3.6. Цифровые осциллографы
Достоинство аналоговых осциллографов: возможность исследования широкого частотного спектра сигналов. Достоинство цифровых осциллографов: неограниченное время хранения информации, широкие пределы измерения скорости, вывод информации в цифровом виде и обработка информации внутри осциллографа (рис.3.8).
ЦО работает в двух режимах. Когда переключатель П находится в положении “2” U(t) поступает через ВУ на АЦП. Из контроллера в момент ti на управляющий вход АЦП подается сигнал начала преобразования. U(t) преобразуется в числовой эквивалент, число запоминается в ЗУ. В ЗУ за время исследования накапливается массив чисел с «бесконечно» большим временем хранения. По окончании преобразования контроллер получает от АЦП соответствующий сигнал.
При воспроизведении информации по команде контроллера из ЗУ выбираются в требуемой последовательности числа и подаются в ЦАП, который преобразует числа в напряжение.
Осциллограмма – совокупность светящихся точек. Возможно включение блока интерполяции для получения непрерывного изображения.
Недостаток: ограниченная полоса пропускания в режиме ЗУ из-за недостаточного быстродействия АЦП (1…100 МГц).
Методы расширения полосы пропускания: увеличение быстродействия АЦП, разработка новых методов дискретизации, интерполяции, отображения сигналов.
Двухлучевые и двухканальные осциллографы
Применение: для одновременного наблюдения двух сигналов на экране одной ЭЛТ.
Двухканальный осциллограф содержит два канала вертикального отклонения и электронный переключатель, который попеременно подает сигналы каждого канала на одни и те же пластины “Y” обычной ЭЛТ.
Двухлучевой осциллограф имеет специальную двухлучевую ЭЛТ, представляющую из себя стеклянную колбу, внутри которой расположены две раздельные электронно-оптические системы и две независимые системы отклоняющих пластин, работающих на один экран.
Глава IV измерение параметров интенсивности сигналов
К параметрам интенсивности сигналов относятся значения тока, напряжения, напряжённости электромагнитного поля, мощность.
4.1. Измерение токов высокой частоты
Основное требование к амперметрам, используемым в области ВЧ это независимость показаний приборов от частоты тока в широком диапазоне частот.
Для измерения токов ВЧ нельзя применять используемые в электротехнике амперметры электромагнитной и электродинамических систем (эти системы применяются в области звуковых частот).
В электромагнитных и электродинамических системах сила, действующая на стрелку, зависит от тока, протекающего по проводам обмоток. Из-за межвитковой емкости обмоток не весь ток протекает по обмотке, часть его ответвляется межвитковой емкостью. Следовательно, величина тока, протекающего по обмотке, зависит от частоты.
Поэтому применяют прибор магнитоэлектрической системы.
Эквивалентная схема амперметра на в. ч. представлена на (Рис.4.1 ).
L, R – индуктивность и сопротивление рабочей части амперметра;
С – емкость между входными зажимами;
С1, С2 – емкость входных зажимов А и В относительно земли.
На СВЧ эквивалентная схема усложняется, т.к. параметры имеют распределенный характер.
Значение и знак реактивного сопротивления зависит от частоты тока. В результате воздействия амперметра на измеряемую цепь ток в ней изменяется. Однако, и этот ток измеряется неправильно, т.к. он частично ответвляется через С1 и С2.
Результат измерения зависит не только от величин С1 и С2 но и от места включения амперметра. (рис.4.2)
Амперметр следует включать в точку цепи, имеющую минимальный потенциал относительно земли. (рис. б)
В этом случае С1 замкнута накоротко.
Погрешность,
вызываемая емкостями тем больше, чем
ближе частота тока к собственной частоте
амперметра
:
;
обычно
лежит в области дециметровых волн.
Требования к амперметрам:
- независимость показаний амперметра от частоты;
- потребляемая мощность должна быть, возможно, меньшей;
- собственная емкость прибора и емкость относительно земли должна быть как можно меньше;
- размеры рабочей части прибора должны быть малы по сравнению длиной рабочей волны;
Это требования трудно выполнить. Поэтому: измерение тока на частотах выше примерно 200 МГц нецелесообразно из-за больших погрешностей измерения.
Ток на этих частотах оценивают с помощью косвенных измерений (напряжения, мощности, напряженности поля, полного сопротивления).
Для измерения переменных токов используют преобразование их в постоянные с помощью термопреобразователей, (терморезисторов: болометров и термисторов).
Термоэлектрические амперметры
В термоэлектрической системе Рис.4.3 угол отклонения стрелки амперметра практически не зависит от частоты.
Основан
на эффекте Зеебека. Для измерения
температуры
применяют, термометры, термопары,
термисторы.
Термоэлектрические амперметры состоят из:
термоэлемента (термопары);
индикатора магнитометрической системы;
Принцип действия основан на физическом явлении термоэффекта.
Два разнородных металла образуют в месте спая термопару.
Другие
концы термопары соединены с охлаждающими
массами М1
и М2,
благодаря чему их температура близка
к температуре окружающей среды -
.
При
нагревании контакта пары в нем возникает
ЭДС
;
величина
зависит
от материала металлов, температуры
нагрева контакта и температуры холодных
концов пары:
;
-
эффективное значение тока, протекающего
через нить нагревателя;
-
коэффициент; определяется свойствами
металлов термопары;
Применяются пары: железо – константан; нихром – константан; нихром – никель; медь – константан и др.
Ток
прибора равен
;
и
сопротивление прибора и термопары.
Используя термоэлемент можно измерять различные физические величины, преобразуемые в тепло.
Шкала
термоамперметра имеет квадратичный
характер (рис.4.3 б), т.к прибор построен
на принципе использования мощности –
угол отклонения стрелки прибора -
-
пропорционален мощности P,
рассеиваемой в нагревателе током
.
На (рис 4.4 а, б) представлены контактные и бесконтактные термоэлементы соответственно.
Достоинства схемы а): высокая чувствительность; простота конструкции; малая инерционность. Достоинство схемы б): меньшая погрешность из-за малой паразитной емкости.
Начальная часть шкалы (~20% от предельного тока прибора) очень сжата и не может быть использована для измерений
Пределы термоамперметров от 1 Ма до десятков ампер.
На f>10Мгц применяют бесконтактные подогревные термоэлементы. Сопротивление термопары (10÷30) Ом. Термопреобразователь находится внутри корпуса магнитоэлектрического прибора либо вне его.
Источники погрешностей термоэлектрических приборов.
Следствие поверхностного эффекта (с изменением частоты изменяется активное сопротивление подогревателя). На СВЧ необходимо уменьшить диаметр подогревателя.
Шунтирующее действие емкостей С, С1, и С2.
Температурные погрешности.
Погрешность градуировки.
Практическая погрешность термоприборов 1÷5% расширение пределов измерения.
(Классы точности 0,05; 0,1;0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0)
Измерение больших токов (более 10А)
Проблемы: с ростом измеряемого тока увеличивается погрешность за счет поверхностного эффекта и поглощается большая мощность.
Шунтирование амперметров ВЧ
Шунт обладает активным сопротивлением, емкостью и индуктивностью; поэтому его полное сопротивление зависит от частоты; следовательно, распределение тока между амперметром и шунтом также будет зависеть от частоты подводимого тока. Задача – обеспечить одинаковый характер сопротивления шунта и амперметра во всем частотном диапазоне.
Шунтировать амперметр активным сопротивлением нецелесообразно (причина индуктивность шунта, большое поглощение мощности).
В
индуктивных шунтах большие потери, чем
в емкостных (рис.4.5); т.к. шунты подвержены
влияниям магнитных полей; схема включения
аналогична; вместо
и
включаются индуктивности
и
Рис. 4.5 Схема измерения больших токов с помощью шунтирования.
Выбор
производится из условия:
»
В этом случае ветвь c
амперметром имеет емкостное сопротивление.
Ошибка измерения не более 1% если
»7R
.
Измерение
больших токов производится также
термоамперметрами с помощью трансформаторов
(рис.4.6).
Рис. 4.6 Измерение больших токов с помощью трансформаторов
-
ток амперметра;
-
изм. ток;
-
частота тока;
М - взаимноиндуктивность между обмотками;
и
- активное сопротивление, и индуктивность
вторичной обмотки.