4.2 Основные способы отсчета напряжения и временных интервалов с помощью осциллографа

Привет, Вы узнаете о том , что такое способы отсчета напряжения, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое способы отсчета напряжения, временных интервалов, развертывающее напряжение , настоятельно рекомендую прочитать все из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ.

В универсальных осциллографах используют метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране ЭЛТ. Цену деления сетки устанавливают с помощью калибратора амплитуды.

Иллюстрация данного метода измерения представлена на рис. 4.5, где показаны периодические сигналы. Параметры импульсов определяют следующим образом: Up = Су 1У; Up - размах (амплитуда импульса); │Су│ - цена деления сетки по вертикали, В/дел; Т = С, Lx - период следования импульсов; τп = Сх 1Х - длительность импульса; │С│ - цена деления сетки по горизонтали, с/дел; ly, Lx, lx - выражены в делениях сетки.

Рисунок 4.5 Определение параметров сигнала с помощью масштабной сетки

Погрешность измерения амплитуды сигнала не ниже 3...5%. Существуют методы повышения точности измерения амплитуды исследуемого сигнала, например компенсационные. Эти методы чаще всего применяют только в цифровых осциллографах, что позволяет получить численные значения параметров с погрешностью 1...2 %.

В отличие от частотомеров и измерителей временных интервалов , с помощью осциллографов можно измерять параметры сигналов сложной временной структуры, например ступенчатых сигналов или сигналов кодовых последовательностей. Можно измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом исследования является метод калиброванной развертки (калиброванных меток) (рис. 4.6).

Рисунок 4.6 Измерение интервалов времени с помощью калибровочных меток:

напряжения: uc - исследуемое; uk - калибровочное

Реальная погрешность метода составляет порядка 10 % и зависит от количества меток. Калибровочные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала длительностью τи путем модуляции яркости луча, т.е. подачей на сетку ЭЛТ напряжения известной частоты f0 = 1/Т0. При этом длительность сигнала τи = nТ0, где n - количество калибровочных меток.

Таблица 4.1 Интерференционные фигуры (фигуры Лиссажу)

Остановимся на способе измерения частоты по интерференционным фигурам, называемым фигурами Лиссажу. Измерение основано на сравнении неизвестной частоты fx с известной частотой f0, воспроизводимой мерой. С этой целью колебания известной (образцовой) частоты f0 подают на один вход осциллографа (например, Y), На вход X (при этом собственную развертку осциллографа отключают) поступают колебания измеряемой частоты fх. Частоту f0 образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа наблюдалась простейшая устойчивая фигура, примерные виды которой при разных фазовых сдвигах показаны в табл. 4.1. Форма фигур Лиссажу зависит от отношения частот m/n и начальных фаз сравниваемых колебаний.

Соотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено как отношение числа точек пересечения фигуры Лиссажу m по вертикали к числу точек пересечения n по горизонтали. Например, из рис. 4.7 легко видеть, что это отношение равно:

fx = fo = m/n = 2/4 = 1/2. Отсюда измеряемую частоту определяют как;fx = f0/2.

Рисунок 4.7 К определению отношения частот

Точность данного метода определения частоты гармонического колебания оказывается достаточно высокой и определяется стабильностью образцового генератора, однако получение и наблюдение таких фигур - достаточно сложная измерительная задача.

Контрольные вопросы и ответы:

1. Основные требования, предъявляемые к «развертывающему» напряжению.

При одновременном воздействии на электронный луч двух переменных напряжений, приложенных к обеим парам отклоняющих пластин, на экране осциллографа появляется осциллограмма в виде линии или фигуры. Вид этой фигуры зависит от формы, частоты и значения каждого из приложенных к отклоняющим пластинам напряжений. Такие осциллограммы называются фигурами Лиссажу.

При одновременной подаче на обе пары отклоняющих пластин двух постоянных напряжений электронный луч отклоняется под их воздействием, и его конец создает светящуюся точку в некотором месте экрана (рис. 1.6). Это место зависит от приложенных отклоняющих напряжений и чувствительностей трубки по каждой паре пластин ; результирующее отклонение

Рис. 1.6. Отклонение луча под действием двух постоянных напряжений

Исследуемое напряжение, поступающее на пластины Y, представляется на экране «развернутым» по оси X в соответствии с законом изменения напряжения на пластинах X, поэтому напряжение называется развертывающим, или напряжением развертки.

В зависимости от формы напряжения развертка бывает

• линейная,
• синусоидальная,
• круговая (эллиптическая),
• спиральная и
• радиальная.

В радиотехнических измерениях наибольшее применение находят периодические развертки: линейная, синусоидальная и круговая, реже используется спиральная. Для наблюдения импульсов большой скважности, а также непериодических и единичных процессов применяется ждущая развертка.

Требования, предъявляемые к напряжению развертки

1) Линейность.
2) Тобр на много меньше Тпр.
3) Период развертки равен n- периодам сигнала, где n – целое число- основное условие получения устойчивого изображения.
4) Напряжение развертки должно быть достаточным для перемещения луча из левой части экрана вправую.

Рассмотрим примеры, поясняющие принцип получения устойчивого изображения на экране осциллографа, а также примеры, показывающие, что будет на экране осциллографа, если не соблюдать требования, предъявляемые к напряжению развертки:


Исследуемый сигнал синусоидальной формы Uр — идеальное, Тр = Тс
Исследуемый сигнал синусоидальной формы Uр — идеальное, Тр =2Тс
Исследуемый сигнал синусоидальной формы, Up- реальное — Тобр не равно 0
Обратный ход накладывается на изображение. Чтобы этого не было, на практике применяются схемы гашения обратного хода.(рис. а)

2. Как работает генератор пилообразного напряжения?

ГЕНЕРАТОР ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ - генератор линейно изменяющегося напряжения (тока), электронное устройство, формирующее периодич. колебания напряжения (тока) пилообразной формы. Осн. назначение Г. п. н.- управление временной разверткой луча в устройствах, использующих электроннолучевые трубки. Г. п. н. применяют также в устройствах сравнения напряжений, временной задержки и расширения импульсов. Для получения пилообразного напряжения используют процесс заряда (разряда) конденсатора в цепи с большой постоянной времени. Простейший Г. п. н. (рис. 1, а) состоит из интегрирующей цепи RC и транзистора, выполняющего функции ключа, управляемого периодич. импульсами. В отсутствие импульсов транзистор насыщен (открыт) и имеет малое сопротивление участка коллектор - эмиттер, конденсатор С разряжен (рис. 1, б). При подаче коммутирующего импульса транзистор запирается и конденсатор заряжается от источника питания с напряжением - Ек - прямой (рабочий) ход. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Выходное напряжение Г. п. н., снимаемое с конденсатора С, изменяется по закону . По окон чании коммутирующего импульса транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается (обратный ход) через малое сопротивление эмиттер - коллектор. Осн. характеристики Г. п. н.: амплитуда пилообразного напряжения , коэф. нелинейности и коэф. использования напряжения источника питания. При в данной схеме

Длительность прямого хода Tр и частота пилообразного напряжения определяются длительностью и частотой коммутирующих импульсов.

Недостатком простейшего Г. п. н. является малый kE при малом. Требуемые значения е лежат в пределах 0,0140,1, причем наименьшие значения относятся к устройствам сравнения и задержки. Нелинейность пилообразного напряжения во время прямого хода возникает из-за уменьшения зарядного тока вследствие уменьшения разности напряжений . Приблизительного постоянства зарядного тока добиваются включением в цепь заряда нелинейного токостабилизирующего двухполюсника (содержащего транзистор или электронную лампу). В таких Г. п. н. и . В Г. п. н. с положит. обратной связью по напряжению выходное пилообразное напряжение подается в зарядную цепь в качестве компенсирующей эдс. При этом зарядный ток почти постоянен,, что обеспечивает значения 1 и =0,0140,02. Г. п. н. используют для развертки в электронно-лучевых трубках с эл--магн. отклонением луча. Чтобы получить линейное отклонение, необходимо линейное изменение тока в отклоняющих катушках. Для упрощенной эквивалентной схемы катушки (рис. 2, а) условие линейности тока выполняется при подаче на зажимы катушки трапецеидального напряжения. Такое трапецеидальное напряжение (рис. 2, б)можно получить в Г. п. н. при включении в зарядную цепь дополнит. сопротивления Rд (показано на рис. 1, а пунктиром). Отклоняющие катушки потребляют большие токи, поэтому генератор трапецеидального напряжения дополняют усилителем мощности.

3. Перечислите основные виды разверток.

Развертка – это линия, которую вычерчивает луч на экране ЭЛТ при отсутствии исследуемого сигнала в результате действия только одного напряжения развертки.

В технике связи применяются следующие виды разверток: линейная, синусоидальная, эллиптическая (круговая).

Если напряжение развертки приложено к отклоняющим пластинам Х, то развертку называют по форме развертывающего напряжения – линейной или синусоидальной.

Если развертывающие напряжения одновременно приложены к отклоняющим пластинам Х и Y ЭЛТ, то развертка называется круговой или эллиптической.

Линейная развертка создается пилообразным напряжением генератора развертки, при этом луч вычерчивает прямую горизонтальную линию на экране ЭЛТ.

В зависимости от режима работы генератора развертки линейная развертка подразделяется на несколько видов:

• -непрерывная (автоколебательная);
• -ждущая;
• -однократная.

• Непрерывная развертка – это развертка, при которой генератор развертки периодически (автоматически) запускается и при отсутствии сигнала запуска на его входе.Непрерывная развертка применяется для исследования периодических сигналов, а также импульсных с небольшой скважностью. Она включается при внутренней синхронизации.
• Ждущая развертка – развертка, с помощью которой генератор развертки запускается только с помощью сигнала запуска. Ждущая развертка применяется для исследования различных импульсных процессов с большой скважностью. При ждущей развертке напряжение развертки подается только в то время, когда импульс поступает на вход электронного осциллографа.
• Однократная развертка – применяется для наблюдения одиночных и непериодических процессов.

4. Когда используют линейную развертку? Как осуществляют круговую развертку?

Непрерывная линейная развертка

Применяется при исследовании периодически изменяющихся сигналов, а так же импульсных сигналов малой скважности. В идеальном случае напряжение развертки имеет вид; подается на пластины X, изменяется пропорционально времени, поэтому луч с равномерной скоростью перемещается по экрану слева на право. В момент достижения лучом края экрана напряжение развертки мгновенно уменьшается до 0 и луч также мгновенно перебрасывается к левому краю экрана и вычерчивает на экране прямую линию развертки — если сигнал на пластины Y не подан, изображение исследуемого сигнала - если он подан на пластины Y. Процесс повторяется, изображение накладывается друг на друга.

Тпр - время прямого хода луча, за которое луч перемещается по экрану с лева на право.

Тобр - время, за которое луч возвращается в начальную точку экрана. Реальная форма напряжения развертки отличается от идеальной и может иметь

вид:

Круговая развертка

Это частный случай синусоидальной развертки. Для ее получения необходимо на пластины X и Y подать синусоидальные колебания одинаковой частоты, но сдвтнутые по фазе на угол 90°.

5. Как измеряют амплитуду сигналов с помощью осциллографа?

В универсальных осциллографах используется метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране осциллографа. Цена деления сетки устанавливается с помощью калибратора амплитуды.

Параметры импульсов определяются следующим образом:

Up = Су ly; Up — размах (амплитуда импульса);

Сy — цена деления сетки по вертикали, В/дел;

Т = CXLX — период следования импульсов;

?п = СX lХ — длительность импульса;

СХ — цена деления сетки по горизонтали, с/дел; ly, Lx, lx — выражены в делениях сетки.

Погрешность измерения амплитуды сигнала при этом методе измерения составляет 3…5 %. Существует ряд способов повысить точность измерения амплитуды исследуемого сигнала, например компенсационные методы. Эти методы чаще всего применяют только в цифровых осциллографах, что позволяет получить численные значения параметров с погрешностью 1…2 %.

С помощью осциллографов можно измерять параметры сигналов сложной временной структуры, например ступенчатых сигналов или сигналов кодовых последовательностей. Можно измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом исследования является метод калиброванной развертки (калиброванных меток). Реальная погрешность этого метода составляет порядка 10 % и зависит от количества меток.

Метод калиброванных шкал Измерять напряжение сигнала можно, калибруя масштабную сетку на экране осциллографа (т.е. определяя цену деления сетки в вольтах на сантиметр). В этом случае сетка становиться шкалой. Масштаб указывается на переключателе чувствительности осциллографа. При наличии ручки плавной регулировки чувствительности указанный масштаб получается лишь при одном ее положении, фиксируемом при повороте (это положение обычно обозначается специальной меткой у ручки). Из-за влияния ряда факторов – погрешностей калибровки, визуального отсчета, нелинейной амплитудной характеристики канала горизонтального отклонения и т.д. – этот метод дает погрешность измерения напряжения около 5%. Погрешность отсчета включает в себя две составляющие: погрешность совмещения линий осциллограммы с линиями шкалы и погрешность отсчета из-за конечной ширины линии

6. Как осуществляют измерение временных интервалов с помощью калиброванной развертки и яркостных меток?

Для измерения временных интервалов можно использовать два метода: по калиброванной длине развертки и при помощи калиброванной задержки развертки.

Раньше в осциллографах для измерения длительности сигнала использовались яркостные метки. Эти метки можно получить, модулируя электронный луч ЭЛТ по яркости сигналом прямоугольной формы. Зная период модулирующего сигнала и подсчитав число меток, можно найти длительность исследуемого сигнала. Погрешность измерения данным методом обычно составляет 2%. Однако такой метод имеет ряд недостатков: при наблюдении сложных сигналов можно потерять часть информации за счет гашения участков картины, а при увеличении диапазонов развертки необходимо усложнять калибраторы. Поэтому сейчас более распространены осциллографы с калиброванной разверткой (хотя точность измерения при этом ниже – порядка 5%).
Метод калиброванной развертки.
Определение временного интервала Т осуществляется по размеру исследуемого участка М (в делениях) на экране и значению установленного масштаба развертки k (время/деление): Т = k · М. В этом случае сетка по оси Х является шкалой, цена деления которой k указывается на переключателе диапазона развертки осциллографа. Погрешность измерения складывается из инструментальной погрешности прибора (неточность начальной калибровки осциллографа, нелинейность канала X) – она обычно дается в техническом описании, и ошибки
считывания (дискретность шкалы, конечная ширина луча).

Для повышения точности измерения можно использовать МЕТОД СРАВНЕНИЯ. Этот метод предусматривает использование осциллографа в качестве устройства сравнения (аналогично измерению амплитуды).
Погрешность этого метода определяется погрешностью эталонного генератора и погрешностью считывания. Измерения методом сравнения наиболее удобно проводить на двухлучевом осциллографе при одновременном наблюдении на экране обоих сигналов. (В двух- Рис. 12. Определение
лучевом осциллографе существует две электронных длительности импульса пушки и четыре пары управляющих пластин. На лице- методом сравнения.
вую панель выводятся два блока управления – для регулировки каждого из лучей.)

Рис. . Определение длительности импульса методом сравнения.

7. Как проводят измерение частоты сигнала методом фигур Лиссажу?

Можно определить частоту с помощью фигур Лиссажу . Для определения соотношения частот нужно сосчитать, сколько колебаний совершает луч по одной и другой оси при полном обходе всей фигуры (сколько максимумов по вертикали и горизонтали на картине) (см. рис.13).

Рис. 13. Определение частоты по фигурам Лиссажу.

За время t (за это время луч один раз пробегает по картинке – это время полного обхода лучом всей фигуры) луч n раз колеблется по вертикали (канал Y) и m раз по горизонтали (канал X), значит:

t = .

Погрешность при строгом выполнении кратности частот (когда картина абсолютно неподвижна) определяется погрешностью установки частоты эталонного сигнала. Эталонный сигнал целесообразно подать на ось Х, поскольку обычно удобный для измерений горизонтальный размер фигуры можно подобрать изменением амплитуды эталонного сигнала

Синусоидальная развертка.

Используется при измерении частоты фазового сдвига, коэффициента амплитудной модуляции. Для ее получения на входы X и Y осциллографа подаются синусоидальные сигналы. В зависимости от соотношения частот и значения фазового сдвига между сигналами на экране получаются различные фигуры Лиссажу.

Калибровочные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала длительностью ти путем модуляции яркости луча, т. е. подачей на сетку ЭЛТ напряжения известной частоты f0 = 1/T0. При этом длительность сигнала и = пТ0, где п — количество калибровочных меток.

Способ измерения по интерференционным фигурам, называемым фигурами Лиссажу.

Измерение основано на сравнении неизвестной частоты fx с известной частотой f0, воспроизводимой мерой.

С этой целью колебания известной (образцовой) частоты f0 подаются на один вход осциллографа (например, Y). На вход X (при этом собственная развертка осциллографа отключается) поступают колебания измеряемой частоты. Частоту f0 образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа наблюдалась простейшая устойчивая фигура, примерные виды которой при разных фазовых сдвигах показаны в таблице. Форма фигур Лиссажу зависит от отношения частот m/n и начальных фаз сравниваемых колебаний.

С оотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено как отношение числа точек пересечения фигуры Лиссажу т по вертикали к числу точек пересечения п по горизонтали. Например, как показано на риcунке справа, это отношение составляет:

Отсюда измеряемая частота определяется как: fx=f0/2.

Точность этого метода определения частоты колебания оказывается высокой и определяется стабильностью образцового генератора, однако получение и наблюдение таких фигур — достаточно сложная измерительная задача.

8 . как выполняют измерение чатоты различными видами развертки?

Измерение частоты методом линейной развертки с внешним генератором образцовой частоты

Измеряемый сигнал uc(t) подается на вход Y осциллографа. На пластины X ЭЛТ поступает сигнал ГР . Источник образцовой частоты подключается к входу Z осциллографа (рис.10.3). Порядок функционирования блоков осциллографа определяет структурная схема, представленная на рис.10.4. На осциллограмме возникают яркостные метки. Подсчитывается их число “n” в одном периоде сигнала рис. 10.5. Измеряемая частота определяется из соотношения , при условии, что .

Измерение частоты методом синусоидальной развертки - производится во втором основном режиме работы осциллографа (П1 в положении 2). Гармонические сигналы подаются на входы Y и X осциллографа. Схема подключения источников сигнала приведена на рис. 10.6. Порядок функционирования блоков осциллогафа определяет структурная схема, представленная на рис. 10.7. На экране наблюдаем фигуру Лиссажу, вид которой зависит от частотных и фазовых соотношений поданных сигналов. Полученная фигура мысленно пересекается двумя взаимно перпендикулярными осями. (Оси не должны проходить через узлы фигуры). Подсчитывается количество точек пересечения с осью X - nx и осью Y - ny (рис. 10.8). В этом случае выполняется соотношение

Откуда неизвестная частота определится как

Где fх- известная частота [Гц].

Измерение частоты методом круговой развертки производится во втором режиме работы осциллографа (переключатель П1 переводится в положение 2).

На входы Y и X подаются гармонические сигналы неизвестной частоты f c Фазовращатель обеспечивает сдвиг фазы между ними . На вход Z поступает образцовая частота f 0 от дополнительного источника. Порядок функционирования блоков осциллографа определяет структурная схема, представленная на рис. 10.10. Подсчитывается число “n” яркостных меток на круговой развертке (рис.10.11). Измеряемая частота fc определяется из соотношения , при условии, что

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Сигнал (техника)
• Видеоимпульс
• Меандр ( радиотехника )
• Импульсная техника
• Счетчик числа импульсов
• Параметры импульсов
• амплитуда
• скважность сигнала
• частотометр

Информация, изложенная в данной статье про способы отсчета напряжения , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое способы отсчета напряжения, временных интервалов, развертывающее напряжение и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.