Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические измерения. Учебное пособие
.pdf
5. Исследование формы и параметров сигнала
Запоминающие ЭЛТ отличаются от обычных наличием дополнительных электродов, позволяющих трубке работать в одном
из трех режимов:
• обычном – без записи изображения;
• режиме записи, при котором на одном из электродов, на-
зываемом мишенью, создается потенциальный рельеф, соответствующий осциллограмме; рельеф может сохраняться до нескольких минут;
• режиме воспроизведения, при котором на экране воспроиз-
водится запомненная информация.
Относительно новым устройством отображения, применяемым в современных осциллографах, являются матричные инди-
каторные панели (МИП). Их достоинства – малые размеры, низкие рабочие напряжения, отсутствие геометрических искажений,
стабильность свечения отдельной точки свечения.
Управляется матричная панель цифровым способом. Для
этого в осциллографе имеется устройство управления (УУ), которое анализирует изучаемый сигнал, и в зависимости от него
зажигает определенные точки на матричной панели. Поскольку
это требует большого количества логических операций, быстродействие осциллографов с МИП достаточно невысокое. Однако
быстрое увеличение быстродействия цифровых элементов позволяет прогнозировать увеличение быстродействия и матричных
осциллографов.
В запоминающих цифровых осциллографах информация обрабатывается и хранится в цифровых кодах исследуемого сигнала,
что создает боˊльшие возможности по сравнению с аналоговыми
осциллографами. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа показана на рисунке 5.4. Цифровые осциллографы
изготовляют на основе микроконтроллеров, осуществляющих
боˊльшую часть логических и числовых преобразований. Поэтому предложенный вариант схемы служит только для понимания
процессов, происходящих в осциллографе.
Исследуемый сигнал, так же как и в аналоговом осциллографе, обрабатывается аттенюатором и усилителем (блок У), но
поступает на АЦП – аналого-цифровой преобразователь. Кроме
того, сигнал поступает на устройство синхронизации (УС), служащее для запуска ра звертки. По сигналу УС начинается поступление импульсов с импульсного генератора Г на устройства ос-
51
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
циллографа. По импульсам генератора, поступающим на АЦП,
происходит квантование входной величины по времени. По этим
же импульсам происходит запись квантованного числового значения входной величины в последовательные ячейки запоминающего устройства (ЗУ). Количество ячеек соответствует длине
развертки осциллографа.
x(t)
У
(атте-
нюатор)
Рис. 5.4. Упрощенная структурная схема запоминающего осциллографа
АЦП
ЗУ ЦАП
СВГУС
УО
ЦАП
Сигнал генератора поступает также на счетчик времени (СВ),
который сбрасывается в начале развертки (на схеме не показано), а максимальное значение которого равно длительности развертки.
Числовые сигналы с ЗУ и СВ через цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) поступают соответственно на вертикальную и
горизонтальную развертки устройства отображении (УО), в качестве которого может служить ЭЛТ. В случае, когда в качестве УО
используется МИП, ЦАП не нужны, так как координаты точки
для МИП задаются в числовой форме.
В современных цифровых осциллографах применяют микроконтроллеры, в которые встроены АЦП, ЦАП и другие возможности, используемые в осциллографах. Необходимые связи,
последовательность операций, вычисления осуществляют с помощью программного обеспечения. Поэтому цифровые осциллографы имеют малые габариты, массу и другие достоинства: неограниченное время хранения информации (что важно для ее
анализа); возможность менять скорость ее считывания (вплоть до
замедленного воспроизведения); возможность воспроизведения
различных участков запомненного сигнала; возможность анализа с помощью компьютера. Недостаток – невысокое быстродействие.
52
5. Исследование формы и параметров сигнала
Экран осциллографа представляет собой разлинованную декартову систему координат. Зная масштаб по каждой из осей,
можно измерить параметры сигналов. Переключателем устанавливается масштаб, например, 5 В/дел, или длительность развертки 1 мс на деление. По клеточкам можно достаточно точно определить измеряемые напряжение или длительность.
Для обеспечения точности осциллограф периодически необходимо калибровать, т. е. подстраивать каналы Х и Y. В осциллографах имеются встроенные калибраторы, выдающие симметричные прямоугольные импульсы (меандры) заданного периода
и размаха.
Для калибровки совмещают калибровочный сигнал с линиями шкалы и определяют погрешность. При ее наличии изменяется коэффициент усиления по заданной оси специальными
настройками, которые обычно вращаются шлицевыми осями
подстроечных резисторов.
При исследовании периодического сигнала возможны следующие варианты:
• период развертки равен периоду сигнала. Тогда в каждом
периоде происходит замена предыдущего изображения на последующее с постоянными начальными координатами. Изображение неподвижно;
• период развертки меньше периода сигнала (рис. 5.5). Раз-
вертка начинается с того момента, на котором она прервалась в
предыдущем цикле (развертка началась новая, а сигнал продолжается старый). Изображение бежит вправо;
• период развертки больше периода сигнала. Изображение
бежит влево.
T T
Рис. 5.5. Объяснение перемещения изображения
на экране осциллографа
T
53
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Чтобы иметь возможность подстраиваться под сигналы лю-
бой периодичности, частоту генератора развертки регулируют.
Синхронизация. Можно установить режим синхронизации
внутренней, когда используется исследуемый сигнал, или внешней,
когда используется либо внешний генератор с частотой, кратной
частоте сигнала, либо сам сигнал. На старых осциллографах синхронизация может осуществляться в два этапа:
• в одном периоде развертки должно укладываться целое
число периодов сигнала. Это обеспечивается подстройкой частоты генератора развертки (синхронизация);
• подбирается напряжение синхронизации до получения
устойчивого сигнала.
В ждущем режиме синхронизация автоматически начинается
вместе с сигналом.
При измерениях несложно определить амплитуду (размах) и
длительность сигнала. Важно получить устойчивое изображение
с помощью синхронизации.
При синусоидальном сигнале добиваются устойчивой картинки
и определяют период и амплитуду в соответствии с положениями
переключателей. Можно менять масштаб изображения, чтобы проанализировать более детально определенные участки колебаний.
При импульсном периодическом сигнале поступают так же, как
и при синусоидальном. Есть возможность проанализировать частоту, коэффициент заполнения (скважность), крутизну фронтов
и спадов, размах колебаний.
При импульсном непериодическом сигнале можно воспользоваться ждущей разверткой. Лучше всего, если осциллограф будет
с запоминанием.
Определение частоты и параметров сложной временной структуры. Имея возможность измерения длительности с помощью
сетки на экране, легко определить частоту f периодического
колебания, измерив его период T, по формуле
1
Многие
.fT
осциллографы позволяют сделать это значительно точнее с помощью калибровочных меток, которые наносятся с заданным периодом на изображение сигнала. Зная этот период, можно определять длительность отдельных участков изображения, измерять
параметры переходных и других процессов, что невозможно осуществить частотомерами.
54
5. Исследование формы и параметров сигнала
;.
UU
Исследование с помощью фигур Лиссажу чаще всего применяют для сравнения двух синусоидальных сигналов. На вход Х
подают один сигнал, на Y – другой. Устанавливают одинаковую чувствительность по обоим каналам и наблюдают фигуры.
В соответствии с каталогом фигур Лиссажу можно установить
соотношение частот и амплитуд, сдвиг по фазе. Эти величины
легче всего установить для дискретных значений. Например,
частоты могут быть в отношениях 1:1; 1:2; 1:3; 2:3 и др. Фазы:
0;;;
42 4
3
Наблюдение сигналов с помощью осциллографа позволяет
визуально определить искажение формы сигнала. Количественным показателем уровня искажений является коэффициент не-
линейных искажений.
Любой сигнал можно представить суммой гармоник разных
амплитуд и частот. Искажение сигнала сводится к появлению
в нем дополнительных гармоник (или к удалению имеющихся).
С помощью осциллографа прямыми измерениями трудно с точностью до гармоник исследовать сигнал. Для этого существуют
анализаторы спектра, позволяющие с помощью фильтров выделить из сигнала отдельные гармоники и определить их амплитуду и частоту.
Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) K сигнала представляет собой отношение среднего квадра-
тического значения всех высших гармоник сигнала
UU
г23
22 2
...
n
к среднему квадратическому значению его первой гармоники U1:
U
г
KU
.
г
1
Для измерения коэффициента гармоник пользуются анализаторами спектра либо специальным прибором – измерителем
нелинейных искажений.
Иногда параметры измерений за определенный период необходимо хранить достаточно долгое время. Для этих целей служат
регистраторы. Они позволяют на различных носителях (бумага, магнитная лента, фотопечать, электронные и магнитные запоминающие устройства и т. д.) хранить результаты измерений
55
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
в зависимости от времени измерения. Время отсчитывается по
оси времени либо непрерывно, либо дискретно. Результат измерения может воспроизводиться в виде осциллограммы. Поэтому
в основе многих регистраторов лежат принципы, заложенные в
электронных осциллографах.
Измерение частоты – одна из наиболее часто встречающих-
ся задач техники. Частота f колебаний связана с периодом Т ко-
1
лебаний
,fT
с круговой частотой ω = 2πf, длиной волны λ
электромагнитного излучения:
1
,CT C
f
где С – постоянная, равная скорости света в вакууме.
Основные средства измерения частоты – осциллографы, частотомеры и измерители интервалов времени. К осциллографическим методам (которые были рассмотрены выше) относят:
• определение частоты по фигурам Лиссажу;
• определение интервалов времени, длительности периода,
длительности импульса и т. д.;
• определение частоты по меткам на круговой развертке.
Все осциллографические методы обладают невысокой точностью. Двухлучевые осциллографы позволяют увидеть и сравнить
две частоты, одна из которых известна.
S
E
C
P
Конденсаторные частотомеры. Кон-
денсатор С с помощью ключа S можно
заряжать от источника Е и разряжать
через измерительный прибор магнитоэлектрической системы (рис. 6.1).
Конденсатор заряжается до напряже-
Рис. 6.1. Объяснение работы
конденсаторного частотометра
ния U1, разряжается до U2. Заряд, приобретенный конденсатором,
∆αq = C(U1 – U2) = C∆U.
56
6. Измерение частоты, интервалов времени и сдвига фаз
IC
За время, равное периоду T переключений ключа, по при-
бору протекает средний ток:
q
где
1
fT
– частота переключений.
ср
T
Uf
,
Если переключения осуществлять измеряемой частотой f, судить о ней можно по величине среднего тока. Однако средний
ток пропорционален и ∆U, которое зависит как от напряжения Е
источника питания, так и от амплитуды колебаний измеряемой
частоты. Напряжение источника питания стабилизируют. Чтобы
исключить влияние амплитуды, ее ограничивают определенным
уровнем. При этом синусоидальное колебание практически превращается в импульсное (типа меандр). Измерительный прибор
градуируют в единицах частоты.
Конденсаторные частотомеры применяют на частотах от
10 Гц до 1 МГц с погрешностью до 3 %. До сих пор применяют
частотомер Ч3-7.
Резонансные частотомеры. Любой колебательный контур об-
ладает собственной резонансной частотой. Если на контур подавать частоту, напряжение на нем будет тем выше, чем ближе
подаваемая частота к резонансной.
Частотомер содержит перестраиваемую колебательную систему, которая возбуждается измеряемой частотой (рис. 6.2). Значение резонансной частоты фиксировано или плавно устанавливается при настройке колебательной системы. Индикатор резонанса фиксирует резонанс, который соответствует установленной
частоте. На таком принципе работают частотомеры Ч2-31, Ч2-33,
Ч2-42.
В качестве колебательной системы с частотами до сотен мегагерц (МГц) используют колебательные контуры, при боˊльших
частотах – отрезки коаксиальных линий или объемные резонаторы.
Гетеродинные частотомеры. Они измеряют частоту путем
сравнения измеряемой частоты с частотой гетеродина – генера-
Перестраиваемая
f
x
колебательная
система
Рис. 6.2. Принцип работы резонансного частотомера
Индикатор
резонанса
57
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
тора с плавно настраиваемой с помощью отсчетного лимба (поэтому известной) частотой (рис. 6.3).
f
x
S
Смеситель УНЧ Индикатор
Кварцевый
генератор
Рис. 6.3. Структурная схема гетеродинного частотомера
Гетеродин
Измерения производят следующим образом.
1. Частоту гетеродина и измеряемую частоту подают на сме-
ситель (переключатель S устанавливают в верхнее положение).
На смесителе возникают комбинационные частоты, минимальная из которых равна разности частоты гетеродина и измеряемой
частоты. Минимальная частота поступает на УНЧ – усилитель
низкой частоты, который, усиливая ее, одновременно удаляет все
высокие частоты. Изменяя с помощью отсчетного механизма частоту гетеродина, получают нулевые биения, т. е. напряжение,
при котором измеряемая частота равна частоте гетеродина. Измеряемую частоту определяют по шкале гетеродина. Однако подобное измерение не является достаточно точным.
2. Точность достигается применением измерительной меры,
в качестве которой используют кварцевый генератор. Он выдает сложный сигнал, представляющий смесь частот, с которыми
сравнивается измеряемая частота. Выбор частот кварцевого генератора осуществляется сравнением с частотой гетеродина. Точки,
в которых частота гетеродина равна одной из частот кварцевого
генератора, называют кварцевыми точками. Для создания кварцевой точки используют нулевые биения между частотой гетеродина и одной из частот кварцевого генератора так же, как и при измерениях. Действия, приводящие к тому, что частота гетеродина
становится равной кварцевой точке, называют калибровкой шкалы
гетеродина. При калибровке переключатель S устанавливают в
нижнее положение, в результате кварцевый генератор подключается к смесителю.
3. В результате действий, проведенных в соответствии с
п. 1, гетеродин генерирует приблизительно измеряемую частоту.
58
6. Измерение частоты, интервалов времени и сдвига фаз
Изменяя частоту гетеродина на малую величину в обе стороны
от среднего положения, добиваются нулевых биений и получают
кварцевую точку. В результате калибровки гетеродин генерирует
одну из частот кварцевого генератора. При описанных действиях
эта частота очень близка к измеряемой. Для увеличения достоверности результата измерения повторяют несколько раз.
Гетеродинные частотомеры являются точными приборами с
относительной погрешностью 10–5…–10–3 и применяются при высокочастотных радиоизмерениях. Однако в диапазоне до 300 МГц
их вытесняют цифровые частотомеры.
Для измерения частоты могут быть использованы мостовые
и цифровые методы.
Мостовые методы. Основаны на том, что условие равновесия моста зависит от частоты (в двух плечах моста используют
емкостные сопротивления, в двух других – активные). Шкалы
переменных резисторов, которыми добиваются баланса, могут
быть отградуированы в единицах частоты.
Цифровые методы. В результате высокой точности, цифрово-
го представления информации, возможности связи с ЭВМ цифровые частотомеры нашли самое широкое применение.
На рисунке 6.4 показано графическое изображение синусоидального колебания. Колебание является периодическим. Период Т – это период времени между точками с одинаковыми фазами. Фаза колебаний – математическая величина, характеризую-
щая состояние колебания.
U
U
m
ϕ
0
0
0
ϕ
ωt
0
U
m
Рис. 6.4. Синусоидальное колебание и отсчет фаз
180°(π)
2
T
°
90
270
32
°
360°(2π)
90
ϕ
°
t
59
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
и.
tU
На графике фаза определяется точкой на оси t. Фаза отсчиты-
вается по оси времени. Однако для синусоидальных колебаний,
так как они периодические, фазу удобно отсчитывать в угловых
единицах, которые указываются в радианах или градусах. Математически колебания описываются следующим выражением:
U = Um sin (αωt + ϕ0),
где Um – амплитуда колебаний; ω – круговая частота колебаний,
ω = 2πf ( f – частота колебаний); ωαt +α ϕ0 – фаза колебаний; ϕ0 –
начальная фаза колебаний.
Если колебание начинается с нулевого значения амплитуды,
αϕ0 = 0 и U = Um sin ωαt.
Поскольку колебание не всегда начинается с нулевого значения (см. рис. 6.4), необходимо знать начальную фазу ϕ0α. Любому
значению фазы соответствует определенное состояние колебания.
3
Например, при α
tUU
0
2
пр
;
m
0
2
U
m
При сравнении двух и более колебаний одинаковых частот f
имеет смысл сравнивать их фазы. При этом часто имеют в виду
разность фаз:
∆ϕυ = (ωυt + ϕ01) – (ωt + ϕ02) = ϕ
– ϕ02.
01
При измерениях удобно считать, например, ϕ01 = 0, а ϕ02 = υ∆ϕ.
Измерение сдвига по фазе между двумя гармоническими колебаниями всегда является актуальной задачей в самых различных разделах электротехники – от измерения мощности до самых
точных измерений неэлектрических и электрических величин.
В связи с этим было разработано множество остроумных приборов для измерения фазового угла, которые называют фазометрами. В эти приборы входят устройства, которые преобразуют
сдвиг по фазе в постоянное напряжение, однозначно зависящее
от измеряемой фазы. По аналогии с амплитудными детекторами,
преобразующими амплитуду в постоянное напряжение, такие
устройства называют фазовыми детекторами. Фазовые детекторы
преобразуют фазу в постоянное напряжение, которое можно измерять электромеханическим измерительным прибором.
Компенсационный метод измерения фазового сдвига. Метод
заключается в том, что при измерении разности фаз двух гармонических сигналов в одном из них фаза изменяется (одновременно измеряется и величина изменения) с помощью фазовращателя
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]