Осциллографические измерения, основные понятия

РАЗДЕЛ 2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ЛЕКЦИЯ 8 ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ План лекции: 8.1 Осциллографические измерения, основные понятия 8.2. Электронно-лучевой осциллограф 8.3 Измерение параметров сигналов 8.4 Измерения с помощью фигур Лиссажу 8.1 Осциллографические измерения, основные понятия Область науки, занимающаяся исследованием информационных сигналов визуальными средствами, называется осциллографией. Прибор, при помощи которого осуществляется визуализация и исследование различных характеристик сигналов, называются осциллографом. Исследуемые сигналы имеют электрическую природу, как правило, это напряжение, зависящее от времени. Но осциллограф может также использоваться для исследования неэлектрических сигналов, при условии, что последние преобразуются в электрические. Осциллографы делятся на три класса: светолучевые, предназначенные для наблюдения низкочастотных сигналов, электронно-лучевые, способные отображать как низкочастотные, так и высокочастотные сигналы, и цифровые, отличающиеся от электронно-лучевых тем, что исследуемый сигнал преобразуется в цифровую форму. Методы осциллографических измерений делят на две группы: метод калиброванных шкал и Компенсационный метод. Метод калиброванных шкал - наиболее часто используемый метод измерения напряжений и временных интервалов с помощью аналоговых осциллографов. Перед измерениями напряжения осциллограф калибруют по вертикали. Для этого на вход Y подают сигнал от встроенного калибратора, используя плавную подстройку усиления канала Y специальным потенциометром. Цель регулировки - добиться соответствия вертикального размера изображения калибрационного сигнала установленному масштабу (коэффициенту отклонения, нанесенному на шкалу аттенюатора канала). При этом ручка плавного изменения коэффициента отклонения при калибровке должна быть отключена или установлена в крайнее правое положение, обозначаемое обычно КАЛИБР. Определяемый временной интервал (в делениях шкалы) умножают на установленный коэффициент развертки, а при использовании режима растяжки его надо помножить на коэффициент растяжки. Метод калиброванных шкал прост, нагляден и не требует допол- нительных устройств, он является основным методом измерений для осциллографа. Точность метода калиброванных шкал определяется погрешностью установки коэффициентов отклонения и развертки, конечной шириной луча и дискретностью шкалы, нелинейностью масштабов по вертикали и по горизонтали. Компенсационный метод измерения основан на замещении измеряемого параметра образцовым. При этом осциллограф выступает как устройство сравнения (нуль-индикатор). Измерение напряжения методом замещения производят с помощью двухканального осциллографа в режиме сложения (вычитания) входных сигналов. Можно использовать также осциллограф с дифференциальным усилителем в канале Y. В этом методе исключены погрешности, связанные с нелинейностью отклонения по вертикали, дискретностью шкалы, уменьшению влияния конечной ширины луча осциллографа. Метод не требует предварительной калибровки осциллографа, поскольку результат зависит только от отношения масштабных коэффициентов каналов. 8.2 Электронно-лучевой осциллограф Электронно-лучевые осциллографы строятся на основе электроннолучевых трубок. Отклонение электронного луча осуществляется непосредственно электрическим сигналом и является практически безинерционным. Исследуемый сигнал отображается на люминесцентном экране и может быть зарегистрирован фотографическими средствами. Основным узлом электронно-лучевого осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой стеклянную вакуумную колбу, внутри которой имеются источник электронов, система формирования узкого электронного луча, отклоняющие пластины и люминесцентный экран (рис. 8.1). Источником электронов является оксидный катод 1 с подогревателем 2. Число электронов, из которых затем формируется узкий электронный пучок, зависит от напряжения между катодом 1 и модулятором 3. При изменении этого напряжения меняется интенсивность электронного пучка, выходящего за пределы модулятора. Дальнейшее формирование пучка происходит под воздействием напряжений, приложенных к двум анодам 4, один из которых является ускоряющим, а другой — фокусирующим. Часть ЭЛТ, включающая в себя катод, модулятор и два анода, называется электронной пушкой. Назначение электронной пушки — сформировать узкий электронный пучок (луч) необходимой интенсивности. Этот пучок затем проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих 5 и горизонтально отклоняющих 6, а затем попадает на люминесцентный экран 7 ЭЛТ, образуя на нем яркое пятно. Если к отклоняющим пластинам приложить электрическое напряжение, то между ними будет существовать электрическое поле, которое приведет к горизонтальному (вдоль оси X) или вертикальному (вдоль оси У) отклонению электронного луча. Это отклонение прямо пропорционально напряжению, приложенному к пластинам: hx =Sxux; hy=Syuy, где hx , hу — отклонения вдоль осей X И Y; Sx , Sy — чувствительности трубки, мм/В; их, иу — напряжения на пластинах X И Y соответственно. Чувствительности Sx и Sy зависят от конструктивных особенностей трубки и напряжения на ускоряющем аноде трубки. Основной функцией осциллографа является отображение формы исследуемого напряжения на экране. Требуемое отображение достигается перемещением электронного луча в вертикальном и горизонтальном направлениях. Перемещение по вертикали происходит под влиянием исследуемого напряжения, приложенного к пластинам Y, а по горизонтали — приложенного к пластинам X напряжения пилообразной формы, называемого напряжением развертки. Последнее вырабатывается специальным генератором развертки. Рассмотрим сначала случай, когда напряжение на вертикально отклоняющих пластинах Y равно нулю, т.е. Uy = 0, а на горизонтально отклоняющих пластинах X имеется пилообразное напряжение (рис.8.2). Тогда перемещение электронного луча будет приводить к перемещению пятна на экране от точки А к точке В за время tпр, и обратное перемещение за время tобр. Таким образом, за время Tр = tпр + tобр называемое периодом развертки, луч осуществит свой прямой и обратный ход. Пилообразное напряжение формируется так, чтобы tпр>>tобр, т.е. Tр tпр. Из-за большой скорости и специального гашения запирающим напряжением обратный ход луча обычно не просматривается. Ввиду того, что во время прямого хода луча скорость пятна на экране постоянна, ось X можно отождествить с осью времени t. Если одновременно к вертикально отклоняющим пластинам Y приложить исследуемое напряжение, то положение луча в каждый момент времени будет однозначно соответствовать значению этого напряжения. Рис.8.1 Электронно-лучевая трубка На рис. 8.2 показано, как образуется изображение на экране ЭЛТ. Исследуемое напряжение с амплитудой Uc и периодом Тс подается на пластины Y, напряжение развертки с амплитудой Uр и периодом Тр на пластины X. Если Тр=Тс, то каждому периоду развертки будет соответствовать период исследуемого напряжения и изображение на экране не будет изменяться со временем, оставаясь неподвижным. Это изображение можно построить по точкам, отмечая значения напряжений развертки и сигнала в заданные моменты времени и перенося их на экран. На рисунке 10.3 это сделано для моментов времени t0, t1, t2, t3 и t4. Пятно на экране в эти моменты будет занимать положения 0, 1, 2, 3 и 4 соответственно. Полученное таким образом изображение (или его запись), показывающее, как изменяется исследуемое напряжение от времени, называется осциллограммой. Имея осциллограмму, можно определить многие параметры сигнала: амплитуду, частоту, период и др. На практике напряжение развертки в течение прямого хода растет со временем не строго линейно. Это приводит к неравномерности масштаба по оси X, т.е. по временной оси. При этих условиях измерение временных интервалов будет сопровождаться ошибками. Поэтому нелинейность развертки нормируется и указывается в паспорте осциллографа наряду с другими нормируемыми параметрами. Выше отмечалось, что при равенстве периодов развертки и исследуемого напряжения Тр=Тс изображение на экране неподвижно. Оно будет неподвижным и в более общем случае Тр=nТс, где п — целое число. При этом на осциллограмме представляется п периодов исследуемого напряжения. Если же периоды не кратны друг другу, т.е. п не равно целому числу, то кривые, прочерчиваемые электронным лучом на экране в течение каждого периода напряжения развертки, не будут повторять друг друга. Возникнет эффект бегущего изображения или же экран будет заполнен целым семейством сдвинутых относительно друг друга кривых. Выполнение условия Тр=nТс достигается при помощи синхронизации. Рис.8.2 Схема развертки сигнала на экране ЭЛТ Генератору, вырабатывающему напряжение развертки, принудительно навязывается частота синхронизирующего сигнала, равная или кратная частоте исследуемого напряжения. Режим синхронизации может быть внутренним или внешним. В первом случае синхронизирующим является сам исследуемый сигнал, поступающий на генератор развертки, во втором — внешний сигнал, который подается на вход "Внешняя синхронизация" на панели осциллографа. Генератор развертки работает в двух основных режимах: непрерывном и ждущем. При непрерывной развертке каждый последующий цикл пилообразного напряжения непрерывно следует за предыдущим. Непрерывная развертка удобна, когда исследуется непрерывный периодический процесс или периодическая последовательность импульсов с небольшой скважностью. Если скважность велика, то длительность импульса составляет лишь малую часть периода следования, при этом осциллограмма будет иметь вид вертикальной линии, наблюдение которой не дает информации о форме импульса. Для изучения импульсных последовательностей большой скважности и непериодических импульсов используется ждущая развертка, при которой напряжение развертки подается на горизонтально отклоняющие пластины лишь тогда, когда исследуемый импульс поступает на вход вертикально отклоняющих пластин. Длительность прямого хода развертки обычно выбирается немного больше длительности импульса для того, чтобы он помещался на экране осциллографа и занимал большую его часть. Структурная схема осциллографа приведена на рис.8.3. Кроме электронно-лучевой трубки VL она содержит канал вертикального отклонения (канал У), канал горизонтального отклонения (канал X), канал управления яркостью (канал Z), а также калибратор амплитуды и длительности. Исследуемое напряжение поступает на входное устройство канала Y, которое включает в себя аттенюатор, позволяющий при необходимости ослабить сигнал и согласовать сопротивление канала с сопротивлением источника сигнала. Усилители А1 и А2 являются предварительным и оконечным усилителями соответственно. Линия задержки ЕТ используется при работе осциллографа в импульсном режиме. Она позволяет подавать исследуемый импульсный сигнал на пластины Y с задержкой относительно начала периода пилообразного напряжения. Это дает возможность наблюдать фронт исследуемого импульса неискаженным. Без линии задержки не удалось бы наблюдать часть импульса, которая приходится на время, необходимое для формирования напряжения развертки. Канал X служит для формирования и (или) усиления напряжения, поступающего затем на горизонтально отклоняющие пластины и вызывающего горизонтальное перемещение луча. Канал X содержит предварительный и оконечный усилители (A3 и А4 соответственно), цепь синхронизации и запуска, а также генератор развертки G. Переключатель S1 служит для подачи синхронизирующего напряжения с канала Y (внутренняя синхронизация) или со входа X (внешняя синхронизация). Если переключатели S1 и S2 находятся в левом положении, то генератор развертки отключается и на пластины X поступает (через усилители A3 и А4) напряжение со входа X. Канал Y Вход A1 ET A2 Входное устройство Вход X VL Канал X A3 A4 S1 S2 Цепь синхронизации и запуска G Вход Z A5 Канал Z Выход Калибратор амплитуды и длительности Рисунок 8.3 – Структурная схема осциллографа Канал Z служит для управления яркостью свечения экрана ЭЛТ. Управление производится как вручную, так и автоматически. Например, производится автоматическое подсвечивание прямого хода ждущей развертки. В промежутке между импульсами, запускающими ждущую развертку, яркость пятна снижена во избежание прожигания люминофорного слоя. Калибратор амплитуды и длительности является источником напряжений с известной амплитудой и длительностью. Эти напряжения подаются с выхода калибратора на вход Y для контроля масштабов (коэффициентов отклонения) по осям Y (В/см, мВ/см или В/деление, мВ/деление) и X (мкс/см, мс/см или с/см). Знание масштабов необходимо для измерения напряжений и интервалов времени, поскольку непосредственно оператору доступно считывание только расстояний (сантиметры, деления) по масштабной сетке на экране. Электронные осциллографы характеризуются рядом технических и метрологических параметров. К наиболее важным относятся следующие: • калиброванные значения коэффициента отклонения; •полоса пропускания, т.е. диапазон частот, в пределах которою коэффициент усиления канала Y уменьшается на 3 дБ по отношению к некоторой опорной частоте; •диапазон изменения длительности развертки; •входное сопротивление и входная емкость канала Y; •точностные параметры, характеризующие погрешности измерения напряжения и интервалов времени. При выборе осциллографа следует исходить из характера измеряемого сигнала (гармонический или импульсный) и его вероятных параметров (ширина спектра, граничные частоты, частота следования, скважность, амплитуда напряжения и т.д.). Осциллографы подразделяются на: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, специальные. Наиболее употребительными являются универсальные осциллографы (в ГОСТ обозначение С1). Они применяются для исследования гармонических и импульсных сигналов. Примерами универсальных осциллографов являются скоростные осциллографы (С7-10А, С7-15) применяются для наблюдения и регистрации однократных и повторяющихся импульсов и периодических колебаний и имеют полосу пропускания до единиц гигагерц. Сверхскоростные (стробоскопические) осциллографы (например, С7-5, С7-12 и др.) применяются для регистрации периодических сигналов в полосе частот от нуля до десятков гигагерц. Запоминающие осциллографы (С8-8, С8-15 и др.) применяются для регистрации однократных и редко повторяющихся сигналов. Специальные осциллографы (С9-4, С9-57 и др.) применяются для исследования телевизионных сигналов. 8.3 Измерение параметров сигналов Измерение амплитуды и уровней сигнала. Измерение параметров сигнала одно из самых известных применений осциллографа. Наличие калиброванных коэффициентов для чувствительности по оси Y позволяет легко проводить амплитудные измерения. На рис. 8.4 дан пример измерения двойного размаха синусоидального напряжения. Двойной размах осциллограммы составляет 4 больших деления. Рис.8.4 Измерение двойного размаха синусоиды Рис.8.5 Измерение параметров сложного импульса Если чувствительность осциллографа равна 1 В/дел, то это значит, что двойной размах синусоидального напряжения равен 4 В. Следовательно, амплитуда синусоидального напряжения равна 2 В, а его эффективное значение 2  0,707 = 1,414 В. Для амплитудных измерений импульсных сигналов (рис.8.5) надо наметить нулевую линию и отсчитывать уровни сигнала относительно нее. Эта линия не обязательно должна совпадать с центральной линией масштабной сетки. Например, за нулевую линию отсчета на рис. 8.6 взята первая линия. Высота импульса в этом случае составляет 5 делений. Умножив это значение на коэффициент отклонения луча по оси Y, можно вычислить амплитуду импульса. Аналогично можно оценить уровни полок импульса, представленного на рис.8.5. Рис.8.6 Измерение периода синусоидального периода и фазы При измерении временных интервалов столь же просто измеряются временные параметры. Для этого служит масштабная сетка с делениями по горизонтальной оси. По ней отсчитывается расстояние, характеризующее измеряемый процесс, и оно умножается на коэффициент временной развертки. Например, для одной из синусоид на рис. 8.6 период колебаний определяется как 7,2 деления. Если коэффициент развертки установлен 10 мкс/дел, то имеем Т = 72 мкс и f = 1/Т = 13,89 кГц. На масштабной сетке некоторых осциллографов имеются линии, принимаемые за 0, 10, 90 и 100% от уровня сигнала, располагаемого между линиями 0 и 100%. В этом случае линии 10 и 90% используются для отсчета моментов времени, разность которых задает времена нарастания и спада импульсов. На рис. 8.7 показан пример вычисления времени нарастания RISE TIME сигнала с выхода ограничителя синусоидального напряжения. Время нарастания оценивается как время, за которое сигнал нарастает от 10процентного уровня от полного размаха до 90-процентного уровня. Время спада можно оценить как время спада напряжения от уровня 90% от полного размаха до 10% от полного размаха. Для измерения сдвига фаз синусоидальных сигналов необходима точка отсчета его начала. Поскольку она, как правило, не известна, то принято говорить об измерении сдвига фаз между двумя одинаковыми синусоидальными сигналами (рис.8.6). Если один сигнал сдвинут относительно другого на период T, то это означает сдвиг фаз на угол 2 радиан или на 360°. На рис.8.6 период колебаний занимает 7,2 дел. Рис.8.7 Определение времени нарастания сигнала с выхода ограничителя Рис.8.8 Пример измерения времени нарастания импульсного перепада Для определения сдвига фаз двух сигналов надо подать их на входы каналов X и Y осциллографа и добиться равенства их амплитуд и положений по вертикали. На рис. 8.5 разность фаз определена длиной отрезка PHASE. Поделив ее на 7,2 деления и умножив результат на 360°, получим искомый фазовый сдвиг в градусах, а умножив на 2, получим фазовый сдвиг в радианах. Измерение сдвига фазы вполне понятно для двух синусоидальных сигналов. Однако, если один из сигналов не синусоидальный, то можно говорить об этом только в том случае, если оба сигнала имеют точно одинаковые частоты. В этом случае помимо чисто геометрического метода измерения фазы (по временному сдвигу сигналов) могут использоваться и другие методы. 8.4 Измерение фазового сдвига с помощью фигур Лиссажу При подаче двух сигналов на входы каналов X и Y возникающие на экране осциллографа кривые называют фигурами Лиссажу. Рис.8.9 Фигура Лиссажу при подаче на входы Х и Y одинакового синусоидального сигнала с разной фазой Рис. 8.10 Измерение фазового сдвига двух синусоидальных сигналов В случае подачи одного и того же сигнала на оба канала на экране возникнет прямая линия под углом 45°. Если на вход Y подать такой же сигнал как на вход X, но сдвинутый по фазе, то в результате прямая линия на экране осциллографа превращается в эллипс (рис. 8.9). Для более точного измерения фазового сдвига (до нескольких градусов) надо определить параметры фигуры Лиссажу А и В, показанные на рис. 8.10. Тогда фазовый сдвиг определяется по формуле sin = A/B. Строго говоря, этот результат относится только к первому квадранту, так что каждому значению фазового сдвига соответствуют еще 3 значения. На рис. 8.11 показан вид фигур Лиссажу для нескольких значений фазового сдвига. Эти фигуры позволяют судить о точности описанного метода измерения разности фаз. Этот метод находит широкое применение для сравнения частот различных генераторов (даже кварцевых) с частотами высокостабильных сигналов эталонов частоты. Такие сигналы передаются, в частности, по радио. Рис. 8.11 Фигуры Лиссажу для двух синусоидальных сигналов с одинаковой частотой и разной фазой В случае различных частот сигналов, подаваемых на входы X и Y, фигура, возникающая на экране осциллографа, будет иметь более сложную форму, и чаще всего будет находиться в движении. Если фигура неподвижна и имеет вид эллипса (возможно искаженного), то это означает точное равенство частот сигналов. Если фигура делает 1 оборот в секунду, то это означает расхождение частот на 1 Гц, а если за 100 секунд, то расхождение составит 0,01 Гц. Таким образом, данный метод позволяет с высокой точностью оценивать малые расхождения частот. Именно поэтому он рекомендуется высокостабильных по частоте сигналов. для сравнения частот Рис.8.12 Фигуры Лиссажу при сравнении кратных частот Если вращающаяся фигура напоминает цифру 8 или знак , то частоты сигналов различаются в два раза. На рис.8.12 показаны фигуры Лиссажу для кратных частот сигналов, определяемых соотношением: fX n  , fY m где n и m - целые числа. Контрольные вопросы Для каких целей предназначен осциллограф? Объяснить принцип работы электронно-лучевого осциллографа. Для чего предназначена линия задержки? Для чего предназначен генератор развертки? При каких условиях генератор развертки отключен? Как с помощью осциллографа измерить частоту сигнала? Как с помощью осциллографа измерить разность фаз двух синусоидальных сигналов? 8. Каким образом на экране осциллографа получают фигуры Лиссажу? 9. Какие измерения проводятся с помощью фигур Лиссажу? 10.При каких условиях фигура Лиссажу неподвижна? 11.Каким образом на экране осциллографа можно получить эллипс? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.