Контрольная работа: Приборы для радиоизмерения
Электроннолучевые осциллографы выполняются по самым разнообразным схемам, различающимся по компоновке и системе управления, степени универсальности и сложности.
Рисунок 3. Функциональная схема простейшего осциллографа.
На рисунке 3 представлена функциональная схема простейшего осциллографа, предназначенного для воспроизведения на экране кривых периодических колебаний, подводимых к входу У. Помимо блока питания и ЭЛТ, осциллограф содержит усилитель с несимметричным выходом и генератор непрерывной развертки . Усилитель вертикального отклонения (канала Y) обеспечивает возможность исследования слабых колебаний. Сильные входные сигналы ослабляются с помощью входного потенциометра R ; последний используется также для плавной регулировки размаха (по вертикали) наблюдаемой осциллограммы. Генератор непрерывной развертки вырабатывает напряжение пилообразной формы, которое периодически воздействует на отклоняющие пластины XI, Х2 и заставляет электронный луч перемещаться с постоянной скоростью в горизонтальном направлении, развертывая на экране во времени кривую напряжения, подводимого к пластинам Yl, Y2. Стабилизация частоты повторения пилообразного напряжения на требуемом уровне достигается воздействием на генератор синхронизирующего напряжения, в качестве которого может быть использован сам исследуемый сигнал, подводимый, например, от усилителя канала У. Если амплитуда пилообразного напряжения оказывается недостаточной для развертки изображения в пределах ширины экрана, то на выходе генератора включается широкополосный усилитель .
Большинство осциллографов широкого применения являются универсальными - они позволяют проводить исследование и измерение параметров как непрерывных периодических процессов, так и импульсных сигналов . Функциональная схема универсального осциллографа приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Функциональная схема универсального осциллографа.
Исследуемое напряжение подводится к входу Y, при необходимости ослабляется калиброванным входным делителем напряжения. Усилитель вертикального отклонения с плавно регулируемым коэффициентом усиления имеет симметричный выход на отклоняющие пластины Yl, Y2. Амплитуда входного сигнала может быть измерена посредством сравнения ее с известной амплитудой калибровочного сигнала частоты 50 Гц, выдаваемого калибратором амплитуды. Усилитель с симметричным выходом используется и в канале горизонтального отклонения X.
Основной особенностью универсального осциллографа является наличие в нем, помимо генератора непрерывной развертки (ЯР), генератора ждущей развертки (ЖР). Последний позволяет исследовать кратковременные импульсы со сравнительно низкой частотой повторения, которые при непрерывной развертке наблюдаются на экране в виде острых световых всплесков. Режим развертки определяется установкой переключателя ВЗ. Сигнал, используемый для синхронизации частоты генератора HP или запуска генератора ЖР, выбирается переключателем В1 и при необходимости может быть усилен. В режиме ЖР при каждом импульсе запускающего напряжения генератор выдает импульс пилообразного напряжения фиксированной амплитуды и длительности, обеспечивающий развертку импульсного сигнала, проходящего по каналу Y, на значительную часть ширины экрана.
2.1 Генераторы непрерывной развёртки
Генераторы непрерывной развертки являются источниками периодического пилообразного напряжения, регулируемого по частоте повторения в широком диапазоне, с которым должна быть согласована полоса пропускания усилителя вертикального отклонения. Например, если частота генератора может изменяться в пределах от 10 до 50 кГц, то на экране достаточно детально (с числом наблюдаемых периодов не более десяти) могут воспроизводиться кривые колебаний с основной частотой в диапазоне 10-500 кГц, гармонические составляющие которых занимают еще более обширную полосу частот. Амплитуда пилообразного напряжения должна обеспечивать отклонение светового пятна по горизонтали вдоль всего диаметра экрана.
Напряжение пилообразной формы создается в результате периодического процесса заряда-разряда конденсатора. Для автоматического управления этим процессом используются коммутирующие схемы, которые обычно представляют собой различные варианты несимметричных мультивибраторов или триггеров.
2.2 Синхронизация частоты генераторов непрерывной развертки
Рисунок 5 - Изображение формы сигнала на осциллографе.
Условие устойчивости наблюдаемого на экране изображения рисунка, первоначально удовлетворяемое регулировкой частоты fпл генератора развертки, с течением времени самопроизвольно нарушается вследствие неизбежных колебаний частот fу и fпл , обусловленных нестабильностью питающих напряжений, самопрогревом аппаратуры и другими факторами. В результате изображение на экране начинает перемещаться и приходится вновь регулировать частоту fпл . Чтобы избежать этого, частоту генератора развертки обычно синхронизируют с частотой исследуемого напряжения (или кратной ей частотой).
Сущность процесса синхронизации частот поясняется графиком на рисунке 5 - на экране трубки будет наблюдаться устойчивое изображение одного периода кривой исследуемых колебаний.
При увеличении напряжения синхронизации амплитуда пилообразного напряжения, а с ней и ширина линии развертки на экране уменьшаются. При чрезмерном синхронизирующем напряжении в отдельные моменты времени напряжение Uм может оказаться близким к напряжению Uн; это вызовет искажение формы кривой напряжения развертки, поскольку каждому периоду напряжения Uсин будут отвечать два или большее число импульсов пилообразного напряжения различных амплитуд и длительностей.
Если частота автоколебаний генератора в несколько раз меньше частоты /С) Ш, то имеет место синхронизация на субгармониках последней, принцип которой поясняется графиком на рисунке. При увеличении напряжения синхронизации не только уменьшается амплитуда пилообразного напряжения, но также возможно и понижение кратности синхронизации, т.е. отношение частот Uсин / Uпл может стать равным двум или даже единице. При малом напряжении Uсин амплитуда пилообразного напряжения и кратность синхронизации возрастают, однако синхронизация становится неустойчивой и при небольших колебаниях напряжения Uсин возможно скачкообразное изменение кратности синхронизации, а, следовательно, и числа наблюдаемых на экране периодов исследуемого напряжения.
Таким образом, синхронизирующее напряжение систематически в каждый его период или через фиксированное число N периодов прерывает процесс постепенного заряда или разряда времязадающего конденсатора на прямом участке формирования пилообразного напряжения, в результате чего автоматически поддерживается кратность частот Uсин и Uпл .
В различных генераторах оптимальное значение напряжения Uсин заключено в пределах от десятых долей вольта до десятков вольт.д.ля обеспечения устойчивой синхронизации в осциллографах предусматривают плавную регулировку напряжения Uсин , а иногда и возможность его усиления.
Осуществлять синхронизацию рекомендуется в следующем порядке . Сперва напряжение Uсин уменьшают входным потенциометром до минимума и регулировкой частоты генератора добиваются получения неподвижного изображения кривой процесса с требуемым числом периодов; затем частоту генератора немного понижают и, постепенно повышая напряжение синхронизации, добиваются устойчивости наблюдаемой кривой.
Помимо исследуемого сигнала, в качестве синхронизирующего можно использовать внешние сигналы, подводимые к зажимам "Внешняя синхронизация" или к входу канала X, а также напряжение сети частотой 50 Гц; последний вид синхронизации применяется, в частности, для выявления фона переменного тока, наложенного на исследуемые колебания.
В некоторых осциллографах пилообразное напряжение развертки выводится на зажим или гнездо передней панели и может быть использовано для синхронизации частоты внешних источников колебаний.
2.3 Генераторы ждущей развертки
Электроннолучевые осциллографы с генераторами непрерывной развертки непригодны для исследования кратковременных импульсов, длительность которых tи значительно меньше периода их повторения Тп ; на экране такие импульсы будут наблюдаться в виде узких вертикальных выбросов, форма которых неразличима - рисунок 6.
Рисунок 6 - Воспроизведение импульсов на экране с непрерывной и ждущей развертками.
Для исследования периодических процессов с большой скважностью, а также одиночных и непериодических импульсов в состав универсальных и импульсных осциллографов включают генераторы ждущей развертки . В отличие от генераторов непрерывной развертки, они могут неограниченное время находиться в заторможенном состоянии (режиме "ожидания"). Генераторы вырабатывают одиночные импульсы линейного пилообразного напряжения при каждом воздействии на них сигналов запуска; в качестве последних обычно используются исследуемые импульсы или внешние импульсные сигналы, синхронизированные по частоте повторения с исследуемыми. Пилообразные импульсы (с учетом их усиления) должны иметь амплитуду Uпл , обеспечивающую отклонение светового пятна вдоль всей ширины экрана, и длительность tпл , регулируемую в широких пределах. Обычно tпл устанавливается несколько большей длительности исследуемых импульсов tи . При этом благодаря большой скорости развертки кривая исследуемого импульса оказывается растянутой на большую часть ширины экрана, что позволяет детально исследовать её форму и измерить ряд параметров импульса (длительность, амплитуда и др.)
Любой генератор пилообразных колебаний, работающий в автоколебательном режиме, посредством некоторых изменений в его схеме, обычно небольших, может быть переведен в ждущий режим. Поэтому схемы генераторов непрерывной и ждущей разверток часто совмещаются.
Запуск генератора ждущей развертки должен производиться короткими импульсами с крутым фронтом. Поэтому исследуемые сигналы, используемые для запуска, иногда подвергаются нелинейным преобразованиям (дифференцированию, амплитудному ограничению и т.п.) с целью придания им требуемой формы и полярности. В некоторых генераторах предусматривается возможность запуска ждущей развертки импульсами любой полярности при использовании переключателя, позволяющего изменять точку приложения этих импульсов.
3. Электронно-счетный частотомер при измерении частоты СВЧ сигналов: схема, принцип действия, погрешности
Электронно-счетные частотомеры по своим возможностям являются универсальными приборами. Их основное назначение - измерение частоты непрерывных и импульсных колебаний, осуществляемое в широком частотном диапазоне (примерно от 10 Гц до 100 МГц) при погрешности измерений не более 0,0005%. Кроме того, они позволяют измерять периоды низкочастотных колебаний, длительности импульсов, отношения двух частот (периодов) и т.д.