Осциллограф

 

Использование: осциллограф относится к радиоизмерительной технике. Цель изобретения - повышение точности и упрощение процедуры измерений. Существо изобретения: осциллограф содержит вольтметр 5, блок 1 отклонения, электронно-лучевую трубку 2, блок 3 развертки, стробоскопический преобразователь 7, линию задержки 8 и блок 4 синхронизации, вход которого соединен с шиной синхронизации, а выход блока 4 синхронизации соединен со входами линии задержки 8 и блока 3 развертки, первый и второй входы стробоскопического преобразователя 7 соединены с выходами соответственно линий задержки 8 и блока 1 отклонения, а вход блока 1 отклонения соединен с шиной измеряемого сигнала. Новым в осциллографе является интегратор 6, вход которого соединен с выходом стробоскопического преобразователя 7, выход интегратора 6 соединен со входом вольтметра 5 и вторым входом блока 1 отклонения, причем выходы блока 3 развертки и блока 1 отклонения соединены соответственно с первым и вторым входами электронно-лучевой трубки 2. 4 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в осциллографии.

Известны осциллографы [1,2] Однако, данные устройства характеризуются большой трудоемкостью и малой точностью измерений, что обусловлено погрешностью визуального отсчета и нелинейностью вертикального отклонения.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является осциллограф [3] содержащий первый и второй коммутаторы, электронно-лучевую трубку, блок развертки, блок синхронизации, первый и второй стробоскопические преобразователи, линию задержки, вольтметр и блок отклонения, вход которого соединен с шиной измеряемого сигнала, а выход блока отклонения соединен с первым входом первого коммутатора и вторым входом первого стробоскопического преобразователя, выход которого соединен со входом вольтметра и третьим входом первого коммутатора, выход первого коммутатора соединен со вторым входом электронно-лучевой трубки, причем вторые входы первого и второго коммутаторов соединены со вторым выходом блока развертки, шина синхронизации соединена со входом блока синхронизации, выход которого соединен со входами блока развертки и линии задержки, выход линии задержки соединен с первыми входами первого и второго стробоскопических преобразователей, первый выход блока развертки соединен с первым входом второго коммутатора и вторым входом второго стробоскопического преобразователя, выход второго стробоскопического преобразователя соединен с третьим входом второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом электронно-лучевой трубки. При работе осциллографа на его экране воспроизводится осциллограмма исследуемого сигнала и яркостная метка на линии осциллограммы. Величина измеряемого сигнала в точке, обозначенной на осциллограмме яркостной меткой, определяется путем деления показаний вольтметра на коэффициент k усиления блока отклонения. Однако, прототип имеет ограниченную точность измерений и сложную процедуру измерений.

Цель изобретения повышение точности и упрощение процедуры измерения.

Цель достигается тем, что в осциллограф, содержащий вольтметр, блок отклонения, электронно-лучевую трубку, блок развертки, стробоскопический преобразователь, линию задержки и блок синхронизации, вход которого соединен с шиной синхронизации, а выход блока синхронизации соединен со входами линии задержки и блока развертки, первый и второй входы стробоскопического преобразователя соединены с выходами соответственно линии задержки и блока отклонения, а вход блока отклонения соединен с шиной измеряемого сигнала, введен интегратор, вход которого соединен с выходом стробоскопического преобразователя, выход интегратора соединен со входом вольтметра и вторым входом блока отклонения, причем выходы блока развертки и блока отклонения соединены соответственно с первым и вторым входами электронно-лучевой трубки.

На фиг. 1 изображена блок-схема осциллографа; на фиг. 2 -4 изображения на экране осциллографа. На чертежах приняты обозначения: 1 блок отклонения; 2 электронно-лучевая трубка; 3 блок развертки; 4 блок синхронизации; 5 - вольтметр; 6 интегратор; 7 стробоскопический преобразователь; 8 линия задержки; 9 шина измеряемого сигнала; 10 шина синхронизации; 11 - центральная горизонтальная риска; 12, 13 и 14 осциллограммы.

Осциллограф работает следующим образом. С шины 9 измеряемого сигнала измеряемые импульсы поступают на первый вход блока 1 отклонения. Сигнал U₃ на выходе блока 1 отклонения определяется по формуле U₃ k·(U₁ U₂), (1) где U₁ и U₂ значения сигналов соответственно на первом и втором входах блока 1 отклонения; k коэффициент усиления блока 1 отклонения. Сигнал с выхода блока 1 отклонения поступает на вторые входы электронно-лучевой трубки 2 и стробоскопического преобразователя 7. С шины 10 синхронизации на вход блока 4 синхронизации поступают либо синхронизирующие импульсы, либо измеряемые импульсы. Блок 4 синхронизации формирует импульсы синхронизации, которые с выхода блока 4 синхронизации поступают на входы блока 3 развертки и линии 8 задержки. При поступлении импульса синхронизации на вход блока 3 развертки на его выходе формируется пилообразный импульс развертки, поступающий на первый вход электронно-лучевой трубки 2. Линия 8 задержки задерживает поступившие на ее вход импульсы синхронизации. Импульсы с выхода линии 8 задержки поступают на первый вход стробоскопического преобразователя 7. После каждого импульса, поступившего на первый вход стробоскопического преобразователя 7, на его выходе удерживается сигнал, который был на втором входе в момент поступления импульса на первый вход. Сигнал с выхода стробоскопического преобразователя 7 поступает на вход интегратора 6. Сигнал U₄ на выходе интегратора 6 равен где U₅ cигнал на входе интегратора 6; Т период следования импульсов, поступающих с шины 9 измеряемого сигнала; t время. Сигнал с выхода интегратора 6 поступает на вход вольтметра 5 и второй вход блока 1 отклонения. Импульсы, поступившие с шины 9 измеряемого сигнала, усиливаются блоком 1 отклонения и поступают на второй вход электронно-лучевой трубки 2, на первый вход которой с выхода блока 3 развертки поступают пилообразные импульсы развертки. В результате на экране электронно-лучевой трубки 2 формируется осциллограмма 12 импульса. В момент t₁ времени с выхода линии 8 задержки на первый вход стробоскопического преобразователя 7 поступает импульс, что вызывает удержание на выходе стробоскопического преобразователя 7 напряжения, которое имелось на втором входе стробоскопического преобразователя 7. При поступлении в момент времени t₁ на первый и второй входы блока 1 отклонения разных по значению сигналов, равных соответственно U₁ и U₂, в интервале после момента t₁ и до момента времени t₁ + Т на выходе стробоскопического преобразователя 7 будет удерживаться сигнал, равный величине k(U₁ U₂). Согласно формуле (2), если на входе интегратора 6 в течение времени Т от момента времени t₁ до момента времени t₁ + Т поддерживается сигнал, равный k(U₁ U₂), то в момент времени t₁ + Т сигнал на выходе интегратора 6 изменится на величину U₁ U₂. В момент времени t₁ cигнал на выходе интегратора 6 равен U₂; в момент времени t₁ + Т сигнал на выходе интегратора 6 изменился на величину U₁ U₂ и стал равным U₁. Учитывая, что период следования измеряемых импульсов равен Т, в моменты времени t₁ + NТ cигнал, поступающий на первый вход блока 1 отклонения, равен U₁; N целое положительное число; N > 0. В момент времени t₁ + Т сигналы на первом и втором входах блока 1 отклонения равны U₁, а сигнал на выходе блока 1 отклонения равен нулю. После прихода в момент времени t₁ + Т импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе стробоскопического преобразователя 7 станет равным нулю. При нулевом сигнале на входе интегратора 6 сигнал на его выходе, согласно формуле (2), не изменяется и остается равным значению U₁, которое измеряется вольтметром 5. В моменты времени t₁ + NТ cигнал на выходе блока 1 отклонения равен нулю, поэтому осциллограмма 12 измеряемого сигнала в моменты времени t₁ + NТ будет пересекать центральную горизонтальную риску 11. Для измерения амплитуды измеряемого импульса следует изменением задержки линии 8 задержки совместить сначала основание осциллограммы 12 импульса с центральной горизонтальной риской 11 (фиг.2), произвести отсчет показаний А_о вольтметра 5, затем изменением задержки линии 8 задержки совместить вершину осциллограммы 13 импульса с центральной горизонтальной риской 11 (фиг.3), произвести отсчет показаний А_m вольтметра 5; амплитуда измеряемого импульса равна А_m А_о. Для измерения длительности измеряемого импульса на уровне 0,5 от амплитуды импульса следует изменением задержки линии 8 задержки показания вольтметра 5 установить равными (А_m + А_о)/2, при этом осциллограмма 14 на уровне половины амплитуды совместится с центральной горизонтальной риской 11, по делениям на которой производится отсчет искомой длительности.

Повышение точности измерений заявленным устройством обусловлено уменьшением влияния погрешности контроля коэффициента усиления блока 1 отклонения на погрешность измерений, что поясняется следующим. В связи с ограниченной точностью измерения коэффициента k усиления блока 1 отклонения сигнал U₃ на его выходе взамен выражения (1) будет определяться формулой U₃ k(U₁ U₂)/(1 + g), (3) где U₁ и U₂ значения сигналов соответственно на первом и втором входам блока 1 отклонения; k измеренное значение коэффициента усиления блока 1 отклонения, полученное при его контроле; g относительная погрешность измерения коэффициента k усиления блока 1 отклонения; -0,05 < g < +0,05. При поступлении сигналов U₁ и U₂ соответственно на первый и второй входы блока 1 отклонения в момент поступления первого импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7, то на выходе стробоскопического преобразователя 7 в течение времени Т формируется сигнал k(U₁ U₂)/(1+g). При исходном сигнале на выходе интегратора 6, равном U₂, и поступлении на вход интегратора 6 в течение времени Т сигнала k(U₁ U₂)/(1+g) сигнал на выходе интегратора 6, согласно выражению (2), с исходного значения U₂ измеряется на величину (U₁ U₂)/(1+g) и принимает значение U₁ (U₁ - U₂)G, где G g/(1+g). Покажем методом математической индукции, что при поступлении на первый вход стробоскопического преобразователя 7 N-го импульса сигнал на выходе интегратора 6 равен U₁ (U₁ U₂)G^N-1. Выше показано, что для N=1 и N=2 сигнал на выходе интегратора 6 равен соответственно U₁ (U₁ U₂)G^o U₂ и U₁ (U₁ U₂)G¹. Далее покажем, что если при поступлении N-1 импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе интегратора 6 равен U₁ (U₁ U₂)G^N-2, то при поступлении N-го импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе интегратора 6 будет равен U₁ (U₁ U₂)G^N-1. При подаче на первый и второй входы блока 1 отклонения сигналов соответственно U₁ и U₁ (U₁ U₂)G^N-2 в момент поступления импульса номер N-1 на первый вход стробоскопического преобразователя 7, то, с учетом (3), на выходе стробоскопического преобразователя 7 в течение времени Т будет удерживаться сигнал k(U₁ U₂)G^N-2/(1+g). При наличии на выходе интегратора 6 сигнала U₁ (U₁ U₂)G^N-2 и подаче на вход в течение времени Т сигнала k(U₁ - U₂)G^N-2/(1+g), то сигнал на выходе изменится на величину (U₁ U₂)G^N-2/(1+g) и станет равным U₁ - (U₁ U₂)G^N-1, что и требовалось доказать. Для N ≥ 6 при сигнал на выходе интегратора 6 отличается от U₁ не более чем на 0,014% поэтому после поступления шестого импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе интегратора 6 практически не меняется и остается практически равным U₁, причем вольтметр 5 будет индицировать напряжение U₁. При использовании прототипа погрешность контроля коэффициента усиления блока 1 отклонения непосредственно отражается на погрешности измерений.

Повышение точности измерений заявленным устройством также обусловлено уменьшением влияния нелинейности передаточной характеристики блока 1 отклонения на погрешность измерений, что поясняется следующим. В связи с нелинейностью передаточной характеристики блока 1 отклонения сигнал U₃ на его выходе взамен выражения (1) будет определяться формулой U₃ k[1 W(U₁; U₂)] (U₁ U₂ (4) где U₁ и U₂ значения сигналов соответственно на первом и втором входах блока 1 отклонения; W(U₁; U₂) величина нелинейности передаточной характеристики блока 1 отклонения при подаче на его первый и второй входы сигналов соответственно U₁ и U₂; -0,05 < W(U₁; U₂) < +0,05; W(U_а; U_b) 0; U_a и U_b сигналы соответственно на первом и втором входах блока 1 отклонения при контроле его коэффициента k усиления; k коэффициент усиления блока 1 отклонения. При поступлении сигналов U₁ и U₂ соответственно на первый и второй входы блока 1 отклонения в момент поступления первого импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7, то согласно (4) на выходе стробоскопического преобразователя 7 в течение времени Т формируется сигнал [1 W(U₁; U₂)](U₁ U₂)k. При исходном сигнале на выходе интегратора 6, равном U₂, и поступлении на вход интегратора 6 в течение времени Т сигнала [1 - W(U₁; U₂)] (U₁ U₂)k сигнал на его выходе изменяется с исходного значения U₂ на величину [1 W(U₁; U₂)] (U₁ U₂) и принимает значение U₁ - (U₁ U₂) W(U₁; U₂). Покажем методом математической индукции, что при поступлении на первый вход стробоскопического преобразователя 7 N-го импульса сигнал на выходе интегратора 6 равен
означает произведение значений W(U₁; U_2;n-1) от n 1 до n N; для n 1 имеем W(U₁; U_2;0) 1; для 2 ≅ n ≅ N значение U_2;n-1 означает величину сигнала на выходе интегратора 6 непосредственно после поступления на первый вход стробоскопического преобразователя 7 импульса номер n-1; W(U₁; U_2;n-1) величина нелинейности передаточной характеристики блока 1 отклонения при подаче на его первый и второй входы сигналов соответственно U₁ и U_2;n-1 при n ≥ 2. Выше показано, что для N 1 и N 2 сигнал на выходе интегратора 6 равен соответственно


заметим, что U₂ U_2;1. Далее покажем, что если при поступлении N-1 импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе интегратора 6 равен , то при поступлении N-го импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе интегратора 6 будет равен . При подаче на первый и второй входы блока 1 отклонения сигналов соответственно U₁ и в момент поступления импульса номер N-1 на первый вход стробоскопического преобразователя 7, то согласно (4), на выходе стробоскопического преобразователя 7 в течение времени Т будет удерживаться сигнал При наличии на выходе интегратора 6 сигнала и при подаче на вход в течение времени Т сигнала то сигнал на выходе изменится на величину и станет равным , что и требовалось доказать. Для N ≥ 6 при сигнал на выходе интегратора 6 отличается от U₁ не более чем на 0,01% поэтому после поступления шестого импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе интегратора 6 практически не меняется и остается практически равным U₁, причем вольтметр 5 будет индицировать напряжение U₁. При использовании прототипа нелинейность передаточной характеристики блока 1 отклонения непосредственно отражается на погрешности измерений.

Повышение точности измерений заявленным устройством также обусловлено уменьшением влияния погрешности преобразования стробоскопического преобразователя 7, что поясняется следующим. Сигнал на выходе блока 1 отклонение определяется выражением (1). Однако после каждого импульса, поступившего на первый вход стробоскопического преобразователя 7, сигнал U₆ на его выходе будет определяться формулой
U₆ [1 -q(U₇)] U₇ (5)
где U₇ сигнал на втором входе стробоскопического преобразователя 7 при поступлении импульса на первый вход; q(U₇) погрешность преобразования стробоскопического преобразователя 7 при наличии на его втором входе сигнала U₇; -0,05 < q(U₇) < +0,05. При поступлении сигналов U₁ и U₂ соответственно на первый и второй входы блока 1 отклонения в момент поступления первого импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7, то согласно (1) и (5) на выходе стробоскопического преобразователя 7 в течение времени Т формируется сигнал [1 q(kU₁ kU₂)](U₁ U₂)k. При поступлении на вход интегратора 6 в течение времени Т сигнала [1 q(kU₁ - kU₂)](U₁ U₂)k сигнал на его выходе меняется с исходного значения U₂ на величину [1 q(kU₁ kU₂)](U₁ - U₂) и принимает значение U₁ (U₁ - U₂)q(kU₁ kU₂). Покажем методом математической индукции, что при поступлении на первый вход стробоскопического преобразователя 7 N-го импульса сигнал на выходе интегратора 6 равен
,
где означает произведение значений q(kU₁ kU_2;n-1) от n 1 до n N; для n 1 имеем q(kU₁ kU_2;0) 1; для 2 ≅ n ≅ N значение U_2;n-1 означает величину сигнала на выходе интегратора 6 непосредственно после поступления на первый вход стробоскопического преобразователя 7 импульса номер n-1: q(kU₁ kU_2;n-1) погрешность преобразования стробоскопического преобразователя 7 при наличии на его втором входе сигнала, равного (kU₁ kU_2;n-1) при n ≥ 2. Выше показано, что для N=1 и N=2 сигнал на выходе интегратора 6 равен соответственно


причем U₂ U_2;1. Далее покажем, что если при поступлении N-1 импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе интегратора 6 равен , то при поступлении N-го импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе интегратора 6 равен . При подаче на первый и второй входы блока 1 отклонения сигналов соответственно U₁ и в момент поступления импульса номер N-1 на первый вход стробоскопического преобразователя 7, то на выходе стробоскопического преобразователя 7 в течение времени Т будет удерживаться сигнал . При исходном сигнале на выходе интегратора 6, равном , и подаче на вход в течение времени Т сигнала , то сигнал на выходе изменится на и станет равным , что и требовалось доказать. Для N ≥ 6 при cигнал на выходе интегратора 6 отличается от U₁ не более чем на 0,01% поэтому после поступления шестого импульса на первый вход стробоскопического преобразователя 7 сигнал на выходе интегратора 6 практически не меняется и остается практически равным U₁, причем вольтметр 5 будет индицировать напряжение U₁. При использовании прототипа погрешность преобразования стробоскопического преобразователя 7 непосредственно отражается на погрешности измерений.

Упрощение процедуры измерений обусловлено тем, что при измерении измеряемого сигнала вольтметр 5 индицирует величину измеряемого сигнала в точках, осциллограмма которых совпадает с центральной горизонтальной риской 11. При использовании прототипа для определения величины измеряемого сигнала необходимо показания вольтметра разделить на коэффициент усиления блока 1 отклонения.

Формула изобретения

Осциллограф, содержащий вольтметр, блок отклонения, электронно-лучевую трубку, блок развертки, стробоскопический преобразователь, линию задержки и блок синхронизации, вход которого соединен с шиной синхронизации, а выход блока синхронизации соединен с входами линии задержки и блока развертки, первый и второй входы стробоскопического преобразователя соединены с выходами соответственно линии задержки и блока отклонения, а вход блока отклонения соединен с шиной измеряемого сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процедуры измерений, введен интегратор, вход которого соединен с выходом стробоскопического преобразователя, выход интегратора соединен с входом вольтметра и вторым входом блока отклонения, причем выходы блока развертки и блока отклонения соединены с соответственно первым и вторым входами электронно-лучевой трубки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4