Лекции_ТСПС_2013студентам. Курс лекций по дисциплине Технические средства предприятий сервиса

• Название: Курс лекций по дисциплине Технические средства предприятий сервиса
• Анкор: Лекции_ТСПС_2013студентам.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 25.3 Mb.
• Имя файла: Лекции_ТСПС_2013студентам.doc
• Тип: Курс лекций; #595
• страница: 4 из 27

Но если эти мультиметры по праву считаются одними из лучших приборов данного класса по точности измерений, полноте контролируемых параметров и оптимальной цене, то самые лучшие – серии 860. Они относятся к классу графических мультиметров – устройствам с расширенными возможностями визуализации данных. В приборах серии 860 стандартный набор функций цифровых мультиметров дополнен измерением индуктивности, длительности импульса, скважности, отношения сигнал/шум и др. При этом базовая погрешность не превышает 0,025%.



Рис.3. Мультиметр модели Fluke 179
Модель Fluke 867B (рис.4, табл.2) содержит шесть измерительных средств в одном приборе. Большой графический дисплей с высокой контрастностью одновременно отображает как многочисленные цифровые данные, так и форму сигнала, что дает полную картину динамики анализирумого процесса (рис.5). Отображение формы сигнала с полосой до 1 МГц позволяет увидеть все помехи, искажение сигнала и его нестабильность. Регистрирующее устройство высокого разрешения производит запись в интервалах от 1 с до 15 мин. С помощью интерфейса RS-232 мультиметр можно подсоединить к ПК и, используя ПО FlukeView, собрать столько данных, сколько позволяет жесткий диск. Логическое тестирование обеспечивает индикацию логического перехода до 10 МГц. С помощью дополнительных датчиков возможно выполнение специальных функций – например, для измерения температуры достаточно приобрести бесконтактный ИК-пробник или измерительный модуль с термопарой.




Рис.5. Сочетание измерителя и индикатора формы сигнала в мультиметре Fluke 867B

Совершенствование мультиметров направлено по пути совмещения все большего числа функций в одном приборе и максимального использования вычислительных возможностей. Одним из ярких примеров приборов такого класса служит портативный осциллограф-мультиметр ScopeMeter фирмы Fluke. Как видно из названия, этот прибор сочетает в себе возможности мультиметра и цифрового осциллографа. Кроме того, он выполняет функции регистратора. Новая модель ScopeMeter 190С (рис.6) имеет цветной ЖК-дисплей с послесвечением, позволяющим анализировать сложные колебания. Высокая скорость обновления данных обеспечивает наблюдение динамического изменения процесса. Проводимые измерения имеют высокую точность благодаря 2000МГц полосе частот. Прибор автоматически устанавливает оптимальные пределы измерения параметра для обеспечения наивысшей точности и разрешения.



Рис.6. Мультиметр-осциллограф ScopeMeter 190С
При выборе опций меню на экране появляется контекстно зависимая подсказка, а при нажатии клавиши "i" – подробная информация об измерениях в текущем режиме работы и вариантах соединения щупов. Для анализа формы сигналов прибор предоставляет 30 видов автоматических измерений, курсоры, увеличение масштаба и часы истинного времени. Это позволяет провести анализ непосредственно в процессе измерения или по истечении некоторого времени.

Наличие курсора обеспечивает возможность практически моментального измерения параметров сигнала с одновременным отображением их значений внизу экрана. Благодаря математической обработке сигнала можно извлекать информацию, не доступную при прямом его наблюдении. Нажатие клавиши повтора возвращает назад по времени. В обычном режиме прибор непрерывно запоминает последние 100 кадров и в каждый данный момент захватывается новый кадр, а самый старый разрушается. В любой момент можно "заморозить" последние 100 кадров и переместить их или повторить. Для дальнейшего анализа используются курсоры. Два из 100 кадров могут быть загружены в ПК. Увеличение масштаба изображения в 1000 раз позволяет рассматривать его мельчайшие детали.

Как видим, фактически ScopeMeter 190С – небольшой измерительный компьютер. Его основные измеряемые параметры:

Напряжение

Пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .500 мВ; 5, 50, 500, 1000 В

Погрешность при постоянном токе . . .0,5%

при переменном токе 15–60 Гц . . . . . .1%

при переменном токе 60 Гц–1 кГц . . . .2,5%

Сопротивление

Пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .500 Ом; 5, 50, 500 кОм;

5, 30 МОм

Погрешность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,6%

Ток

Масштабный коэффициент . . . . . . . . . . .от 0,1 мВ/А до 100 В/А

Температура

Масштабный коэффициент . . . . . . . . . . .1 мВ/°С

Фирма Agilent Technologies

Мультиметры фирмы Agilent Technologies (табл.3) обеспечивают удобные результаты измерений и анализа, которые минимизируют время поиска неисправностей и измерения. Из последних моделей следует отметить три прибора, различных по назначению и стоимости.

Модель 34401А для стендовых и системных измерений с разрешением 6,5 разрядов стоит столько же, что и многие аналогичные приборы с 5,5 разрядами. Прибор быстро и просто выполняет 12 измерительных функций, обычно связанных со стендовой работой. Внутреннее ЗУ позволяет хранить до 512 показаний. При системном использовании мультиметр обеспечивает более высокую производительность, чем многие цифровые мультиметры аналогичного класса.

Он способен посылать до 1000 показаний в секунду через шину GPIB в дружественном для пользователя формате ASCII. Модель содержит три командных языка (SCPI, Agilent 3478A и Fluke 8840A/42F), так что нет необходимости переписывать имееющееся ПО тестирования. Прибор прост в эксплуатации: для выбора функции, пределов или разрешения достаточно одного нажатия на клавишу.

Модель 34420А нановольтметр/микроомметр – высокочувствительный мультиметр, оптимизированный для измерения величин низкого уровня. Малошумящий входной усилитель обеспечивает минимальное напряжение шума до 8 нВ размаха. Сочетание его с разрешением 7,5 разрядов, выбираемой аналоговой и цифровой фильтрацией, базовой суточной погрешностью по напряжению постоянного тока обеспечивает точные, воспроизводимые измерения.

Модель 3458А – самый быстродействующий, гибкий и точный мультиметр из предлагаемых фирмой Agilent Technologies (рис.7). Это представитель нового поколения универсальных цифровых мультиметров сверхвысокого качества. Используемые в нем стандарты, схемотехника и микопроцессорная мощность обеспечивают внутреннюю самокалибровку и рабочие характеристики, превосходящие достигнутый к настоящему времени уровень в лабораторных условиях. При работе на стенде или в системе прибор экономит время и деньги благодаря высокой производительности – 100 000 показаний/с и точности – погрешность передачи 0,00001% и разрешение 8,5 разрядов. При этом следует упомянуть семь функций измерения и простоту эксплуатации.



Рис.7. Мультиметр Agilent 3458A
Фирма АРРА
Среди многочисленных моделей мультиметров фирмы АРРА следует отметить приборы средней стоимости, предлагаемые на российском рынке. Приборы серии 80 – типичные представители цифровых мультиметров с базовой погрешностью 0,5% (табл.4).


Фирмы OMEGA, IMS и Electronix Express
Особый класс цифровых мультиметров составляют так называемые клещевые инструменты, позволяющие производить измерения без разрыва электрической цепи. Такие приборы в большом ассортименте выпускает фирма OMEGA. Их стоимость колеблется от 5 до 170 долл. Примером может служить мультиметр HHM59 с ЖК-дисплеем разрядностью 3,5 (рис.8). Этот легкий прибор измеряет переменный ток до 1000 А, напряжение постоянного тока до 1000 В, переменного – до 750 В, сопротивление – до 2 МОм, а также температуру. Стоимость 129 долл.



Фирма дистрибьютор IMS также предлагает недорогие (от 83 до 125долл.) клещевые мультиметры моделей Triplett 9300, 9310 и 9320 с трехразрядными ЖК-дисплеями. Модель Triplett 9320 измеряет напряжение постоянного и переменного тока до 600 В, постоянный и переменный ток до 600 А, сопротивление до 400 Ом и частоту до 4 МГц. Прибор осуществляет также прозвонку, проверку диодов, имеет автоматический выбор пределов измерения.

Эта же фирма предлагает мультиметры пробники, управляемые одной рукой. Новая модель 35266В (рис.9) с ЖК-дисплеем на 3200 отсчетов имеет пять пределов напряжения постоянного тока и четыре – переменного, по два предела постоянного и переменного тока и шесть пределов сопротивления. Установка пределов автоматическая. Прибор также осуществляет логический тест, проверку диодов и прозвон. Цена 58долл.


Можно отметить также мультиметр карандашного типа фирмы Electronix Express стоимостью всего 48 долл. – модель DM73 (рис.10). Прибор имеет трехразрядный ЖК-дисплей с 4200 отсчетами и автоматическую установку пределов. Измеряет напряжение постоянного и переменного тока до 300В, сопротивление – до 4,2 МОм.


ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ МУЛЬТИМЕТРЫ

Среди отечественных мультиметров можно выделить модель АМ-645 фирмы "Эликс". Это отличный прибор для повседневного пользования, который при небольших габаритах (120х75х30 мм) и доступной цене обладает высокой точностью. Поставляется как отдельно, так и в наборе ТАК КАК-1001. Его характеристики измерения:

Напряжение постоянного тока

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200 мВ; 2, 20, 200 и 600 В

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . . .1%

Напряжение переменного тока (50–500 Гц)

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200 мВ; 2, 20, 200 и 600 В

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .1,5%

Постоянный ток

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2, 20 и 200 мА; 10 А

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .1,5–3%

Переменный ток (50–500 Гц)

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2, 20 и 200 мА, 10 А

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .2–3%

Сопротивление

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200 Ом; 2, 20 и 200 кОм; 2 и 20 МОм

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .1,2–2%

Емкость

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2, 20 и 200 нФ; 2 и 20 мкФ

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .3%

Частота

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 Гц–20 МГц

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .0,2%

Проверка диодов

напряжение тестирования . . .3,2 В, макс.

Звуковая прозвонка

порог срабатывания . . . . . . . . . .менее 40 Ом

Время измерения . . . . . . . . . . . . .0,3 с

Масса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160 г
2.3.4 Осциллографы
Осциллограф (лат. oscillo — качаюсь и graph - пишу) — прибор, предназначенный для исследования электрических сигналов во временной области путем визуального наблюдения графика сигнала на экране, а также для измерения амплитудных и временных параметров сигнала по форме графика. Никакой другой прибор, за исключением мультиметра, не распространен так, как осциллограф.
Основные идеи, лежащие в основе работы осциллографа.

Основной функцией любого осциллографа является отображение (визуализация) зависимости входного сигнала от времени либо от другого сигнала. Общепринято, что по горизонтали – ось X – откладывается параметр (например, время), а по вертикали – ось Y – откладывается входной сигнал. Функционально любой осциллограф состоит из следующих блоков (рис. 1):

• устройства отображения;

• формирователя вертикального положения;

• формирователя горизонтального положения;

• генератора развертки;

• блока синхронизации и запуска генератора развертки.

Рассмотрим назначение каждого из функциональных блоков.

Устройство отображения позволяет пользователю увидеть требуемую зависимость исследуемого сигнала. Условно в нем можно выделить экран, на котором рисуется изображение, и указатель, отображающий значение входного сигнала. В различных осциллографах устройство отображения может быть реализовано по-разному: это может быть резиновая лента и песок в механическом осциллографе, бумажная лента и перо в самописце, экран и луч света в светолучевом осциллографе, электронно-лучевая трубка или жидкокристаллический экран в электронных осциллографах. Положение указателя на экране устройства отображения определяются формирователями вертикального и горизонтального положения. Конкретная реализация их может весьма разнообразна. Например, в механическом осциллографе формирователем вертикального положения указателя можно считать сосуд с песком и систему его подвеса. А формирователем горизонтального положения указателя является электродвигатель, протягивающий ленту.

Если положение указателя по горизонтали на экране устройства отображения задается некоторым внешним сигналом, подаваемым на вход X осциллографа (рис. 1), то тогда работа формирователя горизонтального изображения не отличается от работы формирователя вертикального положения. Важно, что горизонтальное положение X(t) и вертикальное положение Y(t) указателя формируются независимо, а время t при этом является неявным параметром, так что экспериментатор видит на экране зависимость Y(X).

Однако чаще всего осциллографы используются для наблюдения зависимости входного сигнала, откладываемого по оси Y, как функции времени, отсчитываемого по оси X. Для формирования оси времени в осциллографах существует генератор развертки, сигнал с которого подается на вход формирователя горизонтального изображения (см. рис. 1). Главное требование к генератору развертки – его линейность: в любой части устройства отображения одинаковый горизонтальный интервал должен соответствовать одинаковому промежутку времени. Кроме того, генератор развертки должен позволять изменять масштаб времени по оси X. Примером генератора развертки в механическом осциллографе является источник электрического напряжения, подаваемого на электродвигатель. Изменяя это напряжение, можно изменять скорость протяжки ленты осциллографа.

Принципиально важным в любом осциллографе является определение момента времени, с которого должна начинаться ось времени. Для определения этого момента служит блок синхронизации и запуска генератора развертки. Генератор развертки может запускаться как дополнительным внешним сигналом – внешняя синхронизация, так и входным сигналом осциллографа – внутренняя синхронизация (см. рис. 1). В простейшем случае механического осциллографа им служит выключатель источника напряжения электродвигателя. Однако в электронных осциллографах блок синхронизации становится существенно более сложным, и особенности его работы будут разобраны позднее.



Рис. 1. Блок-схема осциллографа
Устройство отображения обычно разграфлено на клетки (или, более официально, деления), что позволяет по изображению входного сигнала оценить параметры входного сигнала (рис. 2). Кроме того, часто на экранах осциллографов между клетками есть штрихи, позволяющие отсчитывать доли деления как по вертикали, так и по горизонтали (например, см. рис. 2). Например, период входного сигнала на рис. 2 равен 6,3 клеткам. Зная масштаб времени по оси X – 10 миллисекунд на деление, получаем период входного сигнала равным 6,3·10=63 мс. Также легко определить полный размах входного сигнала по вертикали – на рис. 2 он равен 50 милливольтам.

Надо отметить, что у реальных осциллографов чаще всего масштабы по осям указываются без указания “/дел”. То есть, видя у ручки управления генератором развертки надпись “50 мкс”, ее надо понимать как 50 микросекунд на деление.



Рис. 2. Пример определения параметров входного сигнала по изображению на экране осциллографа.
Аналоговые электронно-лучевые осциллографы

Существуют многолучевые и многоканальные осциллографы. В многолучевых осциллографах применяются специальные многолучевые электронные трубки, а в многоканальных – специальные коммутаторы электрических сигналов, позволяющие наблюдать несколько сигналов на экране однолучевой ЭЛТ.

Понять принцип работы электронного осциллографа поможет рисунок 2.16, на котором приведена структурная схема осциллографа.


Структурная схема осциллографа включает:

·  электронно-лучевую трубку  (ЭЛТ);

·  канал "Y" (канал вертикального отклонения луча), содержащий входное устройство, предварительный усилитель Y, линию задержки сигнала, оконечный усилитель Y;

·  канал "Х" (канал горизонтального отклонения луча), содержащий генератор развертки по оси Х, устройство синхронизации, предварительный и оконечный усилители Х;

·  канал  Z (канал управления яркостью луча); 

·  калибровочное устройство.

Кроме этого в состав электронного осциллографа входят не показанные на структурной схеме низковольтный и высоковольтный выпрямители.

 Одним из основных узлов осциллографа является электронно-лучевая трубка. Она представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом, в котором имеется система электродов и экран, покрытый люминофором. При попадании на экран электронов наблюдается свечение. В цилиндрической части  трубки  расположены  катод,  модулятор,  первый  и второй аноды, две пары отклоняющих пластин. Источником электронов является оксидный катод. Катод подогревается с помощью нити накала, изолированной от катода. Систему электродов (катод, цилиндрический модулятор, первый и второй аноды) называют электронной пушкой. На модулятор относительно катода подают отрицательный потенциал, величину которого регулируют переменным резистором и этим самым изменяют яркость светящегося пятна на экране ЭЛТ. Первый анод используется для фокусировки электронного луча. Второй анод служит для ускорения электронов. Некоторые трубки имеют третий анод, позволяющий повысить яркость свечения экрана. Последняя буква в условном обозначении ЭЛТ указывает тип люминесцентного покрытия  экрана: А – покрытие дает голубое свечение и малую продолжительность послесвечения, В – длительное послесвечение (порядка нескольких секунд), И – покрытие дает зеленое свечение средней продолжительности. Длительность послесвечения ЭЛТ можно оценить экспериментально, не подключая ЭЛТ. С этой целью освещают в течение нескольких секунд экран ЭЛТ карманным фонариком и, выключив фонарик, наблюдают в темноте уменьшение с течением времени яркости свечения экрана. Покрытие типа И благоприятно для визуального наблюдения сигналов с частотой выше 10 Гц.

Входное устройство канала "Y" включает в себя соединительный кабель, переключатель входа и входные делители напряжения.

Соединительный кабель служит для согласования выхода источника сигнала со входом осциллографа во всем рабочем диапазоне частот (согласование характеризуют коэффициентом стоя­чих волн), а также защиты от влияния внешних мешающих электромагнитных полей. Соединительный кабель обычно является коаксиальным.

Коаксиальный кабель (рис. 2.17) имеет внутренний проводник 1, который цилиндрическим изолятором 2 отделен от внешней проводящей оболочки 3 (оплетки). Эта оболочка обычно также покрывается защитной изоляцией 4. Оплетка изготавливается из большого числа тонких медных проводников. Один конец коаксиального кабеля обычно имеет разъем для подключения к прибору, а ко второму присоединяются два проводника. Проводник, соединенный с оплеткой, выбирается, как правило, с изоляцией черного цвета. Проводник, подключаемый к центральной жиле кабеля, называют сигнальным. Проводящая оболочка кабеля подключается к корпусу измерительного прибора.С помощью переключателя входа  можно выбрать один из двух способов подачи сигнала к предвари­тельному усилителю: через конденсатор (закры­тый вход) или непосредственно – для сигналов постоян­ного тока и импульсов большой длительности (открытый вход).

Некоторые осциллографы имеют только встроенные входные делители напряжения.  Выносной входной делитель напряжения называют пробником. Входные делители требуют сложной настройки при изготовлении осциллографа, чтобы они передавали сигнал без искажений независи­мо от амплитуды и формы во всем диапазоне частот дан­ного прибора. Делители напряжения строят с использованием резисторов и конденсаторов. Схема одного из вариантов простого частотно-компенсированного делителя напряжения приведена на рисунке 2.18. Настраивают такие делители напряжения с помощью генераторов прямоугольных импульсов напряжения и осциллографа. Делитель настраивают подстроечным конденсатором так, чтобы на выходе делителя импульсы были прямоугольными, так же, как и на его входе.

Предварительный усилитель канала вертикального отклонения предназначен для усиления исследуемого сигнала, преобразования сигнала из несимметричного в симметричный, установки изображения сигнала (совместно с аттенюатором во входном устройстве) в пределах рабочей части экрана по вертикали, обеспече­ния совместной работы с коммутатором в многоканальных осциллографах.

Линия задержки, включаемая в канал вертикального отклонения осциллографов, позволяет задержать сигнал на время, необходимое для запуска генератора развертки. При отсутствии линии задержки на экране осциллографа не будет виден передний фронт исследуемого сигнала. Линия задержки не должна искажать форму исследуемого сигнала.

Оконечный усилитель канала вертикального отклонения луча обеспечивает усиление исследуемого сигнала до значения, достаточного для от­клонения луча ЭЛТ по вертикали в пределах рабочей части экрана.

Коммутатор сигналов (на структурной схеме осциллографа не показан) позволяет использовать усилитель канала Y в следующих режимах: только канал Y1, только канал Y2, одновременная работа обоих каналов (сложение сигналов с возможностью изменения полярности сигнала в одном из каналов), поочередная работа обоих каналов (переключение каналов обратным ходом развертки), прерывистый режим (переключение каналов с частотой несколько десятков или сотен килогерц от специального генератора прямоугольных импульсов напряжения).

Если исследуемое напряжение (при необходимости оно усиливается усилителем) подано только на  пластины “У”, то  на экране осциллографа будет

видна вертикальная линия, длина которой равна удвоенной амплитуде колебаний. Для изучения изменения сигнала с течением времени необходимо подать напряжение на горизонтально отклоняющие пластины. Напряжение для отклонения луча в горизонтальном направлении подается с выхода канала "Х", содержащего генератор развертки, устройство синхронизации, предварительный (на структурной схеме не показан) и оконечный усилители Х.

Генератор развертки вырабатывает пилообразное (линейно изменяющееся напряжение), которое предназначено для равномерного перемещения луча вдоль оси Х от левого до правого края экрана, а затем быстрого возвращения его в крайнее левое положение. Обратный ход луча на экране соответствует участкам быст­рого изменения пилообразного напряжения.

Частоту напряжения, вырабатываемого генератором развертки, можно ступенчато и плавно менять в достаточно больших пределах (как правило, от 10 Гц до 1 МГц и более).

Если напряжение на входе “У” равно нулю, но включен генератор развертки, на экране будет видна горизонтальная линия. При наличии двух напряжений одновременно (входного и с генератора развертки) на экране будет видна осциллограмма исследуемого сигнала. 

Генератор развертки в канале Х может иметь три режима работы: автоколебатель­ный, т.е. периодический (для наблюдения синусоидальных и импульсных сигналов с небольшой скважностью), жду­щий (для наблюдения исследуемых сигналов с большой и переменной скважностью), одиночной – разовой разверт­ки (для фотографирования, а в запоминающих осцилло­графах и для непосредственного изучения одиночных сиг­налов). В ждущем режиме генератор развертки начинает вырабатывать пилообразное напряжение, если на вход “У” осциллографа поступает исследуемый сигнал достаточной амплитуды (в этом режиме, например, не удается обеспечить внутреннюю синхронизацию при исследовании выпрямленного напряжения с малым коэффициентом пульсаций). В некоторых осциллографах имеется ре­жим растяжки развертки, позволяющий получить более крупный масштаб изображения по горизонтальной оси за счет увеличения усиления в конечном усилителе X.

Чтобы получить неподвижное изображение, частота генератора развертки должна быть равна или в целое число раз меньше частоты исследуемого сигнала. С этой целью осуществляют синхронизацию частоты генератора развертки (согласовывают во времени) с частотой исследуемого сигнала. Когда частота генератора развертки близка частоте исследуемого напряжения, то это напряжение изменяет частоту генератора развертки до точного совпадения с частотой исследуемого сигнала.

Согласование частоты генератора развертки с частотой исследуемого сигнала обеспечивает блок синхронизации.  Существует три варианта синхронизации: внешняя, внутренняя и от сети. Синхронизацию от сети применяют для исследования сигналов, частота которых равна или кратна частоте питающей сети (50 Гц). Наиболее часто используют внутреннюю синхронизацию. В этом случае часть исследуемого напряжения подается в блок синхронизации, в котором вырабатываются импульсы, управляющие работой генератора развертки. Исследуемое напряжение как бы “навязывает” свой период генератору развертки. Если при этом период собственных колебаний генератора развертки почти равен (или почти кратен) периоду колебаний исследуемого напряжения, то колебания генератора синхронизируются и происходят в такт с исследуемым напряжением. Осциллографы снабжаются пе­реключателем вида синхронизации и переключателем по­лярности синхронизирующего напряжения.

Оконечный усилитель канала Х предназначен для уси­ления напряжения развертки или внешнего сигнала до значе­ния, достаточного для отклонения луча в пределах экрана по горизонтали.

Канал Z в основном предназначен для подсветки прямого хода развертки и гашения луча во время обратного хода. Канал Z позволяет модулировать яркость изображения внешним модулирующим сигналом. Если на входы  X и Y  подать сигналы одной и той частоты, а на канал Zнапряжение более высокой известной частоты, то по прерывистой эллиптической развертке можно определить частоту сигнала, подаваемого на входы X и Y.  

Встроенные в осциллограф калибраторы повышают точность измерения частоты  и амплитуды сигнала. Калибратор представляет собой генератор напряжения с известной амплитудой и частотой. Чаще всего используются постоянные напряжения и напряжения в виде меандра (прямоугольные импульсы напряжения со скважностью равной двум, т.е. длительность импульса равна длительности паузы).

Высоковольтный  выпрямитель блока питания служит для питания электродов электронно-лучевой трубки, а низковольтный для питания всех узлов осциллографа.

Осциллографы, выпускаемые в последние годы, имеют, как правило, калиброванную длительность развертки по оси Х и калиброванный коэффициент усиления усилителя “У”. Это позволяет легко определять частоту и напряжение исследуемого сигнала.

Принцип действия цифровых осциллографов.

Цифровой осциллограф - это конструктивное объединение аналогового осциллографа и электронно-вычислительной машины. На рис. 6 показано упрощенная структурная схема цифрового осциллографа.



Рис. 6. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа
"Мозгом" цифрового осциллографа является контроллер или компьютер, который через органы управления обеспечивает связь осциллографа с пользователем, а также управляет всеми узлами осциллографа.

Входной сигнал Y(t) через усилитель входного сигнала попадает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который с частотой, определяемой генератором развертки, производит оцифровку мгновенных значений входного сигнала. Частоту генератора развертки (частоту дискретизации) можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.

На выходе АЦП входной сигнал представлен дискретной последовательностью кодовых (цифровых) слов, которые записываются в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Запись данных в ОЗУ осуществляется таким образом, что каждое новое значение вытесняет из ОЗУ наиболее старое по времени значение. Таким образом, если ОЗУ состоит из N ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится N последних кодовых слов.

Когда выбранный для синхронизации сигнал проходит через установленный уровень запуска и изменяется в выбранном направлении, блок синхронизации сообщает об этом контроллеру. Контроллер производит оцифровку следующих М точек (М
Так как число ячеек в ОЗУ больше, чем число точек на экране дисплея (N>М), то пользователь, может вывести на дисплей те ячейки ОЗУ, данные в которые были записаны до появления импульса запуска генератора развертки, а значит пользователь может увидеть предысторию сигнала. Это называют "предзапуском". Также цифровые осциллографы позволяют "вытягивать" записанные в ОЗУ данные порциями, соответствующими ширине экрана, растягивать или же сжимать записанные данные на экране в соответствии с пожеланиями пользователя.

Используя возможности компьютера цифрового осциллографа, можно не только наблюдать входные сигналы в реальном времени, но и выполнять различные математические операции с ними: усреднять входной сигнал для уменьшения шума, складывать и вычитать сигналы в разных каналах, растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье, измерять различные параметры входных сигналов (амплитуда, частота, период и т.п.). Кроме того многие модели цифровых осциллографов способны выводить изображение с экрана на печатающее устройство (принтер), записывать оцифрованный входной сигнал на носители информации - дискеты или устройства хранения на основе флеш-памяти ("флешки"), передавать накопленные данные на компьютеры или даже в Интернет. Все эти возможности цифровых осциллографов приводят к тому, что они постепенно вытесняют все остальные виды осциллографов.

В последнее время все чаще встречаются модели цифровых осциллографов вообще не имеющих дисплея и каких-либо внешних органов управления. Они подключаются к персональному компьютеру и управляются пользователем через специализированные программы.

Пользователь управляет всеми режимами работы осциллографа, а также наблюдает входные сигналы на экране персонального компьютера, что еще больше расширяет возможности по математической обработке исследуемых сигналов.
Сравнение аналоговых и цифровых осциллографов

Применение современных цифровых технологий привело к серьезному изменению характеристик и возможностей этих приборов. Но и традиционные аналоговые осциллографы реального времени не исчезли с рынка — их парк по-прежнему растет. Во-первых, они прочно занимают нишу простых недорогих осциллографов. Во-вторых, они пока еще незаменимы при исследовании высокочастотных сигналов. К тому же с развитием элементной базы аналоговые осциллографы приобрели ряд важных дополнительных функций и возможностей, например, чрезвычайно облегчающие работу курсоры с цифровым отсчетом величин (напряжения и времени) и очень удобное цифровое управление. С помощью входного мультиплексора для нескольких каналов можно достаточно просто организовать единую развертку на однолучевой трубке с отображением нескольких сигналов.

Наряду с аналоговыми осциллографами широко используются и цифровые. Если бы не ограничения вследствие конечного времени оцифровки сигнала и сравнительно высокая стоимость, они могли бы почти полностью вытеснить своих аналоговых собратьев. Полная оцифровка сигнала позволяет избежать отображения сигнала в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов и запись редких или медленных процессов (аналог запоминающего осциллографа), упростить масштабирование и растяжку, ввести метки.

Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает возможность для отображения любой дополнительной информации и управления прибором с помощью меню.

Более дорогие приборы имеют цветной дисплей, благодаря чему они позволяют легко различать сигналы различных каналов, метки времени и амплитуды, курсоры. Последние модели могут накапливать отображаемый в течение большого числа разверток сигнал, а также выделять цветом места с наибольшей повторяемостью сигнала.

Еще одно немаловажное преимущество — отличные массогабаритные показатели (3–5 кг) и малое энергопотребление позволяют выпускать такие приборы в носимом исполнении.

Цифровые осциллографы имеют и недостатки. Основной из них — не очень качественное отображение деталей сигнала из-за недостаточной частоты оцифровки (частоты выборки). Это объясняется тем, что сегодняшний уровень элементной базы не позволяет выполнить оцифровку сигнала со скоростями, необходимыми для исследования высокочастотных сигналов и быстрых переходных процессов. Согласно известной всем инженерам теореме Котельникова, для достоверного восстановления сигнала частота оцифровки должна быть как минимум вдвое выше максимальной из возможных в рабочей полосе частот осциллографа. Полоса частот осциллографа связана с частотой выборки, и чем выше коэффициент широкополосности осциллографа, тем выше должна быть эта частота. Причем значение имеет не просто частота выборки, а частота выборки в пересчете на один канал.

Для повышения скорости оцифровки используют специальные приемы. Один из них заключается в распараллеливании процесса оцифровки с помощью нескольких АЦП. Обычно это делается за счет использования АЦП других каналов, и, таким образом, при исследовании высокочастотных сигналов осциллограф превращается из многоканального в одноканальный. Другой метод состоит в повышении скорости за счет снижения разрешающей способности.

Тем не менее, даже при указанных ограничениях характеристики современных цифровых осциллографов впечатляют:

- высокая чувствительность (от 1 мВ/дел) и разрешение (от 8 до 14 бит);

- широкий диапазон коэффициентов разверток (от 2 нс до 50 с);

- растяжка сигнала по времени или по амплитуде в широких пределах;

- развитая логика синхронизации с любыми задержками запуска развертки.

Используемые в осциллографах процессоры цифровой обработки сигнала предоставляют возможность исследования спектра сигнала посредством анализа с применением быстрого преобразования Фурье. Цифровое представление информации обеспечивает сохранение экрана с результатами измерения в памяти компьютера или вывод непосредственно на принтер. Некоторые осциллографы даже имеют накопитель для гибких дисков для сохранения изображения в виде файлов для последующего архивирования или дальнейшей обработки. Некоторые модели осциллографов и вовсе не имеют экрана — для отображения применяется дисплей компьютера.
Согласование цифрового осциллографа-приставки с ПК

Существуют определенные проблемы при подключении цифровых осциллографов-приставок к ПК с помощью дополнительных аксессуаров. В связи с этим представляют интерес так называемые виртуальные приборы, выполненные в виде приставок к ПК. Виртуальные приборы (virtual instruments, vi) – компьютерные программы, визуализирующие сигнал, выполняющие его преобразование и анализ.Виртуальные приборы используют как для замены обычных измерительных приборов, так и для реализации уникальных измерений

Наиболее характерный представитель таких приборов – виртуальный осциллограф. В действительности подобный аппараты представляет собой микропроцессорную измерительную приставку к настольному или мобильному ПК, который позволяет наблюдать на экране монитора вполне реальные и высококачественные осциллограммы с высоким разрешением, разными цветами линий и с отсутствием геометрических искажений. С помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) устройство оцифровывает входной сигнал и коды отсчетов передает в ПК через тот или иной порт связи с внешними устройствами.

Слово «виртуальный» не должно вводить в заблуждение, поскольку приборы, реализованные по этой технологии, на самом деле являются реальными, работающие с реальными физическими входными сигналами. Виртуальность здесь понимается в смысле виртуальной имитации функций прибора математическими и программными методами. Например, виртуальный осциллограф по функциям эквивалентен реальному осциллографу, поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. Преобразование сигнала в цифровой сигнал осуществляется АЦП. Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляются программным способом. Такой осциллограф имеет виртуальный экран, виртуальные ручки управления (усиление, синхронизация, развертка и др.), графически отображаемые на экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора управляются с клавиатуры или посредством мыши.
Основные производители осциллографов на мировом рынке

Современные осциллографы являют собой совершенные интеллектуальные инструменты, которые используют новейшие технологические решения и которые из простейших приборов для вывода временных зависимостей напряжений на дисплее превратились в многофункциональные интегральные контрольно-измерительные приборы. Интеграция осциллографов с такими известными приборами, как мультиметрами, функциональными преобразователями, частотометрами, логическими и спектральными анализаторами позволяет пользователям легко и просто решать любые поставленные задачи. А стремление притянуть больше потенциальных покупателей толкает разработчиков осциллографов увеличивать функциональность прибора и, соответственно, предлагать оптимальное соотношение цена-качество.

Если в целом рассматривать рынок осциллографов, то американские производители покрывают больше 70% мирового рынка продаж осциллографов. Причем, объемы продаж с каждым годом растут и становят в долларовом эквиваленте от 50 до 70 миллионов. Особенный прирост продаж, в последние годы, наблюдается в Азиатско-тихоокеанском регионе. Конечными потребителями осциллографов являются разные отрасли промышленности, такие как: коммуникации, производство автомобилей, бытовой электроники и СВЧ оборудования, разработка полупроводниковых материалов и микросхем, аэрокосмическая, военная, оборонная промышленности. Новые достижения и технологии в отраслях связь и передача данных, оказывают ощутимое влияние в форме совершенствования приложений глобальной сети Интернет, распространения широкополосных систем передачи, ВОЛС и беспроводных видов связи. Все это потребовало создания новых протоколов и использования все более «быстрых» и более сложных электронных сигналов, а значит и приборов для их анализа и исследования. Залогом успеха любой компании по разработке и продаже контрольно-измерительного оборудования есть разработка или улучшение востребованного продукта и его быстрый выпуск на мировой рынок.

Если говорить о статистике, то независимая организация по экспертной оценке в промышленности (Рrime Data Inc.) еще в 2002г. провела фундаментальные исследования сектора рынка средств измерений и сделала выводы, что если сравнивать рынок продаж цифровых осциллографов в 1994 году с 2000 годом, то объемы продаж выросли с 638 млн. долларов США до 1,051 млрд. долларов, а в 2007 году по оценкам кампании Frost & Sullivan составили 1.27 млрд. долларов. Если говорить об основных мировых производителях, то по оценке Prime Data Inc. в 2002 году распределение продаж на рынке в процентном соотношении составило: Tektronix – 51.4 %, Le Croy – 14.4 % и Agilent Technologies – 14.2 %. Эта тройка лидеров на сегодня не изменилась и только укрепила свои позиции, но порядок размещения в списке немного изменился, согласно оценке Frost & Sullivan он следующий: Tektronix, Agilent и LeCroy. Кроме лидирующих компаний существует целый ряд других компаний-разработчиков, которые успешно работают в отрасли контрольно-измерительных приборов: RIGOL Technologies, Inc., Fluke, GOOD WILL Instek, Rohde & Schwarz, АКТАКОМ. Для общего ознакомления ниже представлена короткая отдельная информация о каждой с перечисленных выше компаний.

• Tektronix – американская компания, основанная в 1946 году как разработчик осциллографов – нового класса электронно-лучевых приборов предназначенных для наблюдения электрических сигналов в радиотехнике и в настоящее время она есть лидером среди производителей контрольно-измерительной и диагностической аппаратуры. Основное производство располагается в штате Орегон, США, а продажа продукции осуществляется более чем в 26 странах.

В последнее время часть производства расположилась в Китае. Вся продукция компании сертифицирована, в том числе сертификатом ISO 9001:2000. Компания занимает устойчивое положение на рынке контрольно-измерительных приборов. Она производит приборы, как для области электроники, так и для смежных с ней отраслей, например, осциллографы смешанных сигналов, анализаторы спектра реального времени, генераторы сигналов произвольной формы, логические анализаторы, пассивные и активные пробники различного назначения, расширяющие возможности измерительных приборов Tektronix в части адаптации к разнообразным входным сигналам и т.д.

• Agilent Technologies – берет свое начало с 1939 года, когда Билл Хьюлетт и Дэйв Паккард основали фирму Hewlett-Packard и заложили основы того наследства, которое сформировало Силиконовую Долину — центр создания современных технологий. А в 1999 году компания Agilent Technologies, Inc. преобразованная в самостоятельную фирму, на сегодняшний день предлагает контрольно-измерительное оборудование и системы автоматизированного контроля, программные продукты и средства электронного мониторинга и управления, интерфейсные платы и программное обеспечение для поддержки осциллографов.

Объем продаж компании Agilent Technologies в 2007 финансовом году превысил 5,4 млрд. долларов, что дает ей право называть себя одним из признанных мировых лидеров в области измерительной техники. Основными направлениями деятельности компании является разработка и производство средств измерений, предназначенных для приема, анализа, отображения и передачи данных, а также измерительного оборудования для биотехнологии и химического анализа.

• Le Croy – компания, которая специализируется в основном на выпуске цифровых осциллографов (95% объема выпуска), в том числе прикладного и специализированного назначения. Крупные и многопрофильные подразделения компании функционируют в Женеве (Швейцария) и Токио (Японии). Кроме того, ее представительства есть и в других европейских странах, и в странах азиатско-тихоокеанского региона. Так же LeCroy разрабатывает, производит, продает и патентует изделия для прецизионных исследований (15% объема выпуска).

Компанией LeCroy, решены задачи для полного и достоверного исследования по реализации возможности «физического прикосновения» к сигналам, обеспечена возможность захватывать и обрабатывать цифровые потоки, с предельно высокими показателями скорости и максимальной частотой дискретизации, а также увеличен объем памяти для поддержки детального анализа формы волны и колебания (импульса). LeCroy ведутся разработки дополнительных средств обеспечивающих оператора пониманием процессов и характеристик.

Также компания обладает собственными возможностями по производству комплектующих и модулей для цифровой обработки сигналов, а также выпуску некоторых электронных компонентов.

• RIGOL Technologies, Inc. – очень быстро развивающаяся китайская компания по производству измерительной техники высокого класса. Основанная в 1998 году, она быстро сумела добиться всемирной известности, прежде всего благодаря успехам в проектировании и создании цифровых осциллографов. RIGOL стала первой китайской компанией, выпустившей цифровые осциллографы с частотой дискретизации 1 гигагерц, причем серия DS5000CA оказалась настолько удачной, что послужила основой производства осциллографов серии DSO3000 для компании Agilent Technologies, США. В 2006 году компания RIGOL вышла на 2 место в мире по выпуску цифровых осциллографов бюджетного уровня. Осциллографы смешанных сигналов – RIGOL DS1000CD получили премию китайской версии журнала EDN в номинации «Лучший продукт 2006 года» в категории измерительного оборудования. Это самая высокая награда журнала EDN, выпускаемого во всем мире на разных языках, и впервые в истории эту награду получил изготовитель измерительного оборудования из азиатского региона.

Кроме цифровых запоминающих осциллографов в спектре продукции компании также представлены: функциональные генераторы сигналов произвольной формы, цифровые мультиметры, виртуальные приборы, совместимые со стандартом LXI и др.

Сама компания RIGOL расположена в Пекине. В настоящее время компания поставляет свою продукцию в 42 страны мира. Также продукция компании имеет сертификаты соответствия стандартам ISO9001 и ISO14001.

Не так давно японская компания IWATSU начала продажу осциллографов RIGOL под своей маркой (модели DS-5102…DS-5110). Осциллографы изготовлены на базе осциллографов серии DS1000C. Таким образом, от производства продукции под монопольного заказчика (ODM заказ Agilent на осциллографы DS3000) компания RIGOL перешла к выполнению ODM заказов для крупных фирм с сохранением права продавать свои изделия на мировом рынке под своим собственным брендом. ODM (Original Design Manufacturer) – контрактный производитель изделий для третьих компаний, использующий при производстве дизайн собственной разработки

• Fluke –американская компания, основанная в 1948 году, которая на сегодня является мультинациональной корпорацией со штаб квартирой в г. Эверетт, США. Производство размещено в США, Великобритании, Азии и Нидерландах.

Центры продаж и обслуживания расположены в Европе, Северной и Южной Америке, Азии и Австралии. В более чем 100 странах работают авторизованные дистрибьюторы Fluke. При разработке своих приборов, компания ориентируется на профессионалов, которым нужно выполнять работу на высоком уровне: техники, инженеры, метрологи, производители медицинского оборудования, IT специалисты.

• GOOD WILL Instek – образованая в 1975 году в столице Тайваня компания, которая на сегодняшний день обладает тремя заводами, расположенными на территории Тайваня, Малайзии и Китайской народной республики, а также пять представительских офисов за пределами Тайваня – в США, Японии, Малайзии и два офиса в КНР. В 1991 г. в США GOOD WILL Instrument образовывает дочернюю компанию INSTEK America Corp., которая в 1997 г. приобрела статус представительского офиса.

Значительным успехом и прогрессом в производстве компании стала сертификация продукции в системе ISO, что позволили компании выйти на международный рынок. Следует также отметить, что с отказом от производства аналоговых осциллографов такими компаниями как Tektronix и Agilent Technologies компания GOOD WILL Instek заняла прочное первое место в мире по производству аналоговых осциллографов с полосой пропускания до 200 МГц.

• Rohde & Schwarz – компания основана в 1933 г. в Йене (Германия), сейчас занимает весомое место на международном рынке в области измерительного оборудования и радиокоммуникаций.

Предприятия и представительства компании расположены в более чем 70 странах, а главный офис фирмы находится в Мюнхене. Кроме разработок в области контрольно – измерительных приборов, компания активно продвигает собственные технологии и новаторские идеи в области систем радиосвязи, цифрового и аналогового теле- и радиовещания, радиомониторинга и пеленгования, защиты информации.

• АКТАКОМ – русская компания, которая занимается разработкой измерительных приборов, виртуальных приборов, паяльного оборудования и ориентируется на пользователей с ограниченным бюджетом.

Компания Escort Instruments Corp. (Тайвань) много лет выпускала измерительные приборы под торговой маркой АКТАКОМ, такие как мульметры, генераторы, источники питания и токовые клещи. Несколько лет назад компания Escort привлекла к себе внимание такого известного бренда как Agilent Technologies. Через некоторое время компания Agilent Technologies объявила о приобретении Escort Instruments Corp., что соответствует стратегии компании Agilent Technologies по укреплению позиций на рынке бюджетных продуктов и позволяет расширить ассортимент недорогой продукции.