Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
1. Диапазоны измерений напряжения и временны́х интервалов. 2. Диапазоны установки коэффициента отклонения K о и коэффици- ента развёртки K р Коэффициент развёртки K р – время, за которое луч проходит одно деление шкалы на экране ЭЛТ, с/дел, мс/дел, мкс/дел. Коэффициент отклонения K о – отношение напряжения входного сигнала к отклонению луча, вызванному этим напряжением, В/дел или мВ/дел. Величина, обратная коэффициенту отклонения, называется чувст- вительностью. 1. Пределы допускаемой основной погрешности измерения напряже- ния и временны́х интервалов. 2. Для некоторых осциллографов – пределы допускаемой основной погрешности коэффициентов отклонения и развёртки. 3. Параметры амплитуды частотной характеристики тракта Y. 4. Параметры переходной характеристики тракта Y; нелинейность амплитудной характеристики тракта Y. 5. Ширина линии луча. 6. Параметры входа. Рассмотрим основные параметры характеристик. Амплитудно-частотной характеристикой тракта вертикального отклонения называется зависимость модуля коэффициента отклонения от частоты входного синусоидального сигнала при условии постоянства его уровня (рис. 9.17). Основные параметры АЧХ следующие. 1. Опорная частота – частота, не менее чем в 20 раз меньшая верхней граничной частоты полосы пропускания (f оп ). Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 337 2. Верхняя граничная частота полоса пропускания (f в ). 3. Нижняя граничная частота полосы пропускания (f н ). 4. Полоса пропускания – диапазон частот, в пределах которого ко- эффициент отклонения отличается не более чем на 3 дБ от его значения на опорной частоте ( f п ). 5. Нормальная область АЧХ – диапазон частот, в пределах которого неравномерность АЧХ не превышает погрешности коэффициента отклоне- ния ( f норм ). 6. Расширенная область АЧХ – диапазон частот, в пределах которого неравномерность АЧХ не превышает 10 % ( f р ) от значения АЧХ на опор- ной частоте K ном 7. Значение АЧХ на опорной частоте (K ном ). 8. Неравномерность АЧХ – разность между значениями коэффици- ента отклонения на определяемой и опорной частотах, выраженная в про- центах. Неравномерность нормируется для нормальной и расширенной об- ластей частот. 9. Абсолютное значение неравномерности в нормальном диапазоне (K f норм ). 10. Абсолютное значение неравномерности в расширенном диапазо- не частот (K f расш ). 11. Неравномерность АЧХ в нормальной области частот ( f норм ). 12. Неравномерность АЧХ в расширенной области частот ( f расш ). 13. Погрешность коэффициента отклонения ( к ). Рис. 9.17. Амплитудно-частотная характеристика тракта вертикального отклонения (K f расш = 0,1 K ном ) f расш = 0,1 K ном f в f оп 0,1 K ном f 0,7 K ном f н K K ном f норм f р f п (K f норм = к K ном ) f норм = к Раздел 2. Измерительная техника 338 Рис. 9.18. Основные параметры переходной характеристики тракта вертикального отклонения: τ н – время нарастания; τ у – время установления; ΔА – выброс; ΔА н – неравномерность; ΔА ну – неравномерность на участке установления; А 1 – установившееся (амплитудное) значение Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость от времени выходного сигнала канала Y, представленного изображением на экране ЭЛТ, при подаче на вход сигнала в виде единичного скачка (пере- пада напряжения) – рис. 9.18. Установившимся (амплитудным) значением является ПХ в точке пересечения прямой линии, параллельной оси абс- цисс, аппроксимирующей вершину ПХ, с линией фронта. Основные параметры переходной характеристики тракта вер- тикального отклонения следующие. 1. Время нарастания – интервал времени, в течение которого пере- ходная характеристика (ПХ) нарастает от 10 до 90 % установившегося (амплитудного) значения τ н (τ н измеряется в нс). 2. Время установления – интервал времени, отсчитываемый от мо- мента достижения уровня 10 % до момента времени, начиная с которого неравномерность установившегося значения ПХ не превышает заданного значения (τ у ). 3. Неравномерность – отклонение переходной характеристики от ус- тановившегося значения за пределами его времени ( А н ). 4. Выброс – разность между максимальным (после времени нараста- ния) и установившемся значением ПХ ( А). 5. Спад вершины – разность между начальным значение ПХ и значе- нием ПХ в заданный момент времени t з , значительно превышающий время установления. A н t A A 1 0,9 0,1 τ н A A ну A ну A н τ у Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 339 При измерении длительности фронтов импульсов, соизмеримых с временем нарастания ПХ, нормированной для осциллографа, длитель- ность фронта изображения и будет определяться длительностью фронта ис- следуемого импульса ф и времени нарастания ПХ н следующим образом: 2 2 и ф н , откуда 2 2 ф и н . Параметры АЧХ и переходной характеристики взаимно связаны. Эти зависимости для различных параметров АЧХ и ПХ приводятся ниже. Время нарастания н и верхняя частота полосы пропускания f в (f в измеряется в МГц). Для того чтобы обеспечить наиболее достоверное изображение фор- мы импульса на экране осциллографа (при отсутствии выбросов), падение усиления на высших частотах канала Y должно составлять не более 6 дБ при двукратном увеличении частоты. В этом случае н = 350 / f в ; f в Выброс А в и коррекция АЧХ. С целью повышения равномерности АЧХ в пределах полосы пропус- кания и получения максимальной ширины полосы при максимальном ко- эффициенте усиления оконечного каскада вводится коррекция АЧХ перед ее спадом до уровня минус 3 дБ (рис. 9.19, а). (Пунктирной линией показа- ны АЧХ (рис. 9.19, а) и ПХ (рис. 9.19, б) при отсутствии коррекции). Эта коррекция является причиной появления выброса на ПХ (рис. 9.19, б) при исследовании импульсов с длительностью фронта, мéньшей н . При дли- тельности фронта, значительно бóльшей н , выброса на изображении не наблюдается. а б Рис. 9.19. Выброс А в и коррекция АЧХ 0,9A уст t f в1 н2 н1 f в2 1,0 K о /K э 1 0,7 f 2 0 0 A A уст 0,1A уст Раздел 2. Измерительная техника 340 Спад вершины А сп – нижняя граничная частота полосы пропус- кания. Спад плоской части изображения импульса А сп вызывается влияни- ем конечного значения разделительной ёмкости входной цепи при закры- том входе осциллографа. Наличие ёмкости приводит к спаду АЧХ в облас- ти низких частот. Для осциллографов с закрытым входом регламентиру- ются значение спада вершины ПХ и (или) значение низшей частоты АЧХ при неравномерности минус 3 дБ. Для спада, меньшего 20 %, связь между низшими значениями поло- сы пропускания АЧХ f н и значением спада А сп определяются приближен- ным соотношением: А сп 2π · f н · н , где н – длительность импульса. Если исследуемый импульс имеет спад, равный А спи , то спад пло- ской вершины изображения А из на экране ЭЛТ будет определяться равен- ством А из = А спи + А сп Амплитудной характеристи- кой канала вертикального откло- нения называется зависимость размера изображения по вертикали на экране ЭЛТ от уровня входного сигнала (рис. 9.20). Реальная ам- плитудная характеристика отлича- ется от идеальной (линейной). Это отличие вызвано нелинейностью характеристик усилителей и ЭЛТ. Нелинейность тракта вертикально- го отклонения приводит к тому, что для различных размеров изо- бражений по вертикали А х , коэффициент отклонения K cx = 1 / tg α x , где α х – угол наклона прямой, соединяющей начало координат с точкой кривой на уровне А x , имеет различные значения. Это приводит к погрешности изме- рения напряжения. Калибровка коэффициента отклонения, т. е. установка его номинального значения K ном , проводимая для одного размера изобра- жения (как правило, для максимального А max ), не исключает погрешности от нелинейности. Нелинейность канала вертикального отклонения, которая не превышает 10 %, обычно нормируется в научно-технической докумен- тации (НТД) на осциллографы. Рис. 9.20. Амплитудная характеристика канала вертикального отклонения A х ном x U вх 0 A A max U max U x Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 341 Нормируемым параметром осциллографа является калиброванное значение коэффициента отклонения канала Y. Максимальное и минималь- ное значения коэффициента отклонения (или обратной его величины – чувствительности) приводятся в инструкции к осциллографу. Параметрами канала Z, которые учитывают при выборе осциллогра- фа, являются: диапазоны частот и модулирующего напряжения сигнала, входное сопротивление и ёмкость. Для цифровых осциллографов, кроме перечисленных выше характе- ристик, принято указывать в НТД следующие. 1. Частота выборки. Данный параметр измеряется в выборках в секунду (выб/с) и пре- доставляет информацию о том, как часто цифровой осциллограф регист- рирует мгновенные состояния сигнала (делает выборки), что можно срав- нить с кадрами, снимаемыми кинокамерой. Чем быстрее осциллограф де- лает выборки (т. е. чем выше частота квантования), тем более высокое получается разрешение и детализация отображаемой на экране развёртки сигнала и меньшая вероятность того, что важная информация или собы- тия будут утеряны, как это представлено на рис. 9.21. Низкие значения частоты выборки также представляют интерес при необходимости иссле- дования медленно изменяющихся сигналов в течение длительного време- ни. Обычно частота выборки изменяется, когда изменяются настройки системы горизонтального отклонения. Это происходит с целью поддер- жания постоянного количества точек развёртки отображаемых осцилло- графом сигналов. 2. Скорость захвата сигнала. Все осциллографы «мигают». Это можно сравнить с открыванием глаз определённое число раз в секунду для захвата сигнала и закрыванием в промежутках между захватами. Эта характеристика называется скоростью захвата сигнала и измеря- ется в осциллограммах в секунду (осц/с). В то время как частота выборки указывает на то, как часто осциллограф захватывает мгновенные значения (выборки) входного сигнала в пределах одной осциллограммы (или раз- вёртки), то скорость захвата сигнала (осциллограммы) соответствует тому, как часто осциллограф захватывает целые осциллограммы (развёртки). Скорость захвата сигнала сильно варьируется в зависимости от типа осциллографа и его производительности. Модели осциллографов, обладающие бóльшей скоростью захвата сигнала, обеспечивают значительно более наглядную визуализацию сигна- лов и существенно повышают вероятность того, что прибор зарегистриру- ет такие аномалии, как джиттер, повреждённые импульсы, глитчи, а также различные переходные процессы. Чем выше частота выборки, тем выше Раздел 2. Измерительная техника 342 разрешение отображаемого на экране сигнала, что гарантирует возмож- ность просмотра быстрых переходных процессов (рис. 9.21) В цифровых запоминающих осциллографах используется последова- тельная обработка данных, позволяющая захватывать от 10 до 5 000 ос- циллограмм в секунду. Некоторые цифровые запоминающие осциллогра- фы имеют специальный режим, в котором множество захватов записыва- ется в память большого объема, за счет чего искусственно повышается скорость захвата сигнала. Рис. 9.21. Вид экрана осцилографа Однако обработка захваченных данных требует определенного вре- мени, в течение которого захвата не происходит, что ведет к сокращению вероятности захвата осциллографом редких непериодических событий. В большинстве осциллографов с цифровым люминофором использу- ется параллельная обработка информации, что значительно увеличивает скорость захвата сигнала. Некоторые модели способны захватывать мил- лионы осциллограмм в секунду, многократно повышая вероятность реги- страции непериодических и быстротекущих процессов, что даёт пользова- телю возможность исследовать сигналы быстрее и эффективнее. Более то- го, DPO может захватывать и отображать сигнал в трёх координатах: амплитуда, время и распределение амплитуды во времени. Это дает воз- можность более тщательно изучить поведение сигнала, не упустив ни од- ной мелкой детали (см. рис. 9.22). 3. Длина записи. Данный параметр обозначает количество точек, составляющих пол- ную запись развёртки сигнала, и определяет количество данных, которые могут быть захвачены каждым каналом. Поскольку осциллограф спосо- бен сохранять только ограниченное количество выборок, то длительность развёртки (временнóе окно) будет обратно пропорциональна частоте вы- борки. Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 343 Рис. 9.22. Осциллограф с цифровым люминофором Рис. 9.23. Захват высокочастотных составляющих модулированного сигнала с несущей 85 МГц Современные осциллографы позволяют выбирать длину записи для оптимизации уровня детализации в зависимости от конкретной задачи. Например, если вы анализируете очень стабильный синусоидальный сигнал, то вам потребуется запись длиной не более 500 точек, но если вы пытаетесь найти причины нарушения синхронизации в комплексном цифровом потоке данных, то потребуется миллион точек или более (рис. 9.23). Для исследования огибающей модулированного сигнала необходимо достаточно широкое временное окно (1 мс). Используя большой объём па- мяти для продолжительной записи, осциллограф может предоставить всю необходимую информацию. 4. Функции запуска. Данная функция обеспечивает запуск горизонтальной развёртки в заданной точке сигнала, что очень важно для правильного определения его характеристик. Управление запуском позволяет стабилизировать ото- бражение периодических сигналов и выполнять избирательный захват од- нократных событий. Раздел 2. Измерительная техника 344 5. Эффективное число разрядов. Эффективное число разрядов определяет способность цифрового ос- циллографа точно воспроизводить форму синусоидального сигнала. Этот параметр показывает соотношение между характеристиками реального АЦП осциллографа и характеристиками «идеального» АЦП той же раз- рядности. Поскольку реальный сигнал подвержен воздействию шума и ис- кажений, это отражается на характеристиках АЦП. 6. Разрешение по вертикали (АЦП). Вертикальное разрешение АЦП, а следовательно, цифрового осцил- лографа, свидетельствует о том, насколько точно прибор способен преоб- разовать входное напряжение в цифровые значения. Разрешение по верти- кали измеряется в битах. Значение эффективного разрешения можно улучшить программным способом. 7. Разрешение по времени (MSO). Важной характеристикой MSO является разрешение по времени при регистрации цифровых сигналов. Регистрация сигнала с лучшим разреше- нием повышает точность измерения временны́х характеристик при работе с цифровыми сигналами. Например, частота дискретизации 500 Мвыб/с даёт разрешение по времени 2 нс, в результате неопределённость положе- ния фронта захваченного сигнала тоже равна 2 нс. Лучшее разрешение по времени 60,6 пс (16,5 Гвыб/с) снижает неопределённость положения фрон- та до 60,6 пс и позволяет регистрировать сигналы, изменяющиеся быстрее. Всё бóльшее применение находят в практике измерений так называе- мые виртуальные приборы, выполненные в виде приставок к персональному компьютеру (ПК). Виртуальные приборы (virtual instruments, vi) – компью- терные программы, визуализирующие сигнал, выполняющие его преобразо- вание и анализ. Виртуальные приборы используют как для замены обычных измерительных приборов, так и для реализации уникальных измерений. Наиболее характерный представитель таких приборов – виртуальный осциллограф. Например, USB-анализатор сигналов LESO4 представляет собой уникальное устройство, содержащее в себе такие приборы, как циф- ровой вольтметр, осциллограф, анализатор спектра (рис. 9.24). По функциям он эквивалентен реальному осциллографу, поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. Преобразование сиг- нала в цифровой сигнал осуществляется АЦП. Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения выполняются программным способом. Такой осциллограф имеет виртуальный экран, виртуальные ручки управления (усиление, синхронизация, развёртка и др.), графически отображаемые на экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора управляются с клавиатуры или посредством мыши. Глава 9. Электронно-лучевые осциллографы 345 Рис. 9.24. Интерфейс виртуального осциллографа Характеристики анализатора сигналов LESO4. 1. 4 независимых канала. 2. Функциональность USB-осциллографа. 3. Полоса пропускания 5 МГц. 4. Частота дискретизации в реальном времени до 50 МГц. 5. Диапазон входных напряжений до 20 В. 6. Длина памяти до 16к отсчетов на каждый канал. 7. USB-анализатор спектра. 8. Режим цифрового вольтметра. 9. Интерфейс USB, ПО под ОС Windows XP и старше. 10. Возможность оперативной модернизации ПО. 11. Универсальная система сохранения результатов. 12. Питание и управление по USB. |