Как определить амплитуду сигнала на осциллографе

11

Измерения с помощью осциллографа

Осциллограф – многоцелевой прибор, который используется при исследовании формы и измерении параметров сигналов, при исследовании характеристик различных электронных устройств.

Измерение напряжения. Измерение напряжения с помощью осциллографа может проводиться как методом прямого преобразования, так и методом сравнения.

Метод прямого преобразования (метод калиброванного отклонения) предусматривает предварительную калибровку канала Y с помощью калибратора амплитуды. При этом устанавливается требуемое значение коэффициента отклонения К_d. Измеряемое напряжение подается на вход канала Y, и определяется размер изображения на экране ЭЛТ по вертикали l_B (в делениях или в единицах длины). Зная коэффициент отклонения К_d или чувствительность S_u, при симметричном (или постоянном) напряжении можно найти его амплитуду

При измерении амплитуд несимметричного напряжения необходимо зафиксировать с помощью масштабной сетки при отсутствии измеряемого напряжения начальное положение горизонтальной линии (или светового пятна) на экране осциллографа. Затем, подав измеряемое напряжение на вход Y и установив неподвижное изображение, измерить амплитуды каждой полуволны в отдельности.

Метод сравнения можно реализовать с помощью двухлучевого (двухканального) осциллографа. Для этого на один вход, например Y₁, подается исследуемый сигнал, а на вход Y₂ – образцовое напряжение, которое может быть как постоянным, так и переменным. Затем, изменяя значение образцового напряжения, нужно добиться совмещения калибровочной линии, создаваемой образцовым напряжением, с границами измеряемого участка осциллограммы. Значение искомого напряжения определяют по значению образцового напряжения [9].

Измерение интервалов времени может быть проведено методом прямого преобразования (методом калиброванного коэффициента развертки) аналогично случаю измерения напряжения. Перед измерением с помощью калибратора времени устанавливается требуемое значение коэффициента развертки, являющееся ценой деления шкалы по горизонтали. В этом случае

где l_x – размеры исследуемого участка осциллограммы.

Измерение частоты переменного сигнала может быть произведено путем измерения периода. Частота находится как величина, обратная периоду.

При использовании двухлучевого (двухканального) осциллографа измерение частоты может быть произведено путем сравнения исследуемых колебаний с колебаниями известной частоты. При этом осуществляется одновременная фиксация на экране осциллографа двух колебаний. Недостаток этого метода – невысокая точность.

Более точными являются модификации метода сравнения: метод фигур Лиссажу (метод интерфенционных фигур) и метод круговой развертки. При реализации этих методов осциллограф выполняет функции индикатора равенства или кратности измеряемой f_X и образцовой частот f₀ и погрешности в результат измерения f_X практически не вносит.

Для получения фигур Лиссажу сигнал неизвестной частоты подается на вход Y осциллографа. Внутренняя развертка осциллографа отключается и на горизонтально отклоняющие пластины подается синусоидальное напряжение от измерительного генератора высокой точности. При этом луч на экране ЭЛТ совершает сложное движение. Частота измерительного генератора подбирается так, чтобы на экране осциллографа получилось неподвижное изображение (фигура Лиссажу). Это происходит при целочисленном отношении между частотами двух входных сигналов, и вид фигуры Лиссажу зависит от кратности f_X/f₀, соотношения амплитуд напряжений и фазового сдвига между ними. Отношение частот находится как отношение числа точек пересечения фигуры на экране с горизонтальной n_X и вертикальной m_Y опорными линиями (отношение числа касаний фигуры с наложенными на экран горизонтальной и вертикальной осями).

На рис. показаны примеры фигур Лиссажу для различных значений соотношения частот f_X/f₀.

Если напряжение измеряемой частоты f_X подано на вход Y осциллографа, а напряжение известной частоты f₀ – на вход Х, получим соотношение

из которого может быть определено значение частоты f_X.

Обычно стремятся подобрать частоту образцового генератора равной измеряемой частоте, так как при этом фигура имеет простейший вид – прямую линию, круг, эллипс.

Метод, характеризующийся высокой точностью, прост, удобен и экономичен. Его недостатком является сложность расшифровки фигур при соотношении частот более 10 и, следовательно, возрастает по­грешность измерения за счет установления истинного отношения частот [5]. Этот метод, целесообразно применять только при относительно небольшой кратности измеряемой и известной частоты, обычно не превышающей 6–8.

В случае большой разницы измеряемой и образцовой частот можно использовать круговую развертку. Она создается напряжением образцовой частоты f₀, которое через фазосдвигающую цепь подается на входы Х и Y, как показано на рис. . Напряжение более высокой частоты (неизвестной) f_Х подводится к модулирующему яркость электроду ЭЛТ (канал Z). Изображение окружности на экране при этом получается пунктирным. По числу n светящихся штрихов по окружности судят о соотношении сравниваемых частот:

Измерение фазовых сдвигов

Для гармонического сигнала U(t) = Uo sin(t + ₀) фазой назы­вают выражение (t + ₀) – аргумент синуса, где ₀ – начальная фаза колебаний. Значение фазы зависит от выбранного начала отсчета времени, поэтому физический смысл имеет сдвиг фаз  или раз­ность фаз ₁ – ₂ двух сигналов с одинаковыми частотами (рис. Рис. 5 .15а). Измеряется фаза в угловых единицах – радианах или градусах. Методом измерения сдвига фаз с помощью двухканального осциллографа является метод наложения, который заключается в получении на экране осциллографа и совмещении осциллограмм напряжений U₁ и U₂ подаваемых на вход А и выход В (рис. 5.9). Из рис. Рис. 5 .15а видно, что в этом случае

Если, кроме того, амплитуды U₁ и U₂ равны, то

Разность фаз двух сигналов можно определить по временному сдвигу. На экране получают неподвижную картину двух осциллограмм (рис. Рис. 5 .15б). Поскольку весь период Т соответствует углу 360, разность фаз определяется из соотношения  = 360Т/Т. При этом важным является вопрос, какой из сигналов опережает «по фазе» другой сигнал. На Рис. 5 .15б напряжение U₁ опережает напряжение U₂ по фазе на  > 0, так как сигнал U₁ достигает своего максимума раньше, чем сигнал U₂ (сигнал U₁ также достигает своего минимума раньше, чем сигнал U₂).

Сдвиг фаз можно определить и по интервалу Т₁, но если во время проведения измерений один сигнал, например U₂, на экране осциллографа будет несколько смещен по вертикали вниз, как показано на рис. Рис. 5 .15б, то измерение сдвига фаз по временному сдвигу Т₁ оказывается неверным. Это становится очевидным, если учесть, что Т₁ оказывается не равен временному сдвигу между этими же сигналами, отсекаемому горизонтальной прямой, справа от Т₁.

Измерение сдвига фаз может быть осуществлено и на однолучевом осциллографе методом эллипса. Эллипс является частным случаем фигуры Лиссажу при f₁ = f₂. Пусть на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины поданы напряжения U_x = U₀sint и U_y = U₀sin(t + φ). При равных амплитудах и частотах сигналов на входах Y и Х осциллографа изменение фазового сдвига приводит к изменению формы фигуры Лиссажу от прямой линии (φ = 0) через эллипс к окружности (φ = 90 о ), как показано на рис. Рис. 5 .16.

Измерение амплитуды и временных параметров сигнала

В универсальных осциллографах используется метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране осциллографа. Цена деления сетки устанавливается с помощью калибратора амплитуды.

Параметры импульсов определяются следующим образом:

Up = Су ly; Up — размах (амплитуда импульса);

Сy — цена деления сетки по вертикали, В/дел;

Т = CXLX — период следования импульсов;

?п = СX lХ — длительность импульса;

СХ — цена деления сетки по горизонтали, с/дел; ly, Lx, lx — выражены в делениях сетки.

Погрешность измерения амплитуды сигнала при этом методе измерения составляет 3…5 %. Существует ряд способов повысить точность измерения амплитуды исследуемого сигнала, например компенсационные методы. Эти методы чаще всего применяют только в цифровых осциллографах, что позволяет получить численные значения параметров с погрешностью 1…2 %.

С помощью осциллографов можно измерять параметры сигналов сложной временной структуры, например ступенчатых сигналов или сигналов кодовых последовательностей. Можно измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом исследования является метод калиброванной развертки (калиброванных меток). Реальная погрешность этого метода составляет порядка 10 % и зависит от количества меток.

Калибровочные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала длительностью ти путем модуляции яркости луча, т. е. подачей на сетку ЭЛТ напряжения известной частоты f0 = 1/T0. При этом длительность сигнала и = пТ0, где п — количество калибровочных меток.

Способ измерения по интерференционным фигурам, называемым фигурами Лиссажу.

Измерение основано на сравнении неизвестной частоты fx с известной частотой f0, воспроизводимой мерой.

С этой целью колебания известной (образцовой) частоты f0 подаются на один вход осциллографа (например, Y). На вход X (при этом собственная развертка осциллографа отключается) поступают колебания измеряемой частоты. Частоту f0 образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа наблюдалась простейшая устойчивая фигура, примерные виды которой при разных фазовых сдвигах показаны в таблице. Форма фигур Лиссажу зависит от отношения частот m/n и начальных фаз сравниваемых колебаний.

С оотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено как отношение числа точек пересечения фигуры Лиссажу т по вертикали к числу точек пересечения п по горизонтали. Например, как показано на риcунке справа, это отношение составляет:

Отсюда измеряемая частота определяется как: fx=f0/2.

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

Осциллографирование импульсных сигналов

При измерении импульсных сигналов особое значение имеет правильное определение вида и параметров фронтов импульса. Основными влияющими факторами на правильное воспроизведение импульсного сигнала являются:

• частотный диапазон канала вертикального отклонения ;

• переходная характеристика канала осциллографа.

Частотные свойства осциллографа отражаются параметрами его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) — зависимости размера изображения гармонического сигнала от его частоты. АЧХ характеризуют полосой пропускания, определяемой верхней граничной частоты fв, отсчитываемой по уровню 0,707 от значения АЧХ на низких частотах. Среди других параметров отметим рабочий диапазон АЧХ, в пределах которого ее неравномерность не превышает погрешности измерения напряжения для данного осциллографа. Этот параметр определяет частотные границы измерения амплитуд гармонических сигналов с заданной точностью.

К параметрам переходной характеристики, относят время нарастания ?но — интервал, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 от установившегося значения (уровня Um) переходной характеристики. Плоская часть переходной характеристики может быть с выбросом или с осцилляциями; в этих случаях используют дополнительные параметры: время установления ?уo, отсчитываемое от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляции до заданного уровня; выброс определяется параметром ?. Время нарастания — основной параметр канала вертикального отклонения Y осциллографа.

Для исследования кратковременных сигналов необходим осциллограф, имеющий время нарастания не более 0,3 от длительности сигнала.

Учитывая изложенное, можно рекомендовать верхнюю границу частотного диапазона определять по формуле:

При этом длительность фронта импульса следует уточнять согласно выражению:

где ?изм — измеренное значение длительности фронта; ?но — время нарастания фронта, определяемое по переходной характеристике осциллографа, должно быть не более 0,1… 0,3 от длительности сигнала.

От нижней граничной частоты Fн зависит величина скоса ?Um вершины импульса. Эта граничная частота может быть определена из формулы:

где ?и — допустимая относительная величина спада вершины импульса:

Статьи к прочтению:

Как пользоваться осциллографом

Похожие статьи:

Одним из основных качеств тренировочного процесса является его направленность к максимальному результату. Это, безусловно, определяется соревновательным…

Срок совершения исходного события принимается за нуль и, следуя логике сети и заданным оценкам времени работ, производится расчет сети слева направо, от…

Что такое осциллограф, как с ним работать для измерения тока и частоты

При ремонте или наладке радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры нередко возникает необходимость определить наличие периодического сигнала, посмотреть его форму и с определенной точностью определить параметры. Все это можно сделать с помощью прибора, который не совсем правильно называется осциллографом ( слово «осцилло» на латыни означает качаться, а «графо» по-гречески — пишу, а точнее это устройство надо бы называть осциллоскопом, от греческого «скопео» — наблюдать).

Что может замерять осциллограф

Осциллограф позволяет посмотреть форму сигнала. Понять принцип его действия можно по механическому аналогу – над движущейся лентой совершает колебания мешочек с песком. Песочный след рисует линию, соответствующую форме колебаний.

«Механический осциллограф»

В электронном осциллографе роль движущейся ленты выполняет горизонтальная развертка, роль сыплющегося песка – электронный луч, рисующий на экране, покрытом люминофором. Развертка по горизонтали определяется временем хода луча, развёртка по вертикали – амплитудой напряжения, поданного на вход. На экран нанесены деления, масштаб которых устанавливается ручками на передней панели прибора:

• время на деление (TIME/DIV);
• вольт на деление (VOLT/DIV).

Вращением ручек можно «развернуть» изображение сигнала, который показывает осциллограф, таким образом, чтобы его было комфортно наблюдать и измерять.

Далее в качестве примеров будет приводиться работа с электронным осциллографом GOS-620FG.

Осциллограф GOS-620FG

В первую очередь, осциллографом можно измерить напряжение. Например, постоянное. Если на вход прибора подать подобный сигнал, прямой луч отклонится от нулевого положения на величину измеряемого напряжения (с учетом выбранного усиления ручкой вольт/дел).

Сдвиг луча от нулевого положения на 1,8 деления при подключении источника постоянного напряжения (батарейки с остаточным напряжением 9 вольт) при положении ручки усиления 5 вольт на деление

Можно увидеть и переменное напряжение – если брать его от сети (напрямую или через понижающий трансформатор) оно будет иметь форму синусоиды. Если брать сигнал от функционального генератора или от электронной схемы, его форма может быть различной.

В принципе, осциллографом можно измерить любую величину, если преобразовать ее в напряжение. Например, можно измерить ток в виде падения напряжения на шунтовом резисторе.

Основные понятия

Чтобы научиться проводить измерения с помощью осциллографа, надо четко понимать, что представляют собой величины, характеризующие периодическую функцию.

Частота сигнала

Если сигнал периодический, это означает, что он через определенное время повторяется. Это время называется периодом, он обозначается буквой T и его длительность измеряется в секундах (микросекундах, миллисекундах и т.д.).

Более строгая формулировка – периодом называется время одного полного колебания.

Один период синусоиды

Зная период, легко посчитать частоту. Зависимость выглядит, как f =1/T.

Здесь время в секундах, частота – в герцах.

Амплитуда сигнала

Амплитудой (A) называется максимальное отклонение изменяющейся величины от среднего значения. В радиотехнике и электротехнике амплитудой называют наибольшее отклонение напряжения от нулевого значения (линия 1 на рисунке).

Существует и другая величина, оценивающая наибольшее отклонение от нуля, она называется размахом (в зарубежной технической литературе – peak-to-peak, «от пика до пика», Vpp). Эта величина равна разнице между наибольшим и наименьшим значением сигнала.

Амплитуда (1) и размах (2) двуполярной синусоиды

У однополярных сигналов без постоянной составляющей амплитуда в общем случае равна размаху. Это верно, например, для однополярного напряжения прямоугольной формы.

В данном случае A=Vpp

Форма сигнала

При разработке, налаживании и ремонте электронных схем можно встретить самые разнообразные формы сигналов. Наиболее простые и распространённые среди них:

• синусоидальный;
• треугольный;
• прямоугольный.

Эти сигналы можно получить от многих функциональных генераторов, которые имеются в лабораториях.

Три распространенные формы сигнала и их отображение на экране осциллографа

По мере прохождения сигнала по схеме, его форма может модифицироваться (намеренно) или искажаться (нештатно). Посредством осциллографа можно контролировать эти явления.

Фаза сигнала

Точки с различной фазой

Под фазой в радиотехнике и электротехнике понимают местоположение точки периодического сигнала в пределах одного периода колебаний.

1. Период можно измерять в радианах, тогда полный период составит 2π. Фаза первой точки будет равна 0, второй π/2, третьей — 3π/2, четвертой — 2π.
2. Можно измерять период в градусах, тогда полный период составит 180 градусов, точка 1 – 0 градусов, точка 2 – 45 градусов, точка 3 – 135 градусов, а точка 4 – 180.
3. Можно измерять фазу в относительных единицах (долях периода). Тогда точка 0 имеет фазу 0, точка 2 – T/4, точка 3 – 3/4Т, точка 4 – Т.

Часто фазой сигнала называют его начальную фазу (колебание начинается не с нулевой точки) или сдвиг фаз между двумя периодическими сигналами.

Работа с осциллографом

От правильного выбора режима осциллографа зависит точность измерения. Да и удобство работы тоже.

Подготовка

После включения осциллографа надо:

• отрегулировать яркость свечения до комфортной (ручкой INTEN);
• сфокусировать луч (FOCUS) до минимальной ширины дорожки;
• установить дорожку на нулевое деление ручкой POSITION.

После этого можно приступать к дальнейшему выбору режима работы.

Удобнее всего выполнять эти операции, поставив переключатель входа в позицию GND.

Расфокусированный (слева) и правильно настроенный лучи

Настройка усиления

Сигнал комфортно наблюдать и считывать его параметры, если он занимает по размаху большую (но не всю) часть экрана. Например, на экран осциллографа GOS-620FG нанесено 8 делений по вертикали (по 4 вверх и вниз от нуля). Удобно, чтобы сигнал от пика до пика занимал 6 делений. Значит, если ожидается наблюдение сигнала размахом в 1 вольт, надо, чтобы на 1 деление приходилось 1/6=0,16 вольта. Выбирается усиление 0,2 вольта на деление.

Наблюдение сигнала с размахом немного более 1 вольта от пика до пика при выборе предела 0,2 вольта на деление

Если фактический сигнал будет больше или меньше ожидаемого, или удобнее изменить масштаб в большую или меньшую сторону, можно изменить предел измерения непосредственно во время наблюдения.

Выбор режима

В первую очередь надо выбрать режим синхронизации. От этого будет зависеть, насколько получится «остановить» наблюдаемый сигнал для измерения и анализа. Несинхронизированный сигнал будет «бежать» по экрану или сливаться в одну дорожку. В рассматриваемом приборе органы управления синхронизацией расположены в зоне Trigger.

Зона органов управления синхронизацией

В первую очередь надо выбрать режим синхронизации переключателем Mode:

• auto – генератор развертки работает постоянно в автоматическом режиме;
• norm – ждущий режим, развертка запускается при появлении на входе сигнала достаточной амплитуды ( регулируется ручкой Level);
• режимы TV-V и TV-H – синхронизация импульсом вертикальной или горизонтальной синхронизации ТВ-сигнала (используется при работе с видеоаппаратурой).

Чтобы посмотреть сигнал неизвестной заранее амплитуды, лучше выбрать автоматический режим.

Ручкой Source надо выбрать источник синхронизирующего сигнала:

• CH1, CH2 – сигнал, подаваемый на соответствующий вход (у данного осциллографа их два);
• line – синхронизация от сети 220 вольт;
• ext – синхронизация внешним сигналом.

В самом простом случае выбирается тот же вход, на который подается исследуемый сигнал (CH1 в приведенном примере). Картинка «останавливается» вращением ручки level.

Далее надо выбрать режим работы входа. Он может быть:

• открытым (DC, пропускает как переменное, так и постоянное напряжение);
• закрытым (AC, пропускает только переменное напряжение);
• GND – соединен с общим проводом и не пропускает ничего.

С одной стороны, бывает необходимо посмотреть обе составляющие сигнала. С другой это не всегда удобно.

Фрагмент схемы усилительного каскада

Например, имеется схема каскада, показанного на рисунке, и надо посмотреть сигнал в точке, указанной зеленой стрелкой. В ней уровень постоянного напряжения составляет 4..5 вольт, а переменное может быть, к примеру, 0,1 вольт. Уместить на одном экране оба уровня не получится – переменная часть «съедет» к краю дисплея или уйдет за его пределы. Поэтому в данном случае переменную составляющую сигнала лучше рассматривать в режиме закрытого входа (AC).

Смешанный (AC+DС) сигнал в режиме открытого (слева) и закрытого входа

Подключение к источнику сигнала

При подключении к источнику сигнала надо осознавать, что осциллограф имеет собственное входное сопротивление и входную ёмкость. Обычно эти параметры указаны рядом с входным разъемом прибора.

У этого осциллографа входное сопротивление равно 1 МОм, входная емкость – 25 пФ

Кроме того, свою емкость имеет и шнур со щупами. Эта емкость подключается параллельно входной емкости входа осциллографа и суммируется с ней. Она невелика, всего несколько десятков пикофарад, но при работе с высокочастотными цепями это может иметь значение. Обе эти величины могут внести искажения и, в определенных случаях, сделать измерение менее точным (а иногда и полностью исказить результат).

Если анализ показывает, что измерения с обычным кабелем могут быть неточными, придется применить щуп с делителем. Он снижает амплитуду сигнала в 10 раз, но при этом уменьшает входную емкость и увеличивает входное сопротивление. Типовые параметры для распространенных щупов с делителем указаны в таблице (для разных изделий могут различаться).

Работа с измерительными линейками

Дисплей осциллографа содержит:

• горизонтальную линейку из 8 делений для измерения времени;
• вертикальную линейку из 8 делений для измерения напряжения.

Деления линеек пересекаются, образуя измерительную сетку. Для более точных замеров каждое большое деление разбито еще на 5 малых, но малые деления сетки не образуют. Цена каждого большого деления (а вслед за ним – и малого зависит от положения переключателей.

Сетка из вертикальных и горизонтальных делений

Переключатели вольт на деление (VOLT/DIV) задают значение большого вертикального деления. Данная модель осциллографа позволяет выбирать значение масштабирования от 5 мВ (0,005 вольт) до 5 вольт на 1 деление. На самом грубом пределе на экран умещается снизу до верху 5 х 8 =40 вольт, на самом чувствительном – 40 милливольт. В первом случае малое деление имеет значение 0,1 мВ, а во втором – 1 вольт.

Переключатели вольт на деление для каждого канала

Эта модель осциллографа является двухлучевой (двухканальной), масштаб напряжений можно установить раздельно для каждого входа.

Ручка цены деления горизонтальной сетки

Примеры измерения параметров электрических сигналов

В качестве примера можно рассмотреть синусоидальный сигнал неизвестной амплитуды и частоты, поданный с функционального генератора. Для работы выбирается канал 1 в закрытом режиме и автоматический режим синхронизации по этому же каналу.

После установки удобного для наблюдения усиления (ручка VOLT/DIV) в положении 0,5V) и синхронизации сигнала ручкой Level изображение сигнала растянуто ручкой TIME/DIV (положение 0,1 mS).

Синусоидальный сигнал в удобном для анализа виде

Амплитуда сигнала составляет 1,7 большого деления (размах от пика до пика – 3,4 большого деления). Значит, при выбранном усилении амплитуда составит 1,7 х 0,5=0,85 вольт (Vpp=1,7 вольт).

Длительность одного периода колебаний составит 4,4 большого деления. Значит, период длится T=4,4 х 0,1 мс=0,44 мс=0,00044 секунды. Следовательно, частота сигнала составляет f=1/T=1/0,00044=2272,7 Герц или около 2,27 кГц.

В другом положении ручки TIME/DIV (0,2 mS) сигнал на экране «сожмется» вдове по горизонтали. Длительность периода составит 2,2 деления, но все те же 0,44 мс.

Другое отображение того же сигнала

Точно измерить частоту с помощью осциллографа не получится (если у него нет встроенного частотомера), поэтому к полученной цифре надо относиться, как к оценочной.

В обзоре описаны только базовые приемы работы с осциллографом. По мере накопления знаний и навыков можно выполнять более сложные измерения. Значительно расширяют возможности этого прибора дополнительные блоки (приставки), которые можно сделать самостоятельно или приобрести в специализированных магазинах. Так, генератор качающейся частоты позволяет осциллографу измерять АЧХ различных устройств, а блок с шунтовым резистором – измерять токи.

Еще больше возможностей дает пользователю применение цифровых осциллографов. Они дают возможность более точных замеров, хранения данных, их можно подключать к компьютеру, что позволяет использовать ресурсы, недоступные аналоговому устройству.

Следует лишь помнить, что сигнал в таком осциллографе выдается на дисплей после обработки, поэтому форма его может не полностью соответствовать реальной.

Тем не менее, первые навыки лучше получать на аналоговом приборе. Лишь после есть смысл переходить к более сложным измерительным устройствам.

Базовые измерительные приборы. Осциллограф: «рисующий сигнал»

Мы живем в технологической цивилизации. Люди создали вторую природу – мир механизмов, сложнейших машин, радиоэлектронных устройств, которые используют практически весь известный диапазон электромагнитных излучений. Но человеческие органы зрения способны воспринимать только видимый свет. 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 аудио- и видеотрактов аппаратуры.

Для визуализации сигналов используются приборы, которые называются осциллографами, однако определение формы сигналов возможно не только во временной области, но и в частотной. Задачу воспроизведения сигнала в частотной области решают анализаторы спектра и измерители амплитудно-частотных характеристик, о которых будет рассказано в заключительной части этой брошюры.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

В настоящее время одним из наиболее распространенных радиоизмерительных 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 миллиардные доли секунды. По изображению на экране осциллографа можно определить амплитуду рассматриваемого сигнала и длительность любого его участка. С помощью осциллографа можно измерять частоту, фазу и коэффициент модуляции сигнала, 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 (газоразрядные, 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 300… 500 МГц и более.

Универсальные осциллографы разделяют на две группы: приборы моноблочной конструкции и приборы со сменными блоками.

Моноблочные осциллографы общего назначения – наиболее распространенный тип осциллографов.

Осциллографы со сменными блоками отличаются многофункциональностью, достигаемой за счет применения сменных блоков различного назначения.

Скоростные и стробоскопические осциллографы применяются для исследования переходных процессов в быстродействующих полупроводниковых приборах, интегральных микросхемах и переключающих элементах.

Запоминающие осциллографы могут сохранять и воспроизводить изображение сигнала в течение длительного времени после исчезновения его на входе. Основное назначение этих приборов – исследование однократных и редко повторяющихся процессов.

Осциллографы специального назначения предназначены для исследования телевизионных сигналов, они позволяют не только исследовать любую часть телевизионного сигнала с высокой временной стабильностью, но и передавать его в цифровом виде на компьютер для дальнейшей обработки.

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 развертки создает 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 – 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 синхронизации усиливает 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.

ЦИФРОВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Рис. 3. Цифровой осциллограф

Цифровой осциллограф позволяет одновременно наблюдать на экране сигнал и получать численные значения ряда его параметров с большей точностью, чем это возможно путем считывания количественных величин непосредственно с экрана обычного осциллографа. Это возможно потому, что параметры сигнала измеряются непосредственно на входе цифрового осциллографа, тогда как сигнал, прошедший через канал вертикального отклонения, может быть измерен с существенными ошибками. Эти ошибки могут достигать 10%.

Параметрами, измеряемыми современными цифровыми осциллографами, являются: амплитуда сигнала, его частота или длительность. На экране осциллографа, помимо собственно осциллограмм, отображается состояние органов управления (чувствительность, длительность развертки и т. п.). Предусмотрен вывод информации с осциллографа на печать и другие функциональные возможности. Однако этим не ограничиваются возможности цифровых осциллографов. Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессорами позволяет определять действующее значение напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране преобразования Фурье для любого вида сигнала.

В устройствах цифровых осциллографов осуществляется полная цифровая обработка сигнала, поэтому в них, как правило, используется отображение на новейших индикаторных панелях.

В современных цифровых осциллографах автоматически устанавливаются оптимальные размеры изображения на экране трубки.

Функциональная схема цифрового осциллографа (рис. 4) содержит аттенюатор входного сигнала; усилители вертикального и горизонтального отклонения; измерители амплитуды и временных интервалов; интерфейсы сигнала и измерителей; микропроцессорный контроллер; генератор развертки; схему синхронизации и электронно-лучевую трубку.

Цифровые осциллографы обеспечивают автоматическую установку размеров изображения, автоматическую синхронизацию, разностные измерения между двумя метками, автоматическое измерение размаха, максимума и минимума амплитуды сигналов, периода, длительности, паузы, фронта и спада импульсов и пр.

Амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала определяются с помощью встроенных в прибор измерителей. На основании данных измерений микропроцессорный контроллер производит вычисление требуемых коэффициентов отклонения и развертки и через интерфейс устанавливает эти коэффициенты в аппаратной части каналов вертикального и горизонтального отклонения. Это обеспечивает неизменные размеры изображения по вертикали и горизонтали, а также автоматическую синхронизацию сигнала.

Микропроцессорный контроллер также опрашивает положение органов управления на передней панели, и данные опроса после кодирования снова поступают в контроллер, который через интерфейс включает соответствующий режим автоматического измерения. Результаты измерений индицируются на экране трубки, причем амплитудные и временные параметры сигнала отображаются одновременно.

Рис. 4. Функциональная схема цифрового осциллографа

ПОРТАТИВНЫЕ МУЛЬТИМЕТРЫ-ОСЦИЛЛОГРАФЫ

В последнее время на рынке контрольно-измерительных приборов появилась новая и довольно оригинальная их разновидность: портативные цифровые мультиметры-осциллографы.

Эти малогабаритные и сравнительно недорогие приборы сочетают в себе функцию мультиметра, позволяющего измерять параметры напряжений, токов и сопротивлений, измерять емкости, индуктивности, параметры транзисторов и диодов, и простого осциллографа.

Наиболее распространены на российском рынке мультиметры-осциллографы фирм BEETECH (рис. 5), Velleman, METEX и Tektronix.

Рис. 5. Мультиметр-осциллограф BEETECH 70

Рис. 6. Портативный персональный осциллограф Velleman HPS10

Осциллограф Velleman HPS10 (рис. 6) не обладает функциями мультиметра, но зато это полноценный осциллограф с полосой пропускания 2 МГц и частотой квантования АЦП 10 МГЦ. Прибор имеет высокую чувствительность – от 5 мВ на 12 делений, а диапазон разверток находится в пределах от 200 нс до 1 часа (!) на 32 деления. Прибор может работать от сети через адаптер или от встроенных аккумуляторов, которых хватает на 20 часов работы. Прибор имеет ЖК-дисплей с разрешением 128 х 64 точки. Такой осциллограф позволяет просматривать даже телевизионный сигнал (правда, довольно грубо).

Портативные осциллографы часто поставляются в пластиковых чемоданчиках, в которых кроме самого прибора находятся переходники, щупы, адаптер питания и руководство по эксплуатации.

В большинстве случаев такого прибора вполне достаточно для проведения измерений сигналов при выполнении инсталляций.

РАБОТА С ОСЦИЛЛОГРАФОМ

Современные осциллографы предоставляют богатый набор инструментов для исследования формы сигналов и измерения их параметров.

Проще всего работать с низкочастотными сигналами, например, с сигналами звукового диапазона частот (рис. 7), исследование высокочастотных сигналов и сигналов сложной формы (рис. 8) требует дополнительных навыков.

Рис. 7. Сигнал звуковой частоты на экране цифрового осциллографа

Специализированные телевизионные осциллографы имеют схемы развертки, позволяющие выделить из телевизионного сигнала любой кадр и любую строку, а вот при работе с осциллографами общего назначения нужно выбирать, какими импульсами синхронизации запускать развертку – кадровыми или строчными. Некоторые осциллографы имеют на переключателе режима развертки позиции TV-V и TV-H (запуск кадровыми и строчными синхроимпульсами соответственно). Если таких режимов нет, то для просмотра одного кадра нужно установить скорость развертки в положение 2 мс/дел, а для просмотра одной строки – 10 мкс/дел. Обычно запуск развертки телевизионным сигналом осуществляется при отрицательной полярности импульсов запуска.

При работе с осциллографом важно правильно выбрать режим запуска синхронизации развертки. Чаще всего выбирают режим запуска исследуемым сигналом, т.н. внутреннюю синхронизацию (в двухканальных осциллографах эти режимы называются CH1 и CH2). Если исследуемая аппаратура использует внешние сигналы синхронизации, то логично использовать их для запуска развертки осциллографа. Этот вид синхронизации называется внешней и обычно обозначается EXT. Если исследуются электротехнические устройства, то полезной может оказаться синхронизация от сети – LINE.

Удобный масштаб изображения устанавливается переключателем V/дел.

Рис. 8. Телевизионные сигналы на экране цифрового осциллографа

Двухканальный осциллограф позволяет, как показано на рис. 8, одновременно просматривать различные компоненты телевизионного сигнала.

Рис. 9. Гасящий импульс

Рис. 10. Сигнал цветовой синхронизации

Меняя скорость развертки и значение V/дел можно исследовать общий вид сложного сигнала или «растянуть» отдельный его фрагмент. На рис. 9 показана одна строка телевизионного сигнала, а на рис. 10 – «растянутый» сигнал цветовой синхронизации.

Рис. 11. Измерение длительности

Очень часто при работе с осциллографами возникает необходимость в измерении параметров исследуемых сигналов. Аналоговые осциллографы менее удобны. Для того чтобы определить амплитуду или длительность сигнала, нужно подсчитать, сколько клеток по вертикали или по горизонтали занимает исследуемый сигнал, а затем умножить количество клеток на цену деления переключателя В/дел или Время/дел. Например, если сигнал по вертикали занимает 3,5 клетки, а переключатель В/дел установлен в положение 100 мВ, то амплитуда сигнала составит 350 мВ. Точность такого метода невелика.

Цифровые осциллографы гораздо удобнее. Например, для того чтобы измерить амплитуду импульса на осциллограмме рис. 9, нужно включить режим измерения напряжений, затем подвести курсор 1 к вершине импульса, а курсор 2 – к его основанию. Осциллограф автоматически измерит напряжение, и в правой части экрана появится надпись: Delta – 296 mV.

Аналогично производится измерение длительностей, только в этом режиме курсоры имеют вид вертикальных линий (рис. 11).

На периферии экранов цифровых осциллографов (рис. 7-11) выводится разнообразная служебная информация, позволяющая, не глядя на органы управления прибором, определить, в каком положении находится переключатели В/дел, Время/дел, режимы синхронизации, ознакомиться с отсчетами напряжений, длительностей и пр.

Интерфейсы современных цифровых осциллографов у разных производителей различаются, поэтому перед началом работы следует внимательно изучить Руководство пользователя.

СОВЕТЫ ПО РАБОТЕ С ОСЦИЛЛОГРАФОМ

• Основным режимом измерений должен быть режим • с закрытым входом (см. рис. 2). Это защитит цепи прибора от повреждения неожиданно высоким напряжением;
• Перед началом измерений поставьте переключатель В/дел на самый «грубый» предел, последовательно увеличивая усиление, добейтесь нужного размера изображения на экране;
• Пользуйтесь штатными щупами и пробниками осциллографа, это повышает точность измерений и снижает риск повреждения прибора;
• Если изображение на экране осциллографа имеет достаточную амплитуду, но рассмотреть его не удается, скорее всего, неверно выбрано положение переключателя Время/дел. Меняя его положение, добейтесь наиболее устойчивого изображения, затем выберите элемент сигнала, по которому будет осуществляться синхронизация с помощью ручки Амплитуда синхронизации. При необходимости измените полярность сигнала синхронизации и вид синхронизации.

КАК ВЫБРАТЬ ОСЦИЛЛОГРАФ?

Осциллограф – это сложный и дорогостоящий прибор, на рынке присутствуют сотни моделей – от самых простых и бюджетных до чрезвычайно дорогих, специализированных и прецизионных приборов. Как сделать правильный выбор и приобрести именно тот осциллограф, который окажется вам полезным при настройке аудио- видеооборудования? В этой главе мы дадим вам несколько советов.

Прежде чем приступить к выбору осциллографа, нужно четко понять, какие задачи предстоит решать с его помощью. При этом необходимо помнить и о перспективах, поскольку осциллограф приобретается не на один год и не для выполнения одной-единственной работы.

1. Какой осциллограф выбрать: аналоговый или цифровой?

Аналоговые осциллографы дают возможность непрерывно наблюдать аналоговый сигнал в реальном масштабе времени, имеют простые, понятные органы управления и невысокую стоимость. Вместе с тем аналоговые осциллографы имеют низкую точность по сравнению с цифровыми, на малых скоростях развертки для них характерно мерцание.

Цифровые осциллографы позволяют «замораживать» картинку на экране, имеют высокую точность измерений, яркое, хорошо сфокусированное изображение сигнала на любой скорости развертки, однако они стоят значительно дороже, сложны в управлении и в отдельных случаях неправильно отображают сигнал.

Неоспоримыми преимуществами цифровых осциллографов также являются возможности измерения напряжений и длительностей сигнала «на лету», а также возможность подключения к внешним регистрирующим устройствам, наличие средств автодиагностики и автокалибровки.

2. Определите необходимую полосу пропускания

Одной из основных характеристик осциллографа, влияющих на выбор прибора, является полоса пропускания, которая зависит от того, какие сигналы и с какой точностью необходимо измерять.

Имейте в виду, что цифровые осциллографы имеют два принципиально разных значения полосы пропускания: полоса для повторяющихся сигналов (или аналоговая) и полоса для однократных сигналов. Большинство реальных сигналов содержит множество высокочастотных гармоник, поэтому широкополосные осциллографы отображают такие сигналы более точно.

При проведении точных измерений временных характеристик величина полосы пропускания осциллографа должна как минимум в три раза превышать значение первой гармоники наиболее высокочастотного из измеряемых сигналов. А для точных измерений амплитуды желательно, чтобы полоса пропускания осциллографа была в десять раз больше, чем частота измеряемого сигнала.

Полоса пропускания аналоговых осциллографов редко превышает 400 МГц., в то время как цифровые осциллографы могут иметь полосу до 50 ГГц.

3. Определите необходимое количество каналов

Наибольшей популярностью пользуются двухканальные осциллографы, однако в последнее время все большее распространение получают четырехканальные модели, поскольку удельная стоимость канала у них меньше, чем у двухканальных моделей, а возможности существенно шире. Однако управлять таким прибором может быть непросто.

Некоторые осциллографы имеют 2 полных канала и 2 дополнительных канала с ограниченным диапазоном чувствительности. В этом случае в осциллографе имеются только 2 аналого-цифровых преобразователя (АЦП), входы которых коммутируются на 4 канала.

4. Определите необходимую частоту дискретизации (для цифровых осциллографов)

Для задач, связанных с изменением однократных или переходных процессов, частота дискретизации имеет первостепенное значение. Параметр «частота дискретизации» обозначает скорость, с которой осциллограф может оцифровывать входной сигнал. Более высокая частота дискретизации определяет более широкую полосу пропускания для однократных сигналов и дает большее временное разрешение.

Большинство производителей цифровых осциллографов используют отношение между частотой дискретизации и полосой для однократных сигналов на уровне 4:1 (если есть средства интерполяции) или 10:1 (без средств встроенной интерполяции) для предотвращения искажения сигнала.

5. Определите необходимый объем памяти (для цифровых осциллографов)

Требуемый объем памяти зависит от общей длительности сигнала, параметры которого необходимо исследовать, и желаемого разрешения по времени. Если исследуются сигналы в большом промежутке времени с большим разрешением, то потребуется большая память. Большой объем памяти позволит использовать более высокую частоту дискретизации на медленных скоростях развертки, уменьшая вероятность получения искаженного сигнала и обеспечивая получение большего объема информации о сигнале.

Следует иметь в виду, что увеличение объема памяти может привести к сильному замедлению работы осциллографа, поскольку ему потребуется обрабатывать больший массив данных.

6. Определите требуемые возможности по запуску прибора

Для большинства пользователей осциллографов общего назначения просто запуска по фронту (перепаду) сигнала часто бывает недостаточно. Для решения многих задач бывает также полезно иметь дополнительные возможности по запуску, позволяющие обнаружить события, которые иначе очень трудно отследить. Возможность запуска по телевизионному сигналу позволяет настроить прибор на определенное поле или строку.

7. Определите требуемые возможности по обнаружению импульсных помех

В принципе, любой аналоговый осциллограф всегда способен отобразить импульсные помехи и джиттер. Вопрос состоит лишь в том, достаточно ли скорости нарастания в канале вертикального отклонения (в конечном счете – полосы пропускания) и яркости осциллограммы для исследования этих процессов. Осциллографы с возможностями запуска по импульсной помехе позволяют выделять трудно обнаруживаемые импульсные помехи и производить по ним запуск осциллографа. Эта дополнительная возможность очень полезна при поиске причины ненормальной работы исследуемой схемы.

8. Дополнительные возможности

Многие современные цифровые осциллографы могут выполнять функцию анализатора спектра, однако в области звуковых частот она реализована, как правило, плохо.

Большинство цифровых и аналого-цифровых осциллографов могут взаимодействовать с персональным компьютером, принтером или плоттером через интерфейсы GPIB, RS-232 или Centronics. В последние годы все чаще используется интерфейс USB.

Многие современные цифровые осциллографы оснащены дисководами или разъемами для флэш-памяти, которые позволяют сохранять изображения экрана с осциллограммами (в различных форматах) и результаты измерений в числовом виде, а затем быстро перенести их в компьютер для дальнейшей обработки. Эти возможности позволяют сэкономить время, когда, например, требуется вставить изображение с экрана осциллографа в отчет или скопировать данные сигналов электронную таблицу.

9. Оцените удобство работы с прибором

Попробуйте поработать с прибором, оцените, насколько он прост в работе, возможно ли интуитивное управление прибором в то время, когда основное внимание уделяется исследуемой схеме? Оцените скорость реакции экрана, а также время, которое затрачивает осциллограф на выполнение команд. Есть ли у прибора память команд?

ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

При контроле технического состояния радиоэлектронной аппаратуры важное место занимает измерение амплитудно-частотных характеристик различных ее узлов.

При снятии амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) приборов или их узлов удобно представлять их в виде четырехполюсника. Тогда АЧХ – это зависимость модуля (абсолютного значения) коэффициента передачи четырехполюсника от частоты сигнала.

Коэффициент передачи – это отношение мощности или напряжения на выходе четырехполюсника к мощности или напряжению на его входе.

Если выходное напряжение меньше входного, при прохождении сигнала через четырехполюсник происходит ослабление сигнала. Такой четырехполюсник называется пассивным (пример – пассивный электрический фильтр), а коэффициент передачи является коэффициентом ослабления.

При выходном напряжении больше входного происходит усиление сигнала, и коэффициент передачи является коэффициентом усиления. Четырехполюсник в этом случае называется активным (пример – усилитель сигналов звуковых частот).

Значение коэффициента передачи четырехполюсника и значение частоты сигнала, на которой проводилось его определение, образуют точку в системе координат, а совокупность таких точек образуют кривую АЧХ в требуемом диапазоне частот. На рис. 12 в качестве примера приведена АЧХ антенного усилителя, работающего в диапазоне телевизионного вещания.

Рис. 12. АЧХ антенного усилителя

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Измерение параметров амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников проводится с помощью генератора качающейся частоты (ГКЧ) и индикаторного устройства.

Частота генератора плавно изменяется по определенному закону в требуемой полосе частот, а на индикаторе осциллографического типа воспроизводится кривая АЧХ.

Структурная схема простейшего автоматического измерителя АЧХ приведена на рис. 13.

Рис. 13. Структурная схема автоматического измерителя АЧХ

Сигнал с ГКЧ подается на вход исследуемого четырехполюсника. Из-за наличия у этого четырехполюсника зависимости модуля коэффициента передачи от частоты сигнала на его выходе сигнал модулирован по амплитуде. Огибающая этого сигнала, выделенная на детекторной головке, входящей в состав индикаторного устройства, управляет отклонением луча индикатора по вертикали, рисуя кривую АЧХ.

Управление частотой ГКЧ и отклонением луча индикатора по горизонтали осуществляется блоком модулирующего напряжения, одновременно синхронизирующим работу этих двух узлов.

В измерителе АЧХ, построенном по такой структурной схеме, горизонтальное положение луча на экране индикатора соответствует частоте на входе исследуемого четырехполюсника, а вертикальное – значению модуля коэффициента передачи на этой частоте. Таким образом, на экране автоматически вычерчивается кривая АЧХ исследуемого четырехполюсника.

Блок автоматической регулировки амплитуды служит для обеспечения постоянства уровня выходного сигнала во всем диапазоне качания частоты.

Часть сигнала с ГКЧ подается на блок частотных меток, в котором вырабатывается целый спектр калибровочных частот в пределах рабочего диапазона ГКЧ. В момент совпадения частоты ГКЧ с любой из этих частот образуются сигналы, которые подаются в индикаторный блок и наблюдаются на экране в виде амплитудных меток.

Для калиброванного изменения выходного напряжения ГКЧ служит аттенюатор.

В зависимости от ширины полосы качания приборы подразделяются на узкополосные, среднеполосные, широкополосные и комбинированные. Узкополосные измерители АЧХ обеспечивают полосу качания, составляющую доли и единицы процента центральной частоты, а широкополосные – полосу качания, составляющую полный диапазон частот прибора. Комбинированные совмещают в себе функции как узкополосных, так и широкополосных приборов.

Измерители АЧХ могут иметь линейный и логарифмический масштаб по амплитуде.

Наиболее широкое применение находят универсальные измерители АЧХ, позволяющие решать широкий круг измерительных задач. На рис. 14 показан измеритель АЧХ Х1-50 отечественного производства, который применяется при настройке и испытании телевизионной техники. Наличие в его составе встроенного генератора сетчатого поля позволяет осуществлять проверку линейности телевизионного изображения, а с помощью внешнего измерительного моста – проверку согласования антенных выводов.

Рис. 14. Измеритель АЧХ Х1-50

СОВЕТЫ ПО РАБОТЕ С ИЗМЕРИТЕЛЯМИ АЧХ

• Важную роль играет согласование выхода прибора с нагрузочным сопротивлением. Если на частотах до десятков мегагерц рассогласование приводит лишь к уменьшению уровня выходного сигнала, то на более высоких частотах – к увеличению неравномерности выходного сигнала в полосе качания. Согласование входа исследуемого устройства возможно путем подключения на конце кабеля, соединяющего их с выходом измерителя АЧХ, сопротивления, близкого к волновому. Если исследуемый четырехполюсник имеет низкоомный вход с волновым сопротивлением, отличным от выходного сопротивления измерителя АЧХ, то его необходимо соединять с прибором через согласующее устройство.
• При низкоомном выходе исследуемого устройства, например фильтра, телевизионного антенного усилителя, коаксиальной линии передачи, его следует подключать к входу индикаторного устройства через согласованную детекторную головку, а при отличии выходного сопротивления четырехполюсника от сопротивления нагрузки детекторной головки между ними необходимо устанавливать согласующее устройство.
• При исследовании АЧХ усилителей возможны искажения, вызванные их перегрузкой, в результате чего вершина кривой АЧХ будет выглядеть более плоской, чем на самом деле. В этом случае на вход усилителя нужно подавать сигнал с минимальным уровнем.
• При настройке многокаскадных устройств, например усилителей промежуточной частоты, видеоусилителей, когда необходимо просмотреть АЧХ каждого каскада в отдельности, используйте высокоомную детекторную головку из комплекта прибора.
• Если ваш измеритель АЧХ имеет двухканальный индикатор, можно настраивать АЧХ устройств, сравнивая их с эталонными. Для этого сигнал с выхода измерителя АЧХ подается одновременно на входы настраиваемого и эталонного устройств, а их выходы подключаются к отдельным каналам индикатора, усиление которых устанавливается одинаковым. Изменяя настройки устройства, добиваются совмещения его АЧХ с эталонной.
• Наряду с исследованием АЧХ четырехполюсников измерители АЧХ позволяют решать ряд других измерительных задач, таких как измерение добротности колебательного контура, крутизны АЧХ, полных сопротивлений и КСВ нагрузки, исследование кабелей.

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СПЕКТРА РАДИОСИГНАЛОВ

В практике работы со сложной современной радиоэлектронной аппаратурой визуальное наблюдение формы сигнала с помощью осциллографа иногда оказывается недостаточным. Более чувствительным и информативным является анализ спектральных характеристик сигналов. Особенно важным является знание спектрального состава сигналов в настоящее время, когда остро встает проблема электромагнитной сов