Измерение частоты сигнала с помощью электронно-лучевого осциллографа

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет  им. Р.Е. Алексеева»

 

Кафедра: «Электропривод и автоматизация  промышленных установок»

 

Реферат

Измерение частоты сигнала с помощью  электронно-лучевого осциллографа.

по дисциплине:

  «Метрология»

                                         Проверил:

                                                                           Доронин Д.О.         /___________/

                                                                    «___»____________2013 г

                                    Выполнила:

                                                                            Макарова А.С.     /___________/

                                                                     «___»____________2013 г                               

                                                                       Работа защищена____________

                                                           С оценкой____________

 

 

г. Выкса, 2013г

СОДЕРЖАНИЕ

1. Назначение, классификация и основные устройства осциллографов……………………………………………3
2. Структурная схема универсального осциллографа………….14
3. Основные технические характеристики осциллографа……..17
4. Запоминающие, скоростные и стробоскопические………….18
5. Автоматизация осциллографических измерений……………19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Назначение, классификация и основные  устройства осциллографов.

Электронно-лучевой  осциллограф — один из наиболее универсальных измерительных приборов для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Существуют различные типы осциллографов: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные.

Наиболее распространены универсальные осциллографы, позволяющие исследовать разнообразные электрические сигналы в диапазоне от долей милливольт до сотен вольт с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд. Полоса пропускания лучших универсальных осциллографов достигает 300—400 МГц. Изображение сигнала на экране индицируется практически одновременно с появлением сигнала на входе, поэтому такие приборы называют осциллографами реального времени. Часто универсальные осциллографы выполняют со сменными блоками, увеличивающими их функциональные возможности.

Скоростные  осциллографы предназначены для исследования быстропротекающих процессов (нано - и пикосекундной длительности), для чего используется специальная электронно-лучевая трубка бегущей волны. Предварительного усиления входного сигнала в скоростных осциллографах, как правило, не производят, поэтому чувствительность их невелика. Эти приборы также являются осциллографами реального времени и позволяют наблюдать и фотографировать одиночные и повторяющиеся сигналы.

С помощью стробоскопических осциллографов исследуют повторяющиеся кратковременные процессы. По принципу действия стробоскопические осциллографы относятся к приборам с преобразованием временного масштаба и отличаются высокой чувствительностью и широкой (до 18 ГГц) рабочей полосой.

Запоминающие  осциллографы благодаря применению специальных электронно-лучевых трубок обладают способностью сохранять и воспроизводить в течение длительного времени изображение сигнала после исчезновения его на входе. Основное назначение запоминающих осциллографов — исследование однократных и редко повторяющихся процессов. Запоминающие осциллографы имеют примерно те же характеристики, что и универсальные, однако отличаются расширенными функциональными возможностями.

К специальным относят осциллографы с дополнительными блоками целевого назначения, а также телевизионные, позволяющие выделить видеосигнал заданной строки изображения, цифровые, дающие возможность не только наблюдать сигнал, но и передать его в цифровом виде на ЭВМ для дальнейшей обработки. Специальные осциллографы могут включать блоки измерения напряжений, токов и сопротивлений (мультиметры), а также устройства для исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов.

Рис.1. Устройство осцилорграфической электронно-лучевой трубки

1— нагреватель; 2 — экран; 3 — вакуумная оболочка; 4 — третий  анод; 5 — горизонтально отклоняющие пластины; 6 — вертикально отклоняющие пластины; 7 — второй анод; 8 — первый анод; 9 — модулятор; 10 — катод.

По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов различают  одноканальные и многоканальные осциллографы. Возможность совмещения на экране изображений нескольких входных  сигналов реализуют либо использованием специальной многолучевой трубки, либо путем периодического переключения осциллографа на разные входы с помощью  электронного коммутатора.

К основным блокам, позволяющим  осуществить наблюдение и измерение  характеристик процессов, можно  отнести электронно-лучевые трубки и генераторы развертки.

Осциллографические  электронно-лучевые трубки.

В осциллографах применяют, как правило, электронно-лучевые  трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением  и формированием луча. ЭЛТ представляет собой стеклянную вакуумную оболочку с люминесцентным экраном (рис.1). Внутри оболочки расположены: катод с подогревателем; электроды ускорения и фокусировки  луча (1-й—3-й аноды); модулятор яркости светового пятна; пара пластин для отклонения луча по вертикали (ось У); пара пластин, отклоняющих, луч по горизонтальной координате (ось X). Принцип действия ЭЛТ основан на следующем. Электроны, эмитированные с катода, ускоряются и формируются в узкий пучок (электронный луч). Проходя мимо пластин, электронный луч под воздействием приложенного к ним напряжения отклоняется по осям X и У. Попадая на люминесцентный экран, электроны вызывают свечение в виде яркой точки. Размеры и конфигурацию пластин выбирают так, чтобы смещение светового пятна было пропорционально значениям отклоняющих напряжений, поданных на пластины. При этом световое пятно описывает траекторию, называемую осциллограммой.

Основные эксплуатационные параметры ЭЛТ описываются следующими эксплуатационными параметрами:

1. чувствительностью ЭЛТ по осям Х и У (h_x и h_y), которая выражается величиной перемещения светового пятна, вызванного отклоняющим напряжением величиной 1 В;
2. полосой пропускания ЭЛТ — диапазоном частот, в пределах которого чувствительность по вертикали составляет не менее 0,707 от максимального значения. Из-за конечного времени пролета электронов вдоль отклоняющих пластин τ_пр полоса пропускания ограничена со стороны верхних частот. Для учета этого эффекта используют понятие динамической чувствительности, которая связана со статической чувствительностью, введенной ранее, следующей зависимостью:

(1).

Динамическая чувствительность на частотах обращается в нуль. Частоту          называют критической; она зависит от значения ускоряющего напряжения длины пластин.

Рис.2. Зависимость динамической чувствительности ЭЛТ от частоты

Полоса пропускания ЭЛТ  обычно задается верхней граничной  частотой , на которой . Кроме пролетных явлений, учитываемых соотношением (1), на нее влияют емкость пластин и индуктивность их выводов. Поясним это, рассмотрев эквивалентную схему отклоняющих пластин (рис.3). Последовательный контур, образованный паразитными реактивностями LB и Спл, имеет малое входное сопротивление на частоте собственного резонанса:  . (2)

Напряжение на пластинах  зависит от частоты по закону, показанному  на рис.4. Как видно из графика, на частотах выше резонансной чувствительность ЭЛТ резко падает. Для повышения резонансной частоты уменьшают индуктивность выводов и емкость пластин.

Рассмотренные причины являются факторами, ограничивающими рабочую  полосу ЭЛТ широкого применения частотами 200-300 МГц. Статическая чувствительность их находится в пределах 0,6-6 мм/В по оси Y.

Важным параметром ЭЛТ  также является, размер рабочей, части  экрана, в пределах которой искажения  осциллограммы минимальны. Для улучшения использования площади экрана современные ЭЛТ имеют прямоугольный экран.

Рассмотрим некоторые  пути улучшения параметров ЭЛТ. Шкала  экрана ЭЛТ наносится на внутреннюю поверхность стекла. Это устраняет  субъективные ошибки из-за параллакса, которые возникают при использовании  шкалы, накладываемой на ЭЛТ снаружи. Для увеличения яркости изображения  используют металлизированный экран. Изнутри на него наносят тонкую пленку алюминия, прозрачную для электронов, но отражающую световой поток (направленный внутрь трубки) в сторону оператора.

Другим способом увеличения яркости, применяемым при фоторегистрации быстропротекающих процессов, является применение стекловолоконных экранов. Такие экраны представляют собой совокупность коротких отрезков световодов — стеклянных нитей с отражающей оболочкой. В каждом световоде излучение распространяется от одного торца к другому с минимальным боковым рассеянием, поэтому практически вся световая энергия достигает фотопленки, наложенной, непосредственно на экран.

Запоминающие трубки.

Эти трубки содержат те же элементы, что и ЭЛТ широкого применения. Это позволяет использовать их в  режиме осциллографирования без запоминания. Дополнительно запоминающие ЭЛТ оснащают узлом памяти, узлом воспроизведения и вспомогательными электродами (рис. 5). Узел памяти содержит мишень— сетку, покрытую слоем диэлектрика, и коллектор— более крупноструктурную сетку, расположенную поверх мишени. Запись изображения осуществляется электронным лучом высокой энергии (записывающий луч). Электроны луча оседают на мишени, причем количество заряда пропорционально току луча. При перемещении луча на мишени создается, потенциальный рельеф, повторяющий форму осциллограммы. После прекращения действия сигнала потенциальный рельеф мишени сохраняется длительное время (особенно при отключенном питании ЭЛТ).

Для наблюдения записанного  изображения служит узел воспроизведения, состоящий из катода с подогревателем, модулятора и электродов коллиматора. Катод создает поток электронов малой энергии, плотность которого регулируется модулятором. Коллиматор формирует широкий пучок, равномерно облучающий мишень. Потенциалы мишени и коллектора подобраны таким образом, чтобы при отсутствии записанного изображения медленные электроны воспроизводящего пучка не могли пройти через мишень. В этом случае свечение экрана минимально. При наличии потенциального рельефу в этих треках мишени часть электронов проходят к экрану, вызывая его свечение. На экране появляется осциллограмма, повторяющая форму потенциального рельефа мишени. Стирание записи производится подачей на мишень положительного импульса, выравнивающего потенциал мишени.

Современные запоминающие ЭЛТ  имеют скорость записи от 5-10 до 4000км/с.

Остальные параметры запоминающих ЭЛТ не отличаются от параметров ЭЛТ  широкого применения.

Перспективным типом отображающего  устройства, применяемого в осциллографах  с аналого-цифровым преобразованием  исследуемого сигнала, является матричная  индикаторная панель. Она представляет собой совокупность отдельных дискретных излучателей (газоразрядных, твердотельных  и пр.).

В настоящее время серийно  выпускаются матричные индикаторные панели с числом ячеек 100×100, что обеспечивает разрешающую способность 1 лин/мм. Экспериментальные образцы содержат 1000×1000 ячеек, что обеспечивает разрешающую способность, сравнимую с лучшими образцами ЭЛТ.

Виды разверток и их применение.

Для воспроизведения формы  исследуемого сигнала на экране ЭЛТ  используется его развертка во времени. Разверткой называют линию на экране осциллографа, которую вычерчивает  луч в отсутствие сигнала. В осциллографах  чаще используют линейную развертку. Для  некоторых измерений применяют  круговую и эллиптическую развертки.

В случае линейной развертки луч, двигаясь равномерно по экрану, прочерчивает прямую горизонтальную линию, как бы нанося на экран ось абсцисс декартовой системы координат — ось времени. Если на вертикально отклоняющие пластины подать исследуемый сигнал, то луч будет смещаться от линий развёртки причем величина отклонения пропорциональна мгновенному значению сигнала в текущий момент времени- (в данной точке развертки).

Линейная  развертка может быть однократной, непрерывной и ждущей.

Однократная развертка применяется для наблюдения одиночных и непериодических процессов. Для фиксации изображения применяют фоторегистрацию или запоминающую ЭЛТ. При однократной развертке на пластины X подают линейно изменяющийся (пилообразной) импульс (рис.6) от специального генератора, встроенного в осциллограф и называемого генератором развертки. Запуск генератора развертки производят несколько раньше момента появления напряжения на пластинах У, для чёго в осциллографе производится небольшая задержка входного сигнала. После того как луч достигнет края экрана (при этом напряжение на пластинах X равно амплитуде развертки UР), луч возвращается в исходное положение и осциллограф готов к приходу следующего сигнала.