Метрология и электрорадиоизмерения

Также присутствует цепь принудительного разряда конденсатора для того чтобы измерения различных сигналов были корректными.

При необходимости измерения среднего значения сигнала используют схему пикового детектора с закрытым входом отличающейся от схемы с открытым входом тем, что диод и конденсатор поменяны местами.

§ 2.4 Селективный вольтметр

Селективный вольтметр обладает перестраиваемой полосой пропускания, в которою входит исследуемый сигнал. Является частью сканирующего приемника и обычно имеет очень высокую чувствительность (до нановольт).

§ 2.5 Цифровые вольтметры

Все цифровые вольтметры имеют аналоговую часть аналогичную аналоговым вольтметрам, отличие в том, что вместо аналоговых измерительных головок (или других индикаторов) используется АЦП и цифровой индикатор упрощающий восприятие отображенной величины.

По виду АЦП вольтметры подразделяются на:

1)вольтметры с АЦП двойного интегрирования

2)вольтметры с АЦП разрядного кодирования

(3)вольтметры с преобразователем напряжение-частота-код (Ux--Fx--код))

§ 2.5.1 Вольтметры с АЦП двойного интегрирования

Любые цифровые приборы требуют время на то, чтобы перейти от аналогового сигнала к цифровому коду посредством аналого-цифрового преобразования. Особенностью обычного АЦП является необходимость затратить время на преобразования. Но аналоговый сигнал все время изменяется (в том числе в течение времени преобразования), поэтому с помощью устройства выборки-хранения запоминается выборка значений сигнала и подается на вход АЦП для перевода в цифровой код.

Рассмотрим структуру такого вольтметра (структурный элемент «схема управления» на схеме не указан, интегратор И совмещен с схемой сравнения):

С выхода функционального преобразователя измеренный сигнал подается на интегратор И в течение T₀₁ (эталонного, жестко заданного интервала времени) после чего схемой управления производится переключение входа функционального преобразователя на выход источника опорного эталонного напряжения U₀ имеющего другую полярность относительно входного напряжения и одновременное подключение схемы сравнения (компаратора) в интеграторе. Это приводит к тому, что до тех пор, пока в интеграторе имеется ненулевое напряжение, на счетчик импульсов ST поступают импульсы с генератора Г с периодом следования T₀₂. Эталонное напряжение не изменяется в течение интегрирования. Как только накопленное значение интегратора становится равным нулю, схема сравнения отключает генератор от счетчика импульсов, а схема управления, воздействуя на счетчик импульсов, разрешает загрузку переменной хранящей значение числа импульсов в устройство цифрового отсчета DC, где выполняются вычисления напряжения с учетом кол-ва импульсов, значения установленного напряжения опорного генератора и периодом следования импульсов T₀₂. Результат выводится на цифровой индикатор на время достаточное для наблюдения, цикл повторяется.

Tx - зависит от величины входного напряжения U

Счётчик считает число Nx импульсов попавших в интервал времени Tx:



При изменении цены младшего разряда индикатора предпочтительно изменять T₀₁ и T₀₂, а не эталонное напряжение U₀, так как источник опорного напряжения обеспечивает точность измерений, а его точная перестройка затруднительна или невозможна из-за неизбежного ухудшения точности установки опорного напряжения.

§ 2.5.2 Вольтметры с АЦП разрядного кодирования (поразрядного взвешивания)

Структурная схема:

Допустим, что цена младшего разряда единица Вольт, а динамический диапазон от 0 до 16 Вольт (U₀ = 16). Эти значения могут быть закодированы четырьмя разрядами. Истинное значение напряжения равно U_x:

Первый импульс записывается в регистр, состоящий из 4 разрядов. Формирователь состоящий из источника опорного напряжения (ИОН) и сопряженного с ним цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) формирует напряжение U₀/2 (управляющее воздействие для ЦАП записывается в регистр устройством управления). Но так как Ux>U/2, то компаратор выдает на устройство управления сигнал совпадения/превышения напряжения. Затем формируем новый тактовый импульс (в разряде записывается 1). Далее формирователь формирует U₀/4. Получаем Ux< U₀/2+ U₀/4, компаратор выдает на устройство управления сигнал о несовпадении, следовательно, устройство управления сбрасывает этот импульс (или не присваивает разряду 1). В разряде записывается 0. Далее формирователь формирует U₀/8. Так как Ux> U₀/2+ U₀/8, то компаратор выдает на устройство управления сигнал совпадения/превышения напряжения. В разряде записывается 1. Формирователь формирует новый импульс U₀/16. Так как Ux> U₀/2+ U₀/8+ U₀/16, то компаратор снова выдает на устройство управления сигнал совпадения/превышения напряжения и в разряде записывается 1. После перебора всех 4-х разрядов АЦП входного сигнала заканчивается, результат выводится на устройство индикации (устройство управления разрешает регистру выполнить передачу данных на индикатор).

Таким образом, выполнилось приближение к Ux с ошибкой ?x меньше значения младшего разряда U₀/16 (см. рис. выше).

Раздел 3

§ 3.1 Осциллоскопы

Основным прибором для исследования формы сигнала является осциллоскоп (осциллограф). Это обусловлено тем, что возможностями осциллографа является:

- измерение напряжения

- измерение периода сигнала

- наблюдение формы сигнала

Это делает осциллограф наиболее универсальным из всех измерительных приборов.

По своей сути осциллограф является вольтметром с отображением результатов измерения уровня сигнала, на некотором промежутке времени точно разделенного градуированной шкалой на равные интервалы, заполняемые значениями уровня сигнала с постоянной точно заданной скоростью (что позволяет измерять период сигнала).

Изображение можно получить на электроннолучевой трубке, на плазменной панели, на жк-мониторе. Но последние уступают первому по ширине полосы пропускания ввиду наличия цифровой обработки (АЦП, формирование растра развертки для передачи изображения на цифровое экранное устройство и т.д.).

Основные характеристики осциллоскопов

1. Полоса пропускания

2. Динамический диапазон:

3. Входное сопротивление (чтобы прибор минимально влиял на объект, входное сопротивление должно быть очень большим)

4. Минимальная входная емкость.

Главным элементом осциллоскопа является устройство отображения - электронно-лучевая трубка. Существуют электростатическая и электромагнитная системы отклонения, управляющиеся усилителями, подключенными к измеряемой цепи и генератору линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) формирующего развертку. Эти системы отклоняют поток электронов, бомбардирующих внутреннюю поверхность торца ЭЛТ покрытой люминофором, в результате чего возникает изображение. Следует отметить, что обратный ход луча информации не несет.

Для наблюдения на экране хотя бы одного периода периодического сигнала необходимо выполнить условие синхронизма - целое число периодов сигнала должно укладываться в период развёртки: . Только при выполнении этого условия картинка на экране будет неподвижной. Иначе будет наблюдаться фазовый набег.

Виды разверток

1) Автоколебательная развертка. Такая развертка обеспечивает непрерывный режим работы ГЛИН, в результате чего формируется непрерывная развертка сигнала по оси x с определенной скоростью слева направо и возвращение луча электронов в исходную точку в процессе обратного хода луча (время обратного хода много меньше времени прямого хода).

2) Ждущая внутренняя развертка. Ждущий режим применяется в том случае, когда период сигнала много больше длительности сигнала. ГЛИН запускается на 1 период развертки после срабатывания пороговой схемы регистрирующей приход сигнала. Порог срабатывания устанавливается внешними органами управления. Из-за задержки запуска развертки из-за порога запуска и ввиду инертности процессов запуска ГЛИН может происходить задержка сигнала на некоторое время. При этом пропадает часть информации. Чтобы избежать этого необходимо применять синхронизацию (принцип работы синхронизации описан в разделе 1 «Измерительные генераторы»)

3) Режим внешней ждущей развертки. Этот режим обеспечивает синхронизацию по внешнему сигналу (не измеряемому) подаваемому на вход внешней синхронизации.

§ 3.2 Обобщенная структурная схема осциллоскопа

Каналом, на вход которого обычно подается сигнал, является канал Y.

Входное устройство выполняет функцию согласования. НЧ осциллограф имеет сопротивление в десятки МОм (чтобы не изменять характеристики измеряемой цепи) (типичное значение - 1-10 МОм). Во входном устройстве присутствует делитель (аттенюатор) позволяющий выбирать динамический диапазон, ручка «усиление» (Вольт/деление). После входного устройства сигнал подается на широкополосный ( десятки-сотни МГц) усилитель постоянного тока с фиксированным и точно заданным коэффициентом усиления. С усилителя далее сигнал поступает на высоковольтный парафазный усилитель управляющий отклоняющими пластинами Y и на линию задержки ET1. Парафазный усилитель - создает напряжения противоположные по фазе (полярности). На обкладки управляющих пластин подается напряжение от ПФУ для поддержания постоянного потенциала между пластинами (среднего потенциала). Этим мы обеспечивается постоянная скорость потока электронов, что в свою очередь обеспечивает стабильность характеристик изображения и делает возможным применение осциллографа в качестве измерительного прибора. ET1 - линия задержки необходимая для реализации возможности синхронизации с сигналом канала Y или внешним сигналом. Линия задержки должна обладать линейной АЧХ и линейной ФЧХ с целью сохранения формы сигнала. Отклоняющие пластины Y находятся ближе к катоду и фокусирующему электроду, так как входной сигнал может быть слабым, а при таком расположении этих пластин при слабом изменении напряжения происходит отклонение потока электронов на значительный угол. Чувствительность характеризуется отклонением электронного луча при изменении напряжения на пластинах на 1В.

Напряжение развертки, вырабатываемое ГЛИН (G1) подается на парафазный усилитель, а далее на отклоняющие пластины X, которые могут быть расположены дальше от катода, так как величина напряжения развертки не зависит от входного сигнала и может быть задана на необходимом уровне для перемещения луча по оси X через всю ширину рабочей зоны ЭЛТ. Период ГЛИН устанавливается ручкой «длительность» (Время/деление).

Устройство синхронизации и запуска обеспечивает выбранный режим работы развертки и порог срабатывания синхронизации для выполнения условия синхронизма. Развертка может работать в двух режимах:

а) Автоколебательный режим - сам сигнал (канал Y) используется в качестве опорного для достижения синхронизма. Устройство синхронизации и запуска формирует запускающие импульсы, которые воздействуют на генератор G1. G1 синхронизирует свой период с периодом сигнала (но не обязательно каждый период).

б) Ждущий режим работы. Устройство синхронизации и запуска формирует запускающий импульс в момент прихода синхронизирующего сигнала (внешнего или внутреннего) , генератор G1 вырабатывает 1 пилообразный импульс, и затем ожидает следующего импульса запуска.

Ждущий режим применяется, когда период сигнала много больше длительности сигнала.

Иногда возможна внешняя синхронизация - переключатель S(1) в 1(при очень малых сигналах).

Сигнал задерживается линией задержки, чтобы обеспечить возможность увидеть его полностью (линия задержки 0,1-0,3 мкс). Линия задержки не искажает сигнал.

Канал ЭЛТ Z - канал управления яркостью. Канал Z используется, чтобы бороться с обратным ходом луча. С усилителя поступает импульс, который запирает электронную трубку, при этом обратный ход луча гасится. Бланкирующий электрод смещает луч за пределы экрана, при этом обратного ход луча не наблюдается. Канал Z при соответствующей коммутации S3 может использоваться как внешний канал для модуляции яркости входным сигналом.

С течением времени приборы могут терять точность и цена деления на них может изменяться. Для восстановления правильности показаний используется калибратор, встроенный в прибор.

Калибратор представляет собой генератор эталонного сигнала для проверки канала Y и канала X, точность характеристик калибратора выше, чем у всех остальных частей прибора, калибратор может быть термостатирован. (Калибратор чаще всего имеет выходной разъем для проверки калибратора и может использоваться для настройки других приборов)

§ 3.3 Многоканальные осциллоскопы

Осциллоскопы, которые позволяют одновременно наблюдать несколько сигналов, называются многоканальными.

Возможно несколько путей организации многоканальных осциллографов:

1) Многолучевой осциллоскоп позволяет наблюдать 2 или более сигналов, так как у него 2 или более формируемых электронных пучков. Чаще всего используются двулучевые электронные трубки, причем горизонтальное отклонение общее, а вертикальное у каждого канала свое, это возможно, так как чаще всего требуется наблюдать сигналы в одном временном масштабе. ЭЛТ с независимыми каналами горизонтального отклонения сложны и дороги, но применяются в осциллографах с 2-мя независимыми развертками.

2) Многоканальные осциллографы с электронными коммутаторами.

В этом случае трубка однолучевая, а наблюдать можно несколько сигналов. Существуют 8 канальные осциллографы.

Рассмотрим структурную схему такого осциллографа:

Всего существует 2 способа коммутации каналов:

1) С генератора G поступает импульс на коммутатор, который подключает 1-ый канал и запускает генератор развертки G2, по окончании периода генератор G вырабатывает следующий импульс и подключает 2-ой канал и снова запускает генератор развертки G2.

В этом случае за 1 период развертки отображается 1 канал.

В случае большого периода сигнала изображения будут восприниматься наблюдателем мерцающими.

2) Генератор G запускает генератор развертки G2 и в течение периода развертки подключает к отклоняющей системе поочередно все имеющиеся каналы. При этом изображение сигнала каждого канала стробируется.

В случае большого периода сигнала изображения будут восприниматься наблюдателем состоящими из точек.



Многоканальные осциллографы применяются там, где требуется одновременное наблюдение нескольких сигналов, например, в качестве 8-16 канальных логических анализаторов.

§ 3.4 Сверхширокополосные осциллографы

При исследовании сигналов малых периодов и с крутыми фронтами (единицы наносекунд - десятки пикосекунд) сталкиваются с проблемой невозможности получения усилителей с большой шириной полосы пропускания.

В случае ограничения полосы пропускания со стороны усилителя возможна подача сигнала непосредственно на отклоняющие пластины осциллографической трубки (верхняя граница полосы пропускания возрастает до 700 - 1000 МГц).

Но для измерения сигналов порядка десятков пикосекунд полосу пропускания необходимо иметь еще выше.

Дело в том, что при подаче высокочастотного сигнала на отклоняющие пластины сталкиваются с паразитными явлениями, такими, как паразитная емкость отклоняющих пластин и паразитная индуктивность выводов отклоняющих пластин. В итоге имеем эквивалентную схему:



Выход из положения - уменьшение площади пластин; увеличение вводов индуктивностей. Это позволяет увеличить верхнюю границу полосы пропускания 5 ГГц.

При этом из-за уменьшения длин пластин, поток электронов меньшее время находится под воздействием управляющего напряжения, следовательно, падает чувствительность электронной трубки. На высоких частотах период пролёта электрона между пластинами

Tпр становится больше периода сигнала подаваемого на пластины Т.

Тпр = d/Ve ; Ve - скорость электрона.

Тпр - период пролёта электрона.

d - длина пластин.

Вторая принципиально неустранимая проблема связана с конечной скоростью пролета электрона.

В случае если время пролета электрона через пластины сопоставимо с периодом управляющего сигнала на пластинах, электрон перестаёт отклоняться по закону управляющего сигнала. Это устраняется увеличением скорости пролета электрона, но при этом уменьшается чувствительность.



Избежать этого можно путем набора последовательно расположенных и малых по длине отклоняющих пластин. Получив таким образом требуемую широкополосность, мы уменьшили чувствительность. Поэтому ещё дополнительно ставятся линии задержки (рис. 1) позволяющих повысить чувствительность, при этом получается ЭЛТ с бегущей волной. Время задержки ЛЗ должно быть равно времени запаздывания от одной ЛЗ к другой ЛЗ. (полоса пропускания осциллографа с бегущей волной 5 ГГц , без - 1 ГГц).

§ 3.5 Стробоскопический осциллограф

Приведённая полоса пропускания в широкополосных осциллографах может достигать 15-20 ГГц. Стробоскопический осциллограф используется только при исследовании периодических сигналов.



Период стробирующих импульсов не совпадает с периодом сигнала, при этом значения огибающей результата стробирования представляют собой огибающую сигнала с измененным периодом. (Тс*n - период стробирования, n - кол-во периодов через которые происходит стробирование (в нашем случае n=1 так как период сигнала Тс периоду стробирующих импульсов Тстр)). Так как период огибающей больше периода измеряемого сигнала, то вводится коэффициент трансформации сигнала во времени который равен:

n - всегда целые числа

.

Отсюда следует: во сколько раз увеличивается период сигнала, во столько же раз уменьшается ширина его спектра. Коэффициент трансформации показывает, во сколько раз, сузился спектр сигнала.

Имея уже дискретные отсчеты имеется возможность обрабатывать сигналы (применяя цифровую обработку сигналов).

§ 3.6 Осциллографы с памятью

Осциллографы с памятью можно создать на основе:

1) ЭЛТ с длительным послесвечением (до нескольких минут).

2) Запоминающих электронно-лучевых трубок.

3) Использования цифровой памяти.

Структура осциллографа с цифровой памятью.

§ 3.7 Цифровые осциллографы (ЦО)

Современные , универсальные измерительные приборы, однако обладают небольшой широкополосностью ввиду ограниченной скорости работы АЦП и вывода сигнала на отображающее устройство не в реальном времени.

Обобщенная схема ЦО.

ИКАР-интерфейсная карта

Полоса пропускания 60 -500 МГц

Включает 8 модулей.

Разновидности экранов осциллографов.

Плазменные экраны.

Плоский экран с цифровым управлением.

Пластинка расположена в сосуде с газом. С одной стороны пластины подводятся горизонтальные электроды, с другой стороны вертикальные электроды. Применяя цифровое управление, мы можем получить определённую светящуюся точку на экране.

Раздел 4

§ 4.1 Измерение частоты и временных интервалов

Классификация измерителей частоты и временных интервалов:

1. Меры,

2. Измерители частот и временных интервалов (например, резонансные частотомеры - Ч2)

3. Кварцевые эталоны частоты (Ч1)

Наименьшую относительную нестабильность имеют квантовые генераторы, у них она составляет порядка 10^-18.

§ 4.2 Резонансный частотомер

Принцип действия резонансного частотомера основан на непосредственном измерении частоты.

Рассмотрим структуру такого частотомера. Основным элементом резонансного частотомера является колебательный контур, в который входит перестраиваемый конденсатор, связанный с градуированной шкалой и индикатор, используемый для отыскания резонанса.

Принцип действия заключается в следующем: на катушку связи подается сигнал с неизвестной частотой (известно только, что эта частота входит в диапазон измеряемых частот частотомера, в противном случае необходимо воспользоваться резонансным частотомером другого диапазона), для измерения этой частоты перестраивают резонансную частоту контура, изменяя емкость конденсатора и наблюдая при этом за показаниями индикатора. При отображении индикатором максимальных значений перестройку контура останавливают и снимают непосредственное значение частоты с градуированной шкалы связанной с подвижной частью конденсатора переменной ёмкости.

В данном случае индикатор должен обладать очень высоким активным сопротивлением, чтобы не шунтировать колебательный контур и не снижать его добротность (от нее непосредственно зависит точность измерения частоты). Индикатор нужен для отыскания момента резонанса.

Связь между катушками должна быть слабая, так как вносимое сопротивление имеет, в основном, активный характер и ухудшает добротность контура, а при внесении реактивного сопротивления контур расстраивается. При сильной связи (М) искажается резонансная характеристика контура, может возникнуть несколько резонансов.

Вместо конденсатора переменной ёмкости, возможно, использовать постоянную ёмкость, а для перестройки контура использовать вариометр вместо постоянной индуктивности, но в этом случае точность установки будет ниже, так как вариометры хуже по точности, чем переменные ёмкости.

§ 4.3 Гетеродинный частотомер

При подаче на нелинейный элемент колебаний с разными частотами всегда возникают разностные и комбинационные частоты. Положим одну из входных частот равной частоте специального измерительного генератора - гетеродина. Неизвестная частота будет обозначена как f_x. Рассмотрим процессы, происходящие в частотной области.

Когда разность частот f_x - f_г = 0, эти частоты вместе дадут постоянную составляющую, которую выделит фильтр. При наличии на выходе фильтра постоянной составляющей показания измерителя изменятся от 0 до уровня постоянной составляющей (возможна регистрация биений при приближении разности частот к 0), в этот момент мы узнаем частоту f_x, так как мы можем менять f_г и точно знаем значение f_г.

Индикатор определяет моменты равенства частот f_г и f_x. В случае стрелочного индикатора стрелка начинает колебаться относительно начального (0-ого) положения, когда f_x - f_г попадает в полосу пропускания фильтра и индикатора. Затем амплитуда колебаний становится все меньше и меньше, и уменьшается до 0 когда f_x - f_г = 0.

У такого способа существует недостаток : необходимо примерно знать какая частота должна быть, так как можно обнаружить 2, 3 и т.д. гармонику созданную нелинейным элементом. Но если знать какую гармонику удалось обнаружить, можно узнать частоту f_x (например, если за 2, то частота будет 2*f_x). Но этот недостаток можно превратить в существенное преимущество: возможно измерять частоты в несколько раз выше частоты гетеродина, перекрывая очень широкий диапазон частот.

Осциллограф может выполнять функцию индикатора при гетеродинном методе измерения частоты.

§ 4.4 Цифровой измеритель частоты и временных интервалов

Рассмотрим структурную схему такого частотомера:

На входе частотомера стоит формирователь формирующий импульс при переходе из отрицательного напряжения на положительное напряжение (или наоборот). Справа от структурной схемы представлены графики изображающие формирование импульса при переходе из положительного напряжения на отрицательное напряжение.

За один период входного сигнала формируется 1 импульс, поступающий на счетчик в том случае, когда на конъюнктор действует эталонный импульс сформированный делителем частоты на основе частоты кварцевого резонатора. По окончании длительности эталонного импульса данные из счетчика поступают в декодер, а затем в цифровой индикатор.

Значение k определяет порядок измеряемой величины.

Если k =0, то f_x=N.

Если k =3, то будет в мГц.

Если k =-3, то будет в кГц.

До определенных пределов справедливо то, что чем выше измеряемая частота, тем выше точность её измерения.

Кварцевый генератор определяет граничные значения точности при изменении частоты, у него есть своя нестабильность - нельзя получить измерения с большей, чем у него точностью. На данный момент цифровые измерители частоты самые точные измерители частоты.

При измерении низких частот возникает значительная погрешность в определении частоты. В этом случае для повышения точности лучше переходить на измерение длительности периода.

§ 4.5 Цифровой измеритель периодов

Измерение периодов - один из режимов работы частотомера.

Рассмотрим структурную схему измерителя периодов:



Отличие от предыдущей схемы в том, что на конъюнктор от делителя частоты подается не один длительный импульс, а непрерывная последовательность импульсов заданной длительности и периода следования. Во время действия 1 периода входного сигнала на счетчик подается серия импульсов, зная длительность и период одного импульса, период входного сигнала определяется перемножением количества импульсов поступивших в счетчик на период одного импульса.

§ 4.6 Измерение временных интервалов

В общем случае измерение временных интервалов это задача измерения времени между двумя импульсами сформированных из 2-х сигналов (в общем случае не обязательно периодических). Рассмотрим структуру измерителя временных интервалов:



Триггрер формирует импульс длительностью равной длительности между 2-мя входными импульсами. Далее сформированный триггером импульс измеряется аналогично предыдущему случаю.

(Если к=-3, то в мс.. Если к=-6, то в мкс..)

Можно измерять не только длительность между сигналами, но и в случае их периодичности совпадении их частот, то и разность фаз этих сигналов.

§ 4.6 Измерение отношения частот

При наличии 2-х не нравных по частоте сигналов всегда один из них по частоте больше другого, а потому применяя схему изображенную ниже позволяющей производить сравнение периодов возможно получить на индикаторе отношение частот входных сигналов:



§ 4.7 Цифровой частотомер с гетеродином

При измерении высоких частот сталкиваются с тем, что быстродействие цифровой элементной базы ограниченно (максимальные частоты - единицы ГГц), что бы преодолеть это ограничение, в цифровом частотомере применяют гетеродин для получения разностных частот и последующего их измерения. Рассмотрим структурную схему прибора:

При положении переключателя S1 в положении 1 производятся измерения частот не выходящих за пределы рабочей полосы частот частотомера. Иначе переключатель S1 переводят в положение 2.

Значение неизвестной частоты входного сигнала будет определятся в ходе 2-х измерений. Во время 1-ого измерения с помощью индикатора находим n-ую гармонику входного сигнала и определяем её частоту, затем перестраивая частоту гетеродина в сторону её уменьшения смещая спектр справа-налево до обнаружения следующей гармоники (при обнаружении этой гармоники производим 2-е измерение частоты). Обнаружение еще одной гармоники более низкой частоты чем при первом измерении позволяет составить систему уравнений и решив её определить неизвестную частоту входного сигнала.

Раздел 5

§ 5.1 Измерение разности фаз

Понятие разность фаз имеет смысл только в том случае, если частоты одинаковы (когда совпадают угловые скорости векторов описывающих сигналы на комплексной плоскости), иначе речь идет не о разности фаз, а о фазовом набеге. В общем случае сигналы могут быть не только гармоническими:

генератор вольтметр осциллоскоп электронный

В данном случае понятие разности фаз относится к 1-ым гармоникам этих сигналов (эти гармоники влияют на периоды и эти гармоники можно выделить с помощью ФНЧ).

Измерение разности фаз можно проводить следующими способами:

1) Измерение разности фаз с помощью двухканального осцилографа

В данном случае измерение фаз осуществляется непосредственно.



При наличие осциллографа также возможно использовать приемы для измерения разности фаз с помощью каналов X и Y наблюдая фигуры Лиссажу.

2) Измерение разности фаз с помощью фазовращателя

Фазовращатель является пассивным четырехполюсником с линейной ФЧХ. В идеальном случае у фазовращателя будет линейная АЧХ.

Свойство фазовращателя - возможность изменения наклон фазовой характеристики при неизменной линейности. Это свойство позволяет менять фазу не изменяя частоту.

Рассмотрим принцип измерения разности фаз с помощью фазовращателя:

Допустим что имеется четырехполюсник с неизвестной фазовой характеристикой.

На одной и той же частоте возможно измерять сдвиг по фазе относительно входа.

Изменяя характеристику фазовращателя добиваются того, чтобы чтобы на осциллографе эллипс перешел в линию (фигуры Лиссажу), это сигнализирует о совпадении фаз. Считывая значение фазового сдвига фазовращателя определяем ранее неизвестный фазовый сдвиг четырехполюсника на этой частоте f.

Таким образом, изменяя частоту, можно снять по точкам фазовую характеристику четырехполюсника.

Точность такого метода - 0,1%.

§ 5.2 Импульсный фазометр и цифровой фазометр

Для понимания принципа работы прибора сначала изобразим временные диаграммы:

Имеется некоторое устройство формирующее импульсы при переходе входного сигнала через ноль при изменении его полярности. Последовательность полученных импульсов можно проанализировать с помощью преобразования Фурье. При наличии однополярных импульсов будет присутствовать постоянная составляющая и её величину можно определить как:

где ф / T - это скважность.

тогда фазу можно определить следующим образом:

где - некоторый коэффициент , тогда:

В данном случае достаточно проградуировать шкалу прибора с учетом некоторого коэффициента .

Рассмотрим структурную схему импульсного фазометра:

С выхода триггера-формирователя последовательность импульсов подается на измеритель



Чтобы создать цифровой фазометр на основе импульсного фазометра нужно вместо измерителя установить цифровой вольтметр, который давал бы отображение измеряемой величины в градусах или радианах.

Раздел 6

Анализ спектров сигналов (спектроанализаторы)

В рамках данных лекций рассмотрим только анализ амплитудных спектров.

§ 6.1 Спектранализатор параллельного принципа действия

Рассмотрим графики и диаграммы:

S(f) - некоторый воздействующий сигнал с некоторым спектром.

Имеются N фильтров с некоторым коэффициентом передачи k и каждый со своей резонансной частотой. Изобразим реакцию фильтра на случайный сигнал при частотах в окрестности резонансной частоты фильтра:

На выходе каждого фильтра получается сигнал со случайно меняющейся амплитудой.

На основе набора таких фильтров можно построить параллельный спектроанализатор.

Рассмотрим обобщенную функциональную схему параллельного спектроанализатора:

Отфильтрованное напряжение каждого фильтра подается его на электронный коммутатор, работающий аналогично коммутатору в многоканальном осциллографе. Смещая по горизонтальной оси ЭЛТ начальную точку каждого канала, получаем набор вертикальных линий и их огибающую представляющие собой амплитудный спектр измеряемого сигнала.

Преимущество данного анализатора в том, что при параллельной структуре возможно находить спектры даже одиночных импульсов. Структура обеспечивает быстродействие.

Недостатком такого спектроанализатора является ограниченная разрешающая способность, обусловленная ограниченным количеством входящих в спектроанализатор фильтров формирующих набор его полос пропускания. Еще одним недостатком является сложность структуры при обеспечении высокой добротности фильтров.

§ 6.2 Спектранализатор последовательного принципа действия

Рассмотрим временные диаграммы:

Допустим, имеется сигнал с 3-мя спектральными составляющими и фильтр с некоторой полосой пропускания являющейся в данном случае элементом разрешения.

Поясним принцип работы:

Имеется один перестраиваемый узкополосный полоснопропускающий фильтр. Имея некоторую скорость перестройки электронного фильтра, перемещаем его резонансную частоту на оси частот, получая реакцию этого фильтра на воздействие спектральных составляющих сигнала. Вид спектра на экране получается при этом следующий:

Ширина «всплесков» равна ширине полосы пропускания.

Но даже электронную перестройку фильтра нельзя производить с большой точностью и являясь перестраиваемым, фильтр не может иметь высокую добротность. Поэтому перемещение АЧХ фильтра относительно спектральных составляющих сигнала не производят, а перемещают спектр сигнала относительно АЧХ фильтра.

Это возможно делать при наличии вспомогательного генератора (гетеродина) частоту которого можно изменять (f_г является функцией времени, поэтому спектр сигнала перемещается относительно неподвижной АЧХ фильтра):

Высокодобротный фильтр устанавливается в том месте, где происходит перестройка боковых спектральных составляющих относительно резонансной частоты фильтра. Измерение спектра лучше производить в ВЧ области. В случае СВЧ спектр наоборот, переносят в более низкий диапазон частот. Для перестройки частоты гетеродина применяют линейно-частотную модуляцию (ЛЧМ):

Исходя из этого, составляется структурная схема:

После входного устройства сигнал подается на смеситель, на который воздействует гетеродин. На выходе смесителя присутствуют комбинационные спектры, подаваемые на узкополосный фильтр. Сигнал с выхода фильтра подается на детектор, а с него на парафазный усилитель отклоняющих пластин Y.

Генератор развертки G управляет парафазным усилителем отклоняющих пластин X и генератором качающейся частоты (ГКЧ) являющимся гетеродином. По мере продвижения развертки изменяется частота гетеродина и относительно АЧХ фильтра происходит перемещение спектральных составляющих, амплитуда которых отображается на ЭЛТ.

Диапазон спектрального анализа определяется девиацией частоты ГКЧ. Середина диапазона определяется частотой несущей частоты ГКЧ.

§ 6.3 Формирование частотных меток

1) Формирование одиночной подвижной метки

Подавая сигнал с выхода смесителя на фильтр на выходе фильтра получим спектральную составляющую метки и остальные спектральные составляющие. Спектроанализатор отобразит спектр этого сигнала. На экране получим всплеск индицирующий наличие спектральной составляющей.

При этом зная частоту генератора частотных меток (по органам управления) можэем установить частоту метки на экране, и перемещая метку относительно спектра сигнала получаем интересующую нас информацию о сигнале и его спектре.

2) Формирование 3-х подвижных меток

Формирование происходит аналогично пункту 1, добавляется ещё один генератор, с амплитудной модуляцией.



3) Формирование частотной шкалы

В том случае, если необходимо сформировать несколько меток (частотную шкалу) необходимо сформировать спектр из нескольких спектральных составляющих. Для этого подходят сигналы с ЧМ.

Спектр частотно модулированного сигнала имет вид:

Число составляющих в спектре определяется коэффициентом модуляции m.

При этом получается некоторая шкала частот которую можно перемещать изменяя частоту несущей сигнала.

Простейшая принципиальная схема “формирователя частотной шкалы “ состоит из двух генераторов G1,G2 и смесителя. В качестве генератора G1 можно использовать генератор импульсных сигналов. Генератором G2 перестраиваемым по частоте мы задаём расстояние между метками.



§ 6.4 Основные характеристики спектроанализаторов

1) Диапазон частот спектрального анализа. Он зависит от диапазона генератора качающей частоты, её можно регулировать.

2) Динамический диапазон. Характеризует сколь слабые сигналы можно анализировать с точки зрения их спектра. (обычно составляет от сотен нановольт и выше, по мощности 10^-14 Вт, в дБ - 140 дБ Вт).

3) Разрешающая способность. Разрешающая способность определяется расстоянием (по частоте) между еще различимыми спектральными составляющими (это то минимальное расстояние по частоте между спектральными составляющими, при котором их можно наблюдать раздельно). Для понимания разрешающей способности введем критерий разрешающей способности:

fр - разрешающая способность. Спектральные составляющие разрешаются когда У / у ? 2. Если это значение меньше 2-х то спектральные составляющие не разрешаются.

В идеальном случае, при бесконечно малой ширине полосы пропускания фильтра:

Проанализируем, от чего зависит разрешающая способность. Разрешающая способность зависит от добротности фильтра, его частотной характеристики. Чем выше добротность, тем уже полоса пропускания фильтра:

Отсюда следует способ повышения разрешающей способности. Но повышая добротность фильтра (сужая полосу пропускания фильтра), сталкиваемся со следующим противоречием: чем выше добротность, тем инерционнее фильтр. (У любой системы существует постоянная времени и чем выше постоянная времени, тем уже полоса пропускания системы, так как система более инерционна при большей постоянной времени, в случае фильтра постоянная времени связана с добротностью). При статической разрешающей способности это способ её повышения, но в случае динамической разрешающей способности разрешения не будет, так как спектр сигнала изменяется, а фильтр, в силу высокодобротности, обладает большёй инерционностью и поэтому он не успевает среагировать на воздействие и исказит огибающую.

Поэтому вводится понятие времени спектрального анализа tсп (в случае статической АЧХ фильтра):



Если АЧХ -динамическая (фильтр имеет длительное последействие), то вводят понятие динамической разрешающей способности.

Этим способом можно пользоваться в разумных пределах.

4) Время спектрального анализа.

§ 6.5 Спектроанализатор с двойным или тройным преобразованием частоты

Это еще один способ повышения разрешающей способности.

Рассмотрим следующие диаграммы:

Этот способ основан на транспозиции спектра исследуемого сигнала в низкочастотную область, где узкополосный фильтр позволяет выделить спектральные составляющие с большей разрешающей способностью, так как при равных добротностях на низкой частоте полоса пропускания фильтра уже, чем на высокой частоте.

Напрямую выполнить транспозицию спектра в область низких частот нельзя, так как широкий спектр, дойдя до 0-ой частоты переотразится, и в узкополосный фильтр попадут паразитные спектральные составляющие, исказив анализ.

Вводят двойное и тройное преобразование по частоте (включение 2-го и 3-го гетеродина):

Двойное преобразование:



Все гетеродины кроме 1-ого являются неперестраиваемыми. Неперестраиваемый гетеродин можно располагать не только слева от транспозированного спектра, но и справа. Двойное и тройное преобразование частоты дает возможность разрешить большее количество спектральных составляющих.

Рассмотрим структуру спектроанализатора с двойным или тройным преобразованием частоты:

В случае тройного преобразования добавляется ещё один гатеродин и фильтр.

Далее структура подобна структуре спектроанализатора последовательного принципа действия.

§ 6.6 Спектроанализаторы со сжатием сигнала

Такого рода спектроанализаторы применяются в случае анализа инфранизких частот когда требуется разрешающая способность в пределах сотых долей герца. В этом случае если сигнал без изменения формы сжать в n раз, то частотный спектр увеличится в n раз.

Операция сжатия сигнала производится во временной области, смысл сжатия - без уменьшения формы сигнала уменьшение его длительности.

Пусть имеется импульсный инфранизкочастотный сигнал:

Уменьшив длительность сигнала расширили его спектр, упростив анализ спектральных составляющих разрешив их.

Изобразим структурную схему данного спектроанализатора:

Преобразование сигнала выполняется с помощью цифровой обработки предварительно выполнив АЦП. Структура спектроанализатора аналогична рассмотренным ранее.

§ 6.7 Особенности спектроанализаторов для анализа СВЧ

Особенности спектроанализаторов для анализа СВЧ - спектроанализатор выполнен на дисперсионной линии задержки(для радиоимпульсов СВЧ).

Идея:

Дисперсионная линия задержки(ДЛЗ) : если подать имп. сигнал одновременно запускает генератор развёртки. В (ДЛЗ) время запаздывания гармонического колебания или фазовый сдвиг являются функцией частоты , вотличии от обычной (ЛЗ), где tз=соnst .На выходе появляется амплитудный спектр.

На СВЧ применяются спектроанализаторы на ЖИГ - Ф (ЖИГ- железно-итриевый гранат).

Так же есть полностью цифровые спектроаналазаторы использующие преобразование по Фурье.

Раздел 7

§ 7.1 Анализ частотных характеристик (АЧХ)

Линейные устройства имеют АЧХ, нелинейные устройства не имеют АЧХ, так как имею искажения спектра приводящим к бесконечному набору спектральных составляющих.

Фазовая и амплитудная характеристки в большинстве случаев связаны между собой.

Способы получения АЧХ:

1)Получение АЧХ по точкам:

АЧХ однозначно связана с коэффициентом передачи К().

Перестраивая частоту генератора, при неизменной амплитуде сигнала подаем этот сигнал как входное воздействие для исследуемой цепи. С выхода исследуемой цепи снимаем отклик, для этого требуется вольтметр или осциллограф. Для построения АЧХ отмечаем значение выходного напряжения в соответствии с частотами генератора на оси частот.

Динамический диапазон исследуемого устройства должен быть таким, чтобы не было искажений при единичном воздействии генератора (иначе говоря, практически любое устройство линейно только в определенном диапазоне входных воздействий, а выходя за него, перестает быть линейным и получение его АЧХ не имеет смысла). Частотный диапазон вольтметра должен удовлетворять рабочей полосе частот исследуемого устройства.

Недостаток: производимый вручную это достаточно долгий процесс, особенно при необходимости получения большого количества точек.

2)Автоматический анализатор частотных характеристик.

Для ускорения снятия АЧХ применяют автоматические анализаторы частотных характеристик. Структура такого анализатора изображена ниже:

На смеситель подаются гармонический сигнал (G1) и прямоугольный импульс (G3), в некоторый момент времени частота G1 (генератор качающейся частоты) и частота импульсных сигналов совпадут и разностные составляющие (fгкч - fи) = 0, в результате чего на выходе смесителя будут появляться постоянные составляющие («всплески» - моменты равенства fгкч и fи).Эти всплески через фильтр НЧ поступают на усилители.

Перед использованием анализатора необходимо убедится что измерительный тракт откалиброван.

Размещено на Allbest.ru