Толкование терминов «Форма сигнала» и «Измерения формы сигнала»
Общепринятый термин для любого колебательного процесса – волна. Это могут быть звуковые волны, волны, генерируемые человеческим мозгом, океанские волны и электромагнитные волны, все они относятся к разряду периодических колебаний. Осциллограф измеряет колебания напряжения. Один период колебания представляет собой ту часть этой волны, которая полностью повторилась. Форма волны – есть графическое представление колебания как такового. Форма колебания напряжения выражается в виде
диаграммы зависимости величины напряжения (по вертикали) от времени (по горизонтали).
Внешний вид формы волны очень многое говорит о самом сигнале. Каждый раз, когда вы видите изменения по высоте формы сигнала, вы знаете, что это изменилось значение напряжения. Когда вы видите плоскую горизонтальную линию, вы делаете вывод, что за этот промежуток времени напряжение не изменилось. Прямые диагональные линии означают линейное изменение напряжения, т.е. периодическое нарастание или спад. Острые углы на диаграмме сигнала указывают на внезапные изменения.
Типы волн
Большинство волн можно классифицировать по следующим типам (рис. 1):
· синусоиды;
· меандры и прямоугольные;
· треугольные и пилообразные;
· перепады и импульсы;
· периодические и непериодические;
· синхронные и асинхронные;
· комплексные.
Рис.1
Измерения формы сигналов
Существует множество терминов, которые можно использовать для описания видов измерений, проводимых на осциллографе. Наиболее распространённые из них:
|
|
|
· Частота и период - если сигнал повторяется, то это происходит с определенной частотой. Частота измеряется в герцах (Гц). Эта величина соответствует количеству раз, которое сигнал повторяется за одну секунду. Повторяющийся сигнал также имеет период – время, необходимое сигналу для совершения одного колебательного цикла. Период и частота имеют обратную зависимость. Таким образом, 1/Период=Частота и 1/Частота=Период. Например, синусоида, представленная на рисунке, имеет частоту 3 Гц и период в 1/3 секунды (рис.2).
· Напряжение - эта величина отражает разность электрических потенциалов между двумя точками электрической цепи. Обычно напряжение измеряется относительно «земли» или общего проводника (0 В), но не обязательно. Иногда возникает задача измерить напряжение между крайней верхней и крайней нижней точками волны: напряжение размаха или напряжение от пика до пика.
· Амплитуда - это максимальное значение напряжения сигнала за период. Сигнал, представленный на рисунке имеет амплитуду в 1 В и напряжение от пика до пика 2 В (рис. 2).
· Фаза -понять, что представляет собой эта величина, проще всего, взглянув на синусоиду. Изменение значения напряжения синусоидального сигнала можно представить в виде кругового движения. Учитывая, что круг составляет 360°, один период синусоиды также равен 360°, как это показано на рисунке. Применяя термин “градус”, можно вывести понятие угла фазы синусоиды, когда необходимо определить точку в пределах периода волны. Сдвиг по фазе обозначает, на какой угол относительно друг друга сдвинуты схожие сигналы. Сигнал на рисунке обозначенный как “ток”, на 90° отстаёт от сигнала, обозначенного как “напряжение”, поскольку обе волны приходят в одни и те же точки их циклов точно с разницей в 1/4 периода (360°/4= 90°). Сдвиги по фазе - распространенное явление в электронике (рис. 3).
|
|
|
Рис.2 
Рис.3
Рис.4
Применении осциллографов
Осциллографы используются в прикладных, лабораторных и научно-исследовательских целях, для контроля/изучения электрических сигналов - как непосредственно, так и получаемых при воздействии различных устройств/сред на датчики, преобразующие эти воздействия в электрический сигнал.
Осциллографы – незаменимый инструмент для тех, кто проектирует, производит или ремонтирует электронное оборудование. В современном быстро изменяющемся мире специалистам необходимо иметь самое лучшее оборудование для быстрого и точного решения своих насущных, связанных с измерениями задач. Будучи “глазами” инженеров в мир электроники, осциллографы являются ключевым инструментарием при изучении внутренних процессов в электронных схемах.
|
|
|
Применение осциллографов не ограничивается лишь миром электроники. При использовании соответствующего преобразователя осциллографы способны контролировать любые природные явления. Преобразователь – это устройство, генерирующие электрические сигналы в ответ на какое-либо физическое воздействие, такое как звук, механический удар, давление, свет или тепло. Например, микрофон представляет собой преобразователь звука в электрический сигнал.
Осциллографы используют все: от физиков-ядерщиков до мастеров, ремонтирующих простейшую бытовую электронику. Инженеры по обслуживанию автомобилей используют осциллографы для измерений вибраций двигателей. Врачи – для измерений волн, генерируемых человеческим мозгом.
История осциллографии.
Слово «осциллограф» образовано от «осциллум» — колебание и «графо» — пишу. Отсюда и назначение этого измерительного прибора — отображать на экране кривые тока или напряжения в функции времени. Встречается и другое название этого прибора — осциллоскоп (от того же «осциллум» и «скопео» — смотрю) — прибор для наблюдения формы колебаний. И хотя второе название более точное, до сих пор в литературе бытует все же первое — осциллограф. [4]
|
|
|
История осциллографов берет свое начало с 1893 года, когда французский физик Андре Блондель представил миру собственноручно построенный магнитоэлектрический осциллограф с бифилярным подвесом. Данный прибор позволял регистрировать значения электрических величин, таких как интенсивность переменных токов, на движущейся ленте записи при помощи чернильного маятника, подсоединенного к катушке. Так как при работе использовались сразу нескольких механических приспособлений, первые осциллографы были не слишком точными и имели очень малую полосу пропускания, в диапазоне 10-19 кГц. По-настоящему осциллографы эволюционировали с появлением электронно-лучевой трубки (CRT), которую изобрел в 1897 году немецкий физик Карл Браун. A.C. Cossor - британская компания, которая первой в мире адаптировала данную технологию, представив в 1932 году первый осциллограф на ЭЛТ.
По окончанию Второй мировой войны измерительные приборы, а с ними, соответственно, и осциллографы, преуспевали в развитии во всех частях мира, но в первую очередь это было заметно в Европе и Америке. В 1946 году ГовардВоллюм и Мелвин Джек Мердок основали компанию Tektronix, которая вскоре стала мировым лидером в осциллографии. В том же году Воллюм и Мердок изобрели свой первый осциллограф со ждущей разверткой — они использовали эту технологию в модели 511, которая имела полосу пропускания 10 МГц. Ждущей разверткой в осциллографе принято считать развертку, которая срабатывает только во время протекания наблюдаемого электрического импульса.
В 1950-х годах практически во всех технически развитых странах стали производить эти приборы, благодаря чему осциллографы превратились в универсальный инструмент для измерений. Полоса пропускания и точность осциллографов стремительно увеличивались, сначала с появлением первых промышленных аналоговых моделей, а затем и с появлением цифровых осциллографов в 1985-м году. Этот год можно с уверенностью назвать одной из ключевых точек в истории развития осциллографии. Именно в этом году для исследовательского центра CERN был разработан первый в мире цифровой запоминающий осциллограф. Созданием данного прибора руководил УолтерЛеКрой (WalterLeCroy), основатель компании LeCroy. Начиная с 1980-х годов рынок цифровых осциллографов прогрессировал невероятными темпами, благодаря чему эти приборы по сей день являются незаменимыми.
Устройство и принцип действия осциллографа
Основная деталь электронного осциллографа — электронно-лучевая трубка (рис.4), напоминающая но форме телевизионный кинескоп, только значительно меньших габаритов. Экран трубки покрыт изнутри люминофором — веществом, способным светиться под «ударами» электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают.
Рис.4
Рис.5
Если электрон поместить между двумя параллельными пластинами, имеющими разноименные электрические заряды, то под действием электрического поля, возникающего между пластинами, электрон отклонится, так как он заряжен отрицательно. Он отталкивается от пластины, имеющей отрицательный заряд, и притягивается к пластине, имеющей положительный электрический заряд. Движение электрона будет направлено вдоль линий поля. Когда в поле между пластинами попадает движущийся со скоростью V электрон, то на него действуют не только силы поля, но и сила, направленная по его движению. В результате действия этих сил электрон отклонится от своего прямолинейного пути и будет перемещаться по диагонали.
Если между пластинами пропустить узкий пучок движущихся электронов — электронный луч, он под действием электрического поля отклонится. Угол отклонения электронного луча зависит от скорости движения электронов, из которых состоит луч, и величины напряжения, создающего электрическое поле между пластинами. Каждая электронно-лучевая трубка представляет собой баллон, из которого выкачан воздух. Коническая часть внутренней поверхности баллона покрыта графитом и называется аквадагом. Внутри баллона помещается электронный прожектор — электронная пушка, отклоняющие пластины, и экран. Электронный прожектор трубки состоит из подогревного катода, который излучает электроны, и системы электродов, образующих электронный луч. Этот луч, испускаемый катодом трубки, перемещается с большой скоростью к экрану и по существу является электрическим током, направленным в сторону, обратную движению электронов. Катод представляет собой никелевый цилиндр, торец которого покрыт слоем оксида. Цилиндр надет на тонкостенную керамиковую трубку, а внутри нее для подогрева катода помещается нить из вольфрама, выполненная в виде спирали. Катод расположен внутри управляющего электрода, имеющего форму стаканчика. В дне стаканчика сделано небольшое отверстие, через которое проходят электроны, вылетающие из катода; это отверстие называется диафрагмой. На управляющий электрод подается небольшое отрицательное напряжение (порядка нескольких десятков вольт) по отношению к катоду. Оно создает электрическое поле, действующее на электроны, вылетающие с катода так, что они собираются в узкий луч, направленный в сторону экрана трубки. Точка пересечения траекторий полета электронов называется первым фокусом трубки. Увеличивая отрицательное напряжение на управляющем электроде, можно часть электронов отклонить настолько, что они не пройдут через отверстие и таким образом количество электронов, попадающих на экран, уменьшится. Изменяя напряжение управляющего электрода, можно регулировать количество электронов в нем. Это позволяет изменять яркость светящегося пятна на экране электронно-лучевой трубки, который покрыт специальным составом, обладающим способностью светиться под воздействием электронного луча, попадающего на него. В состав электронной пушки также входят создающие ускоряющее поле два анода: первый — фокусирующий 1 и второй — управляющий 2. Каждый из анодов представляет собой цилиндр с диафрагмой, которая служит для ограничения поперечного сечения электронного луча. Аноды располагаются вдоль оси трубки на некотором расстоянии один от другого. На первый анод подается положительное напряжение порядка нескольких сотен вольт, а второй анод, соединенный с аквадагом трубки, имеет положительный потенциал, в несколько раз больший потенциала первого анода. Электроны, вылетающие из отверстия управляющего электрода, попадая в электрическое поле первого анода, приобретают большую скорость. Пролетая внутри первого анода, пучок электронов под действием сил электрического поля сжимается и образует тонкий электронный луч. Далее электроны пролетают через второй анод, приобретают еще большую скорость (несколько тысяч километров в секунду), летят через диафрагму к экрану. На последнем под действием ударов электронов образуется светящееся пятно диаметром менее одного миллиметра. В этом пятне расположен второй фокус электронно-лучевой трубки. Для отклонения электронного луча в двух плоскостях электронно-лучевая трубка снабжена двумя парами пластин, расположенных в разных плоскостях перпендикулярно одна другой. Первая пара пластин, которая находится ближе в электронной пушке, служит для отклонения луча в вертикальном направлении; эти пластины называются вертикально отклоняющими. Вторая пара пластин, расположенная ближе к экрану трубки, служит для отклонения луча в горизонтальном направлении; эти пластины называются горизонтально отклоняющими. [5]
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 830; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!