Измерение параметров периодического напряжения с помощью осциллографа

Размещено на http://allbest.ru

Лабораторная работа

Измерение параметров периодического напряжения с помощью осциллографа



1. Для чего предназначен осциллограф? Что измеряет осциллограф?

Прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи, измерения) амплитудных и временных параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, на экране.

2. Что такое электронно-лучевая трубка, ее предназначение?

Вакуумные электронные прибороы, в которых используется поток электронов, сконцентрированный в форме одиночного луча или пучка лучей, которые управляются как по интенсивности (току), так и по положению в пространстве, и взаимодействуют с неподвижной пространственной мишенью (экраном) прибора

Электронно-лучевая трубка осциллографа предназначенна для отображения на люминесцентном экране электрических сигналов. Изображение на экране служит для визуальной оценки формы сигнала и для измерения его параметров.

3. Расписать структуру электронно-лучевой трубки и принцип ее действия?

Осциллографическая ЭЛТ представляет собой вакуумированную стеклянную колбу, внутри которой находятся электронная пушка, отклоняющая система и люминесцентный экран. Электронная пушка предназначена для формирования узкого пучка электронов и его фокусировки на экран.

Электроны испускаются катодом косвенного накала с подогревателем за счет явления термоэлектронной эмиссии. Интенсивность электронного пучка и следовательно яркость пятна на экране регулируется отрицательным относительно катода напряжением на управляющем электроде. Первый анод служит для фокусировки, второй для ускорения электронов. Управляющий электрод и система анодов образуют фокусирующую систему.

Отклоняющая система состоит из двух пар пластин, расположенных горизонтально и вертикально. К горизонтальным пластинам, которые называются пластинами вертикального отклонения, прикладывается исследуемое напряжение. К вертикальным пластинам, которые называются пластинами горизонтального отклонения, прикладывается пилообразное напряжение от генератора развёртки. Под влиянием образующегося электрического поля летящие электроны отклоняются от своей первоначальной траектории пропорционально приложенному напряжению. Светящееся пятно на экране ЭЛТ рисует форму исследуемого сигнала. Благодаря пилообразному напряжению пятно движется по экрану слева направо.

Если на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины подать два различных сигнала, то на экране можно наблюдать фигуры Лиссажу.

На экране ЭЛТ можно наблюдать различные функциональные зависимости, например вольт-амперную характеристику двухполюсника, если подать на пластины горизонтального отклонения сигнал, пропорциональный приложенному к нему изменяющемуся напряжению, а на пластины вертикального отклонения -- сигнал, пропорциональный протекающему через него току.

В осциллографических ЭЛТ применяется электростатическое отклонение луча, потому что исследуемые сигналы могут иметь произвольную форму и широкий частотный спектр, и применение в этих условиях электромагнитного отклонения невозможно из-за зависимости импеданса отклоняющих катушек от частоты. В осциллографических ЭЛТ нередко применяется магнитная фокусировка электронного луча, которая позволяет достичь меньшего размера точки на экране.

4. Что такое анод и катод?

Анод - положительный электрод, катод - отрицательный.

В трубке ЭЛТ анодов как правило три - первый/второй/третий ускоряющие аноды. И один термоэлектронный катод.

5. Генератор развертки, для чего он нужен и расписать временную диаграмму развертки?

Блок горизонтальной развёртки. Генерирует периодический или однократный сигнал пилообразной формы (линейно нарастающий и быстро спадающий), который подаётся на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ. Во время спадающей фазы (обратный ход луча) также формируется импульс гашения электронного луча, который подаётся на модулятор ЭЛТ.

При автоматической развёртке генератор развёртки работает в автоколебательном режиме, поэтому, даже в отсутствие сигнала, по окончании цикла развёртки -- цикла генератора пилообразного напряжения развёртки происходит её очередной запуск, это позволяет наблюдать на экране изображение даже в отсутствии сигнала или при подаче на вход вертикального отклонения постоянного напряжения.

В этом режиме у многих моделей осциллографов выполнен захват частоты генератора развёртки исследуемым сигналом, при этом частота генератора развёртки в целое число раз ниже частоты исследуемого сигнала.

6. Для чего нужны отклоняющие пластины?

На пластины ВП и ГП подается управляющие напряжения. К горизонтальным пластинам, которые называются пластинами вертикального отклонения, прикладывается исследуемое напряжение. К вертикальным пластинам, которые называются пластинами горизонтального отклонения, прикладывается пилообразное напряжение от генератора развёртки.

Под влиянием образующегося электрического поля летящие электроны отклоняются от своей первоначальной траектории пропорционально приложенному напряжению.

Светящееся пятно на экране ЭЛТ рисует форму исследуемого сигнала. Благодаря пилообразному напряжению пятно движется по экрану слева направо. аналоговый цифровой электронный осциллограф



7. Преимущества цифрового осциллографа над аналоговым

· возможность "замораживания" изображения на произвольное время

· высокая точность измерений

· широкая полоса пропускания

· яркий, хорошо сфокусированный экран на любой скорости развертки

· возможность отображения сигнала до запускающего момента (в "отрицательном" времени)

· возможность обнаружения импульсных помех

· автоматические средства измерения параметров сигналов

· возможность подключения к компьютеру, принтеру или плоттеру

· возможности математической и статистической обработки сигнала

· средства самодиагностики и самокалибровки

8. Отличия цифрового осциллографа от аналогового

Концепция цифрового осциллографа несколько отличается от его аналогового собрата. Вместо того, чтобы обрабатывать сигналы в аналоговом виде, этот тип осциллографа преобразует сигнал в цифровой формат с помощью аналого-цифрового преобразователя, а затем уже обрабатывает результат в цифровой форме. Аппаратное и программное обеспечение для цифровой обработки сигналов становится все более мощным, что позволяет обрабатывать сигналы более гибко и создает множество дополнительных возможностей, которые включаются в современные приборы.

Обновления ПО и добавление функциональности могут быть произведены просто обновлением прошивки осциллографа.



9. Основные достоинства и недостатки цифровых и аналоговых осциллографов

Недостатки аналоговых осциллографов

· низкая точность курсорного замеривания амплитуды и длительности импульсов.

· мерцаниие и/или тусклость экрана в зависимости от частоты сигнала и коэффициента развертки

· нет возможности отображения сигнала до запускающего момента

· ограниченная полоса пропускания

· высокая эксплуатационная стоимость

· ограниченные средства измерения параметров сигналов.

Недостатки цифровых осциллографов

· более высокая стоимость

· более сложные в управлении и невозможность определения помех относительно полезного сигнала по меньшей яркости `луча'.

Достоинства аналоговых осциллографов

· знакомый интерфейс

· мгновенное обновление экрана при отображении быстро- изменяющихся сигналов во времени

· прямые, понятные средства управления для часто используемых настроек (коэффициент чувствительности, коэффициент развертки, смещение сигнала, уровень запуска и т.д.)

· Низкая стоимость

Достоинства цифровых осциллографов

· возможность "замораживания" изображения на произвольное время

· высокая точность измерений

· широкая полоса пропускания

· яркий, хорошо сфокусированный экран на любой скорости развертки

· возможность отображения сигнала до запускающего момента (в "отрицательном" времени)

· возможность обнаружения импульсных помех

· автоматические средства измерения параметров сигналов

· возможность подключения к компьютеру, принтеру или плоттеру

· возможности математической и статистической обработки сигнала

· средства самодиагностики и самокалибровки.

Цифровой осциллограф/Цифровой запоминающий осциллограф. Граница между этими двумя типами осциллографов сильно размылась в последние годы. Первоначально, запоминающие осциллографы имели дополнительную память, позволяющую хранить сигналов. Теперь большинство приборов имеют память, которая уже включена в стандартную поставку, отличаясь только размером этой памяти. В результате, оба названия часто используются для описания одного и того же инструмента, и поэтому сейчас это, практически, синонимы. Цифровые или цифровые запоминающие осциллографы в настоящее время являются основным типом использующихся осциллографов, которые содержат все основные функции.

Осциллограф с цифровым люминофором. Осциллограф с цифровым люминофором является весьма универсальным прибором, который использует параллельную архитектуру обработки, чтобы иметь возможность захватить и отобразить сигналы в специальном виде, который нельзя создать при помощи обычного цифрового осциллографа. Эти приборы записывают очень большое число «снимков сигнала» в единицу времени, что позволяет искать в сигналах редкие явления.

Цифровой стробоскопический осциллограф. Эти осциллографы используются для анализа очень высокочастотных сигналов. Они предназначены для наблюдения за повторяющимися сигналами, частота которых выше, чем частота дискретизации осциллографа. Они производят выборку различных точек сигнала из его нескольких последовательных периодов, и, затем в процессе обработки, воссоздают исходную форму волны. Таким образом, эти осциллографы могут иметь возможность отображать сигналы на частотах 50 ГГц и более.

Комбинированный осциллограф. Этот тип приборов позволяет работать как во временной области, отображая форму сигнала, а также в частотной области -- отображая его спектр. Такой вид осциллографов очень полезен для разработки устройств, работающих с приемо-передающим оборудованием в радиочастотном диапазоне. Но особенно ценен он для поиска проблем в областях, где сигналы могут приводить к нежелательным или необычным явлениям в их спектрах. В результате, эти осциллографы находят все большую популярность в области систем сотовой связи, Wi-Fi, и при разработке/обслуживании многих других современных беспроводных систем связи и передачи данных.

Осциллограф смешанных сигналов. Этот тип осциллографов сочетает в себе функции цифрового осциллографа и логического анализатора. Это позволяет в проводить глубокие исследования работы цифровых схем. Цифровые схемы, в том числе под управлением микроконтроллеров становятся все более сложными, поэтому постоянно растет необходимость в более глубоком анализе сигналов в этих системах, используя большую функциональность. Осциллограф смешанных сигналов позволяет анализировать логические переходы и состояния одновременно с отображением формы сигнала.

10. В чем заключен режим ждущей и однократной развертки?

Ждущий режим работы отличается от автоколебательного режима главным образом, тем, что при отсутствии синхронизирующего сигнала развертка также отсутствует. Разумеется, в этом случае картина на экране также не наблюдается. Это гарантирует наблюдателя от тех нежелательных эффектов, которые могли наблюдаться в автоколебательном режиме.

В ждущем режиме развертка (т.е. очередной «зубец пилы» на рис.2) запускается в тот момент, когда амплитуда исследуемого сигнала превышает порог синхронизации.

Тогда, если исследуемый сигнал периодический, начало развертки всегда соответствует одной и той же фазе исследуемого сигнал. Как уже было сказано, это является основным требованием, при выполнении которого картина на экране будет неподвижной. На рис.3 показана эпюра напряжения развертки в этом случае. Как видно из рис. 3б, развертка не является непрерывной, то есть конец одного зубца не совпадает с моментом начала следующего.

Величина порога синхронизации U_c(рис. 3а) может регулироваться специальной ручкой на панели управления. При этом следует помнить, что при изменении усиления сигнала ручкой «вольт/дел» изменяется фаза сигнала, при которой включается развертка.

Следующий «зубец» развертки включается опять-таки в момент достижения исследуемым сигналом порогового уровня. Таким образом, эпюра напряжения развертки в ждущем режиме представляет собой отдельные «зубцы» (рис. 3б), в промежутках между которыми напряжение развертки равно нулю.

Синхронизация развертки с исследуемым сигналом - так называемая внутренняя синхронизация - не единственный вариант использования ждущего режима. Иногда бывает удобно запустить развертку по внешнему сигналу, подаваемому на специальныйвход синхронизации. Такой режим получил названиевнешней синхронизации.Уровень синхронизирующего сигнала, при котором происходит запуск развертки, также может регулироваться ручкой на панели управления («уровень запуска»).

Как в режиме внутренней, так и в режиме внешней синхронизации запуск развертки может производиться при нарастании или при убывании сигнала. Для переключения режима срабатывания сигнала запуска предусмотрены кнопки или переключатели на панели управления с соответствующими надписями или значками «+» и «-». Полярность сигнала запуска выбирается в зависимости от ожидаемого вида исследуемого сигнала.

Например, если известно, что сигнал представляет собой отрицательные импульсы, то в режиме внутренней синхронизации запуск развертки целесообразен при убывании напряжения. Если же вид исследуемого сигнала заранее не известен, то рекомендуется сначала использовать режим непрерывной развертки для определения примерного вида сигнала, а затем - измерить все его характеристики в ждущем режиме.

Однократная развертка - развертка, с помощью которой генератор развертки запускается только один раз с последующей блокировкой.



11. Какие виды синхронизации возможны в цифровом осциллографе?

Внешняя и внутренняя - при внешней синхронизации синхронизирующей импульс подается от схемы внешнего генератора.

12.Какие виды обработки в цифровом осциллографе?

БПФ - быстрое преобразованье Фурье позволяет разложить входной сигнал на спектрограмму частот по амплитуде гармоник. ( спектрограмма )

Фильтр Чебышева и т.п. преобразования.

13. Определение аналого-цифрового преобразователя и типы АЦП

Аналого-цифровой преобразователь -- устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

Обратное преобразование осуществляется при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП, DAC).

Как правило, АЦП -- электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

· АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)

· АЦП последовательного приближения (SAR ADC)

· дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)



14. Что такое Дискретизация ?

Преобразование непрерывной функции сигнала в дискретный цифровой.

15. Что такое Частота дискретизации?

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала.

Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.

Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени T -- период дискретизации), и исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции.

Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова -- Шеннона точное восстановление возможно, только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным, по крайней мере, от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования).

Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП -- устройства выборки-хранения (УВХ). УВХ, как правило, хранит входное напряжение на конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании -- хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем, содержат встроенное УВХ.

15. Что такое Квантование?

Разбиение диапазона значений временных отсчётов сигнала на конечное число уровней и округление каждого отсчёта до одного из двух ближайших к нему уровней.

При этом значение сигнала может округляться либо до ближайшего уровня, либо до меньшего или большего из ближайших уровней в зависимости от способа кодирования. Такое квантование называется скалярным.

Существует также векторное квантование -- разбиение пространства возможных значений векторной величины на конечное число областей и замена этой величины одной из этих областей.



17. Что такое полоса пропускания?

Полоса пропускания осциллографа - это частота, на которой чистая синусоида, пройдя аналоговый тракт осциллографа, не ослабнет более, чем на 0.707 (1/v2) от того, что было.

Выходит, на любом сложном сигнале (например на прямоугольных импульсах) все частоты, на которые его можно разложить, и которые будут подбираться к полосе пропускания, будут просто давиться.

18. Какая должна быть частота дискретизации у цифрового осциллографа, если его полоса пропускания 100 МГц?

1ГГц учитывая соотношение 1 к 10.

Размещено на Allbest.ru

...