Стробоскопический осциллограф со стабилизацией изображения

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель - стабилизация изобра-• Г ': ~жения на экране. Для этого предлагается установить на экране электронно-лучевой трубки фоточувствительные датчики положения фронта импульса и использовать сигналы с них для стабилизации изображения путем введения соответствующей обратной связи в систему автосдвига. При этом повышаются удобство эксплуатации и точность измерения, снижаются затраты на стабилизацию режимов работы элементов. Устройство coдepikит электронно-лучевую трубку 5 с усилителями горизонтального и вертикального отклонений, систему автосдвига 2, стробпреобразов^тель 1, датчики 15 и 16 положения луча и интегратор 17.1 з.п. ф-лы, 3 ил.\f\^сл|!^__ _ _: -е,! Сриг.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 R 13/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4782395/21 (22) 15.01.90 (46) 23,02.92. Бюл. N 7 (72) П,В.Миляев, В.В.Иванов, Ю.Д.Дорский, А.Ю. Веревкин, Б.Н. Левитас и В.К.Левченко (53) 621.317.755(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1478130, 1982.

Рябинин Ю.А. Стробоскопическое осциллографирование. — M. Советское радио, 1972. (54) СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛОГРАФ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ

1 (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель — стабилизация изобраГ

„„Я2 „„1714524 А1 жения на экране. Для этого предлагается установить на экране электронно-лучевой трубки фоточувствительные датчики положения фронта импульса и использовать сигкалы с них для стабилизации изображения путем введения соответствующей обратной связи в систему автосдвига. При этом повышаются удобство эксплуатации и точность измерения, снижаются затраты на стабилизацию режимов работы элементов, Устройство содержит электронно-лучевую трубку 5 с усилителями горизонтального и вертикального отклонений, систему автосдвига 2, стробпреобразователь 1, датчики 15 и 16 положения луча и интегратор 17. 1 з.п. ф-лы, 3 ил, 1714524 фа

15

25

50

Изобретение относится к области измерительных приборов с визуальным отображением измеряемой электрической величины.

Известен стробоскопический осциллограф, содержащий стробоскопический преобразователь, систему автосдвига, усилители горизонтальной и вертикальной разверток и электронно-лучевую трубку.

Недостатками осциллографэ являются сложность и низкая стабильность изображения при воздействии возмущающих фактор ов.

Наиболее близким к предлагаемому является стробоскопический осциллограф, содержащий стробоскопический преобразователь, усилители горизонтальной и вертикальной разверток, электроннолучевую трубку и систему автосдвига, вход которой является синхронизирующим входом осциллографа, первый выход соединен через усилитель горизонтальной развертки с первым входом электронно-лучевой трубки, второй выход соединен с первым входом стробоскопического преобразователя, второй вход которого является сигнальным входом осциллографа, а выход через усилитель горизонтальной развертки соединен с вторым входом электронно-лучевой трубки.

Недостатком стробоскопического осциллографа является нестабильность положения - изображения на экране электронно-лучевой трубки, Эта нестабильность проявляется в виде медленного смещения наблюдаемого импульса по экрану.

Основной причиной этого явления является сильная температурная зависимость параметров смесительного диода. Другими источниками укаэанного смещения изображения могут служить температурные и дрейфовые изменения параметров генераторов быстрого и медленного пилообразного напряжений и других элементов схемы осциллографа. Кроме того, причиной смещения может служить и реальное изменение положения (во времени) измеряемого импульса по отношению к импульсам синхронизации.

Дрейф изображения по экрану осциллографа приводит не только к ухудшению восприятия и необходимости использования органов управления задержкой импульсов.

Взаимное смещение импульсов начала развертки и измеряемого импульса (нарушение когерентности) затрудняет фильтрацию шумов за счет накопления измерений, а также последующую обработку, например, с помощью ЭВМ. Таким образом, смещение изображения в существенной степени снижает эксплуатационно-технические характеристики стробоскопического осциллограДля устранения этого эффекта используют температурную стабилизацию смесителя (пассивный метод), различные методы устранения шумов и дрейфов элементов осциллографа, однако все эти методы не обеспечивают достижения желаемого эффекта, поскольку основаны на компенсации с той или иной степенью дестабилизирующих факторов, т.е. основаны на регулировании по возмущению.

Целью изобретения является стабилизация изображения на экране стробоскопического осциллографа при воздействии медленно меняющихся ограниченных по модулю возмущающих факторов.

Для достижения указанной цели стробоскопический осциллограф, содержащий стробоскопический преобразователь, усилители горизонтальной и вертикальной развертки, электронно-лучевую трубку и систему автосдвига, первый вход которой является синхронизирующим входом осциллографа, первый выход соединен через усилитель горизонтальной развертки с первым входом электронно-лучевой трубки, второй выход соединен с первым входом стробоскопического преобразователя, второй вход которого является сигнальным входом осциллографа, а выход через усилитель горизонтальной развертки соединен с вторым входом электронно-лучевой трубки, дополнительно снабжен интегратором, первым и вторым датчиками положения луча, входы которых связаны с экраном электронно-лучевой трубки, а выходы — с прямым и инвертирующим входами интегратора, выход которОго соединен с вторым входом системы автосдвига.

Контур обратной связи производит регулирование по отклонению управляемой величины и, таким образом, осуществляет комплексную компенсацию возмущений, На фиг. 1 представлена схема предлагаемого осциллографа; на фиг. 2 и 3 — диаграммы, поясняющие его работу.

Стробоскопический осциллограф содержит стробоскопический и реобразователь 1, систему 2 автоматического сдвига, усилители 3 и 4 вертикального и горизонтального отклонения соответственно, электронно-лучевую трубку 5, вход б исследуемого. сигнала, вход 7 синхронизации. Стробоскопический преобразователь включает смеситель 8, усилитель 9,. расширитель 10 импульсов и генератор 11 стробимпульсов. Система автосдвига состоит из генератора 12 быстрого пилообразного напряжения (БПН), схемы 13 сравнения и ге1714524

20

55 нератора 14 медленного пилообразного напряжения (МНП).

В осциллограф введены датчики 15 и 16 положения луча осциллографа, генератор

17 и сумматор 18.

Стробоскопический преобразователь, 1 предназначен для выделения из пачки исследуемых импульсов 0<, поступающих на вход 6, последовательности отсчетов

0С расш по сигналам с системы 2 автосдвйга.

Смеситель 8 пропускает отсчеты исследуемого сигнала с входа 6 на вход усилителя 9 по сигналу от системы автосдвига (фиг. 2). В простейшем случае смеситель может быть реализован по известной схеме. Усилитель

9 обеспечивает усиление мощности импульсов, поступающих со смесителя, Усилитель

8 — импульсный, он может быть реализован на основе операционных усилителей. Расширитель 10 предназначен для увеличения длительности импульсов, поступающих от усилителя. Расширитель может быть реализован по известной схеме. Генератор 11 стробимпульсов обеспечивает формирование коротких импульсов по сигналу со схемы 13 сравнения. Генератор может быть реализован по известной схеме.

В современных стробоскопических осциллографах используются более сложные и совершенные схемы преобразователей, в частности имеющие обратную связь от расширителя к смесителю, Однако в рамках изобретения конкретный способ реализации описанных блоков не имеет существенного значения. Последнее относится и к схеме системы 2 автосдвига. Она предназначена для формирования сигналов горизонтальной развертки и сигналов запуска генератора 11 стробимпульсов.

Генератор 12 БПН предназначен для формирования коротких пилообразных импульсов по сигналам с входа 7. Генератор 14

МПН предназначен для выработки медленных пилообразных сигналов, служащих для горизонтальной развертки осциллографа и, ступенчатого (как правило) нарастающего сигнала, подаваемого через сумматор 18 на схему 13 сравнения. Для формирования ступенчатого сигнала обычно используют импульсы, поступающие со схемы .13 сравнения. Генераторы могут быть реализованы по известной схеме. Сумматор 18 .предназначен для формирования МПН, сдвинутого относительно сигнала с генератора МПН на величину Л0, Сумматор может быть реализован на основе операционного усилителя. Сумматор 18 может иметь третий вход (не показан) для подачи напряжения от потенциометра ручной регулировки задержки. Схема 13 сравнения предназначена для выработки импульсов при совпадении амплитуд БПН и сигнала с сумматора 18, Эти импульсы подаются на генератор МПН и генератор стробимпульсов преобразователя 1, Схема 13 сравнения может быть реализована на транзисторах либо операционных усилителях (компараторах).

Усилители вертикальной 3 и горизонтальной 4 развертки предназначены для усиления сигналов с преобразователя 1 и системы 2 автосдвига соответственно до уровня, требуемого для работы горизонтальной и вертикальной отклоняющей системы электронно-лучевой трубки 5.

Датчики 15 и 16 положения луча осциллографа предназначены для формирования сигнала (тока или напряжения), пропорционального яркости свечения участка экрана осциллографа, у которого эти датчики установлены. Датчики располагаются по горизонтальной или наклонной линии и укрепляются любым способом на экране электронно-лучевой трубки. Расстояние между ними выбирается таким образом, чтобы при заданной яркости импульса на экране, ширине линий изображения, чувствительности датчика и диаграмме его направленности смещение изображения влево вызывало бы появление сигнала на выходе одного из датчиков, а вправо — другого датчика. В процессе ручной настойки осциллографа необходимо добиться, чтобы один из вертикальных фронтов исследуемого импульса находился между датчиками.

Если у исследуемого сигнала отсутствуют ярко-выраженные фронты, то в двухлучевых стробоскопических осциллографах можно использовать опорные (задающие) сигналы.

В качестве датчиков могут использоваться любые фоточувствительные элементы (фотодиоды, фототранзисторы), Интегратор 17 предназначен для накопления разностного сигнала с датчиков 15 и

16 и подачу полученного значения Л0 в систему автоматического сдвига с целью коррекции отклонений изображения. Интегратор имеет прямой и инверсный входы, к которым подключаются датчики 15 и 16. Ес50 ли изображение сигнала находится строго между датчиками, то сигналы с них равны, следовательно, их разностный сигнал и выходной сигнал интегратора равны нулю, При смещении изображения сигнал с одного из датчиков возрастает и на выходе интегратора 17 появляется сигнал hU, пропорциональный величине смещения и имеющий знак, соответствующий направлению смещения. Изображение на экране осциллогра1714524 фа появляется с частотой развертки, поэтому интегратор обеспечивает запоминание

ЛО, пропорционального предшествующей величине смещения изображения.

Стробоскопический осциллограф работает следующим образом.

В исходном состоянии на вход 6 поступают исследуемые импульсы, а на вход 7— связанные с ними синхронизирующие импульсы. Генераторы БПН 12 и MllH 14 формируют соответствующие импульсы пилообразного напряжения, которые поступают на схему 13 сравнения. При совпадении их амплитуд с точностью до постоянного сигнала с интегратора 17 вырабатывается сигнал, поступающий на генератор 11 стробимпульсов, обеспечивающий открытие смесителя 8 и пропуск мгновенного отсчета исследуемого импульса через усилитель 9 и расширитель 10 импульсов на вход усилителя 3 вертикальной развертки. В свою очередь, сигнал с генератора 14 МПН поступает на усилитель 4 горизонтальной развертки, B результате на экране электронно-лучевой трубки 5 появляется изображение исследуемого импульса. Будем предполагать, что в исходном состоянии один из фронтов исследуемого импульса органами ручного управления осциллографом установлен между датчиками 15 и 16. Сигналы с этих датчиков равны, Разностный сигнал на входе интегратора 17 равен нулю.

Выходной сигнал интегратора 17 также нулевой. Отсутствие сигнала на выходе интегратора 17 приводит к тому,,что выходной сигнал сумматора 18 также равен нулю и схема 13 сравнения вырабатывает сигнал на вход генератора 11 стробимпульсов при совпадении сигналов с генераторов МПН 14 и БПН 12, так как U = 0.

Пусть в результате какого-либо дестабилизирующего воздействия (действия температуры на смеситель, дрейфа нулягенераторов БПН, МПН и изменения параметров других элементов схемы) изображение на экране стробоскопического осциллографа сместилось в сторону одного из датчиков, например датчика 15, расположенного слева от наблюдателя. Тогда на выходе датчика 15 появляется сигнал, превосходящий сигнал с датчика 16. Последний при этом может либо уменьшиться, либо остаться прежним. В результате разностный сигнал поступает на вход интегратора

17, на выходе которого начинается формирование напряжения Ь0 "О. Это напряжение поступает на сумматор 18, где складывается с сигналом с генератора МПН, Таким образом, из MllH вычитается константа 0, что приводит к смещению сигнала

МПН вниз. Следовательно, совпадение

МПН и БПН происходит раньше, чем это было до подачи Ж3. Сигналы совпадения U.

5 и 0стр смешаются влево (фиг, 2), а из Uc выделяются U „,„в более ранние моменты времени или те же, что и раньше, амплитуды

Uc ига появляются позднее... В результате изображение импульса на экране осцилло1 0 графа смещается вправо и воздействие дестабилизирующих факторов компенсируется.

Пусть совпадение Us и U> после воздействия дестабилизирующих факторов проис15 ходило в точке А в момент времени t< (фиг, 3). В результате из сигнала U< выделялся отсчет с амплитудой Uc(t.,), который после соответствующих преобразований изображается на экране осциллографа. В результа20 те появления сигнала с датчика 15 и его интегрирования величина cU вызывает уменьшение 0 (смещение вниз), что эквивалентно возрастанию 0 (смещению вверх

Последнее явление отражено на фиг. 3, так

25 как Uì связано с положением изображения на экране и его перемещение нежелательно в интересах повышения наглядности. При смещении Us относительно U совпадение их амплитуд происходит в точке С в момент

30 времени t2, а из сигнала U< выделяется амплитуда Uc(tz). Ha экране осциллографа после преобразований появляется отсчет

Uc(tg). Следующее совпадение Ujj и 0 происходит в точке Е в момент времени сз и

35 выделяется значение U<(tz), которое в рассматриваемом примере равно Uc(t>). Таким образом, амплитуда U<(t>) = U<(ta) появляется на экране осциллографа со смещением сз — tt, т,е. изображение сдвинуто вправо.

40 Отметим, что этот результат может быть достигнут как смещением U>, так и Ug на величину ЛО, Описанная система управления положением изображения на экране осцилло45 графа является системой автоматического регулирования, к которой предъявляются известные требования по качеству функционирования, в частности по устойчивости.

Обеспечение устойчивости заключается в

50 правильном подборе параметров схемы; чувствительности и расположения датчиков

15 и 16 и коэффициента передачи интегратора 17, которые окончательно проявляются в соответствии динамики смещения изобра55 жения величины Л0. Так, малые значения

hU могут не обеспечить возврат изображения в середину зазора между датчиками, а большие приводят к выбиванию изображения за зону стабилизации, Выбор парамет1714524

10 ров схемы наиболее целесообразно производить экспериментально с учетом характера конкретных возмущений, Таким, образом, предложенная схема стробоскопического осциллографа обеспе- 5 чивает стабилизацию изображения на экране.

Предложенная схема может быть реализована как в аналоговом, TBK и в цифровом виде на основе типовых электронных эле- 10 ментов, что доказывает возможность ее практической реализации, Технико-экономический эффект изобретения. Стабилизация изображения на экране стробоскопического осциллографа при 15 воздействии возмущающих факторов: повышает удобство эксплуатации, исключая необходимость постоянной ручной подстройки; облегчает обработку сигналов, поскольку стабильное положение сигнала 20 по отношению к началу развертки позволяет осуществлять накопление информации, когерентную обработку; снижает потребность в сравнительно дорогих и малоэффективных методах активной и пассивной 25 стабилизации (термостабилизация, радиаторы, цепи обратной связи и компенсации и т.д. и т.п,) стробоскопических осциллографов за счет дешевого, простого и вместе с тем универсального метода; обеспечиваю-, 30 щего полную (в пределах определенных динамических параметров дрейфа) компенсацию воздействия возмущений.

Формула изобретения

1. Стробоскопический осциллограф со 35 стабилизацией изображения, .содержащий стробоскопический преобразователь, усилители горизонтальной и вертикальной разверток и систему автосдвига, первый вход которого является синхронизирующим входом осциллографа; первый выход соединен через усилитель горизонтальной развертки с первым входом электронно-лучевой трубки, второй выход соединен с первым входом стробоскопического преобразователя, второй вход которого является сигнальным входом осциллографа, а выход через усилитель горизонтальной развертки соединен с вто рым входом электронно-лучевой трубки, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью стабилизации изображения на экране, в него введены интегратор., первый и второй датчики положения луча, входы которых связаны с экраном электронно-лучевой трубки, а выходы — с прямым и инвертирующими входами интегратора, выход которого соединен с вторым входом системы автосдвига.

2. Осциллограф по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что система автосдвига содержит генераторы быстрого и медленного пилообразных напряжений, сумматор и схему сравнения, первый вход которой соединен с выходом генератора быстрого пилообразного напряжения, второй — с выходом сумматора, первый выход — с входом генератора медленного пилообразного напряжения, а второй выход — с вторым выходом системы автосдвига, первый выход генератора медленного пилообразного напряжения соединен с первым выходом системы автосдвига, а второй — с первым входом сумматора, вход генератора быстроto пилообразного напряжения является первым входом системы автосдвига, второй вход сумматора соединен с вторым входом системы автосдвига, 1714524

PDL 23

Составитель П. Ииляев

Редактор О. Юрковецкая Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Т. Малец

Заказ 690 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101