ОСЦИЛЛОГРАФ Российский патент 1997 года по МПК G01R13/00 

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

Известен осциллограф [1] Однако, данное устройство характеризуется большой трудоемкостью и малой точностью измерений, что обусловлено погрешностью визуального отсчета и нелинейностью вертикального отклонения.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является осциллограф [2] содержащий вольтметр, блок отклонения, электронно-лучевую трубку, блок развертки, интегратор, 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, первый вход блока отклонения соединен с шиной измеряемого сигнала, выходы блока развертки и блока отклонения соединены с соответственно первым и вторым входами электронно-лучевой трубки, вход вольтметра и второй вход блока отклонения соединены с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом стробоскопического преобразователя. Однако, данное устройство характеризуется малой точностью измерений, большой шириной линии осциллограммы, малой яркостью и малой контрастностью осциллограммы, большим временем измерений и неудобствами при измерениях.

Цель изобретения повышение точности измерений, уменьшение трудоемкости измерений, уменьшение ширины линии осциллограммы, повышение яркости и контрастности осциллограммы, уменьшение времени измерений и повышение удобства измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в осциллограф, содержащий вольтметр, блок отклонения, электронно-лучевую трубку, блок развертки, интегратор, 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, первый вход блока отклонения соединен с шиной измеряемого сигнала, выходы блока развертки и блока отклонения соединены с соответственно первым и вторым входами электронно-лучевой трубки, вход вольтметра и второй вход блока отклонения соединены с выходом интегратора, введен аттенюатор, причем выход стробоскопического преобразователя через аттенюатор соединен с входом интегратора.

На фиг. 1 изображена блок-схема осциллографа; на фиг. 2, 3 и 4 - изображения на экране осциллографа. Обозначения на фигурах: 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 аттенюатор; 12 центральная горизонтальная риска; 13, 14 и 15 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 (без учета шумового сигнала, обусловленного усилителями блока 1 отклонения) определяется по формуле
U₃= K(U₁-U₂) (1),
где U₁ и U₂ значения сигналов на соответственно 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 2 трубки и стробоскопического 7 преобразователя. 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 2 трубки. Линия 8 задержки задерживает поступившие на ее вход импульсы синхронизации. Импульсы с выхода линии 8 задержки поступают на первый вход стробоскопического 7 преобразователя. После каждого импульса, поступившего на первый вход стробоскопического 7 преобразователя, на его выходе удерживается сигнал, который был на втором входе в момент поступления импульса на первый вход. Сигнал с выхода стробоскопического 7 преобразователя поступает на вход аттенюатора 11. В качестве аттенюатора 11 можно использовать аттенюатор, приведенный в [3] состоящий из резисторов R3, R5 и HC2. Первый и второй выводы линейного резистора (позиция R3 по схеме [3] ), имеющего сопротивление 9R, соединены с соответственно входом и выходом аттенюатора 11; нелинейный резистор варистор (позиция HC2 по схеме [3]) соединен параллельно резистору (позиция R3); первый и второй выводы линейного резистора (позиция R5 по схеме [3]), имеющего сопротивление R, подключены соответственно к выходу аттенюатора 11 и его корпусу (общему выводу). Вольтамперная характеристика варистора описывается уравнением [4]
i_в= Au2в

(2)
где i_в ток через варистор; А коэффициент; U_b - напряжение на варисторе. Используется варистор с
A=1/(RU_m) (3),
где U_m калибровочное напряжение. Совместно решая (2, 3), находим ток через варистор
i_в= u2в/ (RU_m). (5)
Ток через резистор R3 равен
i_p=U_в/(9R) (6)
Напряжение U_вх на входе аттенюатора 11 равно
u_вх= u_в+(i_в+i_p)R = (u2в/U_m)+(10u_в/9) (7)
Решая уравнение (7), находим

Напряжение U_вых на выходе аттенюатора 11

При (U_вх/U_m)= 0,001; 0,01; 0,1; 1,0; 10; 100; 1000 и 10000 значение (U_вых/U_вх), вычисленное по (9), равно соответственно 0,10; 0,11; 0,16; 0,41; 0,73; 0,91; 0,97 и 0,99. Сигнал с выхода аттенюатора 11 поступает на вход интегратора 6. Сигнал U₄ на выходе интегратора 6 равен
(10)
где U₅ сигнал на входе интегратора 6; t время; Т период следования импульсов, поступающих с шины 9 измеряемого сигнала. 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 2 трубки, на первый вход которой с выхода блока 3 развертки поступают пилообразные импульсы развертки. В результате на экране электронно-лучевой 2 трубки формируется осциллограмма 13 импульса. В момент t₁ времени с выхода линии 8 задержки на первый вход стробоскопического 7 преобразователя поступает импульс, что вызывает удержание на выходе стробоскопического 7 преобразователя напряжения, которое имелось на втором входе стробоскопического 7 преобразователя. 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 времени t₁ и до момента времени t₁+T на выходе стробоскопического 7 преобразователя будет удерживаться сигнал, равный по величине к(U₁-U₂). Учитывая, что коэффициент передачи аттенюатора 11 в зависимости от входного сигнала находится в пределах от 0,1 до 1,0, соответствующая часть сигнала с выхода стробоскопического 7 преобразователя поступает на вход интегратора 6. Если на входе интегратора 6 в течение времени Т от момента времени t₁ до момента времени t₁+T поддерживается сигнал величиной KU_a, то в момент времени t₁+T сигнал на выходе интегратора 6 изменится на величину U_a. В момент времени t₁ сигнал на выходе интегратора 6 равен U₂; в момент времени t₁+T сигнал на выходе интегратора 6 изменился на величину U_a и стал равным U₂+U_a, в результате чего после поступления в момент времени t₁+T импульса на первый вход стробоскопического 7 преобразователя сигнал на его выходе уменьшится со значения K(U₁-U₂) до K(U₁-U₂-U_a). После поступления ряда импульсов с выхода линии 8 задержки напряжение на выходе интегратора 6 будет отличаться от напряжения на первом входе блока 1 отклонения в момент поступления импульсас выхода линии задержки на величину, намного меньшую погрешности измерения. Сигнал на выходе интегратора 6 измеряется вольтметром 5. В моменты формирования импульса на выходе линии 8 задержки сигнал на выходе блока 1 отклонения устанавливается равным нулю, поэтому осциллограмма 13 измеряемого сигнала в данные моменты времени будет пересекать центральную 12 горизонтальную риску. Для измерения величины импульса следует изменением задержки линии 8 задержки совместить сначала основание осциллограммы 13 импульса с центральной 12 горизонтальной риской (как показано на фиг. 2), произвести отсчет показаний Ао вольтметра 5, затем изменением задержки совместить вершину осциллограммы 14 импульса с центральной 12 горизонтальной риской (как показано на фиг. 3), произвести отсчет показаний A_m вольтметра 5; амплитуда измеряемого импульса равна A_m-Ao. Для измерения длительности измеряемого импульса на уровне 0,5 от амплитуды следует изменение задержки линии 8 задержки показания вольтметра 5 установить равными (A_m+Ao)/2, при этом осциллограмма 15 на уровне половины амплитуды совместится с центральной 12 горизонтальной риской, по делениям на которой производится отсчет искомой длительности.

Повышение точности измерений поясняется следующим. На выходе блока 1 отклонения кроме усиленного измеряемого сигнала формируется обусловленный шумами усилителей блока 1 отклонения шумовой сигнал величиной от +0,1U_m до -0,1U_m. При использовании прототипа напряжение шума с выхода блока отклонения, проходя стробоскопический преобразователь и интегратор, непрерывно изменяет в пределах от -0,1U_m/K до +0,1U_m/K измеряемый вольтметром сигнал, что ограничивает точность измерений. При использовании заявленного устройства за счет шума блока 1 отклонения напряжение на выходе стробоскопического 7 преобразователя изменяется в пределах от -0,1U_m до +0,1U_m, однако после установления напряжения на выходе интегратора 6 значения измеряемого сигнала изменение напряжения в пределах от -0,1U_m до +0,1U_m на входе аттенюатора 11 повлечет изменение напряжения на его выходе в пределах -0,016U_m до +0,016U_m, что позволяет в 6 раз уменьшить диапазон нестабильности измеряемого вольтметром 5 напряжения, а это обеспечивает повышение точности измерений.

Повышение точности и уменьшение трудоемкости измерений поясняется увеличением яркости и контрастности осциллограммы и уменьшением ее ширины, что повышает точность и облегчает процесс поиска и совмещения с центральной 12 горизонтальной риской вершины (наивысшей точки) осциллограммы 14 импульса.

Уменьшение ширины линии осциллограммы, повышение яркости и контрастности осциллограммы поясняется следующим. При использовании прототипа шумовой сигнал, находящийся в пределах от -0,1U_m до +0,1U_m, с выхода блока отклонения, проходя через стробоскопический преобразователь, поступает на вход интегратора, а это вызывает изменение напряжения на выходе интегратора от -0,1U_m/K до +0,1U_m/K; в результате осциллограмма перемещается по экрану по вертикали на величину от -0,1U_mКо до +0,1U_mКо, где Ко коэффициент отклонения по вертикали электронно-лучевой трубки, причем отдельные реализации осциллограмм не совпадают друг с другом (реализация осциллограммы это осциллограмма, формируемая на экране в процессе поступления одного пилообразного импульса на первый вход электронно-лучевой трубки). При использовании прототипа перемещение осциллограммы по вертикали обуславливает:
а) малую яркость осциллограммы, это поясняется тем, что световое излучение разных реализаций осциллограмм исходит из разных областей экрана, при этом отсутствует суммирование светового излучения;
б) малую контрастность осциллограммы, это поясняется малой яркостью осциллограммы;
в) большую ширину осциллограммы, это поясняется несовпадением разных реализаций осциллограмм.

При использовании заявленного устройства шумовой сигнал на выходе блока 1 отклонения, находящийся в пределах от -0,1U_m до +0,1U_m, изменяет сигнал на выходе интегратора 6 от -0,016U_m/K до +0,016U_m/K, что обеспечивает практическое совпадение разных реализаций осциллограмм; это увеличивает яркость и контрастность осциллограммы и снижает ее ширину.

Уменьшение времени измерений и повышение удобства измерений поясняется следующим. При использовании прототипа с интегратором, у которого сигнал на выходе определяется выражением (11)

то погрешность, обусловленная шумами блока отклонения, не будет отличаться от погрешности заявленного устройства, так как изменение сигнала в момент времени t₁ на 0,1U_m на выходе стробоскопического преобразователя изменяет напряжение на выходе интегратора по истечении времени Т на 0,016U_m/K. Рассмотрим режимы работы прототипа с указанным интегратором и заявленного устройства при изменении амплитуды поступающего с шины 9 измеряемого сигнал импульса амплитудой 10U_m/K, размер осциллограммы 13 по вертикали которого равен половине размера рабочей части экрана по вертикали; после операции совмещения основания осциллограммы 13 импульса с центральной 12 горизонтальной риской и отсчета показаний Ао вольтметра 5 изменением задержки линии 8 задержки момент t₁ времени формирования на ее выходе импульса совмещается с моментом формирования вершины осциллограммы 14 импульса, в результате чего по истечении времени вершина осциллограммы 14 импульса совмещается с центральной 12 горизонтальной риской; при этом после изменения задержки линии 8 задержки, начиная с момента времени t₁, на выходе стробоскопического 7 преобразователя формируется напряжение 10U_m. При поступлении в течение времени с t₁ до t₁+T с выхода стробоскопического преобразователя прототипа напряжения 10U_m на вход интегратора напряжение на его выходе за период с t₁ до t₁+Т изменится, согласно (11), на 1,6U_m/К, в результате чего после момента времени t₁+Т напряжение на выходе стробоскопического преобразователя станет равным 8,4U_m или 84% от напряжения в момент времени t₁; учитывая, что после каждого следующего интервала времени Т напряжение на выходе стробоскопического преобразователя становится равным 84% от предыдущего, напряжение U_N на выходе стробоскопического преобразователя в интервале времени после t₁+NT и до t₁ + (N+1)T определяется выражением
U_N=10U_m•0,84ⁿ (12)
где N количество импульсов, поступивших на первый вход стробоскопического преобразователя после момента времени t₁; при N 0, 1, 4, 26 и 27 напряжение U^N на выходе стробоскопического преобразователя будет равным соответственно 10U_m, 8,4U_m, 5U_m, 0,107 U_m и 0,0903U_m; изменение напряжения на выходе интегратора в момент времени t₁+NT в сравнении с напряжением на выходе интегратора в момент времени t₁ будет равно (10U_m-U_N)/K. При поступлении в течение времени от t₁до t₁+T с выхода стробоскопического 7 преобразователя заявленного устройства напряжения 10U_m на вход аттенюатора 11, то с его выхода на вход интегратора 6 будет поступать, согласно (9), напряжение 7,345U_m, а напряжение на выходе интегратора 6, согласно (10), изменится на 7,345U_m/К, в результате чего напряжение на выходе стробоскопического 7 преобразователя в интервале времени от t₁+T до t₁+2T будет равным 2,655U_m; продолжая аналогичным образом, определяем, что в течение интервалов времени от t₁+NT до t₁+(N+1)Т для N 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 напряжение U_N на выходе стробоскопического 7 преобразователя будет равно соответственно 10U_m; 2,655U_m; 1,166U_m; 0,659U_m; 0,428U_m; 0,303U_m; 0,226U_m; 0,176U_m; 0,141U_m; 0,115U_m; 0,095U_m; 0,08U_m; изменение напряжения на выходе интегратора 6 в моменты времени t₁+NT в сравнении с напряжением на выходе интегратора 6 в момент времени t₁ будет равно (10U_m-U_N)/K. Если при использовании прототипа в интервале времени от t₁+4T до t₁+5T на экране формируется осциллограмма, у которой основание и вершина отстоят от центральной горизонтальной риски на приблизительно одинаковое расстояние (как показано на фиг. 4), то при использовании заявленного устройства в интервале времени от t₁+4T до t₁+5T на экране формируется осциллограмма 14 импульса, вершина которого отстоит от центральной 12 горизонтальной риски на 4,3% от амплитуды осциллограммы 14 импульса или, что то же самое, на 2,1% от размера рабочей части экрана по вертикали; при использовании прототипа после изменения задержки линии задержки осциллограмма медленно продвигается к своему устойчивому положению (устойчивым является положение осциллограммы, при котором напряжение на выходе стробоскопического преобразователя равно нулю), причем медленное перемещение осциллограммы создает неудобства оператору вследствие медленной реакции изображения на экране на воздействие оператора на осциллограф (изменение задержки линии задержки) и неясности, какое положение осциллограммы будет устойчивым, это особенно заметно при малой частоте следования порядка 5.8 Гц; при использовании заявленного устройства осциллограмма за время 4Т перемещается на 95,7% расстояния от исходного положения в момент времени t₁ до устойчивого положения, причем в момент времени t₁+4T расстояние от вершины осциллограммы 14 до центральной 12 горизонтальной риски (2,1% от размера рабочей части экрана по вертикали, что при размере экрана по вертикали 8 см и при расстоянии от оператора до экрана 60 см видно оператору под углом всего 10 угловых градусов, причем ширина линии осциллограммы 14 и ширина центральной 12 горизонтальной риски видны оператору под углами соответственно 4 и 2 угловых градуса) заметно лишь при внимательном рассмотрении, в процессе которого происходит полное совмещение вершины осциллограммы 14 импульса с центральной 12 горизонтальной риской. Этим обеспечивается повышение удобства при использовании заявленного устройства. Уменьшение времени проведения измерений обусловлено тем, что, если при использовании прототипа после возникновения напряжения 10U_m на выходе стробоскопического преобразователя в момент времени t₁ напряжение на выходе стробоскопического преобразователя уменьшится до 0,1U_m лишь по истечение времени 27Т, то при использовании заявленного устройства при возникновении в момент времени t₁ напряжения 10U_m на выходе стробоскопического 7 преобразователя уже по истечении времени 10Т напряжение на выходе стробоскопического 7 преобразователя будет меньше 0,1U_m, что ускоряет индикацию вольтметром 5 показаний с погрешностью не более 1%

Использование: осциллограф относится к радиоизмерительной технике. Сущность изобретения: осциллограф содержит вольтметр 5, блок 1 отклонения, электронно-лучевую трубку 2, блок 3 развертки, интегратор 6, стробоскопический преобразователь 4, линию задержки 8 и блок 4 синхронизации, вход которого соединен с шиной синхронизации, а выход блока синхронизации соединен с входами линии задержки 8 и блока 3 развертки, первый и второй входы стробоскопического преобразователя 4 соединены с выходами соответственно линии задержки и блока отклонения, первый вход блока отклонения соединен с шиной измеряемого сигнала, выходы блока 3 развертки и блока 1 отклонения соединены с соответственно первым и вторым входами электронно-лучевой трубки, вход вольтметра 5 и второй вход блока 1 отклонения соединены с выходом интегратора 6. В осциллограф введен аттенюатор 11, причем выход стробоскопического преобразователя 7 через аттенюатор соединен с входом интегратора 6. 4 ил.

Осциллограф, содержащий вольтметр, блок отклонения, электронно-лучевую трубку, блок развертки, интегратор, стробоскопический преобразователь, линию задержки и блок синхронизации, вход которого соединения 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, первый вход блока отклонения соединен с шиной измеряемого сигнала, выходы блока развертки и блока отклонения соединены соответственно с первым и вторым входами электронно-лучевой трубки, вход вольтметра и второй вход блока отклонения соединены с выходом интегратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, уменьшения трудоемкости измерений, уменьшения ширины и длины осциллограммы, повышения яркости и контрастности осциллограммы, уменьшения времени измерений и повышения удобства измерений, введен аттенюатор, причем выход стробоскопического преобразователя через аттюнатор соединен с входом интегратора.