3.4.Осциллографические измерения: напряжение, частоты (временных интервалов,разности фаз,коэффициентов ам, сопротивления,емкости). Применение эло для индикации ачх,вах - структурные схемы.

Для воспроизведения формы исследуемого сигнала на экране ЭЛТ,используется его развертка во времени.Разверткой наз-эт линию на экране осциллографа,которую вычерчивает луч в отсутствие сигнала.В осциллографах чаще исп-ют линейную развертку,для некоторых измерений применяют круговую и эллиптическую развертки.Линейная развертка м.б.однократной,непрерывной и ждущей.

Измерение амплитуды напряжения и временных интервалов-основные процессы,выполняемые с помощью осциллографа.Для отсчета значений этих величин применяют метод калиброванных шкал,компенсационный метод и метод сравнения.

Измерение коэфф-та АМ производят путем отсчета максимального и минимального размера изображения амплитудно-модулированного сигнала непосредственно в делениях шкалы.Расчет ведут по формуле m=(A-B)/(A+B)*100%. Иногда величины А(минимальное знач-ие) и В(максимальное знач-ие) удобней измерять по синусоидальной развертке.

Частота и период являются основными параметрами любого гармонич.и периодич.процесса.Единица частоты-Гц соответствует одному колебанию за 1 с.

Измерения частоты происходит способом,назваемым фигурами Лисажу.Измерение основано на методе сравнения неизвестной частоты ƒ_х c известной частотой ƒ_р ,воспроизводимой мерой.При измерении генератор развертки осциллографа выключают.На пластины У падают одно из гармоничных напряжений-исследуемое или напряжение рабочей частоты,а на пластины Х-второе напряж-е.Для получения неподвижной фигуры необходимо регулировать частоту рабочего напряж-я ƒ_р.Неподвижные фигуры на экране наблюдаются при выполнении след.соотношения ƒ_х/ ƒ_р=m/n ,где m,n-целые числа.Форма фигур зависит от отнош-я m/n и нач-ых фаз сравниваемых колебаний.

Соотношение частот колебаний,подаваемых на пластины Х и У,определяемых след.образом.Обозначим частоту кол-ий,подаваемых на пластины Х-ƒ_г,на У-ƒ_в.Проведем мысленно через фигуру на экране горизонтальную N_г и вертикальную N_В прямые линии,которые не должны проходить через точки пересечения самой фигуры.

Для неподвижной фигуры справедливо соотношение N_гƒ_г=N_вƒ_в ,которое позволяет найти одну из частот по известной другой.

При измерении в области низких частот,когда фигура вращается достаточно медленно,можно измерить время ее полного оборота T_вр с помощью равенства N_гƒ_г=N_вƒ_в±1/Т_вр

Измерение фаз.Понятие фазы связано с гармоническими колебаниями.Фазой напряж-ия u=U_msin(ωt+ϕ) является весь аргумент синусоидальной функции;величину ϕ наз-ют нач.фазой.Для двух гармонич.колебаний с разными частотами u₁=U_m1sin(ω₁t+ϕ₁) , u₂=U_m2sin(ω₂t+ϕ₂) разность фаз Δϕ=(ω₁-ω₂)t+ϕ₁-ϕ₂ Эта величина явл-ся линейной фун-ей времени.Разность фаз двух гармонич.колебаний с равными частотами равна разности нач.фаз Δϕ=ϕ₁-ϕ₂ Модуль этой величины наз-ся фазовым сдвигом.Для негармонич.колебйний-это время задержки.

Измерение напряжений.Два колебания можно наблюдать одновременно на экране двухлучевого осциллографа или однолучевого,на выходе котор.включен электронный коммутатор.Измеряют отрезки ab и ac

Фазовый сдвиг рассчитывается по фор-е ϕ=ab/ac*360⁰.Погрешность измерений этого метода ±10⁰.

Измерения способом эллипса.Пусть измеряется фазовый сдвиг между напряж-ями u₁=U_m1sin(ωt+ϕ) и u₂=U_m2sin(ωt). Напряж-ие u₁ падают на У-вход, u₂-на Х-вход осциллографа.Мгновенные отклонения луча на экране по осям х и у равны x=h_xu₂=Xsin(ωt) , y=h_yu₁=Ysin(ωt+ϕ) ,где X=h_xU_m2 и Y=h_yU_m1 – амплитуды отклонений.Электронный луч вычертит на экране осцил.элипс :

Будем считать,что X=Y.Это условие легко выполнить.Исследуемые напряжения поочередно подают на входы каналов вертикального и горизонтального отклонений осциллографа.Регулируя коэфф-ты усиления каналов,добиваются равных отклонений луча.Если X=Y ,измеряемый фазовый сдвиг связан с размерами эллипса соотношением tg(ϕ/2)=A/B , где А-малая,В-большая оси эллипса.Т.о.необходимо определить размеры Аи В;фазовый сдвиг ϕ=2arctg(A/B).

Рассмотрим один из способов,реализующий компенсационный метод измерения.Сущность его заключается в сравнении измеряемого фазового сдвига с фазовым сдвигом ,создаваемым измерительным фазовращателем.Структурная схема измерит.установки:

С помощью фазовращателя изменяют фазу одного из исследуемых напряжений,например u₁ ,так,чтобы фазовый сдвиг между напряж-ями u₁’ и u₂ на входах индикатора равенства фаз был равен нулю.При этом фазовый сдвиг между напряжениями u₁ и u₂ был равен фазовому сдвигу,создаваемому измерительным фазовращателем ϕ=ϕ_ф.

В качестве индикатора равенства фаз удобно исп-ать осциллограф.В случае однолучевого осциллографа напряжения u₁’ и u₂ подают на У- и Х-входы;на экране осциллографа появляется эллипс.Изменяя фазовый сдвиг ϕ_ф,преобразуют эллипс в прямую линию с углом наклона α<90⁰.В соответствии с формулой ϕ=2arctg(A/B) фазовый сдвиг между напряжениями u₁’ и u₂ при этом равен нулю.

В качестве простейших фазовращателей исп-ют различные варианты мостовых схем:

Для Т-моста при С₁=С₂=С фазовый сдвиг между входным и выходным напряж-ем ϕ_т=arctg1/(ωRC).В случае четырех-плечного моста с R₁=R₂=R и С₁=С₂=С фазовый сдвиг ϕ_м=2arctg(ωRC).Недостатки большинства фазовращателей является их сильная зависимость фазового сдвига от частоты.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АЧХ,ВАХ-СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ.

АЧХ характеризуют полосой пропускания,определяемой верхней граничной частоты ƒ_в ,отсчитываемой по уровню 0.707 от значения АЧХ на низких частотах.Значение ƒ_в связано с временем нарастания следующей зависимостью ƒ_в=350/τ_н ,где ƒ_в- в МГц, τ_н- в нс.

Структурная схема универсального осциллографа:

ВАХ.Источником коллекторного напряж-ия явл-ся генератор пилообразного напряж-ия,которое служит так же напряж-ием развертки.Напряж-ие,пропорциональное току коллектора выделяется на резисторе R_k небольшой величиной и подается на вход У канала осциллографа.Ток базы задается генератором ступенчатого напряж-ия и резистором R_б.Параметры ступенчатого напряж-ия согласованы с периодом изменения напряж-ия коллектора так,чтобы на каждом ходе развертки высвечивалась характеристика,соответствующая одному значению тока базы.Т.о.на экране получается изображение семейства выходных характеристик транзистора.(рис.б).

4.1. измерительные генераторы-опрелеления, классификация , метрогологические характеристики. LC- и RC- генераторы гармонических сигналов. *Измерительные генераторы-это экранированные источники электрических сигналов, мощность (напряжение) и степень модуляции которых могут быть фиксированными или регулируемыми в определенных пределах(ГОСТ 150945-69). * Генераторы (Г) – устройства, вырабатывающие сигналы заданной формы за счет энергии источника постоянного тока. Измерительные Г (ИГ) – отличаются возможностью точной установки и изменения в широких пределах параметров сигналов (амплитуды, частоты и пр.), их высокой стабильностью и наличием измерительных приборов для контроля параметров сигналов

Задающий генератор ЗГ в Г3, Г4 вырабатывает гармонические сигналы с заданной частотой. ЗГ в Г3 строится на основе электронного моделирования (доли Гц...десятки Гц), RC-Г-ах или Г-ах на биениях (20...200000 Гц). В RC-Г-ах изменение частоты осуществляется изменением сопротивления (дискретно) или емкости конденсатора (плавно). Из-за изменения сопротивления меняется напряжение выходного сигнала. Г.на биениях отличаются стабильностью уровня выходного сигнала и плавной перестройкой частоты в пределах всего частотного диапазона. ЗГ в диапазоне высоких частот строится на основе LC-Г-ов. ЗГ СВЧ диапазона строятся на основе приборов СВЧ (отражательный клистрон, магнетрон). Они не имеют Усилителя-формирователя. Из-за малого диапазона перестройки частот Г. СВЧ строятся сериями – каждый Г. перекрывает определенный диапазон частот, которые примыкают друг к другу. Усилитель-формирователь УФ -усилитель – в генераторах Г3, модулятор – в генераторах Г4, формирователь длительностей импульсов в генераторах Г5 и т.п.). Выходное устройство ВУ содержит аттенюатор - делитель напряжения для изменения уровня выходного сигнала и согласующий трансформатор (Г. Г3), изменяющий выходное сопротивление Г. для согласования с сопротивлением нагрузки (в Г. Г3). Г. ВЧ имеют коаксиальный выход с постоянным сопротивлением 50 Ом

Характеристики генераторов гармонических сигналов: 1)диапазон частот – f _мин...f _мак (коэффициент перекрытия Кп = f _мак /f _мин меняется от 10000 (генераторы звуковых частот) до 1.1...2 (генераторы СВЧ), 2)погрешность установки частоты,%, 3)нестабильность частоты – от 10^-3 (генераторы с плавной перестройкой) до 10^-7 (кварцованные генераторы), цифровые синтезаторы частоты – 10^-9, 4)параметры выходного напряжения – от единиц мкВ до единиц В (СВЧ – мощность), 5)погрешность установки выходного напряжения (для СВЧ- мощности), 6)искажение формы – уровень гармонических составляющих – от 2% до 0,05%.

Г2 – вырабатывают напряжение типа «белый шум» в заданной полосе частот, строятся на базе источника шума (резистор, полупроводниковый диод). Г6 формируют сигналы различной формы (треугольной, прямоугольной, гармонической). В настоящее время используют цифровые генераторы функций, позволяющие сформировать сигнал произвольной формы, задаваемый формулой, графически или таблично. Г7 из напряжения, вырабатываемого опорным генератором (частота стабилизируется кварцем), формируют дискретный набор частот (сетка частот с шагом обычно 10 Гц). Г8 – LC-генератор, емкость _варикап –изменяется (и частота генерации тоже) под действием управляющего напряжения, например, от ГЛИН Классификация(подгруппа приборов, предназначенная для формирования измерительных сигналов, обозначается букваой Г): 1)приборы вида Г1 используют для проверки генераторов. 2)Г2-генераторы шумовых сигналов.3) Г3-низких частот от 20 Гц до 300кГц, формирующие сигналы синусоидальной формы.4)Г4-высокочастотные синусоидальные генераторы(высокочастотный генераторы от 30кГц до 300МГц и СВЧ от 300МГц до18 ГГц).5)Г5-генераторы импульсов.6)Г6-генераторы сиглналов специальной формы.7) Г7-генераторы качающей частоты(свипгенераторы). Метрологические характеристики:1) форма сигнала(синусоидальная, импульсная и т.д) 2)параметры сигнала данной формы(частота повторения, амплитуда, длительность и скважность прямоугольного импульса, длительность фронта и среза, к-т гармоник и т.п.) 3)пределы регулировки параиетров сигнала(диапазон частот, пределы регулировки ослабления)4)пределы допускаемых погрешностей установки параметров сигнала(установки частоты, амплитуды, длительности импульсов и т.п) 5)нестабильность параметров сигнала за некоторый интервал времени(указывается при определенных изменениях внешних условий, напряжения питания, регулировании других параметров сигнала).

RC- генератор. Частота генерации определяется параметрами контура , чем LC больше, тем ниже частота, но т.к. для низких частот L будет иметь большие габариты, то чаще низкочастотные генераторы выполняются на RC и чтобы получить гармонические колебания, цепь обр. связи вкл. техзвенную RC цепь,которая обеспечивает сдвиг по фазе на частоте генерации -частота генерации.В данной схеме на полевом транзисторе собран RC-ген и в цепи обр связи используется трехзвенная RC цепочка.

LC-генератор(с индуктивной обр связью)

5.1.Измерение частоты:класс.,обл. применения методов,метрологические хар-ки.Электронные частотометры.Цифр.ч. в режимы измер-я частоты и периода.Ист. погрешностей.Измер-е частоты методом сравнения.Мостовые методы измер. частоты.Резонансные частотомеры.

Общие сведения об измерении частоты

Частота f (Гц)= 1/Т– число периодов (Т) за 1 с. Угловая частота  = 2f, рад/с, или с^-1.

Методы измерения частоты

1. Методы сравнения 2. Методы непосредственной оценки

1.1. Осциллографические 2.1. ЭИП (логометры) – диапазон 20...2000 Гц

1.2. Нулевых биений 2.2. Электронные частотомеры - Ч

1.3. Мостовой метод - Ч2 – резонансные - диапазон СВЧ

- Ч3 – электронносчетные –цифровые – диапазон 10 Гц...50 ГГц (режим периодомера – для измерения временных интервалов и низких частот, режим частотомера – для высоких частот)

- Ч4 – конденсаторные (используют заряд-разряд емкости)

- практически не используются

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННО-СЧЕТНОГО ЧАСТОТОМЕРА

Интервал времени измерения Т₀ формируется из напряжения высокостабильного генератора с кварцевой стабилизацией ГК. Структурная схема цифрового измерителя частоты показана на рис.

Сигнал, частота которого измеряется, поступает на входное устройство ВУ, предназначенное для согласования сопротивлений частотомера и источника сигналов и установления необходимого для обработки уровня напряжения. Формирователь ФУ преобразует входные гарм. сигналы в посл-ть коротких импульсов пост. амплитуды с большой крутизной фронтов. Эти импульсы возникают в моменты перехода синусоиды через 0. Реализуются ФУ, например, усилителями. Временной селектор ВС -это эл. ключ с двумя входами. На вход 1 поступают импульсы из ФУ, которые необходимо пропустить на электронный счетчик ЭС, а на второй вход - импульс от устройства управления УУ, открывающий ВС на время Т₀ (КТ₀). Дешифратор ДШ преобразует сигналы с выхода ЭС в сигналы управления цифровым индикатором ЦИ, вырабатывающий результат измерения.

Погрешность определяются - погрешностью дискретности (из-за несовпадения моментов появления счетных импульсов относительно моментов начала и окончания импульса из УУ) и погрешностью из-за нестабильности частоты кварцованного генератора.

Эта схема обеспечивает измерение ВЧ. Для измерения низких частот измеряют период. Структурная схема цифрового частотомера, работающего в режиме измерения периода.Принцип измерения периода аналогичен методу измерения частоты; разница заключается в том, что эталонное и измеряемое напряжение как бы меняются местами, а именно: временной селектор ВС (электронный ключ) открывается импульсом, формируемым из напряжения измеряемого периода Т_х, а подсчитываются импульсы, полученные от генератора кварцованного ГК, работающего на фиксированной частоте Т₀.

Метод сравнения с образцовой частотой, применяется в диапазоне частот 100 кГц... 100 ГГц и обеспечивает высокую точность, которая зависит от погрешности,

с которой известна образцовая частота. Частотомеры, построен-

построенные по принципу сравнения частот (гетеродинные частотомеры),

имеют погрешность 10~5...10~6.

Мостовой метод измерения частоты основан на использовании частотно зависимых мостов переменного тока, которые питаются напряжением измеряемой частоты. Наиболее распространенной мостовой схеме для измерения частоты является емкостной мост.

Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту.