ОСЦИЛЛОГРАФ Российский патент 1998 года по МПК G01R13/20 

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

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

Наиболее близким к изобретению является осциллограф [2], содержащий вольтметр, блок отклонения, электронно-лучевую трубку, блок развертки, интегратор, стробоскопический преобразователь, первую и вторую линии задержки и блок синхронизации, вход которого соединен с шиной синхронизации, а выход блока синхронизации соединен с входом первой линии задержки, выход первой линии задержки через вторую линию задержки, стробоскопический преобразователь и интегратор соединен с вольтметром и вторым входом блока отклонения, первый вход которого соединен с шиной измеряемого сигнала, выход первой линии задержки через блок развертки соединен с первым входом электронно-лучевой трубки, второй вход которой соединен с выходом блока отклонения, причем выход блока отклонения соединен с вторым входом стробоскопического преобразователя. Время задержки второй линии задержки устанавливается равным половине времени развертки, что обеспечивает прохождение осциллограммы измеряемого сигнала через центр экрана. Регулировкой задержки первой линии задержки с центром экрана совмещается требуемый элемент осциллограммы измеряемого импульса. Для измерения разности потенциалов и временного интервала между двумя точками на осциллограмме следует регулировкой задержки первой линии задержки разместить в центре экрана сначала первую точку на осциллограмме, при этом определить показания V_a вольтметра и задержки τ_a первой линии задержки; затем регулировкой задержки первой линии задержки разместить в центре экрана, вторую точку осциллограммы, при этом также определить показания V_b вольтметра и задержки τ_b первой линии задержки. Искомые разность потенциалов и временной интервал равны соответственно V_a - V_b и τ_a-τ_b . Стробоскопический преобразователь состоит из электронного коммутатора /собранного на полупроводниковых диодах либо транзисторах/ и накопительного конденсатора, соединяющего выход с общей точкой /корпусом/ стробоскопического преобразователя, причем первый и второй входы коммутатора и его выход соединены соответственно с первым и вторым входами стробоскопического преобразователя и его выходом. В момент подачи импульса на первый вход стробоскопического преобразователя его электронный коммутатор подключает второй вход стробоскопического преобразователя к его выходу и к накопительному конденсатору, который заряжается до значения напряжения, поступающего с второго входа стробоскопического преобразователя. После прекращения подачи импульса и до поступления следующего импульса на первый вход стробоскопического преобразователя накопительный конденсатор обеспечивает формирование на выходе стробоскопического преобразователя постоянного напряжения, равного напряжению на втором входе стробоскопического преобразователя в момент поступления последнего импульса на первый вход.

Однако электронный коммутатор обладает паразитной емкостью, соединяющей второй вход и выход стробоскопического преобразователя, причем величина паразитной емкости не постоянна, а зависит от полярности и мгновенного значения напряжения между вторым входом и выходом стробоскопического преобразователя. В интервале времени между импульсами, поступающими на первый вход стробоскопического преобразователя, сигнал с второго входа через паразитную емкость поступает на выход стробоскопического преобразователя и на накопительный конденсатор и заряжает его, что вызывает различие напряжения на втором входе стробоскопического преобразователя в момент поступления импульса на первый вход и напряжения на выходе стробоскопического преобразователя в интервале времени между моментами поступления импульсов на первый вход. Вследствие наличия паразитной емкости между вторым входом и выходом стробоскопического преобразователя напряжение на входе интегратора не обеспечивает точное совмещение осциллограммы с центром экрана электронно-лучевой трубки /точкой пересечения центральных вертикальной и горизонтальной рисок на экране/ и привносится погрешность в измеряемый вольтметром сигнал и задержку, отсчитываемую по первой линии задержки. Причем несовпадение осциллограммы с центром экрана обусловлено наличием паразитной емкости между вторым входом и выходом стробоскопического преобразователя. Несовпадение линии осциллограммы с центром экрана увеличивает погрешность измерений величины и временных параметров измеряемого сигнала и усложняет процедуру измерений, так как затрудняет оператору выбор элементов осциллограммы, между которыми производят измерения. При измерении амплитудных и временных параметров измеряемых сигналов с целью повышения точности измерений можно вводить поправку к результатам отсчета по соответственно вольтметру и первой линии задержки на величину произведения соответственно расстояния, отсчитываемого по центральной вертикальной риске от центра экрана до осциллограммы, на коэффициент отклонения и отсчитываемого по центральной горизонтальной риске расстояния от центра экрана до осциллограммы на коэффициент развертки. Однако введение поправок увеличивает сложность и трудоемкость измерений. Несовпадение осциллограммы с центром экрана ограничивает возможности использования осциллографа, так как при уменьшении коэффициентов развертки и отклонения осциллограмма уходит за пределы рабочей части экрана.

Цель изобретения - повышение точности измерений, снижение сложности и трудоемкости измерений и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что в осциллограф, содержащий вольтметр, блок отклонения, электронно-лучевую трубку, блок развертки, интегратор, стробоскопический преобразователь, первую и вторую линии задержки и блок синхронизации, вход которого соединен с шиной синхронизации, а выход блока синхронизации соединен с входом первой линии задержки, выход первой линии задержки через вторую линию задержки, стробоскопический преобразователь и интегратор соединен с вольтметром и вторым входом блока отклонения, первый вход которого соединен с шиной измеряемого сигнала, выход первой линии задержки через блок развертки соединен с первым входом электронно-лучевой трубки, второй вход которой соединен с выходом блока отклонения, введен амплитудный ограничитель, причем выход блока отклонения через амплитудный ограничитель соединен с вторым входом стробоскопического преобразователя.

На фиг. 1 изображена блок-схема осциллографа; на фиг. 2 приведено изображение на экране осциллографа; на фиг. 1-2 показаны блок 1 отклонения, электронно-лучевая трубка 2, блок 3 развертки, блок 4 синхронизации, вольтметр 5, интегратор 6, стробоскопический преобразователь 7, соответственно первая 8 и вторая 11 линии задержки, шина 9 измеряемого сигнала, шина 10 синхронизации, амплитудный ограничитель 12, осциллограмма 13 измеряемого сигнала, центральные соответственно вертикальная 14 и горизонтальная 15 риски на экране.

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 ; K - коэффициент усиления блока 1 отклонения. Сигнал с выхода 1 отклонения поступает на второй вход электронно-лучевой 2 трубки и вход амплитудного ограничителя 12. При подаче на вход амплитудного ограничителя 12 сигнала, имеющего значение большее +U_a, либо меньшее -U_a, либо сигнала, находящегося в пределах от - U_a до +U_a, где U_a > O, сигнал на выходе амплитудного ограничителя 12 равен соответственно +U_a, либо -U_a, либо входному сигналу. При подаче напряжения U_a на второй вход вертикального отклонения электронно-лучевой трубки 2 луч перемещается по экрану на 0,1 часть от размера рабочей части экрана по вертикали. Сигнал с выхода амплитудного ограничителя 12 поступает на второй вход стробоскопического преобразователя 7. С шины 10 синхронизации на вход блока 4 синхронизации поступает либо синхронизирующие импульсы, либо измеряемые импульсы. Блок 4 синхронизации формирует импульсы синхронизации, которые с выхода блока 4 синхронизации поступают на вход первой линии 8 задержки. Импульсы, поступившие на вход первой линии 8 задержки, задерживаются ею. Импульсы с выхода первой линии 8 задержки поступают на входы второй линии 11 задержки и блока 3 развертки. Вторая линия 11 задержки задерживает поступающие на ее вход импульсы. Импульсы с выхода второй линии 11 задержки поступают на первый вход стробоскопического преобразователя 7. При поступлении импульса на вход блока 3 развертки на его выходе формируется обеспечивающий перемещение луча от левой до правой границ рабочей части экрана пилообразный импульс развертки длительностью t_p, который поступает на первый вход электронно-лучевой трубки 2. 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 - сигнал на входе интегратора 6; T - период следования измеряемых 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. Измеряемые 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 13 измеряемого импульса. В момент t₁ времени с выхода второй линии 11 задержки на первый вход стробоскопического преобразователя 7 поступает импульс, что вызывает удержание на выходе стробоскопического преобразователя 7 напряжения, которое было на втором входе стробоскопического преобразователя 7 в момент времени t₁. В момент времени t₁ на выходе блока 1 отклонения имеется напряжение U_p, причем
U_p=B[NU_a+U_b], (3)
где N - нуль либо целое положительное число; 0 < U_b < U_a; B - число, равное +1 и -1 при соответственно положительном и отрицательном значении напряжения U_p. При N ≥ 1, начиная с момента времени t₁ до момента времени t₁ + T, на выходе стробоскопического преобразователя 7 будет удерживаться напряжение BU_a. Если на входе интегратора 6 в течение времени T с момента времени t₁ до момента времени t₁ + T удерживается напряжение BU_a, то напряжение на выходе интегратора 6, согласно выражению (2), с момента времени t₁ до t₁ + T изменится на BU_a/K. Учитывая, что сигнал на втором входе блока 1 отклонения с момента времени t₁ до момента времени t₁ + T изменился на BU_a/K, сигнал на выходе блока 1 отклонения в момент времени t₁ + T станет равным, согласно (1), величине
U_p-BU_a=B[(N-1)U_a+U_b] (4)
Аналогичным образом будет происходить процесс изменения напряжения на выходе интегратора 6 в интервале времени от t₁ до t₁ + NT, в течение которого сигнал на входе интегратора 6 будет удерживаться равным BU_a, причем напряжение на выходе интегратора 6 с момента времени t₁ до момента t₁ + NT изменится на NBU_a/K, в результате чего на выходе блока 1 отклонения в момент времени t₁ + NT будет сигнал, равный BU_b. С момента времени t₁ + NT до момента t₁ + (N+1)T на выходе стробоскопического преобразователя 7 будет удерживаться сигнал BU_b, что обеспечивает изменение сигнала на выходе интегратора 6 за тот же интервал времени на величину BU_b/K. В результате с момента времени t₁ до момента времени t₁ + (N+1)T напряжение на выходе интегратора 6 изменилось на величину B(NU_a+U_b)/K=U_p/K. Напряжение на выходе блока 1 отклонения в моменты времени t₁+(N+1+M)T будет равно нулю, где M - нуль либо целое положительное число. Сигнал на выходе стробоскопического преобразователя 7 после момента времени t₁+(N+1)T остается равным нулю, вследствие чего напряжение на выходе интегратора 6 после момента времени t₁(N+1)T остается постоянным. Учитывая, что в моменты времени t₁(N+1+М)T сигнал на выходе блока 1 отклонения равен нулю, осциллограмма 13 в данные моменты времени проходит через центральную горизонтальную риску 15 экрана, а вольтметр 5 индицирует значение напряжения, равное напряжению, поступающему с шины 9 измеряемого сигнала в моменты времени t₁+MT. Интервал времени между моментом поступления импульса на вход и появления импульса на выходе второй линии 11 задержки равен t₃. При установке 2t₃=t_p осциллограмма 13 проходит через центр экрана - точку пересечения центральных вертикальной и горизонтальной 15 рисок, а вольтметр 5 индицирует напряжение измеряемого сигнала в моменты времени t₁+MT+(N+1)T, когда происходит формирование участка осциллограммы 13, проходящего через центр экрана.

Измерение параметров измеряемого импульса производят следующим образом. Регулировкой задержки первой 8 и второй 11 линий задержки, коэффициента развертки и коэффициента K осциллограмма 13 измеряемого импульса /или нескольких измеряемых импульсов/ располагается в пределах всей рабочей части экрана. Определяется время τ_н задержки первой линии 8 задержки. Определяются временные интервалы τ₁ и τ₂ путем умножения коэффициента развертки на расстояние от левой границы рабочей части экрана до точек расположения соответственно основания и вершины осциллограммы 13 измеряемого импульса. Коэффициент развертки осциллографа и коэффициент K уменьшаются в 5...20 раз и устанавливаются равными значениями, при которых в пределах экрана размещается осциллограмма 13 части измеряемого импульса, при этом время задержки t₃ второй линии 11 задержки устанавливается равным t_p/2 - половине времени развертки. Задержка первой линии 8 задержки устанавливается равной τ_н+τ₁-t_p/2 . Изменением задержки первой линии 8 задержки в центре экрана устанавливается точка на осциллограмме 13, на которой производится отсчет потенциала основания измеряемого импульса, после чего производится отсчет показания V₁ вольтметра 5. Задержка первой линии 8 задержки устанавливается равной τ_н+τ₁-t_p/2 . Изменением задержки первой линии 8 задержки в центре экрана устанавливается точка на осциллограмме 13, на которой производится отсчет потенциала вершины измеряемого импульса, после чего производится отсчет показаний V₂ вольтметра 5. Амплитуда измеряемого импульса равна V₂ - V₁. Регулировкой задержки первой линии 8 задержки в центре экрана устанавливаются точки фронта осциллограммы 13 измеряемого импульса, при которых показания вольтметра 5 составляют V₁+0,1(V₂-V₁), V₁+0,5(V₂-V₁) и V₁+0,9(V₂-V₁), при которых задержка первой линии 8 задержки равна соответственно t₄, t₅ и t₆. Регулировкой задержки первой линии 8 задержки в центре экрана устанавливаются точки спада /заднего фронта/ осциллограммы 13 измеряемого импульса, при которых показания вольтметра 5 составят V₁0,9(V₂-V₁), V₁+0,5(V₂-V₁) и V₁+0,1(V₂-V₁), при которых задержка первой линии 8 задержки равна соответственно t₇, t₈ и t₉. Длительность измеряемого импульса, длительности его фронта и спада равны соответственно t₈-t₅; t₆-t₄ и t₉-t₇.

Повышение точности измерений заявленным устройством обусловлено следующим. Размах напряжений /то есть разность между максимальным и минимальным потенциалами/ сигнала на выходе блока 1 отклонения в 5 и более раз превышает размах напряжений на выходе амплитудного ограничителя 12, не превышающий величины 2U_a, в связи с чем в сравнении с прототипом в 5 и более раз уменьшается величина размаха сигнала, просачивающегося с выхода блока 1 отклонения на выход стробоскопического 7 преобразователя через его паразитную емкость между вторым входом и выходом стробоскопического 7 преобразователя в интервале времени между моментами поступления импульсов на первый вход стробоскопического преобразователя 7. В результате повышается точность измерений по двум причинам. Во-первых, повышается точность измерений напряжения вольтметром 5, так как уменьшается величина погрешности, обусловленной сигналом, просачивающимся с второго входа на выход стробоскопического преобразователя 7 в интервале времени между моментами поступления импульсов на первый вход стробоскопического преобразователя 7. Во-вторых, повышение точности измерений обусловлено тем, что в результате уменьшения в сравнении с прототипом величины сигнала, просачивающегося на выход стробоскопического преобразователя 7 в период времени между моментами поступления на его первый вход импульсов, повышается точность совмещения осциллограммы 13 с центром экрана, что обеспечивает повышение точности выбора участка осциллограммы 13, на котором производится измерение параметров измеряемого сигнала.

Снижение сложности и трудоемкости измерений обусловлено тем, что, во-первых, повышение точности совмещения осциллограммы 13 с центром экрана исключает необходимость внесения в результат измерения уточняющих поправок, обусловленных несовпадением у прототипа осциллограммы с центром экрана; во-вторых, повышение точности совмещения осциллограммы 13 с центром экрана упрощает процедуру выбора элементов на осциллограмме 13, между которыми производится измерение параметров осциллограммы 13.

Расширение области применения заявленного устройства поясняется тем, что в сравнении с прототипом возможно проведение измерений при меньших значениях коэффициентов отклонения и развертки, при которых осциллограмма 13 не выходит за границы экрана.

Использование: осциллограф относится к радиоизмерительной технике. Существо изобретения: осциллограф содержит вольтметр 5, блок 1 отклонения, электронно-лучевую трубку 2, блок 3 развертки, интегратор 6, стробоскопический преобразователь 7, первую 8 и вторую 11 линии задержки и блок 4 синхронизации, вход которого соединен с шиной синхронизации, а выход блока 4 синхронизации соединен с входом первой линии 8 задержки, выход которой через вторую линию 11 задержки, стробоскопический преобразователь 7 и интегратор 6 соединен с вольтметром 5 и вторым входом блока 1 отклонения, первый вход которого соединен с шиной измеряемого сигнала, выход первой линииб задержки через блок развертки соединен с первым входом электронно-лучевой трубки, второй вход которой соединен с выходом блока отклонения. Осциллограф также содержит амплитудный ограничитель 12, причем выход блока 1 отклонения через амплитудный ограничитель соединен с вторым входом стробоскопического преобразователя 7. 2 ил.

Осциллограф, содержащий вольтметр, блок отклонения, электронно-лучевую трубку, блок развертки, интегратор, стробоскопический преобразователь, первую и вторую линии задержки и блок синхронизации, вход которого соединен с шиной синхронизации, а выход блока синхронизации соединен с входом первой линии задержки, выход первой линии задержки через вторую линию задержки, стробоскопический преобразователь и интегратор соединен с вольтметром и вторым входом блока отклонения, первый вход которого соединен с шиной измеряемого сигнала, выход первой линии задержки через блок развертки соединен с первым входом электронно-лучевой трубки, второй вход которой соединен с выходом блока отклонения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, снижения сложности и трудоемкости измерений и расширения области применения, введен амплитудный ограничитель, причем выход блока отклонения через амплитудный ограничитель соединен с вторым входом стробоскопического преобразователя.