Измерение частоты сигнала с помощью электронно-лучевого осциллографа

Непрерывная развертка применяется для исследования периодически повторяющихся сигналов. Напряжение развертки, при этом вырабатывается непрерывно (рис.7) и изображение образуется наложением осциллограмм, полученных на каждом периоде исследуемого сигнала (рис.7, а) или на нескольких периодах (рис.7, б). Период развёртки следует выбирать так, чтобы изображение на экране было неподвижным. Это возможно при выполнении следующего условия: отношение периода развертки Т_р к периоду исследуемого сигнала Т кратно целому числу:

Т_р/Т=п, n=1, 2, 3,… .

n=1 соответствует изображению одного периода сигнала (рис.7, а),   n=2 двух периодов (рис.7, б) и т.д. Если кратность не выполняется, то изображения сигнала на каждом периоде смещаются. Это приводит к появлению «бегущего» изображения; наблюдать сигнал при этом невозможно. Кратность развертки периоду повторения сигнала обеспечивается устройством синхронизации осциллографа.

 

Ждущая  развертка применяется для исследования непериодических сигналов, а также импульсов малой длительности с большим периодом повторения, когда непрерывная развертка малопригодна. Это поясняет рис. 8. Как видно, при Т_Р = Т масштаб изображения не подходит для наблюдения формы сигнала. Попытка уменьшить период развертки Т_Р<Т приводит к искажению осциллограммы (рис. 8, в) — кроме сигнала на экране появится линия развертки, прочерченная во время холостых проходов луча. Число этих проходов может быть велико, поэтому яркость нулевой линии существенно больше яркости изображения сигнала. Практически из-за ограниченного динамического диапазона ЭЛТ по яркости изображение сигнала наблюдаться не может.

Круговая  и эллиптическая развертки. В этом случае линия развертки представляет собой окружность или эллипс, причем ее длина больше, чем в случае линейной развертки, и отсутствует обратный ход луча. Данные обстоятельства увеличивают разрешающую, способность осциллографа примерно в три раза. Для создания круговой развертки используется генератор синусоидального напряжения, сигнал с которого подается на пластины X непосредственно, а на пластины У — со сдвигом 90°. Равенство амплитуд напряжений на пластинах дает круговую развертку, при неравенстве линия развертки представляет собой эллипс.

В современных осциллографах  широко распространены генераторы двойной развертки (задерживающей и задержанной). Применение двойной развертки существенно увеличивает функциональные возможности осциллографа. В частности, это позволяет рассматривать отдельные участки сигнала в удобном масштабе, что повышает точность измерения.

2.Структурная схема универсального осциллографа.

Рассмотрим обобщённую структурную  схему универсального осциллографа (рис.9). В осциллографе кроме ЭЛТ  можно выделить следующие функциональные блоки: каналы вертикального и горизонтального  отклонений, устройство синхронизации  и запуска развертки, канал модуляции  луча вспомогательные устройства, источник питания.

Рис. 9. Структурная схема  универсального осциллографа

Канал вертикального отклонения (У) определяет основные качественные характеристики, осциллографа и включает вводное устройство, предварительный усилитель, линию задержки и оконечный усилитель. Входная цепь служит для регулировки водного; сигнала по амплитуде, которая осуществляется широкополосным дискретным аттенюатором, проградуированным в значениях, коэффициента отклонения. Во входной цепи предусматривают также коммутируемый разделительный конденсатор, позволявший при необходимости исключать подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала («закрытый» вход).

Предварительный усилитель выполняет следующие функции: усиление сигнала и преобразование его из несимметричного в симметричный относительно общего провода, плавную регулировку коэффициента отклонения и изменение постоянной составляющей сигнала, подаваемого на ЭЛТ. Последнее необходимо для регулировки положения изображения по вертикали. В современных моделях широко используется дифференциальный предварительный усилитель с двумя входами. При этом на экране ЭЛТ отображается разность сигналов, поданных на входы.

Линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала  на пластинах ЭЛТ относительно начала развертки, что важно для ждущего  режима. Оконечный усилитель обеспечивает увеличение амплитуды сигнала до значения, достаточного для отклонения луча в пределах экрана, а также  согласование входного сопротивления  отклоняющих пластин ЭЛТ с  выходным сопротивлением предварительного усилителя и линии задержки.

Канал горизонтального отклонения (X) включает генератор развертки  и оконечный усилитель. Как правило, генератор развертки имеет три  режима работы: автоколебательный (непрерывная  линейная развертка), ждущий и режим  однократного запуска. Период развертки  регулируется дискретно и плавно. Генератор развертки может быть отключен; при этом развертка производится внешним сигналом, подаваемым на вход канала X. Назначение усилителя то же, что и оконечного усилителя Y, однако в нем предусматривается дискретное изменение коэффициента усиления для режима растяжки.

Устройство синхронизации  и запуска развертки предназначено  для управления генератором развертки  и обеспечивает кратности, периодов сигнала и. развертки. Для получения  неподвижного изображения начало развертки  должно быть связано с одной и  той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом и пр.). Процесс  привязки развертки к характерным  точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме и  запуском — в ждущем. Синхронизация  и запуск развертки производятся специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации. Различают два рёжима синхронизации: внутреннюю и внешнюю. При внутренней синхронизации синхроимпульсы вырабатывают из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней —  сигнал синхронизации подают на специальный  вход осциллографа от внешнего источника. Например, в стандартных генераторах  импульсов вырабатываются синхроимпульсы, относительно которых выходной сигнал, может быть, сдвинут с помощью  регулируемой задержки. При изучении прохождения импульсов через  какое-либо устройство регулировка  задержки на генераторе при внешней  синхронизации позволяет перемещать импульс на экране осциллографа по горизонтальной координате в удобное  для наблюдения место.

Канал модуляции луча по яркости (Z),основное назначение которого — подсветка прямого хода развертки. Постоянное напряжение на модуляторе ЭЛТ выбирают на уровне запирания трубки. В генераторе развертки вырабатывается специальный прямоугольный импульс подсчета, равный длительности прямого хода развертки. Для равномерной яркости изображения импульс подсвета должен иметь плоскую вершину. Необходимо также обеспечить малую длительность фронта и спада импульса. Для формирования напряжения, поступающего на модулятор, служит усилитель, имеющий также дополнительный вход. Это дает возможность модуляции изображения по яркости внешним сигналом. Канал Z используется также для создания яркостной отметки в осциллографах с двойной разверткой.

Вспомогательные устройства осциллографа включают калибраторы  и электронный коммутатор каналов. Калибраторы, встроенные в осциллограф, служат для точной установки коэффициентов  отклоненной и развертки непосредственно  перед измерениями. Они представляет собой отдельные генераторы сигналов с точно известной амплитудой и частотой. Для калибровки оси У используют постоянные напряжения обеих, полярностей (иногда плавно регулируемые) и напряжения в виде меандра. Масштаб по оси Х обычно устанавливают по синусоидальному напряжению, стабилизированному кварцем. Электронные коммутаторы, входящие в канал У некоторых осциллографов позволяют наблюдать на экране несколько синхронных процессов (имеющих строго кратные периоды повторения). Такой осциллограф называется многоканальным и имеет несколько входов, подключаемых к усилителю У с частотой развертки. В этом случае на каждом ходе развертки образуется изображение одного из входных сигналов (поочередный режим).

Источник питания осциллографа обычно состоит из двух частей высоковольтного, выдающего необходимые напряжения для питания электродов ЭЛТ, и  низковольтного — для питания  остальные узлов осциллографа.

3. Основные технические характеристики осциллографа

Параметры осциллографа характеризуют  его технические и эксплуатационные возможности как измерительного прибора. Можно выделить три группы параметров:

1. определяющие условия неискаженного воспроизведения на экране формы сигналов;
2. характеризующие точность измерения;
3. эксплуатационные параметры.

Среди других параметров отметим  нормальный диапазон AЧX, в пределах которого неравномерность АЧХ не превышает погрешности измерения напряжения для данного осциллографа. Этот параметр определяет частотные границы измерения амплитуд гармонических сигналов с заданной точностью. Специфическим видом искажений является воспроизведение на экране осциллографа собственных шумов усилителя Y. При этом линиям развертки получается размытой и наблюдение сигнала и измерение его параметров затруднено или невозможно. Уровень собственных шумов определяет, максимальную чувствительность, осциллографа — параметр, численно выражаемый минимальным коэффициентом отклонения, при котором возможны измерения с заданной точностью. Собственные шумы проявляются сильнее в широкополосных каналах Y, поэтому высокочувствительные осциллографы, как правило, узкополосные.

4. Запоминающие, скоростные и стробоскопические.

Рис.10. Стробоскопические преобразования сигнала.

Запоминающие  осциллографы обладают способностью длительное время сохранять и воспроизводить изображение сигнала после eго исчезновения на входе осциллографа. Запоминающие осциллографы используются, для исследования одиночных или медленно меняющихся процессов; принцип их действия основан на использовании запоминающей ЭЛТ.

Скоростные  осциллографы применяют для наблюдения относительно мощных сигналов нано - и пикосекундной длительности в реальном масштабе времени. В скоростных осциллографах используются ЭЛТ бегущей волны, поэтому параметры осциллографа определяются свойствами самой ЭЛТ (усиление сигналов в этом случае не производится). К остальным узлам осциллографа предъявляют жесткие требования: высокая скорость и большой диапазон, коэффициентов развертки, малое время срабатывания генератора, развертки, высокая линейность пилообразного напряжения. Яркость изображения однократного процесса невелика, поэтому скоростные осциллографы применяют преимущественно для фоторегистрации.

Стробоскопические осциллографы применяют для наблюдения повторяющихся сигналов. Принцип их действия заключается в преобразовании нескольких идентичных сигналов малой длительности в один, имеющий большую длительность и повторявший форму, входных сигналов. Число импульсов, участвующих в создании одного изображения определяет коэффициент трансформации временного масштаба, который может принимать весьма, большие значения (10⁷ - 10⁸).

5. Автоматизация  осциллографических измерений

Электронно-лучевой осциллограф  является наиболее широко используемым радиоизмерительным прибором. Автоматизация  процесса измерений дает значительный выигрыш во времени и в ряде случаев значительно повышает точность измерений. Рассмотрим возможные пути автоматизации регулировок и отсчета показаний при проведении осциллографических измерений.

Автоматическая установка  масштабов по осям Х и У. Действие автоматической установки масштабов  заключается в том, что при  изменении амплитуды и длительности входного сигнала в пределах, динамического  диапазона осциллографа размеры  изображения остаются постоянными  или меняются в заданных пределах. При этом производится цифровая индикация  коэффициентов отклонения и развертки, либо на специальном индикаторе, либо непосредственно на экране ЭЛТ

Автоматизация регулировки  яркости изображения. Регулировка  яркости изображения — одна из необходимых операций при осциллографировании. Она занимает много времени, так как яркость зависит от скорости перемещения луча по экрану, связанной с видом сигнала и величиной установленного масштаба. Кроме того, яркость изображения не остается постоянной в пределах экрана, так как изображение сигнала содержит участки, проходимые лучом с разной скоростью. Для получения одинаковой яркости изображения на экране используется принцип автоматической модуляций луча ЭЛТ. Для этого на модулятор подается напряжение следующего вида:   

где и_z —скорость движения луча; Тр — длительность развертки; k—коэффициент пропорциональности, определяющий общий уровень яркости.

Перевод аналогового входного сигнала в цифровую форму позволяет  автоматизировать не только процесс  регулировки, но и процесс измерения  и обработки сигнала.

Наиболее просто цифровая обработка сигнала реализуется  в стробоскопических осциллографах, так как дискретизация сигнала  во времени лежит в основе принципа действия стробоскопическою преобразователя. В цифровом устройстве проводится дискретизации  сигнала только по уровню, результаты преобразования обрабатываются встроенным микропроцессором или внешней ЭВМ.