336 ЛЕКЦИИ И ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ / ЛЕКЦИИ / Лекция №4 - измерение частоты, осциллограф, цифр вольт

6

ЛЕКЦИЯ №3.

ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ

В электронных аналоговых частотомерах применяются в основном два способа измерения частоты. Первый, используемый в области звуковых частот, основан на формировании импульсов, имеющих постоянную площадь, ограниченную кривой импульса тока и осью времени на диаграмме. Частота этих импульсов должна быть равна частоте измеряемого сигнала.

Известны схемы измерительных преобразователей частоты в напряжение (ПЧН), реализующие этот способ. Упрощенная схема преобразователя с использованием перезаряда конденсатора показана на рис. 3.1, где ФИ – формирователь импульсов постоянной длительности Δt с частотой f_x входного сигнала u; ИСН – источник стабильного напряжения U₀; В – переключатель; С – конденсатор; R – нагрузка, в качестве которой может быть использован магнитоэлектрический измерительный механизм.

Рис. 3.1. Структурная схема преобразователя частоты в напряжение

Выходные импульсы формирователя управляют работой переключателя В, поочередно подключая его к ИСН и к нагрузке R. Если постоянные времени цепей заряда и разряда подобраны так, что он практически полностью успевает зарядиться от ИСН и разрядиться на R, то среднее значение выходного напряжения будет , где - заряд конденсатора, отдаваемый в нагрузку при каждом импульсе.

В основе второго, резонансного, способа измерения лежит сравнение частоты колебаний исследуемого источника с собственной частотой колебаний резонансного контура (рис. 3.2). Источник напряжения u неизвестной частоты f_x может быть непосредственно подключен в колебательный контур или связан с ним через элемент связи М. Источник напряжения измеряемой частоты является источником ЭДС в контуре. Изменяя емкость конденсатора С, можно по показаниям индикатора резонанса ИР настроить контур в резонанс, при котором . При известной индуктивности L контура шкала конденсатора С градуируется в единицах частоты. Резонансные частотомеры используют для измерений в области высоких частот.

Рис. 3.2. Функциональная схема резонансного преобразователя частоты в напряжение

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Электронные осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение.

Осциллографы могут быть предназначены для наблюдения и измерения непрерывных или импульсных процессов; большое распространение получили универсальные осциллографы для периодических и непериодических сигналов непрерывного и импульсного характера в широком (до 100 МГц) диапазоне частот. По количеству одновременно исследуемых сигналов осциллографы могут быть одноканальными и многоканальными (в основном двухканальные). В последнее время широкое распространение получили цифровые электронные осциллографы.

Рассмотрим устройство и принцип действия наиболее распространенных универсальных электронно-лучевых осциллографов. В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электронно-лучевой трубки.

Рис. 3.3. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

Основной узел осциллографа – электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). С помощью делителя напряжения R₁R₂ электроды электронной пушки ЭЛТ подключают к высоковольтному источнику питания. Потенциометр R₁ служит для регулирования яркости светового пятна на экране ЭЛТ изменением потенциала модулятора, а потенциометр R₂ – для фокусировки электронного луча на экране изменением потенциала первого анода.

Канал вертикального отклонения луча (канала Y) содержит входное устройство и широкополосный усилитель вертикального отклонения (усилитель Y). Входное устройство включает делитель напряжения, позволяющий регулировать чувствительность канала Y, и устройство задержки сигнала. Задержка сигнала необходима для того, чтобы напряжение развертки поступило на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ с некоторым опережением сигнала. Это позволяет наблюдать на экране начало процесса. На выходе усилителя Y создается напряжение, пропорциональное входному сигналу. Это напряжение вызывает вертикальное отклонение луча. Усилитель обеспечивает высокую чувствительность канала Y (до 2500 мм/В) при сравнительно низкой чувствительности ЭЛТ (0,1 – 0,4 мм/В).

Канал горизонтального отклонения луча (канал Х) состоит из входного устройства, усилителя канала синхронизации (может отсутствовать), генератора развертки и усилителя горизонтального отклонения (усилитель Х). Входное устройство и усилитель Х аналогичны соответствующим блокам канала Y, только входное устройство канала Х не имеет устройства задержки сигнала.

Генератор развертки вырабатывает линейно изменяющееся напряжение, которое через усилитель Х поступает на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Через усилитель синхронизации сигналы от входного устройства Y и Х поступают на генератор развертки.

Усилитель канала Z (усилитель Z) предназначен для усиления сигналов, поступающих на вход Z. Через переключатель П₂ усиленные сигналы со входа Z могут быть поданы на модулятор ЭЛТ, изменяя яркость свечения экрана. Усилитель канала Z в некоторых осциллографах отсутствует.

Калибраторы предназначены для калибровки чувствительности канала Y путем подачи стандартного переменного напряжения на вход Y (калибратор амплитуды) и длительности развертки путем подачи импульсов напряжения со стандартным периодом на модулятор ЭЛТ (калибратор длительности). Воздействие импульсов на модулятор создает на экране ЭЛТ яркостные метки времени. В некоторых осциллографах применяют калиброванную длительность развертки, соответствующую фиксированным положениям переключателя длительности развертки.

С помощью переключателя П₄ генератор развертки может быть исключен из канала Х. Тогда можно подать на горизонтально отклоняющие пластины напряжение, пропорциональное сигналу на входе Х.

Рассмотрим работу осциллографа в режиме развертки (положение переключателей соответствует рис. 3.3).

Линейно изменяющееся напряжение генератора развертки, усиленное усилителем Х, смещает электронный луч по экрану ЭЛТ слева направо с постоянной скоростью, высвечивая на его экране траекторию. По окончании действия напряжения генератора развертки напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах равно нулю и луч возвращается в исходное положение в левой части экрана. После этого процесс повторяется. Таким образом, смещение х луча по горизонтали пропорционально времени t: x=kt. Если на вертикально отклоняющие пластины напряжение не подано, то на экране будет наблюдаться горизонтальная прямая.

Если на вход Y воздействует исследуемое напряжение u_c(t), а напряжение генератора развертки равно нулю, то смещаясь по вертикали в соответствии со значениями u_c(t), луч высветит на экране ЭЛТ вертикальную прямую. Если же сигнал u_c(t) действует одновременно с напряжением генератора развертки u_р, то на экране будет наблюдаться кривая u_c(t) – развертка исследуемого напряжения во времени (рис. 3.4).

Рис. 3.4. К пояснению временной развертки

При исследовании периодических процессов необходимо синхронизировать напряжение генератора развертки с исследуемым сигналом, в противном случае на экране ЭЛТ изображение будет неустойчивым. Действительно, допустим, что напряжение сигнала u_c изменяется во времени по синусоидальному закону, период Т_с которого отличается от периода напряжения развертки Т_р (рис. 3.5). В этом случае по окончании импульса луч не вернется в исходное положение, поскольку . Второму периоду развертки будет соответствовать кривая 2 на экране, смещенная относительно кривой 1 на величину , и т.д. Таким образом, на экране будет наблюдаться "бегущая синусоида".

Рис. 3.5. К пояснению синхронизации

Для получения устойчивого изображения на экране необходимо выполнить выполнение соотношения

,

где п – целое число.

На экране наблюдается п периодов напряжения сигнала.

ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР

Цифровой вольтметр, кроме основного узла – аналого-цифрового преобразователя, содержит входную цепь и блок индикации.

На рис. 3.6 приведена структура цифрового вольтметра. Кодоимпульсный АЦП DA1 имеет п разрядов, напряжение с выхода имеющегося в нем ЦАП сравнивается с входным напряжением, масштабирование которого осуществляет операционный усилитель DA3 за счет выбора отношения . При достижении равенства напряжений на входах компаратора DA2 логический потенциал с его выхода прерывает дальнейшее изменение выходного кода – преобразование заканчивается. Оно начинается с приходом импульса цикла, после этого в АЦП могут поступать тактовые импульсы, под действием которых осуществляется преобразование.

Двоичный код с выходов АЦП преобразуется в двоично-десятичный, из которого затем формируются сигналы для управления семисегментными индикаторами. На схеме соответствующие преобразователи показаны обобщенно. На вывод десятичной запятой (в левом на схеме индикаторе) постоянно подается напряжение, заставляющее ее светиться.

Рис. 3.6. Схема цифрового вольтметра