Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические измерения. Учебное пособие
.pdf
4. Измерительные генераторы
• Г6 – генераторы сигналов специальной формы (треуголь-
ной, трапецеидальной, пилообразной – Г6-17, Г6-22, Г6-39);
• Г7 – синтезаторы частот;
• другие виды генераторов.
Важными параметрами являются:
• параметр нестабильности частоты. В технических опи-
саниях приводится с указанием, в течение какого времени он
действует, период подготовки (например, прогрев) для получения стабильности и т. д. Обычно порядок нестабильности равен
10–3…–10–5, в специальной аппаратуре – значительно ниже (до 10–9);
• параметры выходного напряжения, которые зависят от на-
значения генератора. Низкочастотные имеют более высокое напряжение (15 В и более), высокочастотные – милливольты (мВ)
или даже микровольты (мкВ);
• постоянство выходного напряжения. На правильность уста-
новки выходного напряжения можно влиять аттенюатором. Это
устройство, позволяющее в некоторых пределах регулировать выходное напряжение, что особенно важно при переходе с диапазона на диапазон.
Генераторы низких частот (синусоидальные, гармонические)
вырабатывают частоты от 0,005 Гц до 5 МГц. Они делятся на генераторы основных колебаний (задающий генератор, колебания
которого после усиления поступают на выход) и генераторы на
биениях (два генератора, один из которых настроен на фиксированную частоту, а частота другого плавно регулируется. Результат
сложения обеих частот – колебания низкой частоты). Частота
регулируется изменением параметров элементов задающего генератора.
Источник сигнала – RC-генератор (задающий генератор).
Его колебания через предварительный усилитель поступают на
усилитель мощности, к которому могут быть подключены согласующие трансформаторы для работы с различными нагрузками. Переключатель нагрузок коммутирует выходные обмотки
трансформаторов. В состав генератора входит аттенюатор для ослабления выходного сигнала. Переход от одного поддиапазона
к другому осуществляется ступенчатым изменением задающего
элемента.
41
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Генераторы низкой частоты используют для настройки, испытаний и ремонта различных радиотехнических устройств,
применяемых в телефонии, радиовещании, акустике, телевидении. Звуковые генераторы вырабатывают частоты от 200 Гц до
20 кГц. На самом деле генераторы перекрывают диапазон частот
звуковых генераторов.
Низкочастотные генераторы реализуются и с помощью микроконтроллеров. В любительской практике для этого в компьютере достаточно иметь необходимую программу и звуковую
карту, с помощью которой можно получать частоты до 22 кГц
с размахом сигнала до 0,5 В. Выпускают числовые (цифровые)
генераторы НЧ, в основе которых лежит микроконтроллер, способный синтезировать гармонический сигнал. Будущее за подобными генераторами.
Генераторы ВЧ обозначают Г4, они работают на частотах от
30 кГц до 300 МГц. В генераторах предусмотрены модуляция и
манипуляция амплитуды и частоты.
Амплитудная синусоидальная модуляция заключается в изменении амплитуды генерируемого сигнала управляющим (модулирующим) сигналом синусоидальной формы. Может быть ам-
плитудная импульсная модуляция, при которой модулирующим
сигналом является импульсный сигнал.
Частотная синусоидальная модуляция заключается в изменении частоты генерируемого сигнала по синусоидальному закону.
Манипуляция сл у жит для преобразования цифровы х сигна лов
и заключается в том, что при единице сигнал имеет некоторое
значение размаха (или частоты), при нуле – скачком переходит
на другое значение.
Модулируемая (манипулируемая) частота называется несу-
щей. Модулирующая частота меньше несущей.
К параметрам точности относят погрешность установки частоты; погрешность установки по уровню напряжения (U – па-
раметр) и мощности (Р – параметр); погрешность установки мо-
дуляций.
Генераторы оснащены аттенюатором – устройством, позволяющим изменить (обычно ослабить) выходной сигнал.
Стабилизация выходного сигнала имеется практически во
всех генераторах.
Сверхвысокочастотные (С В Ч ) г е н е р а т о р ы б ы в а ю т с к о а к с и а л ь ным выходом (30 МГц–…10 ГГц); сверхвысокочастотные – с вол-
42
4. Измерительные генераторы
новым выходом (более 10 ГГц). Область применения: настройка
радиоприемных устройств, антенные измерения, настройка чувствительности, избирательности. Широкое применение получили в телевидении.
Обычно сигналы прямоугольной формы генерируются с помощью релаксационных генераторов. Импульсы имеют искажения, т. е. отличия от прямоугольной формы. Требования к качеству импульсов в измерительной технике весьма высоки.
Рассмотрим основные характеристики импульса (см. рисунок).
b
1
А
0,9 А
0,5 А
τ
0,1 А
ф
Основные характеристики импульса
τ
b
2
τ
с
Фронт, срез (спад) – известные понятия: фронт – начало,
срез – конец импульса.
А – амплитуда, размах (для импульсов – правильнее размах; понятие «амплитуда» относится к гармоническим колебаниям) определяется по пересечениям линии фронта с плоскими
частями импульса. Амплитуда зависит от нагрузки; τ – длительность импульса, определяется на уровне 0,5 А; τф – длительность
фронта, определяется от 0,1 до 0,9 А; τс – длительность среза,
определяется от 0,9 до 0,1 А; b1, b2 – выбросы на вершине и срезе,
оцениваются в % от амплитуды.
Величины ατф, τс, b1 и b2 нормируются в соответствии с погрешностями, заданными в паспорте генератора.
43
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Генераторы импульсов формируют прямоугольные импульсы
с заданным периодом повторений, скважностью, длительностью
импульса, размахом. Большинство этих параметров задается с
помощью органов управления, имеющихся на пульте генератора.
Выходные данные нормируются при нагрузке 500 Ом. Однако
при других нагрузках они изменяются незначительно. Генераторы импульсов прямоугольной формы играют существенную роль
при разработке и наладке числового оборудования.
Генераторы треугольных, трапецеидальных и пилообразных
импульсов также широко применяют при разработке и наладке.
Форма импульсов, создаваемых этими генераторами, для исследуемого оборудования является эталонной. Подключение к оборудованию стандартных источников импульсов сужает зону поиска несанкционированной работы.
Для поверки измерительных генераторов или работы с высокостабильными частотами используют стандартные образцы
с более высокими показателями, чем поверяемое оборудование.
К таким стандартам относят кварцевые генераторы, имеющие
нестабильность частоты не более 10
–8
…–10–9. Еще более высокие
показатели обеспечивают квантомеханические стандарты (нестабильность частоты имеет порядок 10
–12
). На этой основе созданы
водородные, цезиевые, рубидиевые генераторы. При необходимости работать с большим количеством частот следовало бы иметь
такое же количество генераторов, что невозможно. Выходом является использование синтезаторов частоты – специальных
высокостабильных генераторов с дискретной перестройкой частоты. Синтезаторы позволяют получать напряжения фиксированных частот с дискретностью до сотых долей герц. Точность их
значительно превосходит точность генераторов с плавной перестройкой частоты.
Кварцевые синтезаторы частоты могут быть построены на
основе кварцевого генератора, частоту которого можно разделить
на целое число, сложить с другими частотами, созданными из
той же опорной частоты, и т. д. В результате таких действий можно получить определенное количество частот, мало отличающих-
44
5. Исследование формы и параметров сигнала
ся друг от друга, но с высокой стабильностью. На выход можно
подавать любую из этих частот с помощью устройства переключения, имеющегося в каждом синтезаторе.
Более высокие возможности у цифровых синтезаторов измерительных сигналов. Микроконтроллеры имеют очень высокую
тактовую частоту и, следовательно, высокое быстродействие. Это
позволяет синтезировать частоты с большой точностью и достаточно высоким быстродействием.
Величина сигнала в каждый момент времени, т. е. его форма, позволяет оценить многие параметры устройства, создающего
этот сигнал.
Изменение величины y в течение времени удобно изображать в декартовой системе координат, в которой ось абсцисс является координатой времени t, ось ординат – рассматриваемой
величиной. Время течет равномерно. Масштаб времени должен
быть постоянным. Изменение рассматриваемой величины будет
изображено графиком, форма которого дает информацию о рассматриваемой величине y. Например, равномерно растущая вели-
чина y = kt будет выглядеть наклонной линией, наклон которой
зависит от скорости ее изменения, определяемой коэффициентом k. В общем случае величина y может зависеть не только от
времени, но и от другой величины x, тогда y = kx.
Физики давно пытались построить прибор, который автоматически изображает происходящий процесс. Главной сложностью при создании таких приборов являлась разработка быстродействующей системы развертки – равномерного движения пишущего устройства по оси х. Это удалось относительно недавно
академику Л.И. Мандельштаму, который разработал и применил
для горизонтальной развертки генератор пилообразного напряжения. С этого момента основным устройством визуального на-
45
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
блюдения и исследования сигналов (в основном электрических)
стал электронный осциллограф (от лат. oscillum – колебание и
греч. grapho – пишу). Все приборы, служащие для исследования
сигналов (например, многоканальные и многолучевые приборы,
преобразователи спектра и др.) построены по принципу осциллографа.
Осциллографы позволяют определять амплитуду, частоту,
фазовый сдвиг и другие показатели сигналов. Основным видом
осциллографа был электронно-лучевой осциллограф, построенный на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Он позволяет на-
блюдать периодические и непериодические сигналы, одиночные
импульсы. В настоящее время его постепенно вытесняет электронный осциллограф с матричной индикаторной панелью, обладающий более высокими эксплуатационными характеристиками.
Наибольшее распространение получили универсальные осциллографы, позволяющие исследовать сигналы с длительностью
от единиц наносекунд (нс) до нескольких секунд и размахом от
долей милливольт до сотен вольт.
Непериодические кратковременные сигналы трудно изучать
с помощью универсальных осциллографов. Для этого служат запоминающие осциллографы. Они способны воспроизводить сигнал в течение достаточно длительного времени после его исчезновения. В осциллографах на ЭЛТ для этого использовали трубки с послесвечением; осциллографы с матричной индикаторной
панелью построены на цифровой технике, позволяющей хранить
изображение в течение любого времени.
Стробоскопические осциллографы позволяют изучать кратковременные периодические сигналы, расширяя их по длительности в целях подробного анализа.
Цифровые осциллографы обычно оснащены микроконтроллером, позволяющим не только обрабатывать наблюдаемый сигнал, но и связываться с сетью для передачи его на расстояние
и дальнейшее исследование. Цифровые осциллографы обладают
большинством возможностей, имеющихся в других осциллографах. Недостаток – меньшее быстродействие.
Специальные осциллографы приспособлены для удобства измерения в специальных случаях (в телевидении, радиолокации и
других областях со специфическими сигналами и частотой).
46
5. Исследование формы и параметров сигнала
Назначение осциллографов – воспроизведение в графической форме зависимостей изменяющихся друг от друга величин
(чаще всего зависимость величины от времени в декартовой системе координат). Х – ось времени, Y – изучаемая величина. Из-
меряемые (наблюдаемые) величины: амплитуда, длительность,
частота, фаза и т. д. В связи с тем что основной операцией, проводимой с помощью осциллографа, является наблюдение, иногда
его называют осциллоскоп.
В зависимости от назначения различают следующие осциллографы: С1 – универсальный, С8 – запоминающий, С9 – специальный, а также цифровые осциллографы. Две другие цифры
обозначают номер в семействе однотипных приборов.
Классификация осциллографов осуществляется:
• по быстродействию каналов Y и X;
• количеству лучей – однолучевые и многолучевые (много-
лучевые осциллографы имеют несколько лучей с одновременной
разверт кой, чаще дру г и х использу ю т двухлу чевые осци ллографы);
• размеру экрана;
• возможностям настройки на сигнал – ручные и автомати-
ческие;
• запоминающие и без запоминания;
• скоростные и стробоскопические.
Структурная схема универсального однолучевого осцилло-
графа показана на рисунке 5.1.
ЭЛТ
Вход Y
Аттенюатор Y
Внутренняя синхронизация
S1
Внешняя
синхронизация
Вход X
Рис. 5.1. Структурная схема универсального однолучевого осциллографа
Устройство
запуска
развертки
Аттенюатор X
Усилитель Y
Генератор
развертки
Устройство
управления
яркостью
S2
Усилитель X
47
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Аттенюатор – ослабитель сигнала в том случае, если он
превышает заданные пределы.
Усилитель Y усиливает исследуемый сигнал в соответствии с
положением переключателя или автоматически.
Устройство запуска развертки служит для того, чтобы развертка начиналась одновременно с сигналом. Устройство запуска
может работать по сигналу с усилителя Y (такой сигнал будет
формироваться, когда сигнал Y начинает изменяться, – внутренняя синхронизация), но может работать и по внешнему сигналу
(см. переключатель S1).
Генератор развертки создает пилообразный импульс напряжения, которое при прямом ходе равномерно (линейно) растет, и
скачком (быстро) убывает при обратном ходе. Напряжение импульса соответствует равномерному ходу времени в течение развертки. Это напряжение через усилитель Х подается на электроды горизонтальной развертки. Минимальное напряжение развертки соответствует положению светового пятна на левом краю
экрана ЭЛТ. Максимальное напряжение развертки соответствует
положению светового пятна на правом краю экрана. При обратном ходе яркость луча должна гаситься с помощью устройства
управления яркостью.
В состав электронной трубки входит система формирования
узкого электронного пучка и вертикально и горизонтально отклоняющих электродов.
Ниже приведены виды разверток электронного осциллографа.
Пилообразная автоколебательная развертка создается равномерным смещением светового пятна в горизонтальном направ-
лении. Смещение осуществляется напряжением развертки
(рис. 5.2), создаваемым генератором развертки. Со временем напряжение должно равномерно возрастать (прямой ход луча ab)
и как можно быстрее возвращаться в исходное положение (bc).
Форма сигнала напоминает форму зубцов пилы, поэтому развертка названа пилообразной. Если продолжительность одного
периода развертки в n раз больше периода изучаемого напряжения, на экране появится n периодов изучаемого напряжения. Развертка полностью соответствует изображению процесса в декартовой системе координат.
48
5. Исследование формы и параметров сигнала
U
а
Рис. 5.2. Пилообразная автоколебательная развертка
T
– длительность обратного хода луча; T – период развертки)
обр
(Tпр – длительность прямого хода луча;
T
b
c
пр
T
T
обр
t
Синусоидальная развертка создается подачей синусоидального напряжения развертки на внешний вход Х (см. рис. 5.1). Если
на входы осциллографа подавать синусоидальные сигналы, на
экране будут фигуры Лиссажу, по которым можно исследовать со-
отношения между характеристиками подаваемых сигналов, таких как частота, фаза, амплитуда. Если сигналы не имеют сдвига
по фазе, получаются прямые линии, наклон которых зависит от
соотношения амплитуд. При сдвинутых на 90° синусоидальных
сигналах с равными амплитудами получают окружности, с разными амплитудами – эллипсы и даже спирали (если амплитуда
изменяется равномерно).
Ждущая развертка запускается сигналом запуска, который
можно формировать, или изучаемым сигналом, или специальным импульсом. К ждущей развертке относится однократная
развертка, с помощью которой наблюдают одиночные и непериодические процессы. Такая развертка наиболее удобна в запоминающих осциллографах.
Основным устройством отображения информации в осциллографах до сих пор является ЭЛТ (рис. 5.3). Назначение ЭЛТ –
сформировать электронный луч, который отклонялся бы по двум
координатам (Х, Y ), направить его на плоский экран, который
светится под действием луча. Источник электронов – нагретый
катод (никелевый цилиндр 3, на дно которого нанесен слой окси-
да бария или оксида стронция и т. д.). Нагреватель 4 – вольфрамовая спираль. в изоляции. Нагреватель питается переменным
током (6,3 В, 0,1…–1,0 А).
49
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
8
5
6
4
3
2
Рис. 5.3. Устройство электронно-лучевой трубки
7
ЭЛТ
9
1
Интенсивностью луча необходимо управлять (при разной
скорости луча разное воздействие на экран). Модулятор 2 – диск
с ма лым от верстием. Регул ируя напряжение меж ду катодом и модулятором, можно менять количество электронов, проходящих
через отверстие в единицу времени. При достаточно большом отрицательном напряжении относительно катода луч можно полностью запереть.
Первый анод 5 – высокий положительный потенциал, ускоряет электроны; фокусирующий электрод 6 сжимает пучок в
очень тонкий луч.
Вертикальные 7 и горизонтальные 8 отклоняющиеся пла-
стины позволяют лучу попасть в любую точку экрана 1.
Используется электростатическое отклонение луча, пропорциональное напряжению. Магнитное отклонение (в телевизорах)
не обеспечивает пропорциональности.
Недостаток электростатического отклонения: нет возможности получить большой угол отклонения, что вынуждает делать трубки длинными. Экран 1 покрыт люминофором. При
попадании пучка электронов в точку люминофор светится. Интенсивность свечения зависит от мощности (произведение интенсивности на время) электронного пучка. Свечение должно
продолжаться до тех пор, пока горизонтальный лу ч пройдет весь
экран.
На второй анод 9 подается ускоряющее напряжение, позволяющее производить отклонение луча пластинами 8 при относительно малой скорости электронов.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]