Цифровые измерительные приборы (ЦИП)

ЦИП называют приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результатов измерения на цифровом отсчётном устройстве. Можно регистрировать его и при помощи цифропечатающего устройства.

Аналоговая величина Х сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем ВАП к виду, удобному для последующего преобразования (например, это высокоомный делитель). Затем, при помощи ЦАП производится её дискретизация и кодирование. ЦОУ превращает кодированную информацию об измеряемой величине в цифровой отсчёт, удобный для восприятия оператора.

Основой любого ЦИП является АЦП, который осуществляет дискретизацию, квантование и кодировку информации.

Дискретизация – процесс получения отсчётов измеряемой величины в определённые дискретные моменты времени.

Мы знаем, что дискретная величина это такая величина, между отдельными значениями которой заключено лишь конечное число других её значений ( тогда как непрерывной величине соответствует бесконечное их число).

Здесь непрерывная величина X(t) заменяется последовательностью отсчётов X(t_к), взятых в некоторые моменты времени t_к. Обычно, промежутки времени между двумя последовательными отсчётами Δt = t_k+1-t_k выбирают одинаковыми. В этом случае шаг дискретизации постоянен.

Процесс квантования заключается в замене непрерывных значений величины X(t) конечным набором её дискретных значений X_n . Каждое из этих значений совпадает с одним из установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал квантования (шаг).

Иначе – непрерывное значение величины заменяют значениями уровней квантования в соответствии с некоторым правилом. Тогда вместо непрерывных значений величине приписывают значения ближайших уровней.

Кодирование – процесс представления численного значения величины определённой последовательностью цифр или сигналов, то есть кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжение, воздействующее на цифровое отсчётное устройство и формирующее показание ЦИП, используют устройство, называемое дешифратором.

Осциллографы

Электронно-лучевой осциллограф – универсальный измерительный прибор, применяемый для визуального наблюдения на экране электрических сигналов и измерения их параметров. Основная функция осциллографа заключается в воспроизведении в графическом виде электрических колебаний (осциллограмм) в прямоугольной системе координат. Чаще всего с помощью осциллографа наблюдают зависимость напряжения от времени, причем, как правило, осью времени является ось абсцисс, а по оси ординат откладывается напряжение сигнала. С помощью осциллографа можно наблюдать периодические непрерывные и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, одиночные импульсы и оценивать их параметры.

По осциллограммам, получаемым на экране осциллографа, могут быть измерены частота и фазовый сдвиг, параметры модулированных сигналов, временные интервалы. На базе осциллографа созданы приборы для исследования переходных, частотных и амплитудных характеристик различных электро- и радиотехнических устройств. Широкое распространение электронно-лучевых осциллографов обусловлено возможностью их использования в полосе частот от нуля до десятков гигагерц, при напряжениях сигнала от десятков микровольт до сотен вольт.

Рис. 8.1.

В зависимости от назначения электронно-лучевые осциллографы подразделяются на универсальные, скоростные, запоминающие, стробоскопические и специальные. Отличаясь техническими характеристиками, схемными и конструктивными решениями эти осциллографы используют общий принцип получения осциллограмм. Наибольшее распространение получили универсальные осциллографы. Они позволяют исследовать электрические сигналы в полосе частот до 350 МГц и измерять параметры таких сигналов с приемлемой для практики погрешностью (5… 10%). Упрощенная структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа приведена на рис. 8.1.

Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка ЭЛТ, представляющая собой стеклянную вакуумированную колбу, внутри которой размещена электронная пушка, отклоняющие пластины и люминесцентный экран. Полагая, что читатель знаком с устройством электронной пушки из курса физики, отметим лишь, что назначением ее является формирование узкого электронного пучка, при попадании которого на люминесцентный экран на экране появляется светящееся пятно. Электронный пучок (луч) проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих У и горизонтально отклоняющих Х. Если к отклоняющим пластинам приложить электрическое напряжение, то между ними будет существовать электрическое поле, которое будет вызывать отклонение луча. Если электрическое напряжение приложено к горизонтально отклоняющим пластинам, то световое пятно на экране трубки будет отклоняться вдоль оси Х; если же напряжение приложено к вертикально отклоняющим пластинам, то пятно будет перемещаться вдоль оси У. Если теперь сфокусировать электронный луч так, чтобы световое пятно расположилось в точке 0 (рис 8.2),

Рис.8.2. Получение изображения на экране электронно-лучевой трубки.

а затем к пластинам Х приложить исследуемое напряжение, например синусоидальное, а к пластинам Y пилообразное напряжение, то под совместным воздействием двух напряжений луч трубки вычертит на экране осциллограмму, отражающую зависимость u(t)=U_msinωt. После спадания пилообразного напряжения до нуля световое пятно возвратится в точку 0. Пилообразное напряжение формируется так, чтобы время обратного хода развертки t_обр было во много раз меньше прямого хода t_пр, поэтому обратный ход луча на экране трубки не просматривается. Для того чтобы изображение исследуемого напряжения отражало истинный характер сигнала, необходимо выполнение двух условий. Первое – чтобы отклонения по осям были прямо пропорциональны напряжению, прилагаемому к соответствующей паре пластин, второе – чтобы длительность прямого хода развертки была в точности равна периоду исследуемого напряжения Т, либо выполнялось условие t_пр=mT, где m-целое число. В первом случае на экране осциллографа будет наблюдаться один период, а во втором m периодов исследуемого напряжения.

Вернемся к рассмотрению структурной схемы осциллографа (см. рис.4.1). Кроме электронно-лучевой трубки она содержит канал вертикального отклонения луча (канал Y), канал горизонтального отклонения луча (канал X), канал управления яркостью луча (канал Z), калибраторы амплитуды КА и длительности КД.

По каналу Y поступает исследуемый сигнал u(t), вызывающий вертикальное отклонение луча в электронно-лучевой трубке. В этот сигнал входят: аттенюатор А для ослабления больших сигналов; предварительный усилитель Уу для усиления слабых сигналов; линия задержки ЛЗ для небольшой временной задержки сигнала; оконченный усилитель ОУ, на выходе которого вырабатывается симметричный противофазный сигнал, поступающий на вертикально отклоняющие пластины трубки.

По каналу Х на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки поступает напряжение развертки. Основным узлом этого канала является генератор Развертки ГР вырабатывающий напряжение, изменяющееся по закону U_x(t)=B(t) (пилообразное напряжение). Напряжение развертки может быть синхронизировано с исследуемым напряжением, либо с напряжением сети, либо с сигналом от внешнего источника. В канале Х имеется усилитель горизонтального отклонения У_х, вход которого подключен к выходу генератора развертки. Выходное (двухфазное) напряжение с выхода усилителя поступает на пластины горизонтального отклонения.

Для того чтобы обеспечить возможность измерения параметров исследуемых сигналов в структуре осциллографа имеются калибраторы длительности и амплитуды. Калибраторы представляют собой генераторы напряжений с точными значениями амплитуды и частоты. Эти напряжения подаются с выхода калибратора амплитуды на вход Y для установки и контроля масштабов отклонений по оси Y (В/см, В/деление), с выхода калибратора длительности – на вход Х для контроля масштаба по оси X (мс/см, с/см).

В схеме осциллографа предусмотрены также устройства и органы регулировки и настройки, обеспечивающие удобство работы с прибором (смещение луча по осям X и Y, регулировка яркости, фокусировка светового пятна и др.).

Электронные осциллографы характеризуются рядом технических и метрологических характеристик. К наиболее важным относятся:

- чувствительность по каналам Y и X(мм/В);

- полоса пропускания, т.е. диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления канала Y уменьшается не более, чем на 3 дБ по отношению к некоторой опорной частоте;

- диапазон изменения длительности развертки;

- входное сопротивление и входная емкость канала Y;

- параметры, характеризующие погрешности измерения напряжения и интервалов времени.

Цифровые осциллографы.Дальнейшим развитием техники осциллографирования явилось создание цифровых осциллографов, в которых аналоговый исследуемый сигнал сразу же во входном блоке преобразуется в цифровую форму и запоминается в дискретной памяти. Зафиксированный в памяти сигнал может быть использован для отображения его на экране электронно-лучевой трубки, на плоском матричном экране или любым другим способом.

Наряду с повышением точности осциллографирования, цифровые осциллографы позволяют полностью автоматизировать процесс измерения, осуществлять дистанционное управление режимом работы, производить математическую и логическую обработку информации. Использование матричных экранов снижает габариты и массу цифровых осциллографов и устраняет необходимость применения источников питания высокого напряжения.

В самом простом виде осциллограф имеет структуру, представленную на рис.8.3. Здесь входной исследуемый сигнал x(t) усиливается до необходимого значения x_н(t) и поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП. Мгновенные значения нормированного сигнала x_н(t) в моменты времени x_к, задаваемые генератором Г, преобразуются в цифровые эквиваленты Т(t_к) и запоминаются в регистре памяти Р_г. Синхронно с моментом взятия цифровых отсчетов Т(t_к) импульсы t_к поступают на счетчик СчМ, где появляется код, равномерно нарастающий во времени. Коды N(t_к) в отображающем устройстве ОУ преобразуются в управляющие сигналы АГ, вызывающие вертикальное перемещение светящейся точки экрана ОУ, а коды М(t_к) преобразуются в управляющие сигналы М, вызывающие горизонтальное перемещение светящейся точки экрана ОУ. При переполнении счетчика СчМ последний занимает исходное положение, при котором светящаяся точка также возвращается в исходное положение на экране, подготавливая новый цикл получения осциллограммы.

Рис. 8.3.

Процесс равномерного набора кода счетчиком СчМ и сброса его в начальное положение при переполнении имитирует временную развертку осциллографа аналогично линейно-изменяющемуся развертывающему напряжению в электронно-лучевом осциллографе.

При отображении сигнала на электронно-лучевой трубке, коды, соответствующие цифровым отсчетам, преобразуются в цифро-аналоговом преобразователе в напряжение, которое поступает на вертикально отклоняющуюся систему трубки, а коды, соответствующие временной развертке, через цифро-аналоговый преобразователь подаются в горизонтально отклоняющую систему трубки.

Если отображающее устройство построено на матричной индикаторной панели, то коды вертикального и горизонтального отклонения преобразуются в позиционную форму и выбирает одну из строк и один из столбцов матричной панели, в перекрестии которых возникает светящаяся точка.

В блок управления осциллографом включаются арифметическо-логические устройства, что намного расширяет функциональные возможности цифрового осциллографа. Становится возможным отцифровывать любые значения исследуемого сигнала, получать и отображать его производную, интеграл, спектральную характеристику, корелляционную функцию, распределение плотности вероятности и т. д.

Современная микропроцессорная техника позволяет путем включения её в цифровой осциллограф решать практически все функциональные задачи, возникающие при исследовании сигналов. А достижения в области технологии и элементной базы позволяют существенно снижать массогабаритные характеристики цифровых осциллографов, вплоть до разработки карманных приборов.

На экране осциллографа, помимо собственно осциллограмм, отображается состояние органов управления (чувствительность, длительность развертки и т. п.). Предусмотрен вывод информации с осциллографа на печать и другие функциональные возможности.

Стандартизация