ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 11Следующая ⇒

ТЕМА 6. Изучаемые вопросы: Принцип работы электронно-лучевого осциллографа; Калибровка электронно-лучевого осциллографа.

В процессе выполнения измерений возникает необходимость наблюдения за измеряемыми параметрами. Для этого результаты измерения отображают на экране осциллографа или мониторе компьютера, дисплее и т.д. Устройство и работа большинства осциллографов и мониторов идентична. С ними можно познакомиться, рассмотрев упрощенную структурную схему электронно-лучевого осциллографа, представленную на рис. 30.

Основой любого электронно-лучевого осциллографа (монитора) является стеклянная электронно-лучевая трубка 1 (рис. 30). Внутри трубки создан вакуум. В дальнем узком конце электронно-лучевой трубки установлена электронная пушка, состоящая из катодной трубки 2 и размещенной внутри неё спирали. На контакты а и б спирали подается напряжение U_н, величина которого обычно не превышает 10 Вольт. При этом спираль нагревается, и с её поверхности начинают вылетать электроны.

Для работы электронной пушки на катодную трубку подается отрицательное напряжение (обычно на уровне U_к = -170 В), а на анод, расположенный в широкой части трубки, подается положительное анодное напряжение (обычно U_а = +27000 В).

Электроны, как известно имеющие отрицательный заряд, отталкиваются от катода 2 и летят в сторону положительного анода. Достигая его, электроны попадают в экран 5 электронно-лучевой трубки, на который нанесено люминесцентное покрытие, и вызывают его свечение в той точке, в которую попадают. Траектория движения электронов показана на рис. 17 пунктирной линией.

Внутри электронно-лучевой трубки расположены две пары металлических отклоняющих пластин – вертикально отклоняющие 3 и горизонтально отклоняющие 4. Пластины предназначены для отклонения траектории летящих мимо них электронов. Если на верхнюю пластину 3 подать положительное напряжение, а на нижнюю пластину 3 – отрицательное, то поток пролетающих электронов будет удаляться от нижней (одноименно заряженной) пластины и приближаться к верхней (положительно заряженной) пластине.

Рис. 30. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

В итоге, траектория движения потока электронов, летящих из электронной пушки, отклонится, и светящаяся точка на экране осциллографа сместится вверх. Если поменять напряжение на пластинах 3, светящаяся точка на экране осциллографа сместится вниз. Так осуществляется вертикальное отклонение луча.

Горизонтальное отклонение луча осуществляется аналогично вышеописанному. Для этого используются горизонтально отклоняющие пластины 4. Если на левую пластину 4 подать положительное напряжение U_го, а на правую пластину 4 – отрицательное, то поток пролетающих электронов будет удаляться от правой (одноименно заряженной) пластины и приближаться к левой (положительно заряженной) пластине. В итоге, траектория движения потока электронов, летящих из электронной пушки, отклонится, и светящаяся точка на экране осциллографа сместится влево. Если поменять напряжение на пластинах 4, то светящаяся точка на экране осциллографа сместится вправо. Так осуществляется горизонтальное отклонение луча (потока электронов).

Теперь рассмотрим работу электронно-лучевого осциллографа при наблюдении формы исследуемого электрического сигнала на его экране. Для этого необходимо рассматривать рисунки рис. 17 и рис. 18 совместно.

Рис. 18. Графики изменения напряжений в блоках электронно-лучевого осциллографа и внешний вид сигнала на его экране: а) - форма изменения наблюдаемого сигнала на входе в УВО; б) - форма изменения напряжения на выходе ГПН (на горизонтально отклоняющих пластинах); в) – вид наблюдаемого сигнала на экране осциллографа.

Допустим, что необходимо отобразить на экране осциллографа сигнал U_Y, в виде синусоиды (верхний график на рис. 18, а). Для этого, мы должны подать этот сигнал на клеммы Y₁и Y₂ усилителя вертикального отклонения луча УВО (рис.

17), расположенные на лицевой панели электронно-лучевого осциллографа. Усилитель УВО, усиливает поданное на его вход напряжение U_Y и подает его на вертикально отклоняющие пластины 3 электронно-лучевой трубки 1 (см. рис. 17). При этом луч будет перемещаться в вертикальном направлении со скоростью изменения входного сигнала, поданного на клеммы Y₁и Y₂ осциллографа.

Расположенный на лицевой панели электронно-лучевого осциллографа переменный резистор R_у позволяет регулировать коэффициент усиления вертикального отклонения луча в усилителе УВО. В результате, поворотом ручки переменного резистора R_у всегда можно установить требуемую амплитуду вертикального отклонения наблюдаемого сигнала.

Для того чтобы можно было наблюдать на экране электронно-лучевого осциллографа вид поданного на вход сигнала U_Y, в его конструкции предусмотрено наличие блока управления разверткой, который выполнен на основе горизонтально отклоняющих пластин.

Блок управления разверткой позволяет равномерно (с необходимой скоростью) перемещать луч от крайней левой, до крайней правой точки экрана.

Эту функцию обеспечивают генератор пилообразного напряжения ГПН (рис. 17) с усилителем горизонтального отклонения луча УГО. Генератор пилообразного напряжения ГПН вырабатывает на своем выходе напряжение U_го, внешне напоминающее зубья пилы (см. рис. 18, б). Обратите внимание на то, что в течение времени развертки - t_рнапряжение U_го на выходе УГО растет, равномерно перемещая луч по экрану осциллографа от точки а к точке б. Как показано на рис. 18, б) за этот период времени развертки t_р напряжение U_Y на входе в УВО успевает измениться в течение двух полных периодов. В итоге, на экране осциллографа (рис 18, в) будет отображаться внешний вид двух полных периодов измеряемого входного сигнала.

В момент времени, когда луч доходит до правого края экрана электронно-лучевой трубки (к точке б ), напряжение U_го на выходе генератора ГПН резко снижается от максимального +U_{го мах}до минимального ─ U_{го мин}. При этом луч мгновенно возвращается из точки б экрана, в точку а. Затем опять начинается равномерный рост напряжения U_гои равномерное движение луча слева направо в течение времени развертки t_р. Таким образом, ГПН перемещает луч по поверхности экрана осциллографа в горизонтальном направлении (изменяя напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах электронно-лучевой трубки).

Одновременно с этим процессом, усилитель вертикального отклонения отклоняет луч в вертикальном направлении (изменяя напряжение на вертикально отклоняющихпластинах электронно-лучевой трубки), пропорционально величине напряжения сигнала U_Y, поданного на вход УВО осциллографа.

Таким образом, луч осциллографа, перемещаясь равномерно по экрану в горизонтальном направлении, отклоняется и в вертикальном направлении, повторяя форму поданного на вход осциллографа сигнала U_Y. При достижении лучом правого края электронно-лучевой трубки процесс циклически повторяется. Это позволяет визуально наблюдать форму поданного на вход сигнала U_Y как функцию времени развертки t_р:

U_Y=f(t_р). (11)

Следует отметить, что у электронно-лучевых осциллографов всегда имеется возможность изменять величину времени развертки t_р. Для этого на лицевой панели осциллографа установлен резистор R_x (Рис. 16). С его помощью изменяется время развертки t_р, а, следовательно, и внешний вид изображения входного сигнала U_Y на экране осциллографа.

Например, если с помощью резистора R_x уменьшить время развертки t_р в два раза, то можно получить изображение одного периода исследуемого сигнала (см. рис. 19).

Рис. 19. Графики изменения напряжений в блоках электронно-лучевого осциллографа и внешний вид сигнала на его экране при уменьшении времени развертки t_р: а) - форма изменения наблюдаемого сигнала на входе в УВО; б) - форма изменения напряжения на выходе ГПН (на горизонтально отклоняющих пластинах); в) – вид наблюдаемого сигнала на экране осциллографа.

На рис. 20 показан внешний вид электронно-лучевого осциллографа с расположенными на его передней панели органами управления.

Позицией 1 на рис. 20 показан экран осциллографа, на котором можно наблюдать внешний вид электрического сигнала, поданного на вход (штекер) 3 его блока 2 усилителя вертикального отклонения луча.

Регулировка коэффициента усиления (а следовательно, и амплитуды наблюдаемого сигнала), осуществляется резистором R_у, обозначенным на рис. 20 позицией 4. Блок управления разверткой 10, имеет резистор 9 для регулировки величины времени развертки t_р. Если время t_вс, в течение которого изменяется входной сигнал U_Y, не равно времени развертки t_р, изображение входного сигнала на экране осциллографа будет перемещаться. Скорость этого перемещения будет тем больше, чем больше разница между t_вс и t_р.

Рис. 20. Внешний вид электронно-лучевого осциллографа: 1 – экран электронно-лучевой трубки; 2 – блок усилителя вертикального отклонения луча (УВО); 3 – штекер (клеммы Y₁и Y₂) для подачи измеряемого сигнала U_Y на вход усилителя вертикального отклонения луча УВО; 4 – ручка переменного резистора R_у для регулировки коэффициента усиления вертикального отклонения луча; 5 – блок синхронизации; 6 – клемма для подачи сигналов синхронизации; 7 - ручка регулятора уровня синхронизации; 8 – блок калибровки; 9 – ручка резистора R_x для регулировки величины времени развертки t_р; 10 – блок управления разверткой (ГПН).

Помимо уже известных нам блоков, осциллограф содержит блок синхронизации 5, который позволяет синхронизировать изображение сигнала на экране осциллографа (сделает изображение на экране неподвижным). Если на вход 6 блока синхронизации подать внешний сигнал (импульс напряжения), то генератор ГПН начнет запускаться в момент поступления этого импульса. Другими словами, движение луча от точки а, будет всегда начинаться только в момент поступления синхронизирующего импульса. Это позволяет добиться равенства времени t_вс и t_р, сделает изображение на экране неподвижным. Что обеспечивает возможность более подробного изучения (качественного измерения) входного сигнала U_Y на экране осциллографа.

Измерение амплитуды и длительности наблюдаемого сигнала U_Y.

Для измерения амплитуды и длительности наблюдаемых сигналов в осциллографе установлен блок 8 калибровки его шкалы. Для того чтобы откалибровать шкалу экрана осциллографа необходимо подать эталонный сигнал с выходного штекера блока калибровки на вход 3 (рис. 20) усилителя УВО. Надпись на выходном штекере блока калибровки 8 информирует, что амплитуда эталонного сигнала составляет 0, 6 Вольт. Подав напряжение 0, 6 В на вход УВО, можно легко определить амплитуду А_э отклонения луча в вертикальном направлении.

Например: при подаче эталонного сигнала 0, 6 В на вход УВО луч отклонился вверх на три полных деления шкалы экрана (рис. 21).

Рис. 21 Калибровка вертикальной шкалы осциллографа.

Следовательно, цена одного деления вертикальной шкалы экрана U_шк равна:

U_шк= = 0, 2 В

Тумблер, расположенный в блоке калибровки переводит работу блока либо в режим постоянного напряжения, либо в импульсный режим. В импульсном режиме, на выходе блока калибровки (согласно надписи на его панели) появляются эталонные прямоугольные импульсы амплитудой 0, 6 В и частотой – 2 кГц = 2000 Гц. Это позволяет прокалибровать горизонтальную шкалу экрана, чтобы определять длительность измеряемых сигналов.

Например: На вход УВО осциллографа от блока калибровки поданы эталонные импульсы с частотой 2 кГц. Один период этих импульсов на экране осциллографа занимает 5 горизонтальных полных делений (рис. 22).

Рис. 22 Калибровка горизонтальной шкалы осциллографа.

Тогда, длительность t_имп одного периода импульсов, с частотой 2 кГц, составит:

t_имп= = 0, 0005 секунды

Следовательно, время исследуемого процесса на одном горизонтальном делении шкалы t_шк экрана осциллографа составляет:

t_шк= = 0, 0001 секунды.

Таким образом, электронно-лучевой осциллограф позволяет исследовать электрические сигналы, как по форме, так и по амплитуде и времени.

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗМЕРЯЕМЫХ СИГНАЛОВ

ТЕМА 7. Изучаемые вопросы: Числовой код и представление чисел в виде двоичного кода; Принцип аналого-цифрового преобразования.

Измеренные при помощи измерительных систем электрические сигналы можно наблюдать визуально на экране осциллографа. Все они аналоговые, т.е. имеют вид непрерывных во времени функций U(t); I(t); R(t) и т.п. Именно поэтому они в исходном виде не пригодны для обработки в компьютере. Современные компьютеры это цифровые системы, понимающие только коды в виде логических нулей и единиц. Логическим нулем для ЭВМ является электрический сигнал, напряжение которого находится в диапазоне от 0В, до 0, 4В. Логической единицей является электрический сигнал, напряжение которого находится в диапазоне от 2, 4В, до 5, 0В. Это позволяет представить любое число в виде 8-и, 12-и, 16-и или 24-х разрядного кода.

В таблице приведен пример кодирования числа 5. Оно представлено в виде 12-ти разрядного кода, состоящего из комбинации нулей и единиц.

Пример кода числа 5

Номера разрядов (биты)

Номера байтов

Числовой код состоит из 12-ти разрядов, в каждом из которых обозначен или нуль, или единица, причем объем информации в каждом разряде равен одному биту. Каждые четыре бита содержат один байт информации.

Для того чтобы аналоговый электрический сигнал стал «понятен» компьютеру его оцифровывают или преобразуют в коды компьютера. Процесс преобразования аналогового электрического сигнала в цифровые коды компьютера, называется аналого-цифровым преобразованием.

Структурная схема процесса аналого-цифрового преобразования представлена на рис. 23. На примере данного рисунка рассмотрим преобразование аналогового электрического сигнала представляющего функцию зависимости напряжения от времени U(t) в цифровые коды компьютера. Пусть для этого имеется 12-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – электронное устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность цифровых кодов. После подачи аналогового электрического сигнала U(t) на вход аналого-цифрового преобразователя, АЦП осуществляет его квантование – деление на N -е количество уровней (см. рис. 23).

Количество N уровней квантования амплитуды измеряемого сигнала U_max определяется как:

N=2ⁿ (12)

где n - разрядность АЦП.

Рис. 23. Структурная схема процесса аналого-цифрового преобразования.

В нашем примере при разрядности АЦП n = 12 бит, количество уровней квантования будет равным N=4096. Другими словами, амплитуда входного аналогового сигнала будет поделена на 4096 равных частей (уровней квантования). Каждый уровень квантования имеет свой числовой код. Таблица кодов приведена справа на рис. 23.

Суть аналого-цифрового преобразования заключается в пошаговом выявлении уровня, в котором в данный момент времени находится величина напряжения аналогового входного сигнала и присвоении ему числового кода.

На рис. 23 показаны 14 шагов аналого-цифрового преобразования. Рассмотрим их подробнее. Аналого-цифровое преобразование осуществляется АЦП пошагово, т.е. дискретно и через заданные интервалы времени Δ t. Шаг времени преобразования Δ t определяется частотой n_АЦП работы тактового генератора АЦП:

Δ t = , [с] (13)

В нашем примере, при частоте n_АЦП= 70 КГц, шаг времени преобразования Δ t составит:

Δ t = = 0, 0000142 с, или 14, 2 мкс.

Таким образом, АЦП будет определять, в каком уровне находится напряжение аналогового сигнала U(t) через каждые 14, 2 мкс.

В первый момент времени (шаг 1) напряжение аналогового сигнала U(t) будет находится на нулевом уровне квантования и поэтому ему будет присвоен код нулевого уровня = 0000 0000 0000 0000. Этот код будет передан в ЭВМ.

На втором шаге, напряжение аналогового сигнала U(t) будет находится на третьем уровне квантования и поэтому ему будет присвоен код третьего уровня = 1100 0000 0000 0000. Этот код будет также передан в ЭВМ.

На третьем шаге, напряжение аналогового сигнала U(t) будет находится на пятом уровне квантования и поэтому ему будет присвоен код пятого уровня = 1010 0000 0000 0000. Этот код будет передан в ЭВМ, и т.д.

	б)	Рис. 24. Внешний вид аналого-цифровых преобразователей фирмы «L-Card»: а) АЦП L-Card модели Е 14-140 с USB выходом; б) АЦП L-Card модели L-154 с шиной PCI;
	а)

После выполнения 14 шагов аналого-цифрового преобразования от АЦП в ЭВМ поступит 14 кодов с интервалом времени 14, 2 мкс. В итоге, аналоговый сигнал U(t) будет представлять собой следующую последовательность кодов:

Шаг	Время, (с)	Коды уровней сигнала
	0.0000000
	0.0000142
	0.0000284
	0.0000426
	0.0000568
	0.0000710
	0.0000852
	0.0000994
	0.0001136
	0.0001278
	0.0001420
	0.0001562
	0.0001704
	0.0001846

Следует помнить, что количество уровней квантования N в нашем примере составляет N=4096. Поэтому дискретность квантования (МЗР[3]) при амплитуде измеряемого сигнала U_max = 5 В, составит:

МЗР = [В]

Дальнейшая обработка сигнала, его масштабирование, построение графиков и пр. будет осуществляться в компьютере на программном уровне.

Метрологические характеристики аналого-цифрового преобразования

Основными погрешностями D_ст измерений параметров, выполненных на основе аналого-цифрового преобразования являются:

- погрешность, связанная со смещением нуля;

- погрешность, связанная с нелинейностью характеристики квантования;

- погрешность коэффициента усиления;

- погрешность квантования;

- температурная погрешность.

Кроме перечисленных, имеют место и динамические погрешности, D_дин- погрешности, связанные с частотой дискретизации измеряемых сигналов и погрешности, связанные с временной неопределенностью момента начала отсчета.

Суммарная погрешность D_å аналого-цифрового преобразования может быть найдена из выражения:

D_å = D_ст + D_дин. (14)

Дисперсия суммарной погрешности рассчитывается как сумма дисперсий статической s²_сти динамической s²_динпогрешностей:

s²_å = s²_ст + s²_дин. (15)

Зная число разрядов АЦП - n, а также минимальную А_min и максимальную A_max амплитуды измеряемых сигналов можно определить шаг квантования h:

h = ( A_max - A_min )/2ⁿ. (16)

При равномерном шаге h погрешность квантования равняется его половине:

D_h = h / 2 (17)

Спектр шума входного сигнала в диапазоне частот его изменения 0 < f < f₁, при известной частоте дискретизации f₁определяется как:

w_кв(w ) = h²/ 12 f₁. (18)

Результирующая статическая погрешность имеет низкочастотную и высокочастотную составляющие. Низкочастотной составляющей является математическое ожидание результирующей погрешности с высокой степенью корреляции ее значений между собой. Высокочастотной, является центрированная составляющая результирующей погрешности, характеризующаяся взаимно не коррелированными значениями.

Основными характеристиками низкочастотной погрешности D являются функции параметров входного сигнала А и внешних возмущений w:

D = , (19)

где: А_о- образцовое значение амплитуды входного сигнала;

- математическое ожидание результирующей погрешности АЦП, приведенной к его входу.

Высокочастотная погрешность характеризуется только величиной своего среднеквадратического отклонения s:

, (20)

где: Y_j - выборка значений выходной координаты при входном сигнале А при j = 1, 2,...., m.

Искомое значение D в данной точке пространства аргументов А, w находится как среднее значение D_i по всем i-м точкам:

. (21)

Среднеквадратическое значение оценки погрешности находится из выражения:

, (22)

где: ; s_о²- дисперсия образцового сигнала; m - объем выборки.

Существующими ГОСТами и нормативно-технической документацией для каждого типа АЦП устанавливаются численные значения параметров s_о, m, а также погрешности установки d _х.

Приведенное значение дисперсии результирующей погрешности АЦП с равномерным квантованием для случайного сигнала с нормальным законом распределения спектра при , определяется по формуле:

, (23)

где: ;

u_max - максимальная частота изменения входного сигнала.

Для случайного входного сигнала, с равномерным распределением, значение дисперсии динамической погрешности определяется из следующей зависимости:

. (24)

Максимальная величина погрешности, связанной с временной неопределенностью задержки момента начала отсчета находится по формуле:

, (25)

где: t_nm - временная задержка момента начала отсчета.

Пример расчета приведенной погрешности АЦП типа L-154, фирмы «L-card», имеющего следующие параметры: разрядность - 12 бит; время преобразования -1, 7 мкс; диапазон входного сигнала от 0 до 5, 12 В; максимальную частоту преобразования 70 кГц; интегральную нелинейность преобразования - ±0, 8 МЗР; дифференциальную нелинейность преобразования - ±0, 5 МЗР; смещение нуля - ±0, 5 МЗР; полосу пропускания - не более 250 кГц.

Выполненные расчеты показывают, что приведенная результирующая погрешность аналого-цифрового преобразования АЦП типа L-154, не превышает 0, 12 %.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 6 789 10 11 Следующая ⇒