Электронные аналоговые измерительные приборы

Электронные аналоговые измерительные приборы. Электронные аналоговые измерительные приборы и преобразователи представляют собой большую группу средств измерений, применяющихся для измерения всех электрических величин: силы тока, напряжения, активного сопротивления, емкости, частоты и фазы переменного тока и т.д. Применение электронных устройств в этих средствах измерений позволяет получить высокий уровень их метрологических характеристик: широкий диапазон измерений, малую потребляемую мощность от измеряемой цепи, высокую чувствительность и т.п. В настоящее время широкое распространение получили электронные аналоговые осциллографы, вольтметры, омметры, измерительные генераторы сигналов и др. В то же время они вытесняются цифровыми приборами соответствующего назначения, что объясняется относительной простотой преобразования измеряемых параметров в кодовый цифровой сигнал, высокой надежностью и малой погрешностью цифровых средств измерений. Электронно-лучевые осциллографы (далее — осциллографы) предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными для определения амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. В настоящее время выпускается большое разнообразие осциллографов, различающихся назначением, характеристиками и функциональными возможностями. По назначению и принципу действия принято различать универсальные, стробоскопические, запоминающие и специальные осциллографы. Универсальные (условная индексация в обозначении типономинала осциллографа, согласно советского ГОСТ — С1) — наиболее распространенная группа приборов. Они служат для исследования непрерывных и импульсных сигналов. Стробоскопические (С7) — используются для изучения скоротечных процессов нано- и микросекундной длительности (СВЧ диапазон). Запоминающие (С8) — применяются для детального исследования однократных, редко повторяющихся и периодических сигналов, изображения которых требуется запомнить в течение длительного времени. В аналоговых запоминающих устройствах для записи сигнала используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) специальной конструкции. В цифровых запоминающих осциллографах исследуемый сигнал преобразуется в цифровую форму, а затем записывается в блок памяти и может быть многократно воспроизведен на экране. Специальные (С9) — содержат специфические узлы (специальные усилители, преобразователи, вычислители и др.), необходимые для проведения конкретных измерений, например, в телевизионной аппаратуре. Большинство осциллографов реального времени построено по структурной схеме, приведенной на рис.8.1. Основным элементом конструкции является ЭЛТ, внутри которой формируется узкий пучок электронов — электронный луч. Источником электронов служит катод косвенного накала. Рисунок 8.1 ? Структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа. Эмиттируемые катодом электроны ускоряются, фокусируются и, попадая на слой люминофора на передней рабочей части экрана ЭЛТ, возбуждают его свечение в видимой части спектра. Для визуального наблюдения исследуемого сигнала экран трубки покрывают одним или несколькими слоями люминофора, состав которого определяет яркость, окраску свечения и продолжительность послесвечения экрана. Современное развитие техники люминесцентных покрытий предлагает люминофоры, позволяющие выбрать практически любой цвет свечения. Поверх люминофора часто наносят тончайший слой металла (алюминия), обеспечивающего светоотражающую способность и, таким образом, дополнительно повышающего яркость свечения экрана. Поскольку осциллограммы обычно рассматривают визуально, то целесообразно применять такой цвет, у которого энергетический максимум спектра по возможности совпадал с максимумом спектральной чувствительности глаза. Самым выгодным с этой точки зрения является экран с зеленым либо желтым свечением, несколько хуже человек воспринимает оранжевый, голубой и синий цвета. Для наблюдения однократных или периодических медленно протекающих процессов используют люминофоры с относительно большим временем послесвечения или запоминающие трубки специальной конструкции. Величиной скорости потока электронов луча (от этого зависит яркость свечения точки на экране), площадью его поперечного сечения в точке соприкосновения с люминофором (размеры светящейся точки) и отклонением луча от центра экрана можно управлять изменением напряжений на соответствующих электродах ЭЛТ. В электронно-лучевых осциллографах, как правило, применяют ЭЛТ с электростатическим отклонением луча. Для этого в ней непосредственно за ускоряющими анодами взаимно перпендикулярно располагают две пары пластин. Этим достигается перемещение луча по экрану в прямоугольной системе координат, что удобно и для управления лучом и при отсчете параметров исследуемой осциллограммы. Исходя из этого, напряжение, соответствующее измеряемой величине, обычно подают на вертикальные отклоняющие пластины — сигнальные (пластины расположены в двух горизонтальных параллельных плоскостях), а на другую пару пластин, временных, подают напряжение, которое равномерно перемещает луч в горизонтальном направлении (расположены в двух вертикальных параллельных плоскостях). Работа пластин характеризуется величиной линейного отклонения луча на экране в мм при приложении к ним отклоняющего напряжения 1 В. Эта величина называется чувствительностью пластин к отклонению. Поскольку пространственное расположение пар пластин в ЭЛТ различно, чувствительность к отклонению горизонтальных и вертикальных пластин различная. Поток электронов, испускаемый катодом ЭЛТ, обладает ничтожно малой инерционностью и поэтому мгновенно изменяет свое направление под действием электростатического поля отклоняющих пластин. Это свойство, в основном, и послужило причиной широкого применения электронно-лучевых осциллографов в качестве измерительных приборов. Напряжение на вертикальных отклоняющих пластинах, соответствующее мгновенному значению амплитуды входного сигнала («Вход Y»), формируется каналом вертикального отклонения. А на горизонтальные отклоняющие пластины подают импульсное напряжение специальной формы, которое смещает луч по экрану слева направо (с точки позиции наблюдателя), формируя ось времени. В результате луч на экране рисует кривую, воспроизводящую изменения исследуемого сигнала во времени. В зависимости от назначения и конструкции ЭЛТ, минимальная величина отклоняющего напряжения колеблется в пределах от 10 до 100 В. Поэтому при работе с меньшими напряжениями сигналов возникает необходимость в их усилении. В общих чертах усилитель вертикального отклонения должен удовлетворять следующим требованиям: — иметь достаточно большой коэффициент усиления; — обладать линейной АЧХ во всем рабочем диапазоне частот осциллографа; — не вносить заметных фазовых сдвигов гармонических составляющих сигнала; — изменения напряжения на вертикальных отклоняющих пластинах всегда должны быть пропорциональны изменениям напряжения входного сигнала. Полоса пропускания выходного усилителя должна превышать полосу пропускания тракта вертикального отклонения в 1,6. 1,7 раза. В осциллографах с полосой пропускания не более 10 МГц наиболее употребительной стала конструкция двух однотактных усилителей с соединенными цепями эмиттеров. Отрицательная обратная связь по току в эмиттерных цепях транзисторов позволяет уменьшить нелинейные искажения и корректировать частотную характеристику в области средних и высоких частот полосы пропускания. Современный уровень развития интегральной схемотехники позволяет строить усилители с полосой пропускания до нескольких сотен МГц. Одним из важнейших параметров усилителя вертикального отклонения является его чувствительность. Она соответствует минимальному значению коэффициента отклонения луча на экране: мВ/дел. Ограничение повышения чувствительности связано с уровнями внутренних шумов входных устройств (аттенюатор и входные узлы усилителя вертикального отклонения) и внешних наводок. Входной аттенюатор служит для регулирования амплитуды сигнала на экране осциллографа. Его выполняют по схеме частотно-компенсированного делителя. Для наблюдения переднего фронта коротких импульсов на выходе предусилителя включена линия задержки, которая обеспечивает задержку исследуемого сигнала на время, затрачиваемое генератором развертки на образование начала рабочего хода. Для удобного визуального наблюдения осциллограммы на экране к усилителю подсвета («Вход Z») подают специальные импульсы. Они обрабатываются усилителем-инвертором и подаются на модулятор ЭЛТ во время прямого хода, обеспечивая повышение яркости свечения луча в этот период развертки. Напряжение, необходимое для создания горизонтальной (временной) развертки, может поступать на пластины ЭЛТ либо от внутреннего генератора (генератор развертки), либо от внешних источников периодических колебаний через специальный разъем («Вход X»). Форма сигнала, используемого для создания горизонтальной развертки, может быть любой в зависимости от цели измерений. Однако для обеспечения равномерного перемещения луча по экрану необходимо, чтобы развертывающее напряжение изменялось линейно во времени. Характерный для осциллографов вид развертывающего напряжения представлен на рис.8.2: фп — прямой ход, интервал времени, за который луч пробегает всю рабочую часть экрана в горизонтальном направлении; фо — длительность обратного хода; фбл — длительность блокировки, интервал времени между моментом окончания обратного хода предыдущего периода и началом прямого хода следующего периода; Tр — период повторения импульсов; U0 — начальный уровень напряжения развертки; Um — амплитуда напряжения развертки. В большинстве конструкций осциллографов внутренний задающий генератор выполнен по схеме интегратора Миллера. Структурно такое звено представляет собой усилитель постоянного тока, охваченный глубокой отрицательной обратной связью через конденсатор. Если на вход интегратора подать прямоугольный импульс напряжения длительностью фи, то на выходе получим линейный пилообразный импульс практически той же длительности (рис.8.3). Неподвижное изображение исследуемого периодического процесса можно получить лишь в том случае, если частота развертывающего напряжения равна или в целое число раз меньше частоты исследуемого сигнала. Поскольку такое соотношение без специальных регулировок редко реализуется, изображение на экране при подаче сигнала равномерно перемещается вправо или влево («плывет»). Устойчивости и четкости изображения достигают регулировкой частоты развертки — синхронизируют два колебательных процесса. Для обеспечения синхронизации из канала вертикального отклонения на генератор развертки подают часть сигнала. Такая синхронизация называется внутренней. При внешней синхронизации сигнал подают в канал горизонтального отклонения непосредственно через разъем «Вход X». В осциллографах предусматривают еще один вариант синхронизации — от сети (точнее, от цепи переменного тока вторичной обмотки трансформатора питания с частотой сети и амплитудой 1 В). Такой вид синхронизации легко реализуется и необходим в работе по исследованию аппаратуры, в которой за основу длительностей периодических процессов выбраны частота сети и ее гармоники (магнитофоны, телевизоры, видеомагнитофоны и другие устройства). Различают три режима запуска развертки луча — автоколебательный, ждущий и однократный. В автоколебательном режиме задающий генератор развертывающего устройства работает постоянно и сигнал синхронизирующего импульса к нему поступает периодически. В этом случае очень важно соблюдение условия, при котором длительность прямого хода развертки больше времени периода исследуемого сигнала, иначе на экране будет воспроизводиться только часть осциллограммы сигнала. Режим ждущей развертки характеризуется тем, что импульс развертки вырабатывается в момент поступления исследуемого сигнала на генератор блока развертки. В режиме однократного запуска работа генератора развертки аналогична работе рассмотренных выше режимов. Однако после каждого цикла развертки последующие запускающие импульсы блокируются до тех пор, пока не будет нажата кнопка «Готов». Верхний предел частотного диапазона исследуемых колебаний определяется минимально возможной для данного типа осциллографа длительностью прямого хода фп. В осциллографах длительность прямого хода задают в виде коэффициентов развертки Kр = фп / l, где l — длина отрезка горизонтальной оси, соответствующая длительности фп. Численные значения коэффициентов указывают на лицевой панели прибора. Скорость развертки выбирают переключателем «ВРЕМЯ/дел» и переключателем, изменяющим коэффициент передачи усилителя горизонтального отклонения. В качестве примера рассмотрим техническую характеристику современного универсального осциллографа С1-127 компании БЕЛВАР (рис.8.4): Входное сопротивление, МОм…………………………….….…..….1. Коэффициент отклонения, В/дел………………………..…..10-3…5. Коэффициент развертки, мкс/дел…………………. 0,005…2105. Погрешность ……………………………..±3 % (5 мВ/дел…5 В/дел) ±4 % (1 мВ/дел…2 мВ/дел) Диапазон рабочих температур…………………….….-30…+50 0С. Потребляемая мощность……………………..50 В •А (сеть 220 В) 30 Вт (от источника постоянного тока 27 В) Размеры рабочей части экрана, мм……………….….……..60?80.