Измерение формы и спектра сигналов

Измерение параметров импульсных сигналов

В процессе прохождения импульсов через различные радиотехнические цепи и устройства, а также во время распространения радиоимпульсов между передающей и приемной антеннами форма импульсов изменяется (искажается).

Для определения качества импульсных устройств и параметров импульсно-модулированных сигналов нужно измерять высоту и длительность импульса, длительность фронта и среза, неравномерность вершины, значение выброса на вершине и в паузе, а в особо ответственных случаях – нелинейность и неэкспоненциальность фронта и среза. В периодической последовательности импульсов определяется их частота или период следования, а также скважность или коэффициент заполнения.

Импульсные напряжения, меньше 100 В, преимущественно измеряются при помощи осциллографов, которые позволяют определить не только высоту импульса, но и форму на всем его протяжении. При измерении импульсов тока их сначала превращают в импульсы напряжения. Для этого в цепь, по которой передают импульсы тока, включают вспомогательный резистор с небольшим сопротивлением, на котором измеряют падение напряжения.

Длительность импульсов, используемых в радиотехнике, различна, поэтому нужно измерять интервалы времени от единиц секунд до единиц наносекунд. Измерения выполняют в основном осциллографическим методом и методом дискретного счета. Осциллографический метод осуществляют при помощи калиброванных меток или сравнения с периодом развертки T_р, который известен. Способ калиброванных меток пригоден для импульсов любой формы при любой скважности.

Способ сравнения с известным периодом T_р применяют, если форма импульсов близка к прямоугольной, а скважность невелика: тогда на осциллограмме хорошо видны два соседних импульса (рис. 10.6 рис. 10.6). В этом случае по масштабной сетке измеряют расстояния и ; полученные данные позволяют вычислить длительность импульса по формуле:

Рис. 10.6. К определению длительности импульса

Частота повторения импульсов обычно колеблется от нескольких десятков герц до десятков и сотен мегагерц. Наиболее простым и удобным методом ее измерения является метод сравнения, который осуществляется при помощи осциллографа. На вход канала вертикального отклонения поднимается напряжение последовательности импульсов, частоту повторения которых следует измерить, а на вход канала горизонтального отклонения – напряжение от измерительного генератора соответствующей частоты. При этом генератор развертки осциллографа должен быть выключен. Частота генератора плавно повышается со стороны самой низкой частоты до тех пор, пока на экране не возникает устойчивое изображение одного импульса. Частота генератора при этом равна частоте повторения импульсов. Точность измерения определяется точностью градуировки частотной шкалы генератора. Последовательность наносекундных импульсов измеряют при помощи стробоскопического осциллографа. Частоту повторения импульсов можно измерять прямопоказывающими приборами: для грубых измерений конденсаторным частотомером, для точных – электронно-счетным частотомером.

Длительность интервала времени между двумя импульсами измеряется в основном осциллографическим методом и методом дискретного счета.

Осциллографический метод осуществляется чаще всего при помощи калиброванных меток или спиральной развертки. В первом случае на вход канала вертикального отклонения осциллографа подают импульсы, интервал между которыми нужно измерить. Частоту развертки устанавливают такой величины, чтобы на экране осциллографа были видны оба импульса. Затем включают калибратор длительности, вырабатывающий метки, длительность которых известна. По числу меток, расположенных между импульсами, определяют временной интервал между ними.

Погрешность измерений этим методом тем меньше, чем больше расстояние между импульсами на экране осциллографа, чем короче метки и чем точнее их калибровка. В специальных приборах для измерения интервалов времени способом калиброванных меток относительная погрешность составляет .

Сравнительно большие интервалы времени измеряют при помощи спиральной развертки. Последняя удлиняет траекторию луча на экране осциллографа в несколько десятков раз. Процесс измерения заключается в следующем.

При отсутствии сигнала электроннолучевая трубка заперта и развертка не работает. Первый импульс, определяющий начало отсчета интервала времени, запускает спиральную развертку и создает импульс подсветки, который поступает на модулятор, – трубка открывается. Второй импульс, соответствует концу измеряемого интервала, прекращает развертку и снимает подсветку – трубка закрывается. Длительности интервала времени определяется по числу витков спирали развертки на экране осциллографа. Длительность одного витка известна с большей точностью, так как генератор круговой развертки, из которой получается спиральная, обязательно стабилизирован кварцем. Например, при частоте кварцевого генератора, равной 100 кГц, длительность одного витка составляет 10 мкс, а если число витков 30, то интервал между импульсами составляет 300 мкс.

При необходимости измерения еще больших интервалов времени спиральная развертка выполняется с задержкой. Напряжение задержки вводится поле нескольких витков спирали и прекращает развертку на точно известный интервал времени, после которого развертка продолжается. Искомый интервал времени в этом случае определяется суммой длительностей видимых витков спирали и задержкой, значение которой считывается со шкалы ее переключателя. Для удобства измерения и для повышения ее точности в цепь второго анода электроннолучевой трубки вводится напряжение меток, вырабатываемое предназначенным для этой цели генератором. На спирали появляются небольшие зубцы, расстояние между которыми равно периоду напряжения меток. Например, если частота генератора равно 5 МГц, то интервал между метками составляет 0,2 мкс. Если измеряется временной интервал периодического процесса, наблюдения можно вести визуально. При измерении же временного интервала между одиночными импульсами необходимо осциллограмму фотографировать. Для этой цели измерители временных интервалов снабжаются фотоприставками. Механизм затвора фотоаппарата управляется электромеханическим устройством синхронно с запуском развертки. Для измерения интервалов времени применяют электроннолучевые трубки с длительным послесвечением.

Измерение интервалов времени методом дискретного счета принципиально не отличается от измерения периода. В течение измеряемого интервала селектор пропускает на электронно-счетное устройство импульсы от стабилизированного кварцем генератора. По числу прошедших импульсов и их длительности определяется искомый интервал. Точно также измеряется и длительность импульсов. Селектор открывается и закрывается короткими импульсами, соответствующими фронту и срезу измеряемого импульса. Точность измерения тем выше, чем больше длительность интервала и чем выше скорость счета. В современных измерителях больших интервалов времени погрешность составляет .

Контрольные вопросы

1. Опишите структурные схемы анализаторов гармоник.
2. Опишите структурные схемы анализатора спектра.
3. Расскажите про измерение нелинейных искажений.