Аналоговые измерительные устройства

метки: Прибор, Аналоговый, Сигнал, Измерительный, Рисунок, Частота, Генератор, Импульс

1. Электронные приборы для анализа характеристик сигналов и схем

1.1 Электронно-лучевые осциллографы

Прибор для визуального наблюдения и регистрации разнообразных электрических сигналов, а также для измерения различных параметров сигналов, определяющих их форму, значения, временные и частотно-фазовые соотношения, называют электронным осциллографом (ЭО).

Электронные осциллографы характеризуются: большим входным сопротивлением, высокой чувствительностью, малой инерционностью и широким частотным диапазоном.

1.1.1 Метрологические характеристики ЭО

К метрологическим характеристикам относятся:

1) полоса пропускания или параметры переходной характеристики;

2) неравномерность АЧХ;

3) нелинейность амплитудной характеристики усилителей ЭО;

4) качество изображения сигнала в импульсном осциллографе;

5) чувствительность;

6) параметры входов;

7) погрешности калибраторов амплитуды, калибраторов временных интервалов и их измерения;

8) длительность разверток;

9) нелинейность развертки.

Полоса пропускания — это диапазон частот, в котором АЧХ имеет спад не более трех децибел, относительно значения на опорной частоте.

Опорная частота — это частота, на которой спад АЧХ отсутствует.

Значение спада АЧХ в децибелах находится из соотношения:

, (1.1)

где _fоп — размер изображения на опорной частоте;

• размер изображения на измеряемой частоте.

Нелинейность амплитудной характеристики усилителей ЭО определяется по формуле

, (1.2)

где — наиболее отличающийся от одного деления шкалы экрана размер изображения сигнала в любом месте рабочей зоны экрана.

Её измеряют, подавая на вход осциллографа сигнал импульсной или синусоидальной формы, с амплитудой, обеспечивающей получение в центре экрана ЭЛТ изображения сигнала размером в одно деление шкалы. Затем, измеряют размер изображения сигнала в различных местах рабочей части экрана, перемещая его по вертикальной оси с помощью внешнего источника напряжения.

Качество изображения сигнала в импульсном осциллографе — характеризуется параметрами переходной характеристики (ПХ).

а) б)

Условные обозначения: а — параметры ПХ; б — спад вершины.

Рисунок 1.1 — Параметры ПХ и определение спада вершины

К параметрам относятся:

Измерение частоты сигнала с помощью электронно-лучевого осциллографа

... ГГц) рабочей полосой. Запоминающие осциллографы благодаря применению специальных электронно-лучевых трубок обладают способностью сохранять и воспроизводить в течение длительного времени изображение сигнала после исчезновения его на ... пределах 0,6-6 мм/В по оси Y. Важным параметром ЭЛТ также является, размер рабочей, части экрана, в пределах которой искажения осциллограммы минимальны. Для улучшения ...

• а) время нарастания ПХ ;
• Измеряется при следующих условиях: на вход осциллографа подают импульсы с временем нарастания не более 0,3 времени нарастания ПХ, указанной в стандартах или технической документации на осциллограф конкретного типа.

Длительность импульса должна быть не менее чем в 10 раз больше времени нарастания ПХ. Выброс на импульсе не должен превышать 10%. Время нарастания ПХ определяют как время нарастания изображения импульса, в течение которого происходит отклонение луча от 0,1 до уровня 0,9 амплитуды импульса (выброс не учитывается).

б) значение величины выброса ;

• , (1.3)

где — амплитуда изображения выброса;

• амплитуда изображения импульса.

в) спад вершины изображения импульса, который измеряют, подавая на вход канала вертикального отклонения импульс, длительностью более c амплитудой, обеспечивающей максимальный размер изображения импульса в рабочей части экрана ЭЛТ.

Значение спада вершины импульса измеряют по его изображению в точке, отстоящей от начала импульса на время равное его длительности. Нормируют значения относительного спада вершины импульса, который определяют по формуле:

(1.4)

где — значение величины изображения спада импульса;

• значение амплитуды изображения импульса.

г) неравномерность вершины изображения импульса (отражение, синхронные наводки);

Величина отражения определяется из формулы:

, (1.5)

где — амплитуда выброса или впадины;

• толщина линии луча, указанная в стандартах или технической документации на данный осциллограф.

Синхронные наводки определяют изменением амплитуды наложенных на изображение колебаний, вызванных внутренними наводками, синхронными с запуском развертки.

, (1.6)

где — отклонение луча трубки из-за наложения на изображение колебаний, вызванных внутренними наводками.

Зная параметры ПХ можно определить параметры АЧХ.

f _в 350 ?, (1.7)

где [1]=нс;

• []= MГц;
• , (1.8)

где [1]=с;

• []=Гц;
• верхняя граничная частота;
• нижняя граничная частота.

Чувствительность (нормальное значение калиброванного коэффициента отклонения) определяют по формуле

, (1.9)

где — значение амплитуды входного сигнала;

• значение изображения амплитуды этого сигнала;

Погрешность коэффициента отклонения имеет вид

, (1.10)

где — номинальное значение , указанное в техдокументации;

• коэффициент отклонения.
• (1.11)

Параметры входов осциллографов с полосой пропускания до 30 МГц определяют непосредственным измерением сопротивления и ёмкости входа соответствующими приборами.

Определение погрешности измерения калибраторов амплитуды и калибраторов временных интервалов производится путем сравнения показаний испытуемого осциллографа и образцового измерительного устройства с погрешностью измерения соответствующей величины в три раза меньшей, чем у поверяемого осциллографа.

Длительность разверток — время прямого хода развертки за которое луч пробегает всю рабочую часть экрана в горизонтальном направлении. В современных осциллографах длительность прямого хода развертки задается в виде коэффициента развертки .

Исследование радиотехнических сигналов

... аппроксимирующей функции 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛА 3.1 Построение АЧХ и ФЧХ спектра периодического сигнала Для анализа сигналов и их обработки важное значение имеет разложение заданной функции по ... ФЧХ и частоты приведены в таблице 5. Таблица 5 Значения коэффициентов ряда Фурье, АЧХ и ФЧХ сигнала n a (n), mV b (n), mV A (n), ...

, (1.12)

где — длина отрезка горизонтальной оси соответствующая длительности .

Погрешность коэффициента развертки имеет вид

, (1.13)

где — номинальное значение коэффициента развертки.

Нелинейность развертки определяют по формуле

, (1.14)

где — длительность наиболее отличающегося от 1 см или одного деления шкалы, временного интервала в любом месте рабочей части развертки в пределах рабочей части экрана.

1.1.2 Классификация осциллографов

В соответствии со стандартами осциллографы различают следующим образом:

1) по ширине полосы пропускания:

• низкочастотные (полоса пропускания до единиц мегагерц);
• широкополосные (полоса пропускания до тысяч — полутора тысяч мегагерц);
• сверхскоростные (полоса пропускания до десятков гигагерц).

2) по количеству одновременно исследуемых сигналов:

• однолучевые;
• двулучевые;
• многолучевые;
• двухканальные;
• многоканальные.

3) по характеру исследуемого сигнала (для наблюдения непрерывных, импульсных, универсальных и специальных сигналов);

4) по точности воспроизведения формы сигнала, точности измерения временных интервалов и амплитуд: первого, второго, третьего, четвертого класса точности

5) по масштабу времени, в котором исследуется процесс:

• в реальном времени;
• в измененном масштабе времени.

6) по условиям эксплуатации в соответствии с ГОСТами или технической документацией, утвержденной в установленном порядке.

1.1.3 Универсальные осциллографы

В настоящее время широко используются универсальные осциллографы, с помощью которых можно регистрировать непрерывные и импульсные процессы, исследовать пачки импульсов.

Универсальные осциллографы делятся на приборы с моноблочной конструкцией и приборы со сменными блоками.

Независимо от типа осциллографа в его структуре выделяют следующие основные узлы:

• узел электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);
• усилитель отклонения лучей;
• генераторы разверток;
• узел синхронизации;
• вспомогательные устройства, которые служат для улучшения метрологических характеристик и автоматизации работы осциллографа;
• узлы питания и регулирования.

Устройство синхронизации и запуска развертки (рисунок 4.2), преобразует различные по форме и величине сигналы в стандартные импульсы и позволяет выбрать для запуска развертки момент времени, соответствующий определенному уровню входного сигнала.

Рисунок 1.2 — Структурная схема синхронизации и запуска

С помощью переключателя входа выбирается синхронизирующий сигнал, компаратор определяет момент запуска развертки. Сигнал с усилителя поступает на формирователь импульсов, формирующий запускающий сигнал с крутым передним фронтом, независимо от параметров входного сигнала.

К параметрам входа канала синхронизации предъявляются менее жесткие требования, чем к параметрам входа Y или X-каналов.

На рисунке 4.3 изображена схема универсального осциллографа.

Как видно из рисунка, исследуемый сигнал, поступая на вход канала Y, усиливается и преобразуется в симметричный. Применение симметричного выхода в усилителях осциллографа необходимо для уменьшения специфических искажений сигнала, появляющихся в связи с наличием емкости отклоняющих пластин, а также влияния на скорость движения электронов в трубке среднего потенциала пластин.

Электронные осциллографы

... напряжения Измерение напряжения производится в режиме линейной развертки (первый основной режим работы осциллографа). Рисунок 4 Схема подключения источника сигнала (генератора) к осциллографу приведена на рис. 4. Рисунок 5. Рисунок 6 (6) ...

Для изменения калиброванного коэффициента отклонения на входе канала Y установлен входной делитель — аттенюатор. При переключении аттенюатора калиброванный коэффициент усиления изменяется в 2 или 2,5 раза при неизменном сопротивлении входа осциллографа.

В предварительном усилителе канала Y предусмотрена плавная регулировка усиления и перемещения изображения по вертикали. Входной каскад усилителя совместно с аттенюатором должен обеспечить малое влияние осциллографа на исследуемый объект, т. е. должен иметь большое входное сопротивление, малую входную емкость и способность пропускать все частоты входного сигнала.

В канале Y имеется линия задержки, которая задерживает входной сигнал на время задержки работы генератора ждущей развертки. Это позволяет получить на экране осциллографа полное изображение процесса, включая даже его самый начальный момент и получить устойчивое изображение импульсного процесса с любыми пара метрами.

При изучении входных сигналов с большой постоянной составляющей вход осциллографа можно сделать закрытым. Разделительный конденсатор включается переключателем SA1.

На горизонтально отклоняющие пластины трубки поступает вырабатываемое генератором развертки пилообразное напряжение, усиленное усилителем горизонтального отклонения луча (канал X).

Регулирование усиления этого усилителя позволяет изменять масштаб изображения по горизонтали и калибровать коэффициент развертки.

В зависимости от характера исследуемых сигналов генератор развертки может работать в непрерывном и ждущем режимах (положение Ж и Н переключателя SA 2)Чтобы изображение на экране осциллографа было неподвижным и стабильным, необходима синхронизация генератора развертки исследуемым процессом. Для этого на генератор развертки подают короткие синхронизирующие импульсы, сформированные из исследуемого сигнала в устройстве синхронизации и запуска развертки (положение 1 SA5)

Синхронизацию непрерывной и ждущей разверток можно осуществлять и от внешних источников сигнала (положение 2SA5).При этом устройство запуска развёртки нормализует синхронизирующий сигнал, превращая его в импульсы с постоянным фронтом.

Чтобы иметь возможность получения изображения функциональной зависимости двух величин, предусмотрена возможность отключения генератора развертки от усилителя X и подачи на его вход внешнего сигнала (положение 2 SA3).

При осциллографировании быстрых процессов изображение сигнала неяркое. Для того, чтобы обеспечить возможность его наблюдения и фотографирования, приходится форсировать режим работы трубки осциллографа. Для этого в осциллографе предусмотрено устройство управления лучом по яркости (вход позволяющее резко увеличить яркость луча при прямом ходе развертки и исключить возможность прожога экрана трубки во время отсутствия сигнала на входе осциллографа.

С целью улучшения метрологических характеристик осциллографа в него вводятся калибраторы амплитуды и длительности. Калибратор амплитуды представляет собой источник сигнала с известной амплитудой. Этот сигнал подаете на вход осциллографа (положение 2 SA4) или на пластины трубки и позволяет отградуировать в единицах напряжения канал Y осциллографа.

Генераторы сигналов специальной формы

... любой части шкалы. Измерительные генераторы сигналов. Задающий генератор - определяет характеристику генератора. Усилитель - усиливает сигнал задающего генератора до необходимой величины и обеспечивает развязку задающего генератора от нагрузки, т.е. зависимость частоты и напряжения от ...

Калибратор меток времени представляет собой стабильный генератор электрических колебаний. Его сигнал подается на усилитель канала вертикального отклонения. Период повторения этого сигнала используется в качестве калибровочных интервалов времени; функции калибраторов могут быть совмещены в одном генераторе.

Рисунок 1.3 — Структурная схема универсального осциллографа

1.2 Анализаторы спектра

Анализатор спектра (АС) — это чувствительный селективный прибор, предназначенный для определения частотных составляющих сигнала т.е. спектра амплитуд.

Периодичную функцию можно представить рядом Фурье в виде:

(1.15)

Совокупность и есть спектр амплитуд.

Для представления непериодической функции используют формулу интеграла Фурье

(1.16)

Комплексный спектр можно вычислить по прямому преобразованию Фурье:

(1.17)

Аппаратурно можно получить текущий спектр сигнала:

(1.18)

При большом времени анализа текущий спектр может быть достаточно хорошим приближением к истинному спектру. Наиболее распространены анализаторы спектра с использованием резонаторов (рисунок 4.4).

Рисунок 1.4 — Схема резонатора (колебательный контур)

Характеристики колебательного контура:

• затухающие колебания

; (1.19)

• собственная частота

; (1.20)

• добротность

^. (1.21)

Анализ частотных свойств сигнала может быть последовательным или параллельным.

В АС последовательного типа собственная частота резонатора медленно изменяется во всем анализируемом диапазоне частот. АС параллельного типа содержит набор резонаторов, каждый из которых настроен на определенную частоту анализируемого диапазона частот.

1.2.1 Структурные схемы анализаторов спектра

На рисунке (1.5) представлена структурная схема анализатора спектра последовательного типа.

Входной сигнал поступает на входное устройство 1, где усиливается усилителем или ослабляется аттенюатором до нужного значения и поступает на смеситель 2, который перемножает входной сигнал и сигнал гетеродина 6, частота которого изменяется по линейному закону с помощью модулятора 7. На выходе смесителя ставится резонатор 3, выделяющий сигнал суммарной или разностной частоты гетеродина входного сигнала. С резонатора сигнал поступает на детектор 4, затем на широкополосный усилитель 5 и индикатор 9. Одновременно с изменением частоты гетеродина луч отклоняется по горизонтали, для чего напряжение модулятора подается на усилитель горизонтального отклонения 8.

Условные обозначения: 1 — входное устройство; 2 — смеситель; 3 — резонатор; 4 — детектор; 5 — широкополосный усилитель; 6 — гетеродин; 7 — модулятор; 8 — усилитель горизонтального отклонения; 9 — индикатор.

Рисунок 1.5 — Структурная схема анализатора последовательного типа

Структурная схема АС параллельного типа представлена на рисунке (1.6).

Условные обозначения: 1 — входное устройство; 2 — резонатор; 3 — детектор; 4 — регистрирующее устройство.

Рисунок 1.6 — Структурная схема анализатора параллельного типа

Исследуемый сигнал после входного устройства 1 поступает на n резонаторов (2 ₁ ….2 _n ).

Содержит страниц главы рисунков таблицы источников

... Пуркинье эти импульсы проводятся к сократительному миокарду. Рисунок 1– Схема строения проводящей системы сердца: 1- синусовый узел, ... отведениях в условиях обычной активности пациента, хранение сигналов в энергонезависимой памяти, ввод в компьютер и ... системы- это расклад между максимальной и минимальной частотой синусового ритма. Другим классическим проявлением влияния парасимпатической системы ...

Напряжение с резонаторов после прохождения через детектор 3 фиксируется регистрирующим устройством 4.

В автоматическом варианте параллельного анализатора вместо переключателя устанавливают коммутатор. Синхронно с переключением канала изменяется развертка регистрирующего прибора.

На рисунке 4.7 представлена структурная схема анализатора, отличающаяся от структурной схемы анализатора последовательного типа наличием частотного детектора, преобразующего частоту гетеродина в напряжение постоянного тока. Это позволяет снизить требования к гетеродину относительно стабильности частот и линейности модуляционной характеристики. В этой схеме точность отсчета частоты определяется стабильностью коэффициента передачи частотного детектора и линейностью его характеристики в диапазоне частот перестраиваемого гетеродина.

В анализаторах для ослабления помех по зеркальному каналу используют двойное преобразование частоты. Эти помехи могут возникать из-за того, что резонатор не сможет различить два сигнала, если выполняется условие

, (1.22)

где и — частоты сигнала и гетеродина.

Условные обозначения: 1 — входное устройство; 2 — смеситель; 3 — резонатор; 4 — детектор; 5 — широкополосный усилитель; 6 — гетеродин; 7 — модулятор; 8 — усилитель горизонтального отклонения; 9 — индикатор; 10 — частотный детектор.

Рисунок 1.7 — Структурная схема анализатора с частотным детектором

В схеме анализатора с двойным преобразованием частоты (рисунок 4.8) сигнал после входного устройства поступает на смеситель 1. На него же подается напряжение с перестраиваемого вручную гетеродина 12. Между смесителями 1 и 2 включен усилитель промежуточной частоты 11.

Для подавления помехи по зеркальному каналу промежуточную частоту выбирают больше верхней частоты спектра сигнала.

Использование двух гетеродинов позволяет градуировать экран осциллографа по частоте, так как при изменении частоты первого гетеродина разметка шкалы не изменяется.

При использовании одного гетеродина изменение его диапазона частот вызывает изменение масштаба по частоте.

Условные обозначения: 1 — входное устройство; 2 — второй смеситель; 3 — резонатор; 4 — детектор; 5 — широкополосный усилитель; 6 — второй гетеродин; 7 — модулятор; 8 — усилитель горизонтального отклонения; 9 — индикатор; 10 — первый смеситель; 11 — усилитель промежуточной частоты; 12 — первый гетеродин

Рисунок 1.8 — Структурная схема анализатора с двумя гетеродинами

В структурной схеме автоматического анализатора параллельного типа (рисунок 1.9) анализируемый сигнал после входного устройства 1 поступает на смеситель 2. Смешанный с напряжением гетеродина 7 сигнал промежуточной частоты анализируется п резонаторами (…).

Разработка генератора сигналов на цифровых микросхемах

... наиболее распространен цифровые приборы для измерения таких электрических величин, как напряжение, ток, сопротивление, частота, фаза, период, ... (А1-А2); например, здесь производится масштабирование входного сигнала, преобразование напряжения, сопротивления, емкости и других величин в ... устройства содержат диск или маску с кодовым рисунком; дискриминаторы, позволяющие установить в каждом из разрядов ...

Выходное напряжение с резонаторов проходит через коммутатор 4 и детектор 5 на регистрирующее устройство 6. Развертывающее устройство последнего синхронизируется с работой коммутатора и модулятора 8, который изменяет частоту гетеродина по определенному закону.

Условные обозначения: 1 — входное устройство; 2 — смеситель; 3 — резонатор; 4 — коммутатор; 5 — детектор; 6 — регистрирующее устройство; 7 — гетеродин; 8 — модулятор.

Рисунок 1.9- Структурная схема автоматического анализатора параллельного типа

1.2.2 Характеристики анализаторов спектра

Характеристиками АС являются:

• разрешающая способность;
• время анализа;
• полоса анализируемых частот.

Анализатор спектра характеризуется погрешностью по амплитуде и погрешностью по частоте.

Погрешность по частоте определяет с какой точностью может быть определен интервал частот между составляющими спектра или действительное значение частоты этих составляющих.

Погрешность по амплитуде определяется инструментальными погрешностями АС и зависит от спектра исследуемого сигнала.

Погрешность АС связана также с временем анализа.

Разрешающая способность анализатора спектра

Разрешающая способность анализатора спектра — это минимальный интервал по частоте между двумя гармоническими сигналами, при котором они разделяются анализатором.

Если на колебательный контур подана сумма двух гармонических сигналов, то

i(t)=I _m (sin₁ t +sin₂ t).

(1.23)

и разрешающая способность равна разности частот , при которой:

(Umin/Umax)=m (1.24)

Обычно m принимают равным или .

Рисунок 1.10 — Разрешающая способность анализатора

Разрешающая способность резонатора зависит от вида его частотной характеристики, она может быть статической и динамической.

Динамическая разрешающая способность имеет место при последовательном анализе.

При линейном изменении частоты воздействия амплитудно-частотная характеристика резонатора деформируется (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 — Динамическая характеристика резонатора

Деформация резонансной кривой характеризуется рядом параметров:

• относительным изменением значения максимума

; (1.25)

• относительным смещением максимальной динамической характеристики относительно максимальной статической характеристики

; (1.26)

• относительным расширением полосы пропускания
• (1.27)

Время анализа

Время анализа — характеризует насколько быстро можно провести анализ сигнала в определенном диапазоне частот.

Время параллельного анализа зависит от времени установления колебаний в резонаторе. Если после подачи исследуемого сигнала на анализатор сразу же снять показания, то получится нулевая линия, т.к. напряжение на конденсаторе контура не может нарастать скачком.

При последовательном анализе время зависит от скорости перестройки частоты резонатора. При перестройке частоты резонатор будет характеризоваться не статической, а динамической разрешающей способностью.

СВЧ генератор на эффекте Ганна. Методы измерения параметров

... 10~11 за 1 сут. Для градуировки генераторов измерительных сигналов используют синтезаторы частоты и другие генераторы, погрешность установки частоты которых на порядок, а нестабильность частоты за 30 мин — на 3 ... измерения значение Fу(Ту) включает в себя кроме значения температуры шума входа измеряемого устройства также составляющую за счет собственных шумов измерителя мощности: , (3.4) где Тизм - ...

Время анализа — время установления колебаний в резонаторе — зависит от вида АЧХ и полосы пропускания резонатора.

Для любого линейного четырехполюсника справедливо соотношение

, (1.28)

где — комплексный коэффициент передачи, который есть не что иное, как спектр функции .

Спектр функции представляет собой реакцию четырехполюсника на входное воздействие.

В теории сигналов под шириной спектра сигнала обычно понимают полосу частот, в которой сосредоточена основная доля (90%) энергии сигнала.

Полоса анализируемых частот

Полоса анализируемых частот — указывает частотный диапазон сигналов, которые могут исследоваться данным анализатором спектра.

Для увеличения полосы анализируемых частот анализаторы спектра выполняют мультидиапазонными.

В анализаторе спектра обычно имеется возможность исследовать сигнал не во всем диапазоне, а в полосе обзора, что повышает точность анализа.

1.2.3 Анализаторы спектра случайных процессов

Структурная схема анализатора спектра случайного сигнала представлена на рисунке 1.12.

Условные обозначения: 1 — входное устройство; 2 — полосовой фильтр; 3 — квадратор; 4 — интегратор; 5 — отсчетное устройство.

Рисунок 1.12 — Структурная схема анализатора случайного сигнала

Спектральная плотность стационарного случайного процесса с нулевым математическим ожиданием определяется по формулам:

, (1.29)

(1.30)

(1.31)

• время длительности импульса;
• R() -корреляционная функция процесса;
• М-знак математического ожидания.

Формула (1.28) соответствует прямому способу измерения спектральной плотности, а формула (1.29) — косвенному.

Прямой способ измерения спектральной плотности использует фильтрацию сигнала полосовыми фильтрами.

Необходимо, чтобы спектральная плотность сигнала была постоянной в полосе пропускания фильтра. Непостоянство вызывает погрешность смещения, которая тем меньше, чем уже полоса пропускания фильтра.

Снижение погрешности смещения за счет сужения полосы пропускания на практике приводит к увеличению числа полосовых фильтров для проведения спектрального анализа в заданном диапазоне частот.

Чтобы не пропустить узкополосных составляющих частотные характеристики фильтров должны перекрываться.

На рисунке (1.13) изображена спектральная плотность случайного сигнала и выделен участок спектра, который пропускается идеальным полосовым фильтром.

Рисунок 1.13 — Спектральная плотность случайного процесса

2. Электромеханические, показывающие, регистрирующие, регулирующие и электронные приборы

2.1 Измерительные генераторы

Измерительные генераторы (ИГ) применяются при настройке и проверке приборов, определении характеристик схем и испытаниях сложных систем.

По назначению ИГ делятся на генераторы:

• низких частот (инфразвуковые и звуковые частоты);
• сигналов высоких частот (высоких и сверхвысоких частот);
• импульсов;
• шумовых сигналов;
• сигналов специальной формы;
• качающейся частоты.

ИГ характеризуются рядом параметров, важнейшими из которых являются:

Информатика программирование : Генератор электрических колебаний высокой частоты

... сдвиг возникает на очень высоких частотах и при правильном выборе лампы или транзистора угол ψ2≈00. Сдвиг фаз на угол ψ3 ... стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому кольцу генератора (элементы 1-3 на рис.№ 1) равен единице. В этом условии ... в колебательную систему, станет равной энергии потерь, после чего схема переходит в стационарный режим, характеризующийся постоянной или стационарной ...

• диапазон частот выходного сигнала;
• параметры характеризующие форму выходного сигнала (коэффициент нелинейных искажений, длительность фронта и спада импульса, величина выбросов на вершине импульса, величина спада плоской вершины импульса);
• погрешность установки частоты (имеет вид , где — частота выходного сигнала).

Структурная схема измерительного генератора представлена на рисунке 2.1.

Условные обозначения: 1. задающий генератор; 2. усилитель-формирователь; 3. выходное устройство.

Рисунок 2.1 — Структурная схема измерительных генераторов

Задающий генератор вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. Усилитель — формирователь представляет собой линейное устройство позволяющее получить требуемое выходное напряжение.

Выходное устройство содержит аттенюатор, для ослабления выходного сигнала и элементы согласования генератора с нагрузкой.

2.1.1 Генераторы синусоидальных сигналов

В генераторе синусоидальных сигналов в качестве задающих устройств используют RC или LC — генераторы. RC — генераторы применяются в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, LC — генераторы применяются в диапазоне высоких частот.

Задающий генератор состоит из усилителя 1 и четырехполюсника (R ₁ , C ₁ , R₂ , C₂ ), через который осуществляется обратная связь.

Для получения устойчивой генерации на определенной частоте необходимо, чтобы сумма фазовых сдвигов усилителя и четырехполюсника равнялась (), а коэффициент усиления К являлся величиной, обратной коэффициенту передачи четырехполюсника , т.е.

или (2.1)

, (2.2)

где и — фазовые сдвиги усилителя и четырехполюсника.

Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи:

; (2.3)

; (2.4)

• (2.5)

Обычно принимают R ₁ =R₂ =R, C ₁ =C₂ =C тогда

• (2.6)

Чтобы коэффициент обратной связи был вещественным, необходимо сделать знаменатель мнимым, т.е. при этом .

Структурная схема генератора синусоидальных сигналов приведена на рисунке (2.2).

Условные обозначения: 1- усилитель напряжения; 2- входной усилитель; 3 — выходное устройство.

Рисунок 2.2 — Структурная схема генератора синусоидальных сигналов (RC-генератора)

2.1.2 Генераторы импульсов

В генераторах импульсов (рисунок 2.3) задающий генератор 1 вырабатывает импульсы в заданном диапазоне частот, которые используются для запуска последующих узлов прибора. В качестве задающего генератора часто применяют блокинггенераторы, мультивибраторы, RC или LC-генераторы. Он может работать в режиме внешнего запуска. В этом случае RC- и LC-генераторы переводятся в режим усиления, а релаксационные — в ждущий режим.

Сформированные импульсы задающего генератора выводятся для синхронизации внешних устройств (осциллографы, генераторы, схемы), а также поступают в устройства задержки.

Схема задержки выдает импульсы, задержанные относительно импульсов задающего генератора. Задержанные импульсы служат для запуска схемы формирования импульсов 4.Величина задержки регулируется в широких пределах.

В схему задержки входят схемы фиксированной и плавной задержек. Фиксированная задержка выполняется на линиях задержки, плавная осуществляется на базе релаксационных схем, работающих в ждущем режиме.

Формирующее устройство 4 вырабатывает импульсы определенной формы и требуемой длительности с амплитудой, обеспечивающей нормальную работу выходного усилителя. Обычно для этих целей используют блокинг-генераторы, мультивибраторы или фантастроны.

1 — задающий генератор; 2 — 4 — формирователи импульсов; 5 — выходной усилитель; 6 — аттенюатор.

Рисунок 2.3 — Структурная схема генератора импульсов

Выходной усилитель представляет собой линейный усилитель мощности, в котором осуществляется регулировка амплитуды импульсов, изменение полярности и согласование формирующего устройства с нагрузкой.

Амплитуда импульсов измеряется пиковым вольтметром или сравнивающим устройством. В последнем случае в схему сравнения одновременно подаются измеряемые импульсы и известное регулируемое напряжение постоянного тока. Момент сравнения отмечается загоранием сигнальной лампочки.

2.1.3 Генераторы случайных сигналов

Случайный сигнал во многих случаях является лучшим приближением действительных воздействий, нежели детерминированный (синусоидальный или импульсный).

Это определяет широкое использование генераторов случайных сигналов.

К основным характеристикам генератора случайных сигналов относятся:

• номинальная спектральная плотность выходного сигнала ;
• номинальная корреляционная функция выходного сигнала ;
• ширина спектра определяется разностью крайних частот диапазона измерений, в котором отклонение спектральной плотности от заданной не превышает допустимого значения;
• номинальный интегральный закон распределения мгновенных значений выходного сигнала или его числовые характеристики;
• среднеквадратическое отклонение ;
• максимальное значение выходного напряжения ;
• пиковый коэффициент .

Метрологические характеристики генераторов случайных сигналов

К метрологическим характеристикам генераторов случайных сигналов относятся:

• погрешность спектральной плоскости , которая характеризует неравномерность спектральной характеристики:

, (2.7)

где — действительное значение спектральной плотности.

• погрешность интегрального закона распределения , вызванная отклонением от номинального закона:

, (2.8)

где — действительное значение интегрального закона распределения.

• шумовая температура

, (2.9)

где — постоянная Больцмана.

• относительная шумовая температура.

, (2.10)

где .

Шумовая и относительная шумовая температуры используются для выражения спектральной плотности.

Обобщенная структурная схема генераторов случайных сигналов совпадает со структурной схемой измерительных генераторов.

Отличие от обычного измерительного генератора заключается в задающем генераторе, который вырабатывает шумовой сигнал с равномерной спектральной плотностью в заданном диапазоне частот.

В качестве вольтметра используется вольтметр действующих значений с большим временем усреднения, определяемым заданным диапазоном частот выходного сигнала и погрешностью измерения.

, (2.11)

где — коэффициент передачи усилителя;

• спектральная плотность сигнала на входе усилителя;
• спектральная плотность сигнала на выходе усилителя.

электронный лучевой осциллограф анализатор

2.1.4 Аналоговые генераторы случайных сигналов

Устройство, в котором используется источник, вырабатывающий аналоговый шумовой сигнал, называется аналоговым генератором.

• электромеханические (конструктивно сложны и дают узкую полосу спектра выходного сигнала);
• радиоактивные (обладают нестационарностью выходного сигнала, обусловленной снижением активности радиоактивного элемента во времени);
• электронные.

Аналоговые генераторы случайного сигнала можно разделить на три группы:

• генераторы с непосредственным усилением сигнала источника шума;
• генераторы, основанные на использовании флуктуаций фазы и амплитуды периодических колебаний;
• генераторы с преобразованием спектра высокочастотного шума.

Преобразование спектра шума может осуществляться двумя способами:

• гетеродинированием;
• нелинейным преобразованием.

Гетеродинирование может осуществляться на основе фазового детектирования (рисунок 2.4)

Условные обозначения: ИШ-источник шума; ПУ — полосовой усилитель; ФНЧ — фильтр нижних частот; ФД — фазовый детектор; ГОН- генератор опорного напряжения; ШАРУ- автоматическая регулировка уровня шума.

Рисунок 2.4 — Структурная схема генератора случайных сигналов с фазовым детектором

С целью стабилизации значения выходного сигнала усилитель имеет автоматическую регулировку уровня шума.

2.2 Электродинамические приборы

Электродинамические приборы (ЭД) применяют в качестве:

• ваттметров постоянного и переменного токов (однофазные, трехфазные, малокосинусные);
• амперметров и вольтметры переменного и реже постоянного;
• фазометров (одно и трехфазных);
• частотомеров;
• фарадометров.

Электродинамические приборы характеризуются высоким классом точности. Высокая точность электродинамических приборов объясняется тем, что электродинамические измерительные механизмы не содержат ферромагнитных или других нелинейных элементов, наличие которых вызывает трудно компенсируемые погрешности.

Показания электродинамических приборов отличаются высокой стабильностью во времени.

Электродинамические измерительные механизмы состоят из системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты. Катушки применяют круглые или прямоугольные.

В электродинамических измерительных механизмах возникает вращающий момент

, (2.12)

где I ₁ , I₂ _ токи в цепях неподвижных и подвижных катушек;

М _1,2 — взаимная индуктивность между катушками;

• б — угол отклонения.

Выражения вращающихся моментов для различных типов измерительных механизмов различны.

2.2.1 Измерительные цепи и погрешности ваттметров

Измерительные цепи электродинамических ваттметров зависят от количества пределов измерений по току и напряжению, а также от необходимости компенсации погрешностей, прежде всего температурной и частотной.

Температурная погрешность ваттметров

Температурная погрешность ваттметров г _t возникает вследствие изменения сопротивления r ₀ обмотки рамки и изменения упругих свойств пружинок или растяжек.

Простейшая схема электродинамического ваттметра изображена на рисунке (2.13).

Рисунок 2.5 — Простейшая измерительная цепь электродинамического ваттметра

Условие температурной компенсации (г _t =0) имеет вид

в _w =(в₀ r ₀ )/( r ₀ + r _д ) , (2.13)

где в ₀ — температурный коэффициент электрического сопротивления материала провода обмотки рамки;

в _w — температурный коэффициент упругости пружинок или растяжек;

r _д — добавочное сопротивление (в_д =0).

При малых r _д (на пределах измерения в несколько десятков вольт)

(в ₀ r₀ )/(r ₀ + r _д )>в _w (2.14)

и, следовательно, погрешность определяется изменением сопротивления обмотки рамки;

При больших r _д

(в ₀ r₀ )/(r ₀ + r _д )< в _w (2.15)

и, следовательно, погрешность определяется изменением упругих свойств пружинок.

Это значит, что при возрастании температур на малых пределах показания уменьшаются, а на больших — увеличиваются.

Для улучшения компенсации г _t — применяют специальные схемы, одна из которых приведена на рисунке 5.6.

Все сопротивления в схеме, кроме r ₀ выполнены из манганина (в=0)

г _t = в _w — в₀ (r ₀ m/ r)(1+ r _д / r), (2.16)

где r _д — добавочное сопротивление на данном пределе измерения;

m= r ₂ /( r ₀ + r ₁ + r ₂ ); (2.17)

r= r _д +(( r ₀ + r ₁ )* r ₂ )/( r ₀ + r ₁ + r ₂ ).

(2.18)

Рисунок 2.6 — Измерительная цепь электродинамического ваттметра с компенсацией температурной и частотной погрешностей

Погрешность ваттметров от изменения частоты

Погрешность электродинамических ваттметров от изменения частоты г _f вызывается следующими причинами:

а) изменением тока I ₂ в параллельной цепи ваттметра, вызванным зависимостью полного сопротивления этой цепи от частоты;

• б) изменением фазовых соотношений в параллельной цепи ваттметра (угловая погрешность);
• в) возникновением ЭДС в подвижной катушке при пронизывании ее переменным магнитным полем неподвижных катушек (погрешность от взаимной индуктивности).

Погрешностью от изменения тока I ₂ (для реальных конструкций ваттметров) обычно пренебрегают (она составляет сотые доли процента).

Угловая погрешность

г _д =д tgц*100% (2.19)

где д -угол между напряжением и током I ₂ в параллельной цепи ( измеряется в радианах).

Основной способ компенсации угловой погрешности — это включение в параллельную цепь последовательно с обмоткой рамки конденсатора емкостью С (рисунок 2.6).

Для компенсации надо, чтобы Z _AB было чисто активным, т.е. мнимое значение сопротивления было равно нулю.

При выполнении этого условия значение емкости компенсирующего конденсатора

, (2.20)

где L ₀ -индуктивность подвижной катушки.

Чем лучше выполняется неравенство щ ² С² r ₁ ² <<1, тем точнее удовлетвориться предыдущее уравнение.

Погрешность от взаимной индуктивности зависит от значения и характера реактивного сопротивления цепи рамки. При чисто активной нагрузке цепи рамки среднее значение ?М _вр =0, т.е. погрешность не возникает, следовательно, путем включения конденсатора можно исключить не только угловую погрешность, но и погрешность от взаимной индуктивности.

2.3 Показывающие, регистрирующие и регулирующие приборы

АЭП по назначению подразделяются на:

• показывающие;
• показывающие и регистрирующие;
• показывающие и регулирующие;
• показывающие, регистрирующие и регулирующие.

Регистрирующий измерительный прибор — это прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний.

Для записи показаний в аналоговой форме используют электромеханические самопишущие приборы и осциллографы.

Показывающий измерительный прибор — это прибор, допускающий только отсчитывание показаний, т.е. измеряемых значений определяемых по отсчетному устройству (шкала и указатель) и выраженных в принятых единицах.

По типу структурной схемы АЭП делятся на приборы с разомкнутыми структурными схемами (прямого действия) и приборы с замкнутой структурной схемой, в которых выходное значение используется для уравновешивания входного (приборы сравнения).

Процесс уравновешивания осуществляется непрерывно (следящее уравновешивание).

Приборы сравнения со следящим уравновешиванием разделяют на приборы со статической (без интегрирующего звена) и астатической (с интегрирующим звеном-двигателем) характеристиками.

2.3.1 Основные структурные схемы АЭП

Основные структурные схемы АЭП представлены на рисунке 2.7.

Выходной величиной у замкнутой части структурной схемы прибора со статической характеристикой являются напряжение или ток, которые измеряются и регистрируются приборами прямого действия (ППД).

Выходной величиной прибора с астатической характеристикой является угол поворота вала двигателя б _д или редуктора б_р .

Вращение выходного вала редуктора преобразуется в линейное перемещение указателя и регистрирующего органа с помощью специальной механической передачи МП.

Измеряемое значение x в приборах сравнения компенсируется значением сигнала x _{k ,} который вырабатывается обратным преобразователем ОП.

В приборах со статической характеристикой компенсация входной величины неполная, а в приборах с астатической характеристикой входная величина компенсируется полностью.

а) б)

в)

Условные обозначения: а — разомкнутая схема; б — замкнутая схема со статической характеристикой; в — замкнутая схема с астатической характеристикой; ИМ — измерительный механизм; РУ — регистрирующее устройство; Рег. У — регулирующее устройство; ОУ — отсчетное устройство; ОП — обратный преобразователь; У — усилитель некомпенсаций; Д — двигатель; Р — редуктор; МП — механическая передача; ИЦ — измерительная цепь прибора.

Рисунок 2.7 — Основные структурные схемы АЭП

2.3.2 Регулирующие устройства

Устройство, выполняющее функции поддержания какого-либо параметра (температура, давление и т.д.) в заданных пределах (или изменения его по заданной программе), называется регулирующим устройством.

Структурная схема регулятора приведена на рисунке 2.8.

Условные обозначения: ОР — объект регулирования; РО — регулирующий орган; АЭП — аналоговый электроизмерительный прибор; МИ — исполнительный механизм; СУ — сравнивающее устройство; У — усилительное устройство

Рисунок 2.8 — Структурная схема регулятора

В сравнивающем устройстве (СУ) происходит сравнение регулируемого значения x с его заданным значением y. Если под воздействием внешних возмущений (P) x ? y, то на выходе СУ появляется сигнал

z =x — y.

Усилительное устройство (У) предназначено для усиления мощности сигнала рассогласовывания z до уровня, необходимого для управления исполнительным механизмом (МИ).

МИ с помощью регулирующего органа (РО) воздействует на объект регулирования ОР, при этом регулируемая величина x изменяется в сторону уменьшения z.

АЭП производит измерение и запись регулируемого параметра.

По принципу действия регуляторы подразделяются на две группы:

1) прерывного действия;

2) непрерывного действия (статического и астатического).

2.3.3 Способы регистрации

Регистрация — это представление измерительной информации в форме видимых или скрытых изображений, размещенных на некоторых материальных носителях (бумаге, фотопленке).

Для аналоговой регистрации используют геометрические и физические символы, размещаемые на плоских носителях — диаграммах.

Геометрические символы — отрезки линий, расстояние между двумя точками, углы. Физические символы — интенсивность намагничивания и цветовой окраски, степень почернения фотопленки.

Цифровые символы — цифры, буквы, знаки и их комбинации по определенным системам счисления.

Способы регистрации должны обеспечивать отчетливую видимость изображения в сочетании с малой погрешностью воспроизводимого результата измерения.

Основные способы воздействия регистрирующего органа на носитель:

• нанесение слоя вещества;
• снятие слоя вещества;
• изменение состояния вещества носителя.

Способ регистрации нанесением слоя вещества на носитель это запись на диаграммной бумаге чернилами, пастой или печатание.

Способ регистрации снятием слоя вещества носителя предполагает наличие регистрирующего органа в виде стальной иглы, резца, нагретого током стержня. В качестве носителя используется бумага, покрытая слоем сажи, воска или лака.

Способ регистрации изменением состояния вещества носителя — это термический, фотографический и другие.