ЛЕКЦИЯ №5: «МЕТОДЫИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫИ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ»
Учебные вопросы лекции:
Общие сведения об осциллографах.
Структура и принцип работы универсального осциллографа. Виды разверток в осциллографе.
Структура и принцип работы цифрового запоминающего осциллографа.
Структура и принцип действия цифровых люминофорных осциллографов.
Учебные и воспитательные цели:
сформировать у студентов представление о методах измерения формы и параметров сигналов с помощью осциллографов.
Время – 90 минут.
Вступительная часть
Некоторые параметры физических величин невозможно или сложно измерить без визуального её наблюдения (мгновенное напряжение и ток, изменение формы электрических сигналов, задержки сигналов и фазовые сдвиги сигналов).
Для наблюдения формы сигналов и измерения их амплитудных, фазовых и временных характеристик используются специальные приборы – осциллографы, изучению которых посвящена настоящая лекция.
1 Вопрос. Общие сведения об осциллографах
Осциллограф – это прибор для наблюдения формы сигналов и
измерения их амплитудных, фазовых и временных характеристик.
Визуальное наблюдение сигнала производится на экране, который представляет собой либо экран электронно-лучевой трубки (электронно-лучевые осциллографы), либо жидкокристаллический дисплей (цифровые запоминающие осциллографы), либо цифровые люминофорные осциллографы.
Электронно-лучевой осциллограф - один из наиболее универсальных измерительных приборов для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Разработаны и используются различные типы электронно-лучевых осциллографов: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. Возможность наблюдения формы исследуемого сигнала и одновременное измерение его параметров выдвигают электронно-лучевой осциллограф в разряд универсальных приборов.
На основе совершенствования первоначальной схемы универсального осциллографа (его обозначение Cl —...) создан целый ряд специализированных приборов:
- С7 —... скоростные стробоскопические;
- С8 —...запоминающие;
- С9 —...специальные, в том числе цифровые.
Иногда эти разновидности бывают объединены в одном приборе. Выбор маркировки зависит от разработчика. Рассмотрим основные типы осциллографов.
Самые распространенные универсальные осциллографы позволяют исследовать разнообразные электрические сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд, в диапазоне от долей милливольт до сотен вольт. Полоса пропускания лучших универсальных осциллографов составляет 300...400 МГц. Изображение сигнала на экране индицируется практически одновременно с появлением сигнала на входе, поэтому такие приборы называют осциллографами реального времени. Часто универсальные осциллографы выполняют со сменными блоками, расширяющими их функциональные возможности.
Для исследования быстро протекающих процессов (нано- и пикосекунд-ной длительности) предназначены скоростные осциллографы, в которых используется специальная электронно-лучевая трубка бегущей волны. Предварительного усиления входного сигнала в скоростных осциллографах обычно не производят, поэтому чувствительностьих невелика. Эти приборы являются осциллографами реального времени, и позволяют наблюдать и фотографировать одиночные и периодические сигналы.
Повторяющиеся кратковременные процессы исследуют с помощью стробоскопических осциллографов. По принципу действия стробоскопические осциллографы относятся к приборам с преобразованием временного масштаба и отличаются высокой чувствительностью и широкой (до25 ГГц) рабочей полосой.
Запоминающие осциллографы, имеющие специальные электронно-лучевые трубки, обладают способностью сохранять и воспроизводить изображение сигнала в течение длительного времени после исчезновения его на входе. Основное назначение запоминающих осциллографов — исследование однократных и редко повторяющихся процессов. Запоминающие осциллографы имеют почти те же характеристики, что и универсальные, однако отличаются расширенными функциональными возможностями.
Специальные осциллографы оснащены дополнительными блоками целевого назначения. К ним относятся и телевизионные осциллографы, позволяющие выделять видеосигнал заданной строки изображения, и цифровые, дающие возможность не только наблюдать сигнал, но и передать его в цифровом виде на компьютер для дальнейшей обработки. Специальные осциллографы снабжаются блоками измерения напряжений, токов и сопротивлений (мультиметрами), а также устройствами для исследования вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов.
По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов различают одноканальные и многоканальные осциллографы. Совмещение на экране изображений нескольких входных сигналов реализуют или использованием специальной многолучевой трубки, или путем периодического переключения осциллографа на разные входы с помощью электронного коммутатора.
В последние годы большое распространение находят цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО; DSO–digital storage oscilloscope).
Цифровое преобразование принципиально изменяет сущность методов изучения сигнала. Осциллограф превращается в устройство, преобразующее сигнал в цифровую форму, удобную для дальнейшей обработки, запоминания, отображения и, при необходимости, преобразования его в аналоговую форму для индикации. Измерение любого параметра сигнала сводится к составлению программ, заложенных в вычислительное устройство (в микропроцессор осциллографа либо в процессор персонального компьютера).