Для измерения постоянных, средних и действующих значений переменного и импульсного напряжения применяются электромагнитные, электростатические и другие инерционные приборы, а также аналогово- цифровые преобразователи интегрирующего типа. В импульсной технике зачастую необходимо измерение мгновенного значения напряжения или тока, а также наблюдение формы импульсного сигнала. Для этих целей используются осциллографы и быстрые АЦП.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) состоит из катода К с нитью накала Н, управляющего электрода УЭ, ускоряющего и фокусирующего анодов А1 и А2, двух пар отклоняющих пластин – вертикальных и горизонтальных и экрана, покрытого изнутри люминофором Л – веществом, излучающим свет при бомбардировке его пучком электронов.
Рис.11.1.1
В осциллографических ЭЛТ применяется электростатическое отклонение луча, потому что исследуемые сигналы могут иметь произвольную форму и широкий частотный спектр, и применение в этих условиях электромагнитного отклонения невозможно из-за зависимости импеданса отклоняющих катушек от частоты. Обычно в ЭЛТ применяется магнитная фокусировка электронного луча, которая позволяет достичь меньшего размера точки на экране. Ускоряющее напряжение анода задает энергию электронов. В осциллографе эта энергия составляет примерно 1 кЭв, так как при больших энергиях снижается чувствительность луча к отклоняющему напряжению.
Осциллограф может работать в двух режимах:
1)Отображать процесс изменения сигнала во времени. В этом режиме на пластины горизонтального отклонения подается напряжение пилообразной формы, которое обеспечивает линейную во времени горизонтальную развертку луча. На пластины вертикального отклонения подается исследуемый сигнал, усиленный масштабным усилителем до необходимого уровня. В результате на экране осциллографа формируется изображение мгновенного значения напряжения, развернутого во времени (осциллограмма).
2)Отображать взаимные зависимости различных параметров, например вольт-амперные характеристики, сдвиг фаз в разных точках схемы и т.д. В этом режиме на пластины горизонтального отклонения подается один исследуемый сигнал, а на пластины вертикального отклонения – другой.
Устройство осциллографических электронно-лучевых трубок несколько отличается друг от друга в зависимости от рабочего частотного диапазона осциллографа.
При наблюдении сигналов, имеющих частотный спектр менее 100 МГц, можно пренебречь временем пролёта электронов сквозь отклоняющую систему. Время пролёта электронов оценивается формулой:
t l
m
где e и m - соответственно заряд и масса электрона, l – длина пластин, Ua - напряжение анода. Отклонение луча ∆ в плоскости экрана пропорционально приложенному к пластинам напряжению Uоткл (считая, что за время пролёта электронов в поле отклоняющих пластин напряжение на пластинах остаётся постоянным):
2Uad
где D - расстояние от центра отклонения пластин до экрана, d –
расстояние между пластинами.
Для снижения паразитной индуктивности выводов отклоняющей системы, её выводы часто делаются не на цоколе трубки, а в непосредственной близости от пластин. В ЭЛТ, используемых для наблюдения редко повторяющихся и однократных сигналов, применяются люминофоры с длительным временем послесвечения.
Для быстро меняющихся сигналов время изменения отклоняющего напряжения становится соизмеримым со временем пролета электрона сквозь пластины, так что во время пролета пучка фаза сигнала успевает значительно измениться. При наблюдении импульсных сигналов, имеющих широкий спектр гармоник, этот эффект приводит к искажению формы сигнала. Скорость электронов в трубке можно оценить из их энергии:
ve
a
me
9.11031
2 10 см / сек .
Таким образом, пучок электронов пролетает 1 см за 0.5 нс, что дает оценку верхней граничной частоте, отображаемой без искажений.
Увеличением анодного напряжения или уменьшением длины пластин можно сократить время пролёта и уменьшить эти искажения, но при этом падает чувствительность к отклонению. Поэтому для отображения сигналов, частотный спектр которых превышает 100 МГц, отклоняющие системы делаются в виде линии бегущей волны, обычно спирального типа. Сигнал подаётся на начало спирали в виде электромагнитной волны, которая движется вдоль оси системы с фазовой скоростью vФ:
l
Ф
c
где c - скорость света, hc - шаг спирали, lc - длина витка спирали. Фазовую скорость волны выбирают так, чтобы она совпадала со скоростью пролета пучка в направлении оси системы. Для уменьшения потерь мощности сигнала выводы отклоняющей системы таких ЭЛТ делаются коаксиальными. Геометрия коаксиальных вводов подбирается так, чтобы их волновое сопротивление соответствовало волновому сопротивлению спиральной отклоняющей системы.
Осциллографы со спиральной или полосковой отклоняющей системой способны работать на частотах до 5 ГГц.
Аналого-цифровое преобразование (АЦП) стало неотъемлемой частью большинства современных измерительных приборов. Суть АЦП – дискретизация измерения по времени и амплитуде, когда в течение интервала времени ∆t делается выборка значения измеряемого сигнала с точностью ∆U. Точность преобразования ∆U/U определяется разрядностью АЦП. По скорости оцифровки сигнала АЦП делятся на медленные и быстрые. Медленные АЦП, или АЦП интегрирующего типа, обеспечивают более высокую точность преобразования, но требуют больше времени на оцифровку. Они применяются для измерения постоянных и медленно меняющихся сигналов. Для быстро меняющихся сигналов используются АЦП прямого преобразования, обладающих высоким быстродействием, но относительно малой точностью. Существует с десяток различных методов аналого-цифрового преобразования, мы рассмотрим лишь некоторые из них в порядке увеличения их быстродействия.
.Однотактный и двухтактный интегрирующий АЦП.
Схема однотактного АЦП приведена на рисунке11.2.1.
Рис.11.2.1
Суть измерения очень проста. В исходном состоянии ключ на полевом транзисторе замкнут, емкость С разряжена, напряжение на выходе компаратора равно нулю. По сигналу начала измерений взводится триггер и счетчик начинает насчитывать импульсы тактового генератора. Одновременно от опорного источника тока IОП начинает заряжаться интегрирующая емкость С. В момент равенства напряжений на входах компаратора сбрасывается триггер, счет останавливается, а насчитанное
число записывается в регистр. Схема возвращается в исходное состояние. Процесс измерения иллюстрирует рисунок 11.2.2
Рис.11.2.2
В первом такте интегрирующая емкость заряжается током,
пропорциональным измеряемому напряжению в течение фиксированного интервала времени до некоторого напряжения UC. Во втором такте емкость переключается на источник опорного тока, который разряжает ее до нуля в течение времени, пропорционального Uc. Этот интервал времени насчитывается счетчиком и поступает в выходной регистр в качестве результата измерения.
Рис.11.2.3
Нестабильность емкости в такой схеме не влияет на точность оцифровки, так же, как и нестабильность напряжения смещения компаратора. Более того, если время первого такта насчитывается от того же задающего генератора, от которого и производится подсчет импульсов второго такта, то нестабильность частоты задающего генератора также не отражается на точности измерений.
.Сигма-Дельта АЦП.
Этот тип АЦП также относится к интегрирующим. Принцип оцифровывания заключается в уравновешивании заряда от тока входного источника образцовым источником тока. Свое название АЦП получил
благодаря входящим в него сумматору и интегратору, условные названия операций которых обозначаются буквами S и D соответственно. Сигма- дельта АЦП обеспечивает максимальную точность измерения медленных сигналов благодаря высокой помехоустойчивости. На рисунке 11.2.4 приведен вариант схемы сигма-дельта преобразования.
Рис.11.2.4
Входное напряжение Uвх поступает на интегратор, выход которого сравнивается компаратором К с нулевым потенциалом. В зависимости от состояния компаратора управляемый ключ подключает второй вход интегратора либо к источнику тока Iоп, либо к общей шине. Состояние ключа квантуется тактовой частотой fтакт. Измерение происходит на интервале времени T=2n/fтакт, который задается делителем частоты Дел. В течение этого интервала счетчик насчитывает импульсы тактового
генератора, во время которых ключ находился в верхнем по схеме положении. Таким образом, подсчитывается общий заряд, который потребовался для уравновешивания среднего входного тока, пропорционального среднему входному напряжению на интервале измерения.
Этот тип АЦП обеспечивает более быструю оцифровку аналогового сигнала, так как не содержит интегрирующих емкостей. Время оцифровки
определяется тактовой частотой, разрядностью цифровой шины и алгоритмом приближения. Принцип работы можно понять из упрощенной схемы АЦП на рисунке 11.2.5
Рис.11.2.5
Процесс оцифровки напоминает взвешивание на чашечных весах. Регистр последовательного приближения РПП перебирает разряды, начиная со старшего, и следит за состоянием компаратора, который сравнивает входное напряжение и напряжение ЦАП, соответствующее выбранному коду. Оцифровывание заканчивается, когда будет выбран самый младший разряд. Полученный код будет соответствовать измеряемому напряжению.
.АЦП параллельного кодирования
Это самый быстрый вид аналогово-цифрового преобразования. На рисунке 11.2.6 приведена схема 4-х разрядного параллельного АЦП. Он состоит из прецизионного многоступенчатого делителя из 15 резисторов, разбивающего измерительный диапазон на 15 одинаковых ступеней. 15 компараторов сравнивают входное напряжение с напряжением своей ступени и выдают сигнал «0» или «1» в зависимости от результата сравнения. Приоритетный шифратор формирует на выходе двоичный четырехразрядный код, в зависимости от состояния 16 входов, включая нулевой. Если снимать сигнал непосредственно с шифратора, то время оцифровки складывается из времени задержки компаратора и шифратора. Но в «переходные» моменты шифратор может выдавать ложные значения кода. Поэтому желательно иметь выходной регистр, фиксирующий значения кода по тактовому генератору. В этом случае оцифровка происходит за один такт задающего генератора.
Рис.11.2.6
Плата за высокое быстродействие – низкая разрядность АЦП. Выпускаемые АЦП параллельного кодирования имеют от 16 до 1024 уровней квантования, или от 4 до 10 разрядов. При большем числе разрядов микросхемы будут слишком громоздкими и
«прожорливыми».Если пожертвовать на процесс оцифровки два такта, можно достичь точности одного 8-разрядного АЦП параллельного кодирования двумя АЦП вдвое меньшей разрядности, то есть сократив общее число компараторов в 8 раз! На рисунке 11.2.7 показан принцип двухтактного параллельного кодирования. Старший АЦП за первый такт производит грубую оцифровку и формирует 4 старших разряда результирующего кода. За второй такт младший АЦП оцифровывает разницу входного напряжения и напряжения ЦАП, преобразующего
«грубый» код в аналоговый сигнал. В результате мы получаем на выходе регистра 8-разрядный код.
Параллельное кодирование обеспечивает самую высокую скорость оцифровки. Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс.
Рис.11.2.7
Параллельные АЦП используются в цифровых осциллографах для отображения быстро меняющихся процессов в виде массива точек на экране осциллографа. Преимущество при работе с цифровым осциллографом по сравнению с «аналоговым» осциллографом на электронно-лучевой трубке очевидно. Оцифрованные сигналы можно подвергать дальнейшему анализу и обработке. Осциллограф позволяет производить математические операции с сигналами в реальном времени, например, складывать и перемножать два сигнала, и даже производить разложение в спектр Фурье.