ОСЦИЛЛОГРАФ Российский патент 1997 года по МПК G01R13/30 

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

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

Наиболее близким техническим решением к изобретению является осциллограф [2] содержащий блок отклонения, электронно-лучевую трубку, блок развертки и блок синхронизации, вход которого соединен с шиной синхронизации, а выход блока синхронизации соединен со входом блока развертки, вход блока отклонения соединен с шиной измеряемого сигнала, причем выходы блоков развертки и отклонения соединены с соответственно первым и вторым входами электронно-лучевой трубки. Измерения амплитуды и длительности измеряемого импульса и его фронта производятся методом калиброванных отклонения и развертки. Регулировкой коэффициентов отклонения и развертки, регуляторами перемещения осциллограммы по вертикали и горизонтали, регулятором растяжки (изменяющим величину напряжения развертки) осциллограмма всего измеряемого импульса располагается в пределах рабочей части экрана, причем наибольшие размеры осциллограммы измеряемого импульса по вертикали и горизонтали устанавливаются в пределах соответственно от H/2 до Н и от L/2 до L, где Н и L размеры рабочей части экрана по соответственно вертикали и горизонтали. Визуально по делениям шкалы, нанесенным на экран электронно-лучевой трубки, определяется размер амплитуды осциллограммы измеряемого импульса по вертикали; затем данный размер умножается на коэффициент отклонения. Точность измерения амплитуды измеряемого импульса прототипом ограничена следующими погрешностями:
погрешностью калибровки коэффициента отклонения;
погрешностью визуальной интерполяции долей делений шкалы при определении размера осциллограммы;
погрешностью, обусловленной разрешающей способностью экрана по вертикали, определяемой отношением ширины линии осциллограммы к размеру Н;
погрешностью, вызванной непараллельностью линий развертки и горизонтальных рисок на экране, а также непрямолинейностью линий развертки, искажающих форму осциллограммы измеряемого сигнала в результате разного по величине сдвига по вертикали отдельных участков осциллограммы, не обусловленного измеряемым сигналом;
погрешностью, обусловленной нелинейностью канала вертикального отклонения осциллографа, вызывающей различие амплитуд осциллограмм одного и того же сигнала при расположении осциллограмм на разных высотах экрана.

Трудоемкость измерений прототипом амплитуды измеряемого импульса обусловлена трудоемкостью визуальной оценки размера амплитуды осциллограммы по вертикали, сопровождающейся визуальной интерполяцией долей делений шкалы. Измерения прототипом длительности измеряемого импульса и его фронта производятся в следующей последовательности. Регуляторами коэффициента отклонения и перемещения осциллограммы по вертикали основание и вершина осциллограммы измеряемого импульса совмещаются с соответственно нижней и верхней горизонтальными рисками на экране. По делениям, нанесенным на центральной горизонтальной риске, визуально определяется размер длительности осциллограммы измеряемого импульса, затем данный размер умножается на коэффициент развертки. По делениям, нанесенным на горизонтальных рисках, находящихся на уровнях 0,1Н и 0,9Н рабочей части экрана, определяется размер длительности фронта осциллограммы измеряемого импульса, затем данный размер умножается на коэффициент развертки. Точность измерений прототипом длительности измеряемого импульса и его фронта ограничена следующими факторами:
погрешностью калибровки коэффициента развертки;
погрешностью, обусловленной визуальной интерполяцией долей делений шкалы при определении размеров длительности осциллограммы измеряемого импульса и его фронта;
погрешностью, обусловленной нелинейностью развертки;
погрешностью, обусловленной ограниченной разрешающей способностью экрана по горизонтали, определяемой отношением ширины линии осциллограммы к размеру L;
погрешностью, обусловленной ограниченной разрешающей способностью экрана по вертикали;
непараллельностью линий развертки и горизонтальных рисок на экране, а также непрямолинейностью линий развертки;
непараллельностью линий перемещения по вертикали экрана яркостного пятна (при отключенной развертке) и вертикальных рисок на экране;
непрямолинейностью линий перемещения по вертикали экрана яркостного пятна (при отключенной развертке) и различием данной непрямолинейности в различных частях экрана;
погрешностью, обусловленной нелинейностью канала вертикального отклонения осциллографа.

Трудоемкость измерения длительности измеряемого импульса и его фронта обусловлена следующими факторами:
трудоемкостью совмещения основания и вершины осциллограммы измеряемого импульса с соответственно нижней и верхней горизонтальными рисками на экране, совмещение сопровождается регулировкой двумя регуляторами регуляторами коэффициента отклонения и перемещения осциллограммы по вертикали;
трудоемкостью многократного визуального контроля точности совмещения основания и вершины осциллограммы измеряемого импульса с соответственно нижней и верхней горизонтальными рисками в процессе регулировки регуляторами коэффициента отклонения и перемещения осциллограммы по вертикали;
трудоемкостью визуальной оценки размера длительности осциллограммы измеряемого импульса и его фронта.

Исследование элементов структуры измеряемого импульса, размеры которых на осциллограмме всего измеряемого импульса равны от 1 до 3 значений ширины линии осциллограммы при размерах осциллограммы всего измеряемого импульса от Н/2 до Н по вертикали и от L/2 до L по горизонтали, производится следующим образом. Уменьшаются коэффициенты отклонения и развертки в Z 20 раз, затем регуляторами перемещения осциллограммы по вертикали и горизонтали на экране поочередно размещаются осциллограммы необходимых элементов структуры измеряемого импульса, выбранных на осциллограмме всего измеряемого импульса. Для определения на осциллограмме всего измеряемого импульса местоположения элемента осциллограммы, отображающего ту часть измеряемого импульса, которая воспроизводится всей осциллограммой после уменьшения исходных значений коэффициентов отклонения и развертки в Z раз и регулировки регуляторами перемещения осциллограммы по вертикали и горизонтали, необходимо запомнить форму осциллограммы элемента измеряемого сигнала, увеличить коэффициенты отклонения и развертки в Z раз, регуляторами перемещения осциллограммы по вертикали и горизонтали разместить осциллограмму всего измеряемого сигнала в пределах всей рабочей части экрана, затем на осциллограмме всего измеряемого сигнала найти нужный элемент. Трудоемкость исследования элементов структуры измеряемого импульса обусловлена следующими факторами:
сложностью поиска осциллограмм частей измеряемого импульса (когда в пределах всей рабочей части экрана располагается осциллограмма только части измеряемого импульса), связанной с использованием одновременно двух регуляторов перемещения осциллограммы по вертикали и горизонтали, а также необходимостью согласованного управления указанными регуляторами;
сложностью поиска осциллограмм частей измеряемого импульса (когда в пределах всей рабочей части экрана располагается осциллограмма только части измеряемого импульса), связанной с необходимостью запоминания формы осциллограммы и отбора требуемых из всех размещаемых на экране осциллограмм частей измеряемого импульса по признакам формы осциллограммы, изменившейся в результате уменьшения коэффициентов отклонения и развертки, приводящих к появлению на осциллограммах деталей, отсутствовавших до уменьшения коэффициентов отклонения и развертки;
сложностью определения, в каком месте на осциллограмме всего измеряемого сигнала располагается часть осциллограммы, воспроизводящая ту часть измеряемого импульса, которая воспроизводится всей осциллограммой после уменьшения коэффициентов отклонения и развертки и регулировки регуляторами перемещения осциллограммы по вертикали и горизонтали.

Ограниченность функциональных возможностей прототипа обусловлена следующими факторами:
невозможностью однозначного определения, в каком месте на осциллограмме всего измеряемого сигнала располагается часть осциллограммы, отображающая ту часть измеряемого импульса, которая воспроизводится на экране после уменьшения коэффициентов отклонения и развертки и после регулировки регуляторами перемещения осциллограммы по вертикали и горизонтали;
невозможностью однозначного определения, какая из осциллограмм (размером в пределах всей рабочей части экрана) частей измеряемого сигнала воспроизводит ту часть измеряемого сигнала, которая выбрана на осциллограмме всего измеряемого сигнала;
невозможностью определения временного интервала и напряжения между элементами на разных частях измеряемого сигнала при воспроизведении каждой из данных частей измеряемого сигнала всей осциллограммой в пределах рабочей части экрана.

Цель изобретения повышение точности измерений, снижение трудоемкости измерений и расширение возможностей измерений.

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

На фиг. 1 изображена блок-схема осциллографа; на фиг.2 приведено изображение 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 и 11 соответственно первая и вторая линии задержки; 9 - шина измеряемого сигнала; 10 шина синхронизации; 12 центральная горизонтальная риска; 13 осциллограмма; 14 центральная вертикальная риска.

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 на соответственно первом и втором входах блока 1 отклонения;
К 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 вход первой 8 линии задержки. Импульсы с выхода первой 8 линии задержки поступают на входы второй 11 линии задержки и блока 3 развертки. С выхода второй 11 линии задержки импульсы поступают на первый вход стробоскопического 7 преобразователя. При поступлении импульса на вход блока 3 развертки на его выходе формируется обеспечивающий перемещение луча от левой до правой границы рабочей части экрана пилообразный импульс развертки, поступающий на первый вход электронно-лучевой 2 трубки. 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 интегратора 6. Сигнал U₄ на выходе интегратора 6 равен

где U₅ сигнал на входе интегратора 6;
Т период следования измеряемых импульсов;
t время.

Сигнал с выхода интегратора 6 поступает на вход вольтметра 5 и второй вход блока 1 отклонения. Измеряемые 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 измеряемого импульса. В момент t₁ времени с выхода второй 11 линии 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 в момент времени t₁. После поступления 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 k(U₁ U₂). Согласно формуле (2), если на входе интегратора 6 в течение времени Т от момента времени t₁ до момента времени t₁ + T поддерживается сигнал, равный k(U₁ U₂), то в момент времени t₁ + T сигнал на выходе интегратора 6 изменится на величину U₁ U₂. В момент времени t₁ сигнал на выходе интегратора 6 равен U₂; в момент времени t₁ + T 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 + NT cигнал, поступивший на первый вход блока 1 отклонения, равен U₁; N целое положительное число, N > 0. В момент времени t₁ + T сигналы на первом и втором входах блока 1 отклонения равны U₁, а сигнал на выходе равен нулю. После прихода в момент времени t₁ + T импульса на первый вход стробоскопического 7 преобразователя сигнал на выходе стробоскопического 7 преобразователя станет равным нулю. При нулевом сигнале на входе интегратора 6 сигнал на его выход, согласно формуле (2), не изменяется и остается равным значению U₁, которое измеряется вольтметром 5. В моменты времени t₁ + NT сигнал на выходе блока 1 отклонения равен нулю, поэтому осциллограмма 13 измеряемого импульса в моменты t₁ + NT пересекает центральную 12 горизонтальную риску. Момент начала развертки опережает момент времени t₁ на время Тз задержки второй 11 линии задержки, что обеспечивает пересечение осциллограммой 13 точки на центральной 12 горизонтальной риске через время Тз от момента начала развертки, причем вольтметр 5 регистрирует напряжение на первом входе блока 1 отклонения в момент времени t₁. При установке Тз Тр/2 осциллограмма 13 проходит через центр экрана -точку пересечения центральных 12 горизонтальной и 14 вертикальной рисок (фиг.2); Тр время развертки.

Измерения производятся следующим образом. Регулировкой задержки первой 8 и второй 11 линий задержки, коэффициента развертки и коэффициента k усиления осциллограмма 13 измеряемого импульса размещается в пределах рабочей части экрана, причем наибольшие размеры осциллограммы 13 измеряемого импульса по горизонтали и вертикали устанавливаются в пределах соответственно от L/2 и L и от H/2 до Н. Определяются установленные значения коэффициента k усиления и коэффициента развертки соответственно k₁ и Кp₁; время развертки определяется по формуле
Tp₁ LKp₁. (3)
Время задержки второй 11 линии задержки устанавливается равным 0,5LKp₁, что обеспечивает прохождение осциллограммы 13 измеряемого импульса через центр экрана. Задержка первой 8 линии задержки устанавливается равной D₁ и D₂, при которых через центр экрана проходят соответственно основание и вершина осциллограммы 13 измеряемого импульса и при которых определяются показания соответственно U₁₀ и U₂₀ вольтметра 5. Амплитуда измеряемого импульса равна U₂₀ U₁₀. Для повышения точности измерений коэффициент k усиления устанавливается равным k₁Z, коэффициент развертки устанавливается равным Kp₁/Z, при этом время развертки становится равным LKp₁/Z; время задержки второй 11 линии задержки устанавливается равным 0,5LKp₁/Z. Задержка первой 8 линии задержки устанавливается равной D₁ + 0,5LKp₁ - 0,5LKp₁/Z, затем регулировкой задержки первой 8 линии задержки в центре экрана устанавливается осциллограмма 13 основания измеряемого импульса, после чего определяются показания U₁₁ вольтметра 5. Задержка первой 8 линии задержки устанавливается равной D₂ + 0,5LKp₁ 0,5LKp₁ - 0,5LKp₁/Z, затем задержка первой 8 линии задержки устанавливается равной Dм, при которой в центре экрана располагается осциллограмма 13 вершины измеряемого импульса, после чего определяются показания U₂₁ вольтметра 5. Уточненная амплитуда измеряемого импульса равна U₂₁ U₁₁. Для измерения длительностей измеряемого импульса и его фронта время задержки первой 8 линии задержки повышается начиная от значения Дм до значения Дз, при котором показания вольтметра 5 станут равными 0,5(U₂₁ + U₁₁); затем время задержки первой 8 линии задержки понижается начиная от значения Дм до значений Дм до значений Д₄, Д₅ и Д₆, при которых показания вольтметра 5 станут равными соответственно U₁₁ + 0,9 (U₂₁ U₁₁), 0,5(U₂₁ + U₁₁) и U₁₁ + 0,1(U₂₁ U₁₁); длительности измеряемого импульса и его фронта равны соответственно Дз Д₅ и Д₄ Д₆.

Определение, в каком месте осциллограммы всего измеряемого импульса располагается часть осциллограммы, отображающая ту часть измеряемого импульса, которая воспроизводится всей осциллограммой (в пределах всей рабочей части экрана) после увеличения коэффициента k усиления в Z раз, уменьшения коэффициента развертки в Z раз, установки времени задержки второй 11 линии задержки, равного половине времени развертки, и регулировки величины задержки первой 8 линии задержки, производится следующим образом. Определяется задержка Д₇ первой 8 линии задержки при расположении в пределах всей рабочей части экрана осциллограммы части измеряемого импульса; при этом коэффициенты k усиления и развертки равны соответственно k₁Z и Kp₁/Z, время задержки второй 11 линии задержки равно 0,5LKp₁/Z. Время задержки первой 8 и второй 11 линий задержки устанавливаются равными соответственно Д₇ + 0,5LKp₁/Z 0,5LKp₁ и 0,5LKp₁; коэффициенты k усиления и развертки устанавливаются равными соответственно k₁ и Kp₁. При этом центр искомого участка осциллограммы располагается в центре экрана; границы начало и конец искомого участка осциллограммы устанавливаются в центр экрана при установке задержки первой 8 линии задержки соответственно Д₇ 0,5LKp₁ и Д₇ + LKp₁/Z - 0,5LKp₁.

Повышение точности измерений заявленным устройством обусловлено следующими факторами:
исключением влияния погрешности калибровки коэффициентов отклонения и развертки на погрешность измерений;
исключением визуальной интерполяции долей делений шкалы при определении амплитудных и временных параметров измеряемого сигнала;
уменьшением погрешности измерений, обусловленной разрешающей способностью экрана по вертикали и по горизонтали;
исключением погрешностей, обусловленных непараллельностью линий развертки и горизонтальных рисок на экране, а также обусловленной непрямолинейностью линий развертки;
исключением погрешности, обусловленной нелинейностью канала вертикального отклонения осциллографа;
исключением погрешности, обусловленной нелинейностью развертки;
исключением погрешностей, обусловленных непараллельностью линий перемещения по вертикали яркостного пятна (при отключенной развертке) и вертикальных рисок на экране, а также непрямолинейностью линий перемещения по вертикали яркостного пятна (при отключенной развертке) и различием данной непрямолинейности в различных частях экрана.

Снижение трудоемкости измерений заявленным устройством обусловлено следующими факторами:
исключением операции визуальной оценки размеров осциллограммы, включающей визуальную интерполяцию долей делений, при определении амплитудных и временных параметров измеряемого сигнала;
исключением операций совмещения основания и вершины осциллограммы измеряемого сигнала с нижней и верхней горизонтальными рисками на экране и контроля точности совмещения при измерениях временных параметров сигналов;
упрощением процедуры поиска и установки на экране осциллограмм элементов структуры измеряемого сигнала, заранее выбранных по осциллограмме всего сигнала;
упрощением процедуры поиска, в каком месте осциллограммы всего измеряемого сигнала располагается часть осциллограммы, отображающая ту часть измеряемого сигнала, которая воспроизводится на экране после увеличения коэффициента k усиления в Z раз, уменьшения коэффициента развертки в Z раз, установки времени задержки второй 11 линии задержки, равного половине времени развертки, и регулировки задержки первой 8 линии задержки.

Расширение функциональных возможностей заявленного устройства обусловлено следующим:
обеспечением возможности однозначного определения, в каком месте на осциллограмме всего измеряемого сигнала располагается часть осциллограммы, отображающая ту часть измеряемого импульса, которая воспроизводится на экране после увеличения коэффициента k усиления в Z раз, уменьшения коэффициента развертки в Z раз, установки времени задержки второй 11 линии задержки, равного половине времени развертки, и регулировки задержки первой 8 линии задержки;
обеспечением возможности однозначного определения, какая из осциллограмм (размером в пределах всей рабочей части экрана) частей измеряемого сигнала воспроизводит ту часть измеряемого сигнала, которая выбрана на осциллограмме всего измеряемого сигнала;
возможностью определения временного интервала и напряжения между элементами на разных частях измеряемого сигнала при воспроизведении каждой из данных частей разными осциллограммами размерами в пределах рабочей части экрана.

Источники информации:
1. Г. Я.Мирский. Радиоэлектронные измерения. Москва. "Энергия". 1975 г. стр. 136, рис. 3-21.

2. Там же, стр. 104, рис. 3-2.

Использование: осциллограф относится к радиоизмерительной технике. Сущеность изобретения: повышение точности измерений и снижение трудоемкости измерений достигается тем, что осциллограф, содержит блок отклонения 9, электронно-лучевую трубку 2, блок развертки 3 и блок синхронизации 4, вход которого соединен с шиной синхронизации, а также стробоскопический преобразователь 7, первая 8 и вторая линия 11 задержки, вольтметр 5 и интегратор 6, выход которого соединен со входом вольтметра и вторым входом блока отклонения, а выход интегратора соединен с выходом стробоскопического преобразователя, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно второй линии задержки и блока отклонения, выход блока синхронизации соединен со входом первой линии задержки, выход которой соединен со входами блока развертки и второй линии задержки. 2 ил.

Осциллограф, содержащий последовательно соединенные блок синхронизации, линию задержки, стробоскопический преобразователь, интегратор, блок отклонения и электронно-лучевую трубку, при этом выход интегратора соединен с вольтметром, другой вход стробоскопического преобразователя соединен с выходом блока отклонения, другой вход которого соединен с шиной измеряемого сигнала, выход блока развертки соединен с другим входом электронно-лучевой трубки, а вход блока синхронизации соединен с шиной синхронизации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и уменьшения трудоемкости измерений, другой выход линии задержки соединен с входом блока развертки.