17. Принцип действия аналогового и цифрового осциллографов. Структурные схемы, назначения элементов, преобразования сигналов. Понятие о компьютерном осциллографе.

Аналоговые осциллографы.

Это классические осциллографы, обладающие невысокой точностью и скромными возможностями. Старые модели аналоговых осциллографов имели в качестве дисплея электронно-лучевую трубку (ЭЛТ на рис.15.3).

 

На схеме обозначено в канале по “Входу Y”:

КА- калибратор амплитуды (генератор импульсов фиксированных амплитуды и периода),КД- калибратор длительности,ДН- делитель напряжения,УВО –усилитель для вертикального отклонения луча.

 По «Входу X»:

УГО –усилитель для горизонтального отклонения луча.

 По «Входу синхронизации»:

БС –блок синхронизации.ГР –генератор развертки.

 Принцип развертки поясняется рис.15.4. По оси x луч перемещается под действием пилообразного напряжения, т.е. циклически пропорционально времени. По оси y луч перемещается пропорционально мгновенному значению исследуемого сигнала. 

Рис.15.4 Принцип развертки изображения на экране осциллографа.

Цифровые осциллографы.

Современные осциллографы как правило цифровые. В них используется тот же принцип развертки. В качестве дисплея применяются жидкокристаллические матрицы. Сигнал отклонения по вертикали в цифровой форме создается с помощью АЦП, на вход которого подается предварительно усиленный аналоговый сигнал. 

 

Рис.15.5 Структурная схема цифрового осциллографа.

К - коммутатор,ГИ - генератор импульсов,УУ - устройство управления ЖКД,ЖКД – жидкокристаллический дисплей.

К достоинствам цифровых осциллографов следует отнести:

-многофункциональность,-высокая точность, -большое быстродействие,-возможность запоминания осциллограммы,-возможность съёма данных в цифровом виде,-возможность распечатки осциллограмм.

Компьютерные осциллографы.

Компьютерные осциллографы (КО) базируются на ПК со специальной программой. Ниже на рис.15.6 приведен пример КО на ноутбуке.

 Сигналы на ПК поступают со специального блока сопряжения (БС), содержащего коммутаторы, усилители, АЦП и ЦАП. БС могут подсоединяться с USB портом, последовательным или параллельным портами ПК или устанавливаться внутри ПК на системный разъем в качестве дополнительной платы. На рис. 15.7 приведен пример такой платы, которая устанавливается внутри ПК.

Специальная программа, установленная на ПК, формирует на экране интерфейс пользователя, имеющей вид лицевой панели цифрового осциллографа.

Манипуляции мышкой и клавиатурой позволяют получить нужные осциллограммы.

1. Электронные аналоговые вольтметры. Типы вольтметров. Измеряемые величины в вольтметрах переменного напряжения. Структурные схемы вольтметров постоянного и переменного напряжения.

Электронные аналоговые вольтметры.

По виду измеряемой величины различают приборы для измерения разных величин напряжения:

1) вольтметр действующих значений («AC»)

 

для синусоидальных напряжений u(t)=U_msin(ωt) следует

2) вольтметр средних значений (постоянная составляющая напряжения «DC»)

 

для синусоидальных напряжений U_ср=0.

 3) вольтметр максимальных (пиковых) значений

U_макс=max(|u(t)|)

4) вольтметр средних по модулю значений

для синусоидальных напряжений U_макс=U_m.

 В универсальных вольтметрах возможно переключение режимов для измерения заданного значения напряжения. Входное напряжение аналоговых вольтметров постоянное или периодическое.

         Обычно в вольтметре имеется переключатель для выбора режима измерения AC/DC. Пиковые значения измеряются с помощью специальных вольтметров.

         Как правило, в вольтметре имеется переключатель диапазонов измеряемых напряжений, которые характеризуются наибольшим измеряемым значением. Особенно важно учитывать (и правильно устанавливать) диапазон в аналоговых вольтметрах. Диапазон выбирается таким образом, чтобы его наибольшее напряжение было близко к измеряемому значению, но превышать последнее. Если нет представления о порядке изменяемого значения (или есть сомнения), то начинают с наибольшего предела.

         При любых измерениях надо учитывать погрешности измерения. В аналоговых вольтметрах погрешность определяется классом точности, выбранным диапазоном (пределом) и значением измеряемой величины. В цифровых вольтметрах абсолютная погрешность измерения равна единице младшего разряда цифрового значения измеряемой величины. 

         Электронные вольтметры отличаются высоким входным сопротивлением. При измерениях высокочастотных напряжений необходимо считаться с конечной входной емкостью вольтметра.

Обе схемы содержат УПТ (усилитель постоянного тока) и индикатор постоянного тока V, градуированный в единицах напряжения. Оператор может дискретно изменять коэффициент передачи УПТ от долей  единицы до сотен единиц, выбирая предел измерения. В схеме варианта а) истинное значение напряжения составляет 100٠9٠10³/(1٠10³+9٠10³)= 90В. В схеме варианта б) постоянная составляющая так же 90В создается только источником постоянного напряжения. Наличие переменной составляющей напряжения вызывает дополнительную погрешность измерения.

 В этой схеме переменное напряжение создается источником синусоидального напряжения (действующее значение 100В). Измеряемое напряжение u_x равно 90В. Оно поступает на конвертор (преобразователь) мгновенного напряжения в действующее значение по формуле, приведенной выше. Конвертор содержит усилитель переменного напряжения и термопреобразователь ConvU. Термопреобразователь имеет нагреватель и термопару. Нагреватель питается выходным напряжением усилителя. При изменении действующего значения u_x изменяется температура термоэлектрического преобразователя и ЭДС термоэлемента. Далее УПТ усиливает постоянное напряжение термоэлемента. Индикатор постоянного тока на выходе УПТ отградуирован в действующих значениях напряжения. Измеряемое напряжение может иметь любую форму. Градуировку производят при синусоидальной форме.

Вольтметры выбирают, таким образом, по виду измеряемого напряжения в зависимости от частоты и диапазона значений измеряемого напряжения.