Тема 7.2. Аналоговые запоминающие осциллографы.
Запоминающий осциллограф – это осциллограф, который при помощи специального устройства, например ЭЛТ с памятью или электронного ЗУ, позволяет сохранять на определенное время исследуемый сигнал и при необходимости представлять его для однократного или многократного визуального наблюдения или для дальнейшей обработки.
Запоминающий осциллограф на базе запоминающей ЭЛТ могут работать и в режиме обычного воспроизведения осциллограмм. Структурная схема его базируется на схеме универсального осциллографа и содержит дополнительные функциональные узлы, обеспечивающие управление памятью, воспроизведением и стиранием записанного изображения.
Используются два метода запоминания сигнала в осциллографе: аналоговый и цифровой. Аналоговая память способна работать при более высоких скоростях, но она менее гибкая, чем цифровая память.
Аналоговое запоминание исследуемого сигнала осуществляется путем записи исследуемого сигнала с помощью записывающего проектора запоминающей ЭЛТ, генератора развертки и схемы управления лучом. Запись может быть как однократной, так и многократной (последовательное наложение изображений). Режим многократной записи называется накоплением и позволяет существенно улучшить качество изображения для периодических сигналов. Воспроизведение изображения осуществляется с помощью воспроизводящего прожектора запоминающей ЭЛТ и схемы управления воспроизведением.
Стирание производится подачей на подложку мишени запоминающей ЭЛТ стирающего импульса и может быть ручным и автоматическим. Для периодических сигналов процессы записи и стирания могут автоматически чередоваться.
В осциллографе с цифровым запоминанием входной сигнал преобразуется в числовую форму, так что все последующие сигналы представляются в цифровом виде. В этом осциллографе используется обычная ЭЛТ, а хранение информации происходит в электронной цифровой памяти.
Раздел 8. Цифровые вольтметры и мультиметры
Тема 8.1. Цифровые методы и средства измерений. Методы аналогово-цифрового преобразования.
Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный дисплей (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.
Цифровые измерительные приборы (ЦИП) это многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных физических величин, например: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигналов (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.п.
В ЦИП входная измеряемая аналоговая величина автоматически преобразуется в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифровой форме.
По способу преобразования сигнала в цифровой код ЦИП подразделяются на следующие группы:
- приборы с поразрядным кодированием (осуществляется последовательное сравнение измеряемой величины с набором дискретных значений образцовой величины);
- приборы с время - импульсным кодированием (значение измеряемой физической величины преобразуется во временной интервал с последующим его заполнением импульсами эталонной частоты);
- приборы с частотно – импульсным преобразованием (это приборы интегрирующего типа, в которых происходит преобразование значения измеряемой величины в частоту следования импульсов).
АЦП является одним из основных функциональных элементов ЦИП. АЦП представляет собой устройство, обеспечивающее квантование, дискретизацию и кодирование аналогового сигнала. Исходя из указанной совокупности процессов, происходящих в АЦП, его обобщенную структурную схему принято представлять в виде трех взаимосвязанных элементов.
Рис. 8.1 Структурная схема АЦП.
В дискретизирующем устройстве реализуется процесс преобразования непрерывного во времени сигнала x(t) в дискретный сигнал x(t1). При этом значения дискретного сигнала равны мгновенным значениям исходного непрерывного сигнала в фиксированные моменты времени. Промежутки времени меду двумя соседними дискретными моментами времени называют шагом дискретизации Δt.
В ЦИП значение сигнала измеряется только в фиксированные моменты времени x(t1). Частота дискретизации выбирается из противоречивых условий. Действительно, чем больше частота дискретизации fA=1/Δt, тем меньше потери измерительной информации, но это приводит к ужесточению требований по быстродействию АЦП и, следовательно, к его усложнению.
В устройстве квантования происходит процесс замены мгновенных значений непрерывной по размеру величины x(t1). Разность Δx между двумя соседними уровнями называется шагом квантования. При квантовании, как и при дискретизации, теряется часть информации о непрерывной измеряемой величине x(t), следовательно, квантующее устройство, как и дискретизирующее, является источником методической погрешности.
Рис. 8.2 Квантование и дискретизация аналогового сигнала.
В кодирующем устройстве происходит представление дискретного значения сигнала в удобном для последующей обработки виде, например, в двоичной системе счисления. Таким образом, процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал неизбежно приводит к возникновению погрешностей, вызванных процедурами дискретизации и квантования.
Рис. 8.3 Диаграммы, поясняющие погрешность квантования: а – реальная и идеальная функции преобразования; б – кривая погрешности квантования.
Кроме погрешности, АЦП характеризуются ценой деления, разрешающей способностью, чувствительностью, быстродействием.
В измерительных устройствах используют АЦП прямого и уравновешивающего преобразования.
Прямое АЦП реализуется одним из следующих способов:
- время - импульсное кодирование;
- амплитудное кодирование;
- пространственное кодирование;
- число – импульсное кодирование;
- частотно – импульсное кодирование.
В ЦИП наибольшее распространение получили время – импульсное и частотно – импульсное кодирование.
АЦП время – импульсного кодирования работает на основе последовательного преобразования измеряемого напряжения в пропорциональный ему временной интервал. В течение этого интервала времени на электронный счетчик поступают импульсы с известной частотой повторения, число которых пропорционально величине измеряемого постоянного напряжения.
Общая погрешность такого АЦП составляет обычно 0,1 %.
Более помехоустойчивой является схема с двойным интегрированием (0,01%). Это объясняется тем, что рассматриваемый АЦП преобразует не мгновенное, а среднее значение входного напряжения.