Контрольная работа: Электронные осциллографы

 дБ.

Где А - спад АЧХ [дБ]

 и  - размах осциллограмм на опорной и измеряемой частотах соответственно.

Известно /2/, что искажения фронта колоколообразного импульса не превысят (1-2)%, если время нарастания  переходной характеристики КВО окажется в 5 раз меньше длительности фронта импульса , т.е.

·   для треугольных импульсов

·   для трапецеидальных импульсов

где - полоса пропускания КВО.

. Некоторые разновидности электронных осциллографов

Двух - и многоканальные; двухлучевые осциллографы - приборы относящиеся к группе С1. Применяются при наблюдении одновременно двух и более сигналов, при анализе искажений формы сигналов, исследовании и настройке цифровых систем передачи.

Принцип построения многоканальных осциллографов рассмотрим на примере двухканального прибора, обобщенная структурная схема которого имеет вид (рис. 7):

Рисунок 7

Отличительной особенностью схемы является наличие электронного коммутатора, который подает исследуемые сигналы каждого канала на одни и те же отклоняющие пластины ЭЛТ. Обычно предусматривают 4 режима работы 2 каналов:

·   одноканальный (коммутатор подключен к первому либо ко второму каналу)

·   чередования каналов (коммутатор поочередно подключает каналы после каждого хода развертки)

·   прерывания (работают оба канала, но переключения производятся с высокой частотой [как правило, более Гц])

·   алгебраического сложения (оба канала одновременно работают на одну нагрузку; в этом режиме можно исследовать сумму или разность двух сигналов).

На основе двухканального принципа строятся многоканальные (до 8 каналов) электронные осциллографы.

Основой для построения структурной схемы двухлучевого осциллографа является ЭЛТ, снабженная двумя электронными прожекторами и двумя парами пластин вертикального отклонения. К каждой паре пластин подключен отдельный КВО; развертка, как правило, одна на оба луча. По частотным характеристикам двухлучевые осциллографы аналогичны однолучевым, однако из-за усложнения схемы и конструкции ЭЛТ, как правило, дороже и менее надежны.

Цифровые осциллографы

Обобщенная структурная схема одноканального цифрового осциллографа приведена на рис. 8.

Рисунок 8

Исследуемый сигнал через блок входных устройств (ВУ) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В АЦП происходит дискретизация сигнала по времени и квантование по уровню. На его выходе формируются коды, соответствующие мгновенным значениям сигнала, отстоящим друг от друга на интервал дискретизации. Эта информация запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Там же хранится информация о номере точки дискретизации. Управление работой АЦП и ОЗУ осуществляется внутренним контроллером в соответствии с программами, хранящимися в постоянной памяти (ПЗУ). В ПЗУ хранятся также программы обслуживания органов управления, поддержки осциллографического дисплея и т.д. Обратное преобразование сигнала из дискретной формы в аналоговую происходит в блоке цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с последующей подачей напряжений на пластины X и Y ЭЛТ. Входными сигналами для блока ЦАП являются коды мгновенных значений сигнала и номеров точек дискретизации.

В описанной схеме предусматривается преобразование исследуемого сигнала (аналог-цифра) и его дальнейшая обработка с помощью внутреннего контроллера. Это определяет основные свойства цифровых осциллографов данного типа.

Достоинства

·   возможность реализации функций запоминающего осциллографа с неограниченным временем хранения информации;

·   возможность замедленного воспроизведения всей или отдельных участков осциллограммы;

·   возможность измерения параметров сигналов с помощью внутреннего контроллера, а также простота сопряжения с цифровыми системами более высокого уровня иерархии.

Среди недостатков следует отметить наличие методических погрешностей АЦП (погрешности дискретизации и квантования), величины которых зависят от соотношения полосы частот исследуемого сигнала, быстродействия АЦП и от разрядности выходного кода АЦП соответственно.

Данный принцип преобразования широко применяется при построении ''виртуальных'' приборов, представляющих собой измерительную систему на базе РС, снабженного специализированной программной поддержкой и блоками сопряжения с измеряемыми объектами. Примером может служить универсальная программа Lab VIEW, разработанная фирмой NATIONAL INSTRUMENTS, позволяющая реализовать функции мультиметра, измерительного генератора, анализатора спектра и цифрового осциллографа.

Известен ряд вариантов построения структурных схем цифровых осциллографов /1,2/, в которых микропроцессорная система может выполнять следующие функции:

·   управление работой осциллографа;

·   выполнение измерительных операций, обработка сигналов и результатов измерения;

·   регулировка и контроль рабочих режимов структурной схемы, а также калибровку отдельных блоков и каналов

Скоростные и стробоскопические осциллографы

Приборы данной группы применяются при исследовании коротких импульсов и сигналов СВЧ-диапазона. Универсальные аналоговые осциллографы не могут быть использованы для этих целей в силу следующих причин:

·   Резонансная частота системы емкость отклоняющих пластин - индуктивность подводящих проводов должна быть значительно больше высшей гармоники исследуемого сигнала. Полоса пропускания КВО, например, для передачи прямоугольного импульса длительностью должна составлять

·   Изображение на экране оказывается очень бледным из-за высокой скорости перемещения луча по экрану. Например, при длительности импульса  и ширине экрана ЭЛТ 100 мм скорость луча оказывается равной

·   Для точной передачи формы сигнала время пролета электронов между пластинами отклонения должно быть меньше длительности импульса. По этой причине, в скоростных осциллографах, работающих в реальном масштабе времени, применяют специальные ЭЛТ ''бегущей волны''. Их отличительной особенностью является низкая чувствительность  прибора по входу Y ().

При исследовании быстропротекающих процессов с малой амплитудой напряжения применяют стробоскопический метод осциллографирования. На экране такого осциллографа формируется изображение по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличенном временном масштабе. Это обеспечивается следующим образом. Входной сигнал подается на амплитудно-импульсный модулятор (АИМ), в котором происходит выборка мгновенного значения исследуемого сигнала в момент прихода дополнительно сформированного ''стробирующего'' импульса. Математическая модель выходного сигнала АИМ может быть представлена в виде

 (10)

Где  - дельта функция

 - математическая модель входного сигнала

 - момент стробирования

Период следования стробирующих импульсов () выбирается несколько больше периода исследуемого сигнала

 (11)

В этом случае на выходе АИМ формируется периодическая последовательность ''строб''- импульсов, промодулированных по амплитуде входным сигналом. Период следования указанных последовательностей определится как

 (12)

Где  - коэффициент трансформации масштаба времени современных осциллографов

Выходной сигнал АИМ подается на вход КВО универсального осциллографа, обладающего ограниченной полосой пропускания. В нем осуществляется кусочно-линейная аппроксимация импульсного сигнала промодулированного по амплитуде, что позволяет восстановить форму исследуемого импульса. Таким образом, удается исследовать сигналы с полосой частот до  при фактической полосе пропускания КВОпри соответствующем уменьшении скорости развертки без применения специальных ЭЛТ.

На рис. 9 представлены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип стробоскопического временного преобразования.

Рисунок 9.

Литература

1.      Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник для вузов. 3-е изд. - СПб.: Питер, 2010

.        Сергеев А.Г. Метрология. - М.: ЛОГОС, 2009

.        Сергеев А.Г. Метрология и метрологическое обеспечение: Учебник для вузов - М.: "Высшее образование", 2008

.        Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегерея В.В. Метрология. Стандартизация.

.        Сертификация: Учебн. пособие для вузов по направлению "Метрология, стандартизация и сертификация" и спец. "Метрология и метрологическое обеспечение" / 2-е изд. перераб. и доп. - М.: ЛОГОС, 2005

.        Никифоров А.Д., Бакиев Т.А. Метрология, сертификация и стандартизация, - М.: Инфра-М,2005

.        Радкевич Я.М., Схиртладзе А.Г., Лактионов Б.И. Метрология, стандартизация и сертификация: Учеб. для вузов / М.: Высш. шк., 2004

.        Малинский В.Д. Основы сертификации. Учебное пособие - МГИЭМ, М.: 2001 - 370 с.

.        Лифшиц И.М. Стандартизация, метрология и сертификация: Учебник. - М.: Юрай-Издат, 2002. - 296 с.

.        Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. М.: Аудит, ЮНИТИ, 1998. - 479 с.

.        ГОСТ 8.009 "ГСИ. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. "- М.: Изд-во стандартов.

.        Федеральный закон от 27.12.2002 №184-ФЗ (ред. от 21.07.2011) "О техническом регулировании " (принят ГД ФС РФ 15.12.2002)

.        Федеральный закон от 26.06.2008 №102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений" (принят ГД ФС РФ 11.06.2008)

.        Закон Российской Федерации "О сертификации продукции и услуг" от 10.06.1993 г., №5153-1.

.        ГОСТ 8.438 "ГСИ. Системы информационно-измерительные. Поверка. Общие положения". - М.: Изд-во стандартов.

.        ГОСТ 8.061 "ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение" - М.: Изд-во стандартов.

.        ГОСТ 8.395 "ГСИ. Нормальные условия измерений при поверке. Общие требования". - М.: Изд-во стандартов.

.        ГОСТ 8.513. "ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения" - М.: Изд-во стандартов.

.        ГОСТ 8.401 "ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования". - М. - Изд-во стандартов.

.        МИ 1317 "ГСИ. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления". - М.: Изд-во стандартов