доц Ленцман В Л МЕТРОЛОГИЯ СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

доц. Ленцман В. Л МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ Осциллографические измерения 1

Осциллограф – прибор, предназначенный для наблюдения формы и измерения параметров электрических сигналов, в первую очередь мгновенных значений напряжения и интервалов времени. Сейчас выпускают осциллографы двух принципиально различных типов: • цифровые и • аналоговые. 2

Современному человеку значительно проще понять принцип работы цифрового осциллографа (ЦО), основными узлами которого являются: • быстродействующий аналогоцифровой преобразователь (АЦП) и • запоминающее устройство (ЗУ), содержимое которого в графической форме отображается на дисплее встроенного компьютера 3

Пробник - Усилитель входное устройство АЦП Дисплей ЗУ Процессор шина внешнего интерфейса 4

• Характеристики одного из лучших современных ЦО серии Infiniium 90000 фирмы Agilent Technologies: • быстродействие – 40 гигавыборок в секунду (для одного канала), • ширина полосы частот - 13 ГГц, • объем памяти ЗУ - 10 9 выборок, • число каналов – 4 (это позволяет одновременно регистрировать сигналы в различных точках исследуемых электронных схем). 5

Лицевая панель ЦО серии Infiniium 90000 Agilent Technologies 6

Однако такие ЦО достаточно дороги. Более дешевые приборы выполняют конструктивно в виде отдельного небольшого модуля, подключаемого к компьютеру общего применения через интерфейс USB 7

Упрощенная структурная схема блока цифрового осциллографа с интерфейсом USB u(t) Аттенюатор Пробник и усилитель АЦП Шина внутреннего интерфейса ЦО Опорный генератор и таймер Процессор Интерфейс USB Компьютер общего применения 8

Внешний вид модуля цифрового осциллографа типа U 2701 A фирмы Agilent, подключенного к ноутбуку через интерфейс USB. 9

• Характеристики модульного ЦО типа U 2701 A фирмы Agilent: • ширина полосы– от 0 до 200 МГц, • разрешающая способность АЦП – 8 дв. разрядов, • быстродействие – 109 изм. в секунду, • объем памяти ЗУ – 64∙ 106 выборок, • число каналов – 2. 10

Принципиальные достоинства ЦО по сравнению с аналоговыми : • существенно более широкая полоса частот, определяемая только быстродействием АЦП (в аналоговых осциллографах верхняя частота ограничена временем пролета электронов от катода к экрану ЭЛТ), • простота «замораживания» однократно полученной осциллограммы на любой промежуток времени, • возможность реализации сложных алгоритмов запуска прибора - начала отображения осциллограммы. 11

Для реализации «замораживания» осциллограммы в аналоговых осциллографах использовали специальные ЭЛТ с «послесвечением» или с «запоминанием» изображений. Сейчас такие сложные аналоговые осциллографы выпускать перестали. Однако простые аналоговые осциллографы еще долго будут использовать. 12

Поэтому понимание основных принципов работы аналоговых осциллографов весьма полезно. Кроме того, процессы синхронизации в аналоговых и цифровых осциллографах имеют много общего 13

Основой аналогового осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим отклонением электронного пучка. Люминофор, покрывающий внутреннюю поверхность экрана ЭЛТ, светится под действием электронной бомбардировки и в результате на экране отображается траектория его перемещения – получается осциллограмма. Осциллограммы повторяющегося сигнала быстро накладываются друг на друга, обеспечивая неподвижное изображение на экране - следствие «обмана зрения» ! « 14

Аналоговые осциллографы подразделяют на: • одноканальные и • многоканальные. Многоканальные ЭЛО могут отображать поочередно сигналы в нескольких точках исследуемой электронной схемы. Многолучевые ЭЛТ позволяют одновременно отображать несколько электрических сигналов. 15

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим отклонением луча имеет две пары отклоняющих пластин: • вертикально отклоняющие пластины Y, расположенные горизонтально и • горизонтально отклоняющие пластины Х, которые расположены вертикально В инженерном жаргоне их называют «горизонтальными» и 16 «вертикальными» пластинами не по расположению, а по назначению.

Принцип формирования изображения на экране ЭЛТ очень прост: если на отклоняющие пластины Х и Y подать только постоянные напряжения, то на экране появится светящаяся точка. Регулируя напряжение, можно изменять положение (координаты) точки на экране: Х= Кх ∙Uх Y=Кy ∙Uy где Кх и Кy - масштабные коэффициенты соответствующих каналов осциллографа 17

Если на пластины Y подать переменный (например, синусоидальный) сигнал с частотой выше 25… 30 Гц, положение светящей точки на экране будет изменяться достаточно быстро. Вследствие инерционности люминофора и человеческого зрения на экране увидим вертикальную линию. Кстати, разные части этой линии будут иметь разную яркость! 18

Если напряжение будет импульсным – на экране появятся две точки с линией малой яркости между ними. Яркость этой линии зависит от длительности фронта импульсов и, соответственно, от скорости перемещения луча по экрану. Аналогичные изображения будут формироваться при подаче таких сигналов на пластины Х, только соответствующие линии и точки будут расположены горизонтально 19

Если на пластины Y и Х одновременно подать синусоидальные сигналы одинакового размаха, то на экране появятся знаменитые фигуры Лиссажу. Форма этих фигур зависит от соотношения частоты и фазы сигналов, что находит применение для измерений этих параметров. 20

Однако в основном режиме работы осциллографа на пластины Y подают исследуемый сигнал uy (t), а на пластины Х – пилообразное напряжение генесинхронное и синфазноератора развертки, с исследуемым сигналом. 21

Если период такого идеализированного пилообразного напряжения (с очень малым временем спада) будет точно равен периоду исследуемого сигнала: ТГР = ТС, то на экране появится неподвижная для наблюдателя (но, в действительности быстро повторяющаяся) осциллограмма исследуемого сигнала на интервале времени его периода ТС. 22

23

Если ТГР= n. ТС (n= 2, 3, 4… и т. д. ), то на экране получим осциллограмму, отображающую n периодов исследуемого сигнала. Но если ТГР будет составлять дробную часть периода ТС, то на экране будем наблюдать наложение отдельных коротких фрагментов исследуемого сигнала. Разумеется, при этом будет трудно понять, какую форму имеет этот сигнал. Таким образом, необходимо обеспечить условие, чтобы период генератора пилообразной развертки был всегда равен целому (а не дробному) числу 24 периодов исследуемого сигнала.

Кроме того, реальный пилообразный сигнал имеет конечное время спада (так называемое «время обратного хода» ) – в это время электронный луч возвращается в начало координат и может «перечеркнуть» полученную осциллограмму. Для предотвращения этого специальная схема уменьшает яркость луча на интервале времени обратного хода 25

• • Упрощенная структурная схема ЭЛО (рис. 3 -3) состоит из ЭЛТ и трех каналов: канала вертикального отклонения (канала Y), канала горизонтального отклонения (канала Х), канала Z – канала управления яркостью луча, и калибратора – вспомогательного источника сигнала известной частоты и размаха. От канала Y к каналу Х передается сигнал внутренней синхронизации генератора пилообразной развертки. На вход Х может быть подан сигнал внешней синхронизации развертки, однако этот сигнал должен быть уже синхронен с исследуемым вне схемы осциллографа. От канала Х к каналу Z передается сигнал гашения обратного хода луча. 26

третий анод (+10 к. В) Калибратор Вх. Y Канал Y Сигнал Вх. X ВОП внутрен. синхр. Канал X ГОП второй анод (+400 В) первый анод (+200 В) Сигнал гашения обратного хода модулятор Вх. Z катод Канал Z -100 В 27

Основные метрологические характеристики ЭЛО: 1. Пределы регулировки коэффициента вертикального отклонения Коткл. Указывают ряд значений регулировки этого параметра (по сути дела, коэффициента усиления канала Y) , определяющего масштаб изображения на экране ЭЛТ по вертикали: например, 0, 05 В/дел, 0, 1 В/дел, 0, 2 В/дел. …. и т. д. Значения Коткл обычно кратны цифрам 1, 2 и 5 и могут заканчиваться, например, значением 20 В/дел. Если осциллограф имеет экран с пятью делениями по вертикали, то с его помощью можно наблюдать электрические сигналы с минимальным размахом 0, 05 В, соответствующим одному делению и сигнал с максимальным размахом 100 В, соответствующим всем пяти делениям экрана. Таким образом, пределы регулировки Коткл определяюют диапазон отображения и измерения напряжения электрических сигналов. 28

2. Ширина полосы частот канала Y - ∆f. Этот параметр приближенно задает частоту, на которой АЧХ канала Y уменьшается на 3 д. Б по сравнению с уровнем сигнала на частоте 1 к. Гц Недорогие ЭЛО имеют верхнюю границу полосы частот порядка 10 МГц. Максимально возможное значение этого параметра для аналоговых осциллографов порядка 300 МГц – определяется временем пролета электронов от катода ЭЛТ до слоя люминофора. Нижняя граница ШПЧ канала Y для «закрытого входа» - порядка 30 Гц, для открытого входа – начинается от 0! 29

3. Длительность фронта переходной характеристики канала Y -τф. Вообще говоря, из теории электрических цепей известно, что ∆f и τф связаны между собой приближенным соотношением: τ ф ≈1/(2, 5… 3)∆ f. Например, ЭЛО с шириной полосы ∆f =10 МГц имеет τ ф = 35 нс. Однако значение tф обязательно указывают, поскольку его используют для введения поправки при измерении длительности фронтов импульсных 30 сигналов. .

4. Иногда фирмы-изготовители указывают нелинейность амплитудной характеристики канала Y (зависимости выходного напряжения от входного), обычно 2… 5%. Очевидно, что нелинейные искажения усилителя канала Y влияют на отображение формы сигналов на экране. 5. Входное сопротивление RВХ и входная емкость CВХ канала Y (обычно 1, 0 МОм и 40 п. Ф). Эти параметры позволяют определить возможное влияние подключения входа осциллографа на характеристики измеряемого сигнала. Для уменьшения входной емкости используют специальные «пробники» . 6. Пределы регулировки коэффициента развертки Кразв. Эта характеристика определяет пределы наблюдения и измерения длительности входных сигналов. ЭЛО «среднего класса» позволяет регулировать Кразв от 0, 1 мкс/дел до значения 50 мс/дел ступенями, кратными цифрам 1, 2 и 5. 31

7. Нелинейность напряжения развертки, обычно 1… 5%. 8. Входное сопротивление RВХ и входная емкость CВХ каналов Y, Х и Z. Обычно RВХ = 1 МОм, а CВХ = 40 п. Ф. Таким образом, вход такого осциллографа нельзя непосредственно подключать, например, к коллектору высокочастотного транзистора – форма отображаемого сигнала будет существенно искажена влиянием входных цепей прибора. 9. Погрешности установленных значений КОТКЛ канала Y и КРАЗВ канала Х. Эти параметры определяют погрешности измерения напряжения и интервалов времени входных сигналов. 10. Погрешности параметров - частоты и размаха сигнала калибратора. 32

Канал вертикального отклонения (Y) Назначение канала - обеспечить неискаженное усиление исследуемого сигнала и подачу его на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Структурная схема канала Y представляет собой усилитель с регулируемым и известным коэффициентом усиления переключатель Коткл и плавная регулировка Кус 33

Специфическим элементом канала Y является линия задержки (ЛЗ), которая обеспечивает задержку исследуемого сигнала на интервал времени порядка 0, 1 мкс с целью компенсации задержки срабатывания генератора развертки (ГР), расположенного в канале Х. Только при наличии ЛЗ можно наблюдать на экране ЭЛТ начальные фрагменты импульсных сигналов в режиме внутренней синхронизации пилообразного напряжения ГР, начало которого формирует компаратор канала Х (об этом далее). В итоге мы может увидеть «предысторию» появления импульсного сигнала на входе канала Y. 34

35

Канал горизонтального отклонения (Х) Основное назначение канала Х формирование сигнала пилообразной развертки, синхронного и синфазного с исследуемым сигналом, поступающим на вход Y. Вспомогательный режим работы канала Х - усиление сигнала, подаваемого на вход Х и подачу его на горизонтально отклоняющие пластины. Этот режим, в основном, необходим для получения фигур Лиссажу при измерениях частоты и фазового сдвига синусоидальных сигналов. Генератор пилообразной развертки при этом не работает. Полезно представлять, что ширина полосы частот выходного усилителя канала Х значительно уже, чем у канала Y (порядка 0, 5 36 … 1 МГц).

u (t) гр u макс t t t 0 nx T гр гр а) Непрерывный режим u u (t) гр макс t nx t t T 0 x гр б) Ждущий режим 37

Требования к напряжению пилообразной развертки (рис. 3. 6): 1. В непрерывном режиме период сигнала генератора развертки должен быть равен целому числу периодов исследуемого сигнала, ТГР = n. ТС. В ждущем режиме, который можно использовать для наблюдения непериодических сигналов, начало прямого хода генератора развертки должно соответствовать началу исследуемого сигнала. 2. Длительность прямого хода генератора развертки tпx должна соответствовать длительности исследуемого сигнала, т. е. должна быть регулируемой. 38

3. Длительность обратного хода генератора развертки tox должна быть минимальной. 4. Размах напряжения генератора развертки должен быть стабилизирован (Um= const) – в противном случае размер изображения по горизонтали и его масштаб будут непостоянными. 5. Необходимо обеспечить малую нелинейность сигнала генератора развертки на интервале времени прямого хода tпx – в противном случае масштаб изображения по горизонтали будет различным в левой и правой частях экрана. 39

Структурная схема канала X 40

Режимы работы канала X, определяемые тремя положениями входного переключателя: 1. Режим пилообразной развертки: 1. 1. при внутренней синхронизации генератор развертки (ГР) запускается сигналом, поступающим с канала Y, 1. 2. при внешней синхронизации ГР запускается сигналом с входа канала Х. Следует обратить внимание, что режим внешней синхронизации ГР можно использовать только в том случае, если внешний сигнал уже синхронен с исследуемым. Это может быть, например, один из сигналов исследуемой электронной схемы. 41

2. Режим внешней развертки. При этом ГР отключается, а сигнал со входа Х подается непосредственно на выходной усилитель канала Х. Такой режим можно использовать, например, для получения фигур Лиссажу. Режимы работы ГР, определяемые положением переключателя на выходе усилителя синхронизации: • запуск компаратора положительными перепадами входного сигнала, • запуск компаратора отрицательными перепадами входного сигнала Регулятор «Уровень» позволяет установить оптимальное положение порога срабатывания компаратора (сравнивающего устройства) в пределах размаха сигнала с выхода усилителя синхронизации. 42

Режимы работы ГР, определяемые положением регулятора “Стабильность” (связанного с триггером): крайнее правое положение – непрерывный режим работы ГР – при этом пилообразное напряжение формируется непрерывно (на экране видна горизонтальная линия даже в отсутствии сигнала запуска), крайнее левое положение – ждущий режим работы ГР – при этом пилообразное напряжение формируется только по приходу сигнала запуска – в отсутствии его линия развертки на экране не видна, в промежуточном положении регулятора «стабильность» можно обеспечить оптимальные условия синхронизации генератора развертки сигналом запуска. 43

Переключатель Кразв, связанный с интегратором, позволяет регулировать крутизну пилообразного напряжения и, соответственно, длительность прямого хода ГР и масштаб осциллограммы на экране ЭЛТ по горизонтали (по оси времени). Как только напряжение интегратора достигнет порога срабатывания второго компаратора, формирование пилообразного напряжения заканчивается и интегратор разряжается до исходного состояния. Этим обеспечивается постоянство размаха пилообразного напряжения при регулировке Кразв. 44

Рассмотрим временные диаграммы сигналов в схеме ГР для нескольких комбинаций режимов его работы: 1. непрерывный режим при внутренней синхронизации 45

Изменяя положение переключателя Кразв, можно добиться отображения на экране одного или нескольких периодов входного сигнала. Регулировка «Уровень» - уровень срабатывания компаратора позволяет в некоторых пределах регулировать начало прямого хода ГР. Ждущий режим развертки ГР целесообразно использовать для отображения и измерения импульсных, в том числе непериодических сигналов (рис. 3 -9). В этом режиме в сигнале ГР появляется пауза, что позволяет отображать на экране осциллограмму импульса в увеличенном масштабе. Для отображения заднего фронта (среза) импульса ГР следует запустить сигналом отрицательной полярности с выхода усилителя синхронизации. 46

Ждущая развертка при внутренней синхронизации u y t u гр1 t u гр2 47

Ждущая развертка при внешней синхронизации u - сложный сигнал y t имп. внешн. синхр. t u (t) гр t 48

В зависимости от длительности прямого хода ГР, выбираемым с помощью переключателя Кразв, на экране можно наблюдать фронт, один импульс или несколько импульсов (например, для определения расстояний между ними). Канал Z - канал управления лучом по яркости, кроме обеспечения функции гашения обратного хода, можно использовать для отображения на экране осциллографа дополнительной информации в форме яркостных меток. 49

Измерения с помощью осциллографа. Измерение мгновенных значений напряжения с использованием ЭЛО можно проводить тремя методами. 1. Метод непосредственной оценки использует известные значения коэффициента отклонения Коткл, устанавливаемые переключателем. Размах сигнала Uс можно найти по формуле: Uс(В) = Н(дел) Коткл(В/дел), где Н(дел) – размах осциллограммы в делениях экрана. Погрешность измерения напряжения имеет две составляющиепогрешность установки значения Коткл и погрешность отсчета размаха осциллограммы : ∆U=± (∆ Коткл + ∆ отсчета). Погрешность отсчета обычно оценивают по формуле: ∆ отсчета =± 0, 5 диаметра луча/Hmax. Обычно суммарная погрешность измерения напряжения таким методом достаточно велика и находится в пределах ±(3… 10)%. 50

2. Метод сравнения использует встроенный или внешний калибратор напряжения – источник сигнала известной формы, известного размаха и известной частоты (рис. 3 -3). При измерениях с помощью калибратора сравнивают размах осциллограммы измеряемого сигнала с размахом сигнала калибратора и по соответствующей пропорции определяют размах сигнала в вольтах. Погрешность измерения получается несколько меньше – порядка ±(1… 2)% 3. В некоторых аналоговых осциллографах использовали АЦП с яркостной отметкой момента измерений. Яркостная «метка» на осциллограмме, формируемая с помощью сигнала запуска АЦП, подаваемого на вход Z, отображает момент времени, которому соответствует результат измерения, появляющийся на цифровом отсчетном устройстве АЦП. Точность измерения при этом 51 определяется, в основном, точностью АЦП.