Лекция Электронные осциллографы Классификация и обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа

• Название: Лекция Электронные осциллографы Классификация и обобщенная структурная схема универсального электронного аналогового осциллографа
• Дата: 28.11.2020
• Размер: 1.39 Mb.
• Имя файла: mss8-13.pdf
• Тип: Лекция; #154758
• страница: 3 из 7

9.4. Генераторы импульсов
Генераторы импульсов применяются при настройке систем передачи с импульсно-кодовой модуляцией, систем радиолокации и т.д. Различают следующие формы импульсных сигналов:
1. прямоугольные, парные прямоугольные, серии кодовых импульсных последовательностей, псевдослучайные последовательности (ПСП).
2. пилообразные
3. треугольные
4. колоколообразные
5. косинусквадратные
6. экспоненциальные
7. специальной формы
Наибольшее распространение получили генераторы прямоугольных импульсов.
Основными параметрами импульсов являются: длительность, амплитуда, частота следования, длительность фронта и среза.
Рисунок 9.9. Параметры прямоугольного импульса
На рисунке обозначены:
Т
ИМП
- длительность импульса
U
m
- амплитуда импульса
τ
в
- длительность вершины
τ
фронта
и τ
среза
- длительность переднего и заднего фронта импульса соответственно.
Импульс считается прямоугольным, если выполняется условие
имп
в
Т
7
,
0



81
Генераторы общего применения формируют импульсы со следующими параметрами:
- длительность (от 1 9
10


до 10 ) сек.
- частота следования ( от 1 до 50

6 10
) Гц
- амплитуда до 200 В.
- погрешность установки частоты, длительности, временных задержек (1

5 )%.
- нестабильность параметров за 1 час работы ( 0,5

3 )%.
Как правило, генераторы импульсов работают в режимах: разового пуска (формирование однократного импульса), внешнего запуска и автогенерации. Для измерения амплитуды применяют пиковые вольтметры.
Рисунок 9.10. Обобщенная структурная схема импульсного генератора
На схеме обозначены:
ЗГ – задающий генератор
БС – блок синхронизации
БЗИ – блок задержки основного импульса
БФД – блок формирования длительности
ФВ – выходной формирователь (импульсный усилитель)
ИВ – импульсный (пиковый) вольтметр
Контрольные вопросы
1. Каковы назначение и классификация измерительных генераторов?
2. Каковы основные требования и нормируемые параметры генераторов синусоидальных сигналов?
3. Какова структурная схема генераторов синусоидальных сигналов:
- основной частоты;
- на биениях;
- синтезаторов частоты;
- цифро-аналоговых?
4. Для чего предназначены:
- задающий генератор;
- аттенюатор;
- согласующий трансформатор;
- внутренняя нагрузка генератора?

82 5. Какова типичная структурная схема генератора высоких частот с амплитудной модуляцией?
6. Какова структурная схема формирования поддиапазонов генераторов высоких частот на основе деления частоты?
7. Как осуществляется работа генератора Г4- в режимах:
- непрерывной генерации;
- внутренней и внешней амплитудной модуляции;
- максимального сигнала?
8. Как достигается постоянство установленного выходного напряжения генератора?
9. Какова структурная схема:
- СВЧ- генераторов;
- генераторов импульсов?

83
Лекция 10. Измерение частоты и временных интервалов электрических сигналов
10.1. Методы измерения частоты.
В связи используется широкий диапазон частот: от нескольких сот килогерц до десятков гигагерц. Низкочастотное оборудование охватывает полосы частот от 20 Гц до 120 кГц. В зависимости от частотного диапазона на практике применяются различные методы измерения.
Частота f и время Т являются обратными величинами:
f
T

1
, где f измерено в герцах а Т в секундах. Кроме того частота связана с длиной волны известным выражением: f = c/

, где с=
3·10 8
м/с – скорость света в свободном пространстве; - длина волны в метрах. Следовательно измерение частоты, периода или длины волны равноценны. Аппаратура для измерения частотно – временных параметров представляет собой единый комплекс приборов, обеспечивающих измерение с привязкой к Государственному первичному эталону времени и частоты.
Частоту можно измерять методом сравнения, резонансным методом и методом дискретного счёта. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки и область применения. Все приборы для измерения частоты образуют подгруппу Ч, внутри которой выделяют стандарты частоты и времени Ч1, частотомеры резонансные (Ч2), электронно- счётные (Ч3) и гетеродинные (Ч4).
Основой всех частотно-временных измерений в России является группа стандартов – высокоточных мер частоты и времени, в которую входит водородный, рубидиевый, цезиевый и кварцевый стандарты.
10.2. Осциллографические методы измерения частоты
10.2.1. Измерение частоты методом линейной калиброванной развертки
Схема подключения источника сигнала к осциллографу приведена на рис. 10.1, а.






)
(
)
(
)
(
)
(
t
u
t
u
t
u
t
u
гр
x
c
y
(10.1)
Рисунок 10.1, а
Измеряемый сигнал u c
(t) подается на вход Y осциллографа. На пластины X ЭЛТ поступает сигнал ГР u
ГР
(t). Порядок функционирования блоков осциллографа определяется структурной схемой на рис. 10.1, б. На экране наблюдается осциллограмма, которая для синусоидального сигнала будет иметь вид, приведенный на рис. 10.2.

84
Рисунок 10.1, б
Рисунок 10.2
Определяем геометрический размер
x
H
[дел], соответствующий целому числу периодов сигнала. Период и частота исследуемого сигнала определяются из соотношений
n
x
m
x
H
c
T


(10.2)
x
m
x
H
n
c
T
c
f



1
(10.3) где n – целое число периодов сигнала
x
m
- коэффициент отклонения по горизонтали (цена деления по оси X) [
дел
время
]. Его численное значение определяется положением дискретного переключателя скорости развертки (калиброванная величина).
Погрешность измерения периода по аналогии с разделом 8.3 определяется из соотношений:
– систематическая абсолютная составляющая
x
m
n
x
H
x
H
n
x
m
T





(10.4)
– СКО случайной составляющей
2 2










x
m
G
n
x
H
x
H
G
n
x
m
T
G
(10.5)
Где
x
H

- абсолютная погрешность измерения геометрического размера
x
H
[дел];
x
m

- абсолютная погрешность задания коэффициента
x
m




дел
время
x
H
G
- СКО погрешность измерения величины
x
H
[дел]
x
m
G
- СКО погрешности задания коэффициента
x
m




дел
время

85
10.2.2. Измерение частоты методом линейной развертки с внешним генератором
образцовой частоты
Рисунок 10.3 5.9
Рисунок 10.4
Рисунок 10.5








)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
t
u
t
u
t
u
t
u
t
u
t
u
обр
z
гр
x
c
y
(10.6)
Измеряемый сигнал u c
(t) подается на вход Y осциллографа. На пластины X ЭЛТ поступает сигнал ГР u
ГР
(t). 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
n
f
f
c
0

, при условии, что
с
f
f

0

86
Г
изм
Г
обр
УВО
ГР
Схема синхр, зап.
ФВ
УГО
ЭЛТ
Y Z X
10.2.3. 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 -
x
n
и осью Y -
y
n
(рис. 10.8). В этом случае выполняется соотношение
y
y
x
x
n
f
n
f



Рисунок 10.6
Рисунок 10.7
Рисунок 10.8
Откуда неизвестная частота определится как
y
x
x
y
n
n
f
f

(10.7)
Где
x
f
- известная частота [Гц].

87
10.2.4. Измерение частоты методом круговой развертки производится во втором режиме работы осциллографа (переключатель П1 переводится в положение 2).
Рисунок 10.9. Схема подключения источников сигналов
Рисунок 10.10
Рисунок 10.11











)
(
)
(
)
2
sin(
)
(
sin
)
(
t
U
t
u
t
U
t
u
t
U
t
u
обр
z
m
x
m
y



(10.8)
На входы Y и X подаются гармонические сигналы неизвестной частоты
c
f
Фазовращатель обеспечивает сдвиг фазы между ними
2

. На вход Z поступает образцовая частота
0
f
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
c
f
определяется из соотношения
n
f
f
o
c

, при условии, что
с
f
f

0
Г
изм
Г
обр
УВО
ГР
Схема синхр, зап.
УГО
ЭЛТ
Y Z X
ФВ

88
10.3. Резонансные и гетеродинные методы измерения частоты
При резонансном методе измерения частоты используется явление резонанса в колебательном контуре. Поэтому принцип действия резонансного частотомера основан на сравнении измеряемой частоты f
0
с собственной резонансной частотой f
р
градуированного колебательного контура или резонатора. Измерительные приборы, работающие на основе этого метода, называются резонансными частотомерами; их обобщенная структурная схема приведена на рис. 10.12.
Рисунок 10.12 Обобщенная структурная схема резонансного частотомера
Перестраиваемая колебательная система через входное устройство возбуждается сигналом измеряемой частоты u(f
x
). Интенсивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в момент резонанса, т. е. при f
x
= f
p
. Этот момент фиксируется индикатором резонанса, связанным с колебательной системой, и значение измеряемой частоты f
x
считывается с градуированной шкалы механизма настройки.
Из самого принципа измерения частоты f
x
сравнением ее с резонансной частотой колебательного контура следует, что резонансная кривая колебательного контура должна иметь достаточно четко выраженный максимум. Как известно, резонансная кривая тем острее, чем выше добротность Q контура. В зависимости от типа колебательного контура добротность составляет от нескольких сотен единиц у контуров с сосредоточенными постоянными до 10 000 - 30 000 у контуров, выполненных в виде объемных резонаторов.
В качестве колебательной системы на частотах до сотен мегагерц используют колебательные контуры; на частотах до 1 ГГц — контуры с распределенными параметрами
(отрезки коаксиальной линии); на частотах свыше 1 ГГц — объемные резонаторы.
На рис. 6.5 приведена структурная схема резонансного частотомера (это прибор на СВЧ называют волномером) с объемным резонатором.
Рисунок 10.13. Структурная схема резонансного частотомера.
1 – волновод; 2 – петля связи; 3 – детектор (диод); 4 – объемный резонатор;
5 – плунжер; И – индикатор резонанса
Линейный размер объемного резонатора l в момент настройки в резонанс однозначно связан с длиной волны X возбуждаемых в нем электромагнитных колебаний. Резонанс наступает при длине резонатора l = пλ/2, где п = 1, 2, 3 и т. д. Поэтому, перемещая плунжер 5 до момента получения первого резонанса, а затем следующего и оценивая по отсчетной шкале разность Δl = l
1
- l
2
= λ/2, можно определить длину волны λ, где l
1
и l
2
— линейные показания отсчетной шкалы в момент 1-го и 2-го резонансов. Измеренную частоту f
x
вычисляют по формуле f
x
= с/λ, где с — скорость распространения света в вакууме.
Резонансные частотомеры имеют сравнительно простое устройство и достаточно удобны в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с относительной погрешностью 10
-3
– 10
-4
. Основными источниками погрешностей измерения

89 частоты являются погрешность настройки в резонанс резонатора, погрешность отсчетной шкалы и погрешность считывания данных.
Гетеродинный метод является одной из разновидностей методов сравнения измеряемой частоты f
x
с частотой эталонного генератора — гетеродина. Этот метод использует принцип построения измерительных схем с нулевыми биениями. Упрощенная структурная схема гете- родинного частотомера представлена на рис. 10.14. Она содержит: входное устройство, кварцевый генератор, смеситель, гетеродин, усилитель низкой частоты и индикатор (нулевых биений). Действие гетеродинного частотомера сводится к простому принципу: при переводе ключа К в положение 1 производят калибровку шкалы гетеродина; при положении 2 — измерение частоты f
x
, подаваемой на входное устройство.
Рисунок 10.14. Упрощенная структурная схема гетеродинного частотомера
Калибровку шкалы гетеродина осуществляют непосредственно перед измерением с помощью дополнительного кварцевого генератора. Сигнал, поступающий с кварцевого генератора, имеет сложную форму и содержит ряд гармонических составляющих с кратными частотами: f
кв1
, f
кв
, ..., f
квi
...,f
кв n
, где п — номер гармоники. Эти частоты называют кварцевыми
точками. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте f
x
кварцевой точке (примерное значение измеряемой частоты должно быть известно, иначе процесс измерения очень усложняется).
Сигналы с кварцевого генератора f
кв i
, и гетеродина f
г поступают на смеситель, поэтому на его выходе возникают колебания с суммарными, разностными и комбинационными частотами. Индикатор фиксирует наличие сигнала биений на минимальной разностной частоте F
б
=|f
кв i
– f
г
|, проходящего через усилитель низкой частоты (высокочастотные составляющие, получающиеся в результате смешения частот кварцевого генератора и гетеродина, через усилитель низкой частоты не проходят). Меняя емкость конденсатора в контуре гетеродина, получают нулевые биения, следовательно, частота гетеродина становится равной частоте кварцевой гармоники f
г
≈ f
кв i
. Затем приступают к измерению неизвестной частоты f
x
, переводя ключ К в положение 2. Вращая отсчетный лимб гетеродина, добиваются нулевых биений и по откорректированной шкале гетеродина определяют значение измеряе- мой частоты f
x
≈ f
г
.
Гетеродинные частотомеры являются достаточно точными измерительными приборами.
Их относительная погрешность измерения лежит в пределах 10
-3
- 10
-5
. Однако в диапазоне средних частот (до 300 МГц и ниже) их вытесняют электронно-счетные частотомеры, которые обеспечивают ту же высокую точность, но значительно проще в эксплуатации.
В диапазоне СВЧ-колебаний гетеродинный метод измерения частоты применяется совместно с цифровыми методами. Расширение предела измерения до 10... 12 ГГц достигается за счет переноса (преобразования) измеряемой частоты в область более низких частот. Такой перенос осуществляют с помощью дискретного гетеродинного преобразователя частоты,
схема которого вместе с низкочастотным цифровым частотомером дена на рис. 10.15.
Рисунок 10.15. Структурная схема дискретного гетеродинного преобразователя

90
В состав цифрового частотомера гетеродинного преобразователя входит генератор опорной (образцовой) частоты f
0
, (на схеме для упрощения не показан). Эта частота поступает на генератор гармоник (нелинейный элемент), который формирует сетку гармонических составляющих f
n
, = пf
0
, где п = 1,2, ... – целые числа. С помощью перестраиваемого фильтра
(объемного резонатора с отсчетной шкалой) Добиваются выделения из них гармоники f
n
, ближайшей к измеряемой частоте f
x
. При этом на выходе смесителя появляется сигнал с разно- стной частотой ∆f = |fx - nf
0
|.Усилитель промежуточной частоты УПЧ имеет полосу пропускания, соизмеримую с разностной частотой ∆f.
Результат измерения неизвестной частоты f
x
колебаний автоматически вычисляется по формуле f
x
= |nf
0
± ∆f|, в которой номер гармоники п считывается со шкалы перестраиваемого фильтра. Поскольку последнее выражение неоднозначно, то для получения наиболее точного результата проводят второе измерение, выбирая с помощью перестраиваемого фильтра гармонику (n ± 1)f
0
, соседнюю с гармоникой nf
0
. Если результаты вычисления частоты f
х
совпали при двух измерениях, то они считаются верными.