Пособие 120 стр Метрология и измерения в телекоммуникационных системах

Работу АЦП можно описать следующим уравнением:

4. АЦП поразрядного уравновешивания

Суть метода, также называемого методом взвешивания, заключается в сравнении измеряемого напряжения с рядом образцовых напряжений, значения которых различаются по определенному закону, например, по закону последовательного расположения разрядов двоичного кода. Число, соответствующее набору образцовых напряжений, которым компенсируется измеряемое значение, представляет это значение в закодированной форме. Таким образом напряжение преобразуется в числовой эквивалент (рис. 59, 60).

Рисунок 59 - Схема АЦП поразрядного уравновешивания

Рисунок 60 - Временные диаграммы АЦП поразрядного уравновешивания

60

5. Параллельные АЦП

Преобразователи этого типа осуществляют одновременно квантование сигнала с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику сигнала (рис. 61). Пороговые уровни компараторов установлены с помощью резистивного делителя в соответствии с используемой шкалой квантования. В этом случае напряжение Uвх сравнивается с образцовым напряжением Eоп, которое подается на делитель, образуя дискретный пошаговый ряд убывающих значений. Полученный в результате сравнения набор сигналов, состоящий из единиц и нулей дешифрируется в двоичный код. Такая чрезвычайно простая структура параллельных АЦП делает их самыми быстрыми из известных преобразователей.

R

Рисунок 61 - Схема параллельных АЦП

61

V. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Электронным осциллографом называется устройство для визуального наблюдения и измерения параметров электрических сигналов с помощью элек- тронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)

В основу положен принцип свечения люминофора под действием электронного пучка. Трубка представляет собой колбу, в которой обеспечен вакуум. Внутри трубки помещены элементы электронной оптики, которые генерируют свободные электроны и формируют из них тонкий электронный луч (рис. 62).

Подогреватель

Рисунок 62 - Схема электронно-лучевой трубки В трубку помещены аноды, которые разгоняют луч, и он с большой скоро-

стью достигает дна трубки, на которое нанесен люминофор – вещество, которое излучает световую энергию в месте, куда попали электроны луча. Яркость свечения тем выше, чем большую энергию «приносит» электронный луч. Поэтому либо электроны должны быть разогнаны до большой скорости, либо луч должен дольше «стоять» в точке – поэтому быстрые процессы, как правило, на экране бледнее, чем медленные. Между анодами и электронной оптикой находится модулятор яркости, напряжение на котором может ускорять или замедлять электронный луч, вплоть до того, что он не достигает люминофора – т.е. не будет свечения. Разогнанный луч попадает в поле двух пар пластин, которые позволяют осуществлять электростатическое отклонение луча. Пластины «Х», расположенные в плоскости рисунка, отклоняют луч горизонтально под действием поданного на них напряжения, а пластины «Y», расположенные перпендикулярно плоскости рисунка, отклоняют луч вертикально. Таким образом, под действием напряжений, поданных на пластины Х и Y, можно перемещать луч по всей площади экрана, который образован дном трубки. Для управления трубкой, таким образом, используются три напряжения, подаваемые на две пары пластин и модулятор. Всё это электронная пушка – формирующая узкий пучок электронов. Пластины X и Y вызывают смещение светового пятна, называемого осциллограммой.

62

Люминофор, который наносится на экран трубки, обладает свойством послесвечения, т.е. даже после того как электроны луча перестали ударяться о люминофор, он продолжает некоторое время светиться. Именно поэтому мы видим на экране изображение сигнала, а не бегущую точку.

Принцип формирования осциллограммы

Так как ось Х отображает время, необходимо подать такое напряжение на пластины Х, которое заставит луч двигаться слева направо с постоянной скоростью, как обычно изображают время на графиках. При этом траектория, которую описывает луч, принято называть развёрткой. Напряжение развёртки имеет вид, представленный на рис. 63.

U(t)

t t

Рисунок 63 - Напряжение развёртки и отображение его на ЭЛТ

Следовательно, напряжение, которое подается на пластины Х, должно быть функцией времени (линейно связанной):

U UTмt ;0 t T .

Длительность развёртки Tр – это время, за которое луч проходит от левого края трубки до правого. Если за время действия развёртки на пластины Y подаётся сигнал, то этот сигнал «разворачивается» во времени (рис. 64б). Если подавать сигнал на пластины Y и не подавать развёртку, то сигнал не разворачивается и на экране будет, независимо от формы подаваемого сигнала, вертикальная линия по центру экрана, высота которой определяется размахом сигнала. Если подаётся только напряжение развёртки – то горизонтальная линия (рис. 64а). Однако это справедливо для случая однократного наблюдения.

Поэтому важным для работы с осциллографом является режим развёртки – т.е. когда она «появляется» во времени. Именно это определяет, будет ли изображение на экране неподвижным.

Пусть изображение на экране получилось за время первой развёртки. В силу послесвечения это изображение будет видно на экране некоторое время после окончания первой развёртки. Если вторая развёртка появится во время, когда за счёт послесвечения на экране присутствует изображение от первой развёртки, то на экране появятся два изображения – от первой и второй. То же будет повторяться и для последующих развёрток и, если получающиеся изображения сдвинуты, будет казаться, что изображение движется (это справедливо, если наблюдаются сигналы одинаковой формы).

63

Виды развёрток электронного осциллографа

1. Линейная развёртка

Однократная – применяется для наблюдения одиночных и непериодических сигналов. Для фиксации изображения применяют фоторегистрацию или запоминающие ЭЛТ. Напряжение развёртки появляется только в присутствии сигнала в канале Y (рис. 66).

UY Y X

UX t

t

Рисунок 66 - Однократная линейная развёртка Непрерывная развёртка применяется для исследования повторяющихся сиг-

налов. Как уже отмечалось, для получения неподвижной осциллограммы необходимо, чтобы в одном периоде развёртки точно укладывалось целое число периодов сигнала. Выполнение этого условия обеспечивается синхронизацией генератора развёртки исследуемым сигналом. В режиме непрерывной развёртки генератор развёртки работает в режиме автогенератора, и синхросигнал выполняет задачу синхронизации автогенератора, т.е. в небольших пределах (в пределах полосы синхронизации) «навязывает» частоту синхросигнала частоте генератора развёртки, для того чтобы выполнялось условие кратности частоты развёртки частоте исследуемого сигнала (рис. 67 – первый и второй случай).

Рисунок 67 - Примеры построения осциллограмм

Ждущая развёртка (рис. 67 – третий случай, рис. 68) применяется для исследования непериодических сигналов, а также импульсов малой длительности с

65

большим периодом повторения (импульсов с большой скважностью). В этом случае генератор развёртки находится в заторможенном состоянии, «ожидая» прихода запускающего импульса, который поступает с появлением сигнала из канала Y.

t

Рисунок 68 - Построение осциллограммы при ждущей развёртке Задержанная развёртка – пример построения осциллограммы при задер-

жанной развёртке показан на рис. 69. Первая (UX1) (задерживающая) развёртка позволяет наблюдать полный сигнал – обычная линейная развёртка. Вторая (UX2) (задержанная) развёртка запускается с некоторой задержкой относительно начала развёртки. Длительность задержанной развёртки (а следовательно, и временной масштаб изображения) можно выбрать независимо. Она регулируемая, и область её действия обозначается на полном сигнале яркостной отметкой.

t

Рисунок 69 - Осциллограммы с задержанной развёрткой

2. Синусоидальная развёртка

Данная развёртка получается при подаче на пластины X напряжения синусоидальной формы. При этом скорость движения луча неравномерна (время прямого и обратного хода одинаково), что при наблюдении формы исследуемого напряжения нецелесообразно. Но в случае подачи на пластины Y гармонического напряжения, отличающегося по частоте и фазе от напряжения развёртки, на экране будут наблюдаться фигуры Лиссажу, по которым определяют частоту исследуемого напряжения (см. раздел «Измерение частоты, интервалов времени и фазовых сдвигов»).

66

Канал Y

Обеспечивает неискаженное усиление (ослабление) наблюдаемого сигнала до величины, необходимой для эффективной работы ЭЛТ по координате Y.

Состоит из:

68

Канал Х

Предназначен для работы в двух режимах: формирования и передачи развёртывающего напряжения. Оба режима осуществляют горизонтальную развёртку луча (моделирующего время).

В качестве ГПН используется интегрирующее звено. При этом для обеспечения линейности обычно используют его начальный участок. Длительность развёртки определяется параметрами ГПН. Регулятор «Длительность» – коммутация С; «Плавно» – регулировка R.

Канал синхронизации

Синхронизация заключается в том, что некоторый процесс привязывается к какому-то моменту времени, т.е. это «привязка» начала напряжения развёртки к определенному моменту времени. По виду синхронизация может быть:

Синхронизация ждущей развёртки

Ждущая развёртка работает от внешних запускающих импульсов.

1. Внутренняя синхронизация (рис. 72)

Uвх Uср

Uувс t

UY t

лз

Uуип t

t

Рисунок 72 - Временные диаграммы для внутренней синхронизации

69