Осциллографы

Регистраторы сигналов

Данные эксперимента должны быть зарегистрированы, и определенное время храниться на каком-либо носителе. В технике используется очень большое количество различных регистрирующих устройств, которые укрупненно можно разделить на следующие типы:

- механические - это, прежде всего различные самописцы;

- электронные – лучевые и шлейфные осциллографы;

- оптические – это фото и кинокамеры;

- цифровые, хранящие и обрабатывающие информацию, в цифровых кодах.

Выбор регистрирующего устройства определяется стоящей перед экспериментатором задачей, видом и мощностью поступающего сигнала, необходимым временем хранения информации, а также экономическими возможностями. Наиболее перспективным в настоящее время являются цифровые регистраторы данных, то есть, по сути дела, ЭВМ. Они позволяют усиливать сигналы, вводить коррективы, отсеивать помехи и шумы, обрабатывать и предоставлять в любом виде, а также достаточно долго хранить информацию на любых носителях.

Наиболее распространёнными приборами, с помощью которых осуществляется регистрация быстропротекающих процессов, являются светолучевые (шлейфные) и электронно-лучевые (катодные) осциллографы.

В шлейфном осциллографе запись процесса производится на движущейся фотобумаге лучом света, отраженным от зеркальца гальванометра (шлейфа). Гальванометр представляет собой петлю из тонкого провода с закрепленным на неё зеркальцем, помещенную в поле постоянного магнита (Рис. 1.17). При подаче напряжения на петлеобразный проводник 1, находящийся в поле постоянного магнита 2, поворачивается, что вызывает поворот зеркала 3 и отклонение отраженного светового луча на экране осциллографа и на фотобумаге лентопротяжного механизма. Перемещение световых пятен по поверхности, движущейся фотоленты, создает развертку процесса во времени.

Упрощенная оптическая схема осциллографа Н 117 приведена на рисунке 1.18 Ход лучей в канале регистрации и наблюдения показан сплошными линиями. Светящееся тело источника света 1 с помощью цилиндрического конденсатора 3 изображается в виде яркой полосы в плоскости зеркал гальванометров 10. От зеркал 10 световые пучки с помощью сферических линз 9 гальванометров и цилиндрического объектива 21 собираются в плоскости фотоленты 23. Часть световых пучков, идущих от зеркал 10, отражается цилиндрическим зеркалом 16 на зеркало 15 и от него на матовый экран 7. При повороте зеркала гальванометра световой пучок перемещается по экрану 7 и фотобумаге 23.

Рис. 1.17. Шлейф осциллографа

Рис. 1.18. Оптическая схема осциллографа Н117

Для получения отметок времени служит канал для нанесения отметок времени, ход лучей, в котором показан штриховой линией. Свет от источника 1 собирается цилиндрическим конденсатором 2 в плоскости зеркала 8, от которого он попадает через щели барабана 13 отметчика времени на зеркала. Отразившись от зеркала барабана 13, и снова пройдя через щели барабана, световой пучок направляется зеркалом 11 через диафрагму 17 на цилиндрический объектив, который собирает его на фотоленте 23 в виде яркой линии. Частота отметок времени определяется частотой вращения барабана 13 и составляет 0,002; 0,02; 0,2; 2 секунды.

Регистрирующая система осциллографа должна обладать достаточно высокими параметрами по чувствительности, стабильности работы и частотным характеристикам.

Так как пишущей частью шлейфных осциллографов является механическая система, обладающая определенной частотой собственных колебаний, то при регистрации давления необходимо выбирать шлейф, имеющий частоту собственных колебаний в несколько раз большую, чем характерная частота исследуемого процесса.

В катодном осциллографе запись процесса осуществляется электронным лучом, инерция которого настолько мала, что для интересующей нас области частот до 10⁶ Гц может быть принята равной нулю. Однако хранение и обработка данных, зарегистрированных электронно-лучевой трубкой весьма неудобно, что практически исключает применение катодных осциллографов при измерении давления.

В настоящее время в связи с интенсивным развитием быстродействующих персональных компьютеров, регистрация и обработка сигналов, снимаемых с датчиков давления, производится с помощью ПЭВМ. При этом непрерывный электрический сигнал (аналоговый сигнал) необходимо преобразовать в цифровой, чаще всего двоичный код. Для выполнения этой операции используются аналого-цифровые преобразователи.

1.3.2.2. Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство для автоматического преобразования непрерывно изменяющихся во времени аналоговых величин в эквивалентные значения числовых кодов. Количественная связь между аналоговой величиной A(t_i) и соответствующей ей цифровой величиной Nt_i, характеризующая алгоритм аналого-цифрового преобразования, имеет вид:

,

где DА – шаг квантования, т.е. аналоговый эквивалент единицы младшего разряда кода;

dNt_i – погрешность преобразования на данном шаге.

В зависимости от требований по скорости образования и точности цифровых кодов можно использовать тот или иной метод преобразования. В настоящее время используется несколько методов преобразования:

- преобразование с уравновешиванием следящего типа;

- преобразование с двойным интегрированием;

-преобразование с последовательным приближённым уравновешиванием;

- с преобразованием напряжения в частоту;

- с параллельным преобразованием.

Применение преобразователя следящего типа (рис. 1.19) на основе счётчика является наиболее простым и дешёвым решением. Счётчик этого типа управляет цифровым аналоговым преобразователем (ЦАП) от нулевого уровня.

Компаратор сравнивает уровень входного напряжения с уровнем выходного напряжения счётчика и определяет момент их совпадения. В это время вырабатывается сигнал остановки счёта, т.е. окончания преобразования. Состояние счётчика в качестве цифрового кода передаётся на выход. Основным недостатком этого типа преобразователя является низкая скорость преобразования вследствие необходимости последовательного заполнения счётчика для достижения требуемого напряжения.

Рис. 1.19. Схема следящего АЦП со ступенчато-нарастающим напряжением

При выборе того или иного метода преобразования и соответственно АЦП, реализующего этот метод, необходимо рассматривать и оценивать основные характеристики АЦП, которыми являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения. Точность определяется абсолютной погрешностью полной шкалы, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования, т.е. интервалом времени от момента заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе установившегося кода.

Кроме того, при выборе АЦП внимание следует обращать на диапазон преобразования, допустимую величину кванта напряжения, ошибки квантования и смещения.

Так, например, при исследовании движения снаряда по каналу ствола в доплеровском измерителе перемещений ДП 404 используется встроенный в компьютер АЦП, имеющий следующие характеристики:

- разрядность – 12;

- максимальная частота дискретизации – 20 МГц;

- количество синхронных каналов – 4;

- диапазон входных напряжений – +5 В.

Применение преобразователя с такими характеристиками позволяет исследовать процесс движения БП по каналу ствола в реальном времени до скоростей 2000 м/с.

Дата добавления: 2014-01-07