1 пере­ключателя SW2 на вход ГР поступает сигнал с выхода канала Y. Таким образом, обеспечивается режим внутреннего запуска гене­ратора развертки исследуемым сигналом. В положении 2 пере­ключателя SW2 на вход ГР поступает сигнал синхронизации от внешнего источника.

С помошью переключателя SW3 выбирается режим развертки: положение 1 режим линейной развертки (Yt); положение 2 – режим YX частности круговой развертки).

Конечно, реальные структура ЭЛО и устройство ЭЛТ гораздо сложнее рассмотренных нами.
^ 3.1.2. Электронно-лучевая трубка

Конструктивно электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) основной элемент ЭЛО представляет собой стеклянный баллон с глубо­ким вакуумом, в который встроены металлические электроды (рис. 39). Внутренняя поверхность экрана ЭЛТ покрыта люми­нофором веществом, которое светится в месте удара потока элек­тронов.



Рис. 39. Устройство ЭЛТ: НН – нить накала; К – катод; М – модулятор; А1, А2 – аноды; Х, Y – пластины; 1 – поток электронов; 2 – экран

Нить накала (НН), находящаяся внутри цилиндра катода (К), нагревает его. С поверхности нагретого катода вылетают электро­ны, которые, стремясь к высокому положительному потенциалу анодов А1 и А2, проходят сквозь модулятор («сетку»). Модулятор (М) имеет отрицательный по отношению к катоду потенциал, изменяя который, можно менять число проходящих сквозь него электронов и, тем самым, регулировать яркость изоб­ражения на экране ЭЛТ. Аноды А1 и А2 образуют своеобразную электронную линзу, благодаря которой осуществляется фокуси­рование потока электронов (и, следовательно — изображения). Кроме того, аноды обеспечивают значительную скорость движе­ния электронов, достаточную для нормального свечения люмино­фора экрана в месте удара.

Рассмотренные электроды (НН, К, М, А1 и А2) образуют так называемую электронную пушку, назначение которой форми­рование узкого пучка летящих с большой скоростью электронов (луча). Далее поток электронов пролетает между двумя парами отклоняющих его пластин (X и Y), расположенных взаимно- перпендикулярно.

Если к пластинам Y приложено некоторое по­стоянное напряжение UY, то между пластинами возникает электрическое поле, напряженность которого E прямо пропорциональ­на напряжению UY и обратно пропорциональна расстоянию меж­ду пластинами.

Поток электронов, пролетая в электрическом поле пластин, испытывает действие силы F. Значение этой силы F пропор­ционально напряженности Е электрического поля. Таким обра­зом, отклонение потока электронов и, следовательно, вертикаль­ное отклонение h светящегося пятна на экране определяются на­пряжением на пластинах UY. Если напряжение на пластинах UY меняется, то пропорционально меняется и отклонение пятна на экране h.

Действие другой пары пластин пластин X на поток элект­ронов аналогично рассмотренному, но только отклонение потока электронов при подаче напряжения UX происходит в горизонталь­ной плоскости, т.е. вдоль оси X.

Чувствительность собственно ЭЛТ низка, поэтому для работы с сигналами обычных уровней (доли вольта единицы вольт) необходимо предварительное усиление исследуемых сигналов. Кроме того, для организации различных режимов работы, возможности измерения сигналов в достаточно широких диапазонах измене­ния их амплитуд и частот необходимы дополнительные узлы. Для обеспечения этих возможностей и предназначены элементы ка­налов Y и X.

^ 3.1.3. Двухканальные электронно-лучевые осциллографы

Довольно широко распространены сегодня двухканальные (двухлучевые) осциллографы, которые имеют более широкие возможно­сти, так как позволяют одновременно исследовать два разных проте­кающих процесса. У таких приборов два отдельных входа Y, они содержат два самостоятельных канала вертикального отклонения Y, аналогичных рассмотренным для обычных одноканальных ЭЛО. Электронно-лучевая трубка общая для обоих каналов и состоит из двух отдельных электронных пушек, которые формируют два потока электронов (луча). Каждый из этих потоков управляется своими парами пластин Y и X. Таким образом, на одном экране одновременно формируются изображения двух разных сигналов.

Поскольку, как правило, развертка во времени у двух входных сигналов общая, то появляется возможность, например, анализи­ровать синхронность происходящих процессов, оценивать задерж­ки или фазовые сдвиги между сигналами. Особенно удобны такие двухканальные ЭЛО при исследовании, наладке, ремонте релей­ных схем, узлов цифровой схемотехники (например, элементов запоминающих устройств, микропроцессорных контроллеров, бло­ков компьютеров и т.п.).

Параметры и метрологические характеристики каналов обычно идентичны. Значения коэффициентов отклонения по вертикали могут меняться индивидуально по каждому каналу, а коэффици­ент отклонения по горизонтали (коэффициент развертки) общий и изменяется одновременно для обоих входных сигналов.

^ 3.2. Формирование изображений на экране электронно-лучевой трубки

Если и на пластины Y, и на пластины X поступают изменяющие­ся во времени сигналы, то траектория движения светящегося пятна на экране будет определяться характером поведения этих сигналов.

Если напряжения на пластинах меняются достаточно быстро (с частотой более 20...30 Гц), то траектория пятна на экране пред­ставляется сплошной линией. При малых скоростях (частоты ниже 1 Гц) можно наблюдать на экране светящуюся точку, перемещаю­щуюся по экрану ЭЛТ.

В ЭЛО используются разные способы (режимы) формирования изображения.

^ 3.2.1. Режим линейной развертки (режим Yt )

Режим линейной развертки (рис. 40) называется также режимом Yt, поскольку входной сигнал Y как бы разворачивается в текущем времени t.


Рис. 4.0. Режим линейной развертки (режим Yt)

Это наиболее часто используемый режим, в котором можно исследовать изменения входного сигнала во времени. В этом случае на пластины Y подается ис­следуемый сигнал, а на пласти­ны X подается пилообразное на­пряжение. На рис. 40 показан слу­чай синусоидального исследуемо­го сигнала UY с периодом Тс и линейно изменяющегося напря­жения ГР UX с периодом Тр = Тс.Линейная развертка может быть реализована в автоколеба­тельном режиме или в режиме ждущей развертки.

^ Автоколебательный режим раз­вертки. В этом режиме ГР непре­рывно генерирует периодическое пилообразное напряжение. Если период сигнала Тс окажется равным периоду напряжения генератора развертки Тр, то траектория движения светящегося пятна на экране будет повторяться от цик­ла к циклу, т.е. в каждом периоде развертки Тр изображение будет одним и тем же. Таким образом, изображение на экране будет ус­тойчивым (рис. 41).

Рис. 41. Случай равенства периодов сигнала и генератора развертки

Отметим, что изображение будет устойчивым также и при крат­ном отношении (Тр / Тс = 2; Тр / Тс = 3; Тр / Тс = 4; ...).

В более общем случае, когда периоды исследуемого сигнала и ГР не равны (и не кратны), изображение на экране будет неустой­чивым и/или неудобным, так как в каждом цикле развертки луча изображение будет отличаться от изображений предыдущих цик­лов. Суммарное изображение как бы бежит по экрану. В некоторых случаях изображение может быть устойчивым, но неудобным для анализа. При достаточно высоких частотах сигналов (десятки герц и выше) отдельные изображения в каждом цикле чередуются так быстро, что (из-за инерционности человеческого глаза) накладываются друг на друга, создавая единый образ.

Одни и те же пары сигналов могут создавать разные изображе­ния на экране в зависимости от начальных временных сдвигов напряжений на пластинах.

На рис. 42 приведены примеры изображений для сигналов с различными временными сдвигами. Изображение ^ 1 соответствует паре напряжений UY и UX1. Изображение 2 соответствует паре напряжений UY и UX2, изображение 3 соответствует паре напряжений UY и UX3, изображение 4 соответствует паре напряжений UY и UX4.

Рис. 42. Формирование изображения на экране

^ Ждущий режим развертки. В отличие от автоколебательного режима развертки режим ждущей развертки позволяет получить повторяющееся устойчивое изображение при периодическом сигнале на входе Y независимо от соотношения периодов напряжения ГР UГР и входного напряжения UY. При этом цикл работы ГР определяется (задается) неким управляющим напряжением, например входным исследуемым сигналом UY. Запуск ГР (начало формирования «пилы») происходит лишь при наличии заданных оператором признаков, например определенного уровня входного сигнала и знака его изменения (производной). На рис. 43 показан случай, соответствующий нулевому уровню запуска (значению входного напряжения UY = 0) и положительному изменению входного сигнала (т.е. при его возрастании).

Цикл работы ГР при этом состоит из интервалов рабочего хода Tр и интервала ожидания Tож. Значение Тр не зависит от периода входного сигнала и задается оператором. Значение Тож (точ­нее момент его окончания) определяется следующим моментом совпадения заданных признаков управляющего сигнала (см. рис. 43).



Рис.43. Режим ждущей развертки

В качестве управляющего запуском развертки сигнала (сигнала синхронизации) могут использоваться:

  • входной исследуемый сигнал (внутренний запуск);

  • внешний вспомогательный сигнал (внешний запуск);

  • сигнал напряжения электрической сети питания ЭЛО.
    Режим ждущей развертки удобен в большинстве случаев, по­
    этому он наиболее часто используется.

^ 3.2.2. Режим YX

В отличие от режима линейной развертки в этом режиме на входы Y и X могут поступать исследуемые сигналы различных форм. Генератор развертки при этом не используется.

Метод эллипса. В режиме круговой (эллиптической) развертки на входы Y и ^ X ЭЛО подаются синусоидальные сигналы одной частоты или разных частот. На рис. 50 приведен пример формиро­вания изображения при поданных на пластины Y и X двух синусо­идальных напряжений одной частоты, сдвинутых друг относи­тельно друга на 90°.


Рис. 44. Режим круговой развертки (режим Y и X)

Если на пластины Y и X поступают два синусоидальных сигнала одной частоты f = 1 / T, но с некоторым сдвигом фаз φ = ( t · 360) / T, то на экране ЭЛТ возникнет изображение наклоненного эллипса, по параметрам которого можно найти значение фазо­вого сдвига φ.

Измерив отрезки а и b, или сиdв изображении эллипса на экране, можно найти фазовый сдвиг φ (рис. 45).



Рис. 45. Определение значения фазового сдвига

Поскольку sin φ = а/b, или sin φ = с/d, то значение фазового сдвига φ определяется таким образом:

φ = arcsin(a/b) = arcsin(c/d).

На рис. 46 приведены примеры изображений для разных зна­чений фазового сдвига φ.



Рис. 46. Изображения на экране в методе эллипса для разных значений фазового сдвига:

а – φ = 0°; б – φ = 30°; в – φ = 60°; г φ = 90°; д φ = 180°

Метод фигур Лиссажу. Если на пластины Y и X поступают си­нусоидальные напряжения разных частот fY и fX, то на экране ЭЛТ возникает изображение замкнутой фигуры фигуры Лиссажу. На рис. 47 показан случай формирования изображения, когда часто­та fY вдвое больше частоты fX.



Рис. 47. Метод фигур Лиссажу

Зная значение одной из частот, можно найти значение другой. Этот метод используется для измерения неизвестной частоты си­нусоидальных сигналов. На один вход ЭЛО (любой), например, на вход Y, подается сигнал неизвестной частоты, на другой вход X подается напряжение с выхода генератора синусоидальных сигналов. Изменением частоты сигнала генератора добиваются ус­тойчивого изображения на экране одной из понятных (удобных) фигур Лиссажу. Затем определяется число точек пересечения полу­ченной фигуры горизонтальной и вертикальной линиями (рис. 48, а). Для получения правильного результата линии должны проходить таким образом, чтобы число точек пересечения обе­ими линиями было максимальным.

После этого отсчитывается значение установленной частоты сигнала генератора. Отношение частот fY / fX равно отношению чис­ла точек пересечения по горизонтали Nг и по вертикали Nв:

fY / fX = Nг / Nв.


Рис. 48. Определение точек пересечения (а) или касания (б)

На рис. 48, а приведен пример фигуры Лиссажу с соотноше­нием точек пересечения Nг / Nв = 6/4. Это значит, что частота сиг­нала на входе Y в полтора раза больше, чем частота сигнала на входе X. Например, если частота сигнала генератора, поданного на вход X, оказалась равной 12,4 кГц, то при такой фигуре на экране значение неизвестной частоты сигнала, поданного на вход Y рав­но 18,6 кГц.

Можно использовать и касательные к фигуре линии (см. рис. 48, б), тогда нужно применять аналогичное соотноше­ние, но точек касания горизонтальной и вертикальной каса­тельной.

^ Общий случай. В режиме YX возможна также работа с сигна­лами любых форм.

Понимание принципа управления отклонением луча позволяет априори определить возможную траекторию движения пятна на экране при известных диаграммах сигналов на пластинах. При до­статочном навыке для построения изображения можно обойтись сравнительно небольшим числом точек. Кроме того, для случаев кусочно-линейных сигналов (или хотя бы одного из них) можно упростить процесс построения, рассматривая интервалы време­ни, соответствующие однообразному (постоянному) поведению сигналов, например, постоянным производным, и дающие сразу целые фрагменты траектории, а не только точки. На рис. 49 пока­зан случай двух сигналов с постоянными производными на неко­торых интервалах времени. Легко видеть, что на интервалах 1, 2, 3, 4 на экране будут отрезки прямых линий, что при систематичес­ком и достаточно быстром повторении образует на экране прямоугольник (квадрат).

В этом режиме ЭЛО может использоваться в качестве характериографа инструмента исследования характеристик электрон­ных, электрических и электромагнитных устройств. Например, с помощью ЭЛО можно получить зависимость выходного напряже­ния четырехполюсника от входного.

Рис. 49. Формирование изображения на экране
3.2.3. Растровый режим (режим YXZ)

В этом режиме на пластины Y и X подаются периодически из­меняющиеся сигналы UY и UX, которые заставляют луч последо­вательно с большой скоростью обегать множество сдвинутых па­раллельных горизонтальных строк (рис. 50). Так формируется растр.

Не вся траектория луча видна на экране. Изменением напря­жения UZ на модуляторе М ЭЛТ можно управлять яркостью от­дельных элементов траектории. Таким образом можно формиро­вать разнообразные изображения (как графические, так и знако­вые) с помощью множества светящихся точек или небольших фрагментов.

Отрицательное значение напряжения UZ, как говорят, «запи­рает» ЭЛТ, т.е. резко уменьшает число электронов в пучке, и све­чения пятна на экране при этом не будет. Положительным им­пульсом напряжения UZ ЭЛТ «открывается» и в соответствующем месте экрана возникает светящееся пятно. В примере на рис. 50 светящиеся в начале каждой строки пятна образуют как бы верти­кальную линию в левой части экрана.


Рис. 50. растровый режим (режим YXZ)

Скорость обегания всего экрана должна быть достаточно высо­кой с тем, чтобы обновление всего кадра не замечалось глазом, т.е. не реже 25 раз в секунду.

Число строк также должно быть достаточно большим для обра­зования удовлетворительного по разрешающей способности изобра­жения (образа).

Обычно число строк в этом режиме – не менее нескольких сотен. Чем больше число строк и чем выше скорость изменения кадров, тем выше качество изображения.

Отметим, что подобный режим редко применяется в класси­ческих электронно-лучевых осциллографах, но является основным в электронно-лучевых трубках цифровых осциллографов, телеви­зоров, мониторов персональных компьютеров.
^ 3.3. Метрологий осциллографических измерений

Общая погрешность результата измерения, выполненного с по­мощью осциллографа, содержит те же составляющие, что и по­грешность результата любого другого измерения: инструменталь­ную, методическую и субъективную. Хотя в подходах к оценкам отдельных составляющих отражается определенная специфика осциллографических измерений.

^ 3.3.1. Инструментальная погрешность

Инструментальная погрешность результата осциллографического измерения складывается из статической (при постоянном или низ­кочастотном входном сигнале) и динамической составляющих.

^ Статическая погрешность. При измерении как амплитудных, так и временных параметров можно использовать общий подход к оценке погрешностей. Поскольку подавляющее большинство слу­чаев применения ЭЛО основано на измерении длин линейных от­резков (например, при измерении амплитуды и периода сигнала, длительности импульса), то наличие систематических аддитивных погрешностей каналов Y и X не приводит к погрешностям результатов, так как определяет лишь сдвиг изображения на экране.

Мультипликативные же погрешности каналов в большинстве случаев влияют на результат измерения, так как искажения ли­нейных параметров изображения на экране при этом линейно за­висят от значения входной величины. Пределы допустимых отно­сительных мультипликативных погрешностей каналов Y и X назы­ваются погрешностями коэффициентов отклонения и задаются количественно, например, так: δY = ±5 %; δX = ±2 %. Эти значения характеризуют только статическую (или низкочастотную) погреш­ность воспроизведения сигналов каналами.

^ Динамическая погрешность. Входные каналы ЭЛО не в состоя­нии воспринимать («пропускать») высокочастотные сигналы в бес­конечно широкой полосе частот. Есть естественные ограничения. Полоса частот, которую пропускает канал ЭЛО (т.е. позволяет нор­мально исследовать), зависит от схемотехники и элементной базы его каналов. Понятно, что чем шире полоса частот, тем лучше. Ее граница определяется верхней частотой fв, полосы пропускания.

К характеристикам ЭЛО, определяющим динамическую погреш­ность, относятся:

  • амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и значение верх­ней границы fв полосы пропускания по каналам Y и X,

  • время нарастания τн переходной характеристики канала Y;

  • время установления τу;

  • неравномерность АЧХ канала Y;

  • фазочастотная характеристика (ФЧХ) канала Y.

Рассмотрим основные из этих характеристик на примере ка­нала Y.

Рассмотрим, как прак­тически определяется реальная АЧХ канала Y.

На вход канала Y ЭЛО подается синусоидальный сигнал от высокочастотного генератора, частота которого может регулиро­ваться в широких пределах (верхняя граница диапазона изменения частоты должна быть не менее верхней границы fв полосы пропус­кания исследуемого ЭЛО). Затем, изменяя частоту сигнала генератора и под­держивая (с помощью показаний широкополосного электронного вольтметра) амплитуду сигнала постоянной, фиксируют ампли­туду изображаемого на экране сигнала. Таким образом, можно по­строить по некоторому множеству точек кривую АЧХ канала. При­мер АЧХ канала Y ЭЛО показан на рис. 51.

По оси абсцисс отложены значения относительной частоты f / fв сигнала, т.е. отношение частоты входного сигнала f к верхней гра­нице полосы пропускания fв канала (границе его частотного диа­пазона). По оси ординат (слева) отложена относительная ампли­туда υ изображения сигнала по осциллограмме υ = h / h0, где h амплитуда сигнала по осциллограмме (изображению) на конкретной частоте, h0 – амплитуда по осциллограмме при низкой часто­те входного сигнала (или при постоянном напряжении).


Рис. 51. Амплитудно-частотная характеристика канала ^ Y

Верхняя граница fв полосы пропускания (для канала с открытым входом) определяется по уровню уменьшения отно­сительной амплитуды на –3 дБ и задается в паспорте на ЭЛО (на­пример, так: fв = 10 МГц). Зная АЧХ, можно определить погреш­ность воспроизведения на экране амплитуды синусоидального сиг­нала известной частоты. Например, при частоте входного сигнала f = 5 МГц и значении fв = 10 МГц погрешность воспроизведения амплитуды синусоидального сигнала на экране составит прибли­зительно – 10 % (см. рис. 51).

^ Время нарастания τн переходной характеристики канала и вре­мя установления τу характеризуют реакцию ЭЛО на скачкообраз­ные (импульсного характера) изменения входного сигнала. Время нарастания τн определяется интервалом времени изменения сиг­нала на экране от 0,1 Umax до 0,9 Umax амплитудного значения сигна­ла Umax (рис. 52, а).

Время установления τу определяется интервалом от 0,1Umax до вхождения сигнала в заданную зону ± .

На практике значения времен нарастания τн и установления τу канала Y определяются следующим образом.


Рис. 52. Определение времени нарастания (а) и времени установления (б)

На вход канала Y ЭЛО пода­ется сигнал от генератора пря­моугольных импульсов. Длитель­ность фронта выходного сигна­ла генератора должна быть замет­но меньше ожидаемого времени нарастания и времени установ­ления канала исследуемого ЭЛО. Затем, измерив указанные пара­метры осциллограммы сигнала, определяют искомые значения времен нарастания τн и установ­ления τу.

Неравномерность АЧХ канала и фазочастотная характеристика (ФЧХ) канала Y определяют в основном искажения формы неси­нусоидальных входных сигналов.
^ 3.3.2. Погрешность взаимодействия

В осциллографических измерениях, как и в других измерениях, присутствует погрешность взаимодействия прибора с объектом исследования (ОИ) – источником сигнала, которая определяется соотношением выходного сопротивления источника и комплекс­ного входного сопротивления (импеданса) ЭЛО. Так как осцил­лограф является измерителем напряжения, то чем больше его входное сопротивление по сравнению с выходным сопротивлени­ем источника сигнала, тем лучше. А поскольку ЭЛО подключается к источнику сигнала с помощью входного соединительного кабе­ля, необходимо учитывать как входные параметры собственно прибора, так и параметры кабеля. При подключении ЭЛО к объек­ту исследования важное значение имеют правильный выбор вход­ного кабеля, учет и согласование параметров источника сигнала, кабеля и собственно осциллографа.

^ Входные кабели (ВК) по своим возможностям делятся на пас­сивные и активные. Группа пассивных (не содержащих активных элементов) ВК – наиболее массовая группа и делится, в свою очередь, на кабели без деления (без уменьшения) входного сигна­ла (1:1) и кабели с делением сигнала (10:1; 100:1).

Самый простой пассивный ВК без деления сигнала (1:1) это по сути отрезок экранированного коаксиального (для уменьшения влияния внешних электромагнитных полей и создания определен­ного волнового сопротивления) кабеля с разъемом для подключе­ния ко входу ЭЛО – с одной стороны, и контактами-щупами для подсоединения к ОИ – с другой. Такие ВК используются при ис­следовании сравнительно малых по амплитуде сигналов невысо­кой частоты, т.е. в тех случаях, когда значительная входная ем­кость (ограничивающая полосу пропускания) ЭЛО не приводит к серьезной погрешности взаимодействия. Схема подключения ВК приведена на рис. 53.

Коаксиальный кабель представляет собой распределенную элек­трическую емкость. Удельная емкость коаксиального кабеля обыч­но составляет (50... 100) пФ на 1 м, поэтому длина ВК имеет су­щественное значение, так как определяет емкостное сопротивле­ние кабеля и, следовательно, общую входную емкость. Таким об­разом, общая входная емкость (с точки зрения источника сигна­ла) Свх равна сумме емкостей кабеля Ск и усилителя Су ЭЛО. Ак­тивное сопротивление кабеля пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением входного усилителя ЭЛО, и его можно не учиты­вать. Общее входное сопротивление с учетом ВК определяется па­раллельным соединением активного сопротивления входного уси­лителя Ry и суммарной входной емкости Свх. Строго говоря, необ­ходимо также учитывать и емкость собственно контактов щупов (наконечников), подсоединяемых к ОИ. Типичное значение этой емкости – 2...5 пФ. Понятно, что чем меньше общая входная ем­кость и чем больше входное активное сопротивление, тем лучше, так как тем меньше будет погрешность взаимодействия и, следо­вательно, шире полоса частот пропускания.


Рис. 53. Подключение входного кабеля без деления (1:1)

Пассивные ВК с делением (ВКД) сигнала содержат дополни­тельную внутреннюю резистивно-емкостную цепь (резистор R и конденсатор С), обеспечивающую увеличение входного активно­го сопротивления и одновременно уменьшение входной емкости, т.е. расширение полосы частот исследуемых сигналов. Схема вклю­чения ВКД показана на рис. 54. При соединении ОИ с ЭЛО таким кабелем возникает дели­тель напряжения, верхнее плечо которого образовано суммарным комплексным сопротивлением резистивно-емкостной цепи кабе­ля (R и С), а нижнее – параллельным соединением емкостей ка­беля Ск, усилителя Су и входного сопротивления Ry усилителя ЭЛО. На рис. 55 приведена эквивалентная схема подключения такого делителя.


Рис. 54. Подключение входного кабеля с делением

В этом случае входное активное сопротивление Rвх (с точки зре­ния ОИ) имеет вид

Rвх = R + Ry.



Рис. 55. Эквивалентная схема подключения кабеля с делением

Входная емкость ^ Свх при этом образована последовательным со­единением емкости конденсатора С резистивно-емкостной цепи ВКД и суммарной емкости параллельного соединения емкостей кабеля Ск и емкости усилителя Су:

Свх = C(Cк + Су) / (C + Cк + Су).

Таким образом, очевидно, что в данном случае суммарная вход­ная емкость ^ Свх заметно уменьшается.

Рассмотрим пример для ВКД с коэффициентом деления 10:1. Известны параметры ЭЛО и ВКД:

Ry = 1 МОм; Су = 50 пФ; Cк = 50 пФ; R = 9 МОм; С = 11 пФ.

Сумма емкостей кабеля Ск и усилителя ЭЛО Су:

Ск+ Су= 100 пФ.

Окончательные значения суммарных входного активного сопро­тивления Rвх и емкости Cвх (с точки зрения источника сигнала) равны соответственно:

Rвх = 10 МОм; Cвх = 10 пФ.

Таким образом, в результате применения такого кабеля полу­чаем значительно лучшие входные параметры прибора и, как след­ствие, лучшие динамические характеристики. Хотя, надо отметить, что использование ВКД пропорционально снижает чувствитель­ность измерения. Напряжение U2, поступающее на вход усилителя ЭЛО, в коэффициент деления раз меньше, чем измеряемое на­пряжение U1. В рассмотренном примере при постоянном (или низкочастотном) входном напряжении отношение U2/U1 = 10, т.е. чувствительность уменьшается в 10 раз.

Значение емкости конденсатора С ВКД можно изменять в не­больших пределах для настройки частотных свойств делителя.

Если известны значения суммарных (с учетом соединительного кабеля любого типа) входного сопротивления и входной емкости, то погрешность взаимодействия вз для случая синусоидального сигнала оценивается следующим образом:

вз ≈  U [Rи /Rвх + 0,5(ωτ)2],

где U результат измерения амплитуды; Rи  сопротивление ис­точника сигнала; Rвх суммарное входное сопротивление ЭЛО; ω  круговая частота сигнала; τ = Rи Свх (Свх  суммарная входная емкость ЭЛО с кабелем).

Первое слагаемое в этой сумме характеризует значение погреш­ности при постоянном входном напряжении, а второе — при пе­ременном напряжении определенной частоты ω = 2f.

Активные ВК содержат усилитель, который позволяет значи­тельно повысить входное сопротивление ЭЛО и тем самым резко уменьшить погрешность взаимодействия.

^ Открытый и закрытый входы ЭЛО. В режиме так называемого открытого входа усилитель канала Y ЭЛО воспринимает любой сигнал пропорционально его мгновенным значениям.



Рис. 56. Режим открытого входа (а) и его АЧХ {б)

На рис. 56, а приведена эквивалентная схема входного каска­да усилителя Y ЭЛО в режиме открытого входа, а на рис. 56, б показана АЧХ канала Y в этом режиме. В режиме открытого входа ЭЛО воспринимает сигналы в полосе частот от 0 до fв, Гц.

В режиме закрытого входа усилитель канала ^ Y пропускает толь­ко переменную составляющую сигнала и игнорирует (не пропус­кает) постоянную составляющую. Представим себе сигнал u(t), который содержит постоянную U0 и переменную составляющие (рис. 57, а).


Рис. 57. Переход к режиму закрытого входа:

а  входной сигнал; б  увеличение постоянной составляющей U0; в  увеличение переменной составляющей Um

Предположим, нас интересует только переменная составляю­щая (скажем, ее амплитуда Um) входного сигнала. Для того чтобы обстоятельно исследовать характер изменения и амплитуду только переменной составляющей, необходимо повысить чувствительность канала. Но в данном случае, в режиме открытого входа при соизмеримых значениях амплитуды Um переменной составляющей и постоянной составляющей U0, невозможно обеспечить требуемое изобра­жение, так как простое увеличение чувствительности канала при такой сумме не дает желаемого результата  изображение выходит за рамки экрана (рис. 57, б). Но если избавиться от постоянной составляющей U0, то можно увеличить до необходимого размера толъко переменную (интересующую нас) составляющую (рис. 57, в). Это возможно в режиме так называемого закрытого входа.


Рис. 58. Режим закрытого входа (а) и его АХЧ (б)

В режиме закрытого входа (рис. 58, а) на входе усилителя последовательно включается разделительный конденсатор ^ Ср, который как раз и не пропускает постоянную составляющую входного сигнала. Амплитудно-частотная характеристика усилителя Y этом режиме показана на рис. 58, б. В режиме закрытого входа АЧХ имеет полосу частот, начинающуюся не с нуля, а с некоторой нижней частоты fн.



Рис. 59. Обозначения режимов открытого (а) и закрытого входов (б)

Условные обозначения режимов открытого и закрытого входов, которые наносятся на лицевые панели приборов, могут отличаться для разных приборов (рис. 59). На рис. 59, а приведены обозначения режима открытого входа, а на рис. 64, б  режима закрытого входа.

Англоязычные аббревиатуры DC и АС в обозначениях раскры­ваются так: DC  Direct Current  напряжение постоянного тока; АС  Alternating Current  напряжение переменного тока.
^ 3.3.3. Субъективная погрешность

Как известно, субъективная погрешность может складываться в общем случае из погрешности отсчитывания и грубой ошибки (про­маха). Промах непредсказуем и поэтому не может быть заранее оценен.

В случае осциллографических измерений значения амплитудных и временных параметров сигнала находят по его изображению на экране (т.е. по осциллограмме) посредством определения paзмеров линейных отрезков. Поэтому, во избежание значительный погрешностей, важно выбирать оптимальные значения коэффициентов отклонения по каналам Y и X, т.е. такие, при которых интересующий нас параметр представляется отрезком наибольшей возможной (в пределах сетки экрана) длины. Чем меньше размер нужного параметра на осциллограмме, тем хуже, так как тем больше относительная погрешность его определения.

Погрешность отсчитывания отс в системе шкала  стрелка (у стре­лочных приборов) и в системе сетка  пятно (у осциллографов) по природе одинаковы. Погрешность отсчитывания содержит две составляющих: интерполяции и параллакса. Погрешность интерпо­ляции неизбежно возникает всегда, когда требуется количественно выразить положение стрелки, точки, границы отрезка в долях де­ления, в координатах сетки шкалы экрана ЭЛО. Погрешность интерполяции определяется квалификацией оператора, размерами пятна, расстоянием между соседними делениями шкалы. Погреш­ность параллакса в ЭЛО вызвана тем, что поток электронов вызы­вает свечение на внутренней поверхности экрана ЭЛТ, а сетка, как правило, нанесена на внешней поверхности защитного стекла. Именно толщина стекла экрана и защитного стекла (аналог расстояния между стрелкой и шкалой у стрелочных приборов) и рож­дает эту погрешность. Количественную оценку этих составляющих в различных изданиях предлагается осуществлять по-разному. Пред­лагаем для простоты и легкости запоминания оценивать значения этих составляющих одинаково (по одной десятой веса одного де­ления сетки экрана):

отс = ±(0,1α + 0,1α) = ±0,2 α,

где α  вес одного деления шкалы экрана по оси Y или X.

Это совпадает с подходом к оценке погрешности от­считывания в аналоговых стрелочных измерительных приборах.

У некоторых моделей ЭЛО сетка нанесена на обеих поверхно­стях (внешней и внутренней) защитного стекла. Грамотное исполь­зование этой конструктивной особенности позволяет уменьшить погрешность параллакса до пренебрежимо малых значений. В этом случае следует учитывать только первую составляющую  погреш­ность интерполяции:

*отс = ± 0,1 α.

Если в ЭЛО имеется режим цифрового отсчета значений амп­литудных и временных параметров, то погрешность отсчитывания вообще отсутствует.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   16

Похожие:

Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconРеспублики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный...
С. Е. Витун, заведующий кафедрой финансов и кредита уо «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы», кандидат экономических...
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconРеспублики Беларусь Учреждение образования «Белорусский государственный...
Учреждение образования «Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка»
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconУчреждение образования «Гродненский государственный медицинский университет» Кафедра биохимии
Рекомендовано Центральным научно-методическим советом уо “Гргму” (протокол № от 10. 06. 20010 г.)
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconМинистерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное...
«Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского»
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconКонкурс «Лучший инновационный проект студентов и аспирантов» проводится...
«Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова» в рамках всероссийского фестиваля науки, организуемого Министерством...
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconУчреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»...
Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,...
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconУчреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»...
Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,...
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconУчреждение образования «гомельский государственный технический университет...
Список использованных источников
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconГосударственное образвательное учреждение высшего профессионального образования
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева”
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов iconКафедра акушерства и гинекологии
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «тамбовский государственный университет имени г....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница