Лекция 1. Лекция 1. Стрелочные измерительные приборы Измерительные приборыопределения Стрелочные приборы
 Скачать 1.54 Mb.
|
|
Лекция № 3. Аналоговый осциллограф ОСЦИЛЛОГРАФ. (от лат. Oscillo - колебания и graf - записываю), измерительный прибор для наблюдения зависимости между двумя или несколькими быстро меняющимися величинами (электрическими или преобразованными в электрические). Приборы для исследования формы электротехнических сигналов Мы не можем увидеть электрический ток, радиоволны, не можем без помощи приборов измерить даже простейшие параметры электрического сигнала. При работе со сложной радиоэлектронной аппаратурой часто возникает задача воспроизведения формы сигналов, т.е. зависимости мгновенного значения напряжения от времени. Её решение позволяет сразу оценить многие параметры колебаний, например, искажение их формы, наличие помех и многое другое. Воспроизведение формы сигналов играет важную роль при проверке и настройке электронной аппаратуры. Для визуализации сигналов используются приборы, которые называются осциллографами, Электронные осциллографы В настоящее время одним из наиболее распространенных электро- и радио-измерительных приборов является электронный осциллограф, и это не удивительно, ведь он обладает исключительной наглядностью представления исследуемых сигналов, удобством и универсальностью. Осциллограф позволяет рассмотреть любые электрические процессы, даже если сигнал появляется в случайный момент времени и длится тысячные доли секунды. По изображению на экране осциллографа можно определить амплитуду рассматриваемого сигнала и длительность любого его участка. С помощью осциллографа можно измерять амплитуду, частоту и фазу синусоидального колебания, а также производить другие комплексные измерения. Осциллографические измерения отличаются широким диапазоном исследуемых частот (от постоянного тока до СВЧ), возможностью запоминания и последующего воспроизведения сигналов, высокой чувствительностью и возможностью отделения сигналов от помех. Классификация осциллографов По назначению и принципу действия осциллографы разделяются на: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. По числу одновременно наблюдаемых сигналов их делят на одно-, двух- и многоканальные осциллографы. По отображающему устройству осциллографы делят на электронно-лучевые и матричные (плазменные, жидкокристаллические и т.п.). По принципу обработки информации осциллографы делят на аналоговые и цифровые. Универсальные осциллографы – приборы общего назначения, предназначенные для наблюдения гармонических и импульсных сигналов. С их помощью можно исследовать одиночные импульсы и пачки импульсов, получать одновременно изображение двух сигналов на одной развертке, детально исследовать любую часть сложного сигнала и многое другое. Они позволяют исследовать сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне амплитуд от долей милливольт до сотен вольт, а также измерять параметры таких сигналов с приемлемой для практики погрешностью 5-7%. Полоса пропускания универсальных осциллографов составляет 300МГц и более. Основные блоки универсального осциллографа  Рис. 1. Осциллограф С1-107 Общий вид На рис. 1 показан внешний вид универсального аналогового осциллографа С1-107, а на рис. 2 показана его функциональная схема. Несмотря на разнообразие универсальных осциллографов, их функциональные схемы в целом одинаковы. Осциллограф состоит из: Электронно-лучевой трубки (ЭЛТ); Канала вертикального отклонения Y; Канала горизонтального отклонения X; Канала Z; Мультиметра; Блока питания. Канал вертикального отклонения усиливает или ослабляет исследуемый сигнал до значения, удобного для изучения на индикаторе. Положение ручки управления V/дел устанавливает усиление канала Y. Канал состоит из входного делителя, в который входят разъемы, аттенюаторы и переключатели; усилителя, усиливающего сигнал и расщепляющего полярность сигнала для симметричной подачи на пластины ЭЛТ, линии задержки и выходного усилителя. Линия задержки задерживает сигнал на время, необходимое для срабатывания канала горизонтального отклонения, т. е. генератора развертки и усилителя по оси X, чтобы движение луча по горизонтали началось раньше, чем усиленный сигнал поступит на пластины ЭЛТ. Это позволяет наблюдать передний фронт сигнала.  Рис. 2. Функциональная схема осциллографа С1-107 Канал горизонтального отклонения формирует синхронное с исследуемым сигналом пилообразное напряжение для создания оси времени на экране ЭЛТ. Формирователь импульсов запуска вырабатывает короткие запускающие импульсы. Генератор разверткисоздает линейно-нарастающее напряжение. Скорость нарастания регулируется ручкой Время/дел. Это напряжение поступает на выходной усилитель X, который расщепляет полярность сигнала и усиливает напряжение развертки до значения, необходимого для требуемого масштаба изображения. Положительно нарастающее пилообразное напряжение подается на правую отклоняющую пластину ЭЛТ, а отрицательное нарастающее пилообразное напряжение – на левую. В результате луч по экрану трубки проходит слева направо установленное количество делений шкалы за единицу времени. При переключении синхронизатора в режим непрерывных колебаний обеспечивается автоколебательный режим работы развертки. Усилитель внутренней синхронизацииусиливает часть исследуемого сигнала и передает его для запуска развертки. Осциллографы имеют калиброванные развертки и снабжаются для удобства отсчета сетчатыми шкалами, которые наносятся с внутренней стороны экрана трубки. Это избавляет оператора от ошибки из-за явлений параллакса. В состав осциллографа входят также калибраторы амплитуды и времени, предназначенные для калибровки масштабов каналов вертикального и горизонтального отклонения, и источники питания со стабилизацией. Многие современные осциллографы имеют встроенные мультиметры, которые позволяют с высокой точностью измерять значения постоянных и переменных напряжений, токов и сопротивлений. Мультиметр осциллографа С1-107 работает следующим образом. Измеряемые переменные токи и сопротивления преобразуются в переменное напряжение. Затем переменные напряжения преобразуются в постоянное напряжение, пропорциональное величине измеряемых параметров. Затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью АЦП и поступает в знакогенератор, предназначенный для формирования и написания знаков на экране ЭЛТ. Осциллограф может работать либо в режиме осциллографирования, либо в режиме мультиметра. Совмещение этих режимов в данной модели невозможно. Одноканальный осциллограф С1-112А Одноканальный осциллограф-мультиметр С1-112А (рис. 3) имеет полосу пропускания 0…10 МГц и предназначен для исследования сигналов в режиме осциллографа в диапазоне амплитуд входных сигналов от 5 мВ до 250 В. Внешний вид осциллографа приведен на рис.П4.  Рис 4. Внешний вид осциллографа С1-112 Описание и нумерация органов управления приведены в таблице 1. Таблица 1. Описание органов управления осциллографом
Вопросы для самопроверки при изучении осциллографа 1. Кнопка 1 предназначена для……… 2. Кнопка 3 предназначена для……… 3. Разъем 4 предназначен для….. 4. Кнопка 11 предназначена для……… 5. Переключатель 12 предназначен для…. 6. Переключатель 13 предназначен для…. 7. Ручка 19 предназначена для смещения луча…. 8. Ручка 20 предназначена для смещения луча…. Приложение. Преобразователи тока и сопротивления в напряжение .  Рис.5. Слева преобразователь сопротивления Rx в напряжение UВЫХ с источником стабильного тока I, I=E/ Rx. Справа измерение тока с помощью осциллографа, напряжение на сопротивлении R=1 Ом равно току, U=I.  . Рис.6. Схема преобразователя сопротивления Rх в напряжение UВЫХ, где UВЫХ = U+  и U+= I Rх.Справа от точки U+ находится усилитель с бесконечно большим входным сопротивлением и коэффициентом передачи напряжения КU=  .Лекция №4. Цифровые измерительные приборы Цифровые измерительные приборы (ЦИП) автоматически преобразуют непрерывный входной сигнал в дискретный выходной сигнал, представленный в цифровой форме. Они могут также формировать выходной сигнал в виде кода, который вводят в ЭВМ, печатающие, отсчетные или запоминающие устройства. 4.1. Квантование и дискретизация непрерывных величин Непрерывная (аналоговая) величина x(t) — величина, которая может иметь в заданном интервале времени Т бесконечно большое число значений при бесконечно большом числе моментов времени. Это означает, что каждому значению t можно соотнести определённое значение x. Дискретизацией называется процесс преобразования непрерывной во времени (аналоговой) величины x(t) в прерывную во времени (дискретную) величину. Значения дискретной величины совпадают с соответствующими значениями x(t) только в определенные моменты времени, называемые моментами дискретизации  На рис. 4.1а. аналоговый сигнал представлен сплошной линией, а дискретный сигнал представлен прямоугольными импульсами с высотами: x(t1), x(t2)….. x(tn). Промежуток времени  между двумя ближайшими моментами  и  дискретизации называют шагом дискретизации (рис. 4.1а). Шаг дискретизации может быть постоянным или переменным. При дискретизации теряется часть информации потому, что дискретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только конечное число значений. Рис. 4.1. Графическое представление: дикретизации – рисунок а) и квантования – рисунок б, Квантованием называется процесс ее преобразования непрерывной по значению величины x(t) в квантованную величину путём замены её мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями  совокупность которых считывается с определённым шагом, называемым шагом квантования или квантом. На рис.4.1б шаг квантования представлен разностью  между двумя соседними значениями  и  Шаг квантования может быть постоянным или переменным. При квантовании также теряется часть информации, поэтому полученное в результате квантования значение величины x(t) известно с точностью, определяемой шагом квантования. При равномерном квантовании мгновенные значения непрерывной величины представляются конечным числом шагов квантования.Цифровое кодирование — представление числового значения квантованной величины в виде комбинации цифр, подчиняющихся определенному закону и образующих цифровой код. Для осуществления кодирования в ЦИП в основном применяют двоичную систему счисления, легко реализуемую при помощи устройств с двумя устойчивыми состояниями (например, триггеров). В двоичной системе любое целое число N выражается в виде  , где n — число разрядов;  - коэффициент, принимающий значения 0 и 1. Например, число 100 в двоичной системе счисления запишется в виде  , или в сокращенной форме записи при указании только значений располагаемых по убыванию номера разряда 1100100. 1  00 хN= 1100100Сокращенную форму записи можно представить в виде двоичного сигнала, показанному на рис.4.2, где символу 1 соответствует наличие импульса, символу 0 — его отсутствие.  Рис.4.2. Двоичный (двухпозиционный сигнал),соответствующий цифре 177. Двоичный код более экономичный, чем десятичный, однако управлять устройством, отображающим информацию о результатах измерений в десятичной системе счисления, проще. Поэтому в ЦИП применяется и комбинация этих двух систем счисления — двоично-десятичная, по сложности и экономичности занимающая промежуточное положение. Коды можно передавать последовательно по одному каналу или параллельно, т.е. одновременно по каналам, число которых равно числу разрядов кода. Измерительный процесс, включающий в себя дискретизацию, квантование и кодирование, называют аналого-цифровым преобразованием, а измерительный преобразователь, автоматически осуществляющий этот процесс, — аналого-цифровым преобразователем (АЦП). В процессе измерения непрерывная измеряемая величина автоматически преобразуется в ограниченное количество дискретных значений. АЦП осуществляет преобразование в два приема: каждое дискретное значение сигнала переводится из десятичной в двоичную систему исчисления; двоичному числу ставится в соответствие двоичный сигнал, имеющий два положения "0" и "1".  5 = 122 + 021 + 120 101 Цифровые сигналы характеризуются скоростью передачи в бит/с.  Бит - минимальное сообщение, означающее выбор одного из двух значений: "0" и "1". 1 байт равен 8 бит.  Рис. 4.3.Переходы аналоговый сигнал – цифровой сигнал. Фиксированным дискретным значениям сигнала ставятся в соответствие числа, выражаемые тем или иным кодом, например, двоичным кодом. Такой переход осуществляется с помощью преобразователя, который называют АЦП, рис.4.3. Возможен и обратный переход с помощью преобразователя, который называют ЦАПом, рис.4.3. Число возможных уровней квантования определяется емкостью отсчетного устройства ЦИП. Например, при максимальном показании отсчетного устройства 999 бесконечное множество значений измеряемой величины отображается 1000 различными показаниями ЦИП или 1000 уровнями квантования в пределах от 0 до 999. Хотя при аналого-цифровом преобразовании полученная величина отличается от исходной (рис. 4.5) погрешность дискретности не препятствует повышению точности ЦИП, так как соответствующим выбором числа уровней квантования ее можно сделать достаточно малой.  Рис. 4. 5. Аналоговый и дискретный (заштрихованный) сигналы Иногда необходимо восстановить значения непрерывной измеряемой величины по ряду измеренных мгновенных значений. Точное восстановление x(t) (если не учитывать погрешности от квантования по уровню) в соответствии с теоремой Котельникова возможно только в том случае, если шаг дискретизации  – угловая частота самой высокочастотной составляющей спектра непрерывной измеряемой величины.4.2.Цифровые измерительные приборы Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют приборы, содержащие аналого-цифровые преобразователи, устройства обработки цифровой информации и отображения результатов измерений в цифровой форме. В настоящее время ЦИП занимают ведущее место на мировом рынке, хотя в промышленности еще имеется большой парк аналоговых измерительных приборов. ЦИП имеют много достоинств: -высокая точность измерений, -широкий диапазон измеряемой величины, -результат измерений в цифровой форме (возможность последующей обработки, сохранения, индикации), -возможность внешнего управления, автоматизации и программирование процесса измерения. По измеряемой величине ЦИП разделяют на вольтметры, частотомеры, фазометры, омметры и ваттметры. В зависимости от наличия усредняемой величины различают ЦИП, измеряющие мгновенное, действующие и среднее значение за определенный интервал времени. Кроме того, все ЦИП разделяются на группы по точности, быстродействию, надежности. К основным параметрам ЦИП относятся: -нормированная основная погрешность  где  и  - постоянные коэффициенты, определяемые классом точности, который задается как отношение  - верхний предел диапазона измерений;  - значение измеряемой величины;- диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допустимые погрешности; - порог чувствительности — наименьшее значение измеряемой величины, вызывающее изменение показаний прибора; -разрешающая способность — цена одной единицы младшего разряда отсчетного устройства; -быстродействие — число измерений, выполняемых прибором с нормированной погрешностью в единицу времени; - входное сопротивление — сопротивление прибора со стороны входа. По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП обладают рядом достоинств: удобством отсчета и регистрации результатов измерения, высокой точностью измерения — до 0,001% — при широком диапазоне измеряемых значений (от 0,1 мкВ до 1000 В), высоким быстродействием (до 106 преобразований в секунду) из-за отсутствия электромеханических частей, большим входным сопротивлением — до  Ом, высокой надежностью.Обобщенная структурная схема ЦИП представлена на рис. 4.6.  Рис.4.6. Обобщенная структурная схема ЦИП |
) вход для сигналов постоянного напряжения 
s/ms