Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов
Скачать 2.36 Mb.
|
| ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ ^ 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. ^ 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 (Y – t); положение 2 – режим Y – X (в частности круговой развертки). Конечно, реальные структура ЭЛО и устройство ЭЛТ гораздо сложнее рассмотренных нами. ^ 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. ^ 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. ^ 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. ^ Режим линейной развертки (рис. 40) называется также режимом Y – t, поскольку входной сигнал Y как бы разворачивается в текущем времени t.  Рис. 4.0. Режим линейной развертки (режим Y – t) 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. ^ 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 ^ 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 ^ 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:
^ 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 ^ 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. ^ В режиме Y – X 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 Y – X – Z)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 Y – X – Z) 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. ^ 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. ^ Инструментальная погрешность результата осциллографического измерения складывается из статической (при постоянном или низкочастотном входном сигнале) и динамической составляющих. ^ 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. ^ 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:
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 ^ 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). ^ 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. ^ 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. ^ (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 ^ вх 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 ^ вх 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 = 2f. Активные ВК содержат усилитель, который позволяет значительно повысить входное сопротивление ЭЛО и тем самым резко уменьшить погрешность взаимодействия. ^ 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 ^ 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 ^ р, 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. ^ 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. |
Похожие:
 | Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный... С. Е. Витун, заведующий кафедрой финансов и кредита уо «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы», кандидат экономических... | | Республики Беларусь Учреждение образования «Белорусский государственный... Учреждение образования «Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка» |
| Учреждение образования «Гродненский государственный медицинский университет» Кафедра биохимии Рекомендовано Центральным научно-методическим советом уо “Гргму” (протокол № от 10. 06. 20010 г.) | | Министерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное... «Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского» |
| Конкурс «Лучший инновационный проект студентов и аспирантов» проводится... «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова» в рамках всероссийского фестиваля науки, организуемого Министерством... | | Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,... |
| Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,... | | Учреждение образования «гомельский государственный технический университет... Список использованных источников |
| Государственное образвательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева” | | Кафедра акушерства и гинекологии Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «тамбовский государственный университет имени г.... |