23 Универсальный электронный осциллограф. Осциллографические методы измерения амплитуды, частоты и временных интервалов

Универсальные осциллографы

Основным и наиболее широко применяемым прибором для исследования формы напряжения служит электронный осциллограф – прибор для визуального наблюдения электрических сигналов, а также измерения их параметров с использованием средства отображения формы сигналов. Обобщенная структурная схема универсального осциллографа представлена на рис. 10.1. В осциллографе можно выделить следующие функциональные блоки: канал вертикального отклонения (Y), канал горизонтального отклонения (X), канал управления яркостью (Z), средства измерения параметров сигналов (калибраторы), электронно-лучевую трубку (ЭЛТ).

 

Осциллографические методы измерения амплитуды и временных интервалов

В универсальных осциллографах амплитуду сигналов измеряют с помощью масштабной сетки, помещенной на экране ЭЛТ. Цену деле­ния сетки устанавливают с по­мощью калибраторов. Метод измерения параметров пе­риодического сигнала показан на рис. 11.1. Параметры импульсов определяются следующим обра­зом: размах (амплитуда импульса) U _p= С_у1_У ;

|С_у| — цена деления сет­ки по вертикали, В/дел; Т= С_ХL_Х — период следования импульсов; τ_и = С_Х l_Х — длительность им­пульса; |С_Х|— цена деления сет­ки по горизонтали, с/дел; l_y> L_x, l_x — выражены в делениях сетки.

Рис. 11.1. Определение параметров сигнала с помощью масштабной сетки

 

Погрешность измерения амплитуды сигнала составляет 3...5 %.

 Осциллографические методы измерения частоты

Измерение частоты на основе сравнения – по фигурам Лиссажу

Способ измерения частоты по интерференционным фигурам, называемым фигурами Лиссажу, основан на сравнении неизвестной частоты f_изм с известной частотой f_обр, воспроизводимой мерой. С этой целью напряжение неизвестной частоты подаётся на вход вертикального (Y) или горизонтального (Х) отклонения, а напряжение образцовой частоты соответственно на вход горизонтального или вертикального отклонения. Генератор развертки осциллографа выключается. Частоту образцового генератора f_обр подстраивают так, чтобы на экране осциллографа наблюдалась простейшая устойчивая фигура. Форма фигур Лиссажу зависит от отношения частот и начальных фаз сравниваемых колебаний. Полученную фигуру нужно мысленно пересечь вертикальной и горизонтальной линиями (не проходящими через узлы) и сосчитать число пересечений ими ветвей фигуры по вертикали n_в и по горизонтали n_г.

Значение измеряемой частоты определяется из соотношения f · n = = f · n_г.

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

24 Цифровые частотометры

Прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний в пределах 100...99999 Гц и может быть использован для настройки различных генераторов, электронных часов, устройств автоматики. Амплитуда входного сигнала — 1...30 В.

Рис. 130. Структурная схема цифрового частотомера

Структурная схема частотомера показана на рисунке 130. Его основные элементы: формирователь импульсного напряжения сигнала fх измеряемой частоты, генератор образцовой (эталонной) частоты, электронный ключ, счетчик импульсов с блоком цифровой индикации и управляющее устройство, организующее работу прибора. Принцип его действия основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени, равного в данном приборе 1 с. Этот необходимый измерительный интервал времени формируется в блоке управления.

Сигнал fх, частоту которого надо измерить, подают на вход формирователя импульсного напряжения. Здесь он преобразуется в импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала. Далее преобразованный сигнал поступает на один из входов электронного ключа, А на второй вход ключа подается сигнал измерительного интервала времени, удерживающий его в открытом состоянии в течение 1с.

В результате на выходе электронного ключа, а значит, и на входе счетчика появляется пачка импульсов. Логическое состояние счетчика, в котором он оказывается после закрывания ключа, отображает блок цифровой индикации в течение интервала времени, устанавливаемого устройством управления.

В основе принципа действия лежит частотно-импульсный метод. Принцип работы: С формирователя F сигнал прямоугольной формы поступает на один из входов И, на другой вход поступает импульс длительности Δt₀, который получается на выходе делителя частоты :FR и делится в К раз. Счетчик СТ подсчитывает число переходов от 0 к 1 на интервале Δt₀. Код числа N поступает на ЦОУ. Без учета погрешности можно записать, что количество импульсов N,поступивших на счетчик: N=Δt₀/T=Δt₀f=kf/2f₀ f=N/Δt₀=2f₀N/k=gN

Рассмотрим погрешности, искажающие эти соотношения. Можно выделить 3 источника погрешности:

• 1) Отличие кванта от номинального значения из-за ухода частоты f₀ (f₀± Δf₀), (g_НОМ±Δg)

• 2) Преобразование непрерывной величины f в дискретизированную величину gN. В этом случае максимальное абсолютное значение погрешности будет составлять ±0.5g

• 3) Отсутствие синхронизации сигнала частотой f с сигналом частотой f₀. Максимальная абсолютная погрешность, вызванная этим фактором, составляет ±0.5g

Последние 2 фактора обуславливают максимально возможные отличия числа N от его идеального значения на ±1. С учетом этих факторов:

f±Δf=f(1±δ)=(g_ном±Δg)(N±1)=g_номN(1±δ_f0)(1±1/N), где Δf и δ – абсолютная и относительная погрешности всего ЦИУ

С учетом малости δ_f0 и при N>>1 относительная погрешность ЦЧ будет определяться как:

δ= Δf/ f=±( δ_f0+1/N) δ= Δf/ f=±( δ_f0+1/ (Δt₀*f))

При кварцевой стабилизации частоты генератора первая составляющая выражения (мультипликативная) δ_f0=(10^-4 – 10^-7) %, вторая составляющая (аддитивная погрешность) 1/ (Δt₀*f) зависит от частоты.

Чтобы при f=f_max обе составляющие были одного порядка, нужно чтобы N_max=10⁶ – 10⁹ (разрядность ЦОУ). Поэтому наиболее точные ЦЧ имеют до 10 десятичных знаков ЦОУ. Рост второй составляющей с уменьшением частоты можно задержать увеличивая Δt₀. Однако при этом снижается быстродействие.

Обычно предусматривают ряд значений Δt₀, величины которых равны 0,1; 1; 10 секунд. Переключение этих интервалов сопровождается изменением места положения запятой, а иногда сменой обозначения единиц измерения ( Герц, килоГерц, МегаГерц). Выбирая величину Δt₀, нужно иметь ввиду, что необходимо обеспечить условия Δt₀*f<=N_max.

Если частота за время Δt₀ изменяется, то результат измерения представляет собой среднее значение частоты.