Осциллограф
Если спросить профессионального регулировщика электронной аппаратуры или радиоинженера: «Какой самый главный прибор на вашем рабочем месте?» Ответ будет однозначным: «Конечно, осциллограф!». И это действительно так.
Конечно, невозможно обойтись без мультиметра. Измерить напряжение в контрольных точках схемы, замерить сопротивление и ток, «прозвонить» диод или проверить транзистор все это важно и нужно.
Но когда речь заходит о регулировке и настройке любого электронного устройства от простого телевизора до многоканального передатчика орбитальной станции, то без осциллографа обойтись невозможно.
Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, измерить время нарастания импульса, а в цифровой аппаратуре это очень важный параметр.
Осциллограф – это своего рода телевизор, который показывает электрические сигналы.
Как работает осциллограф?
Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим блок-схему усреднённого прибора. Практически все осциллографы устроены именно так.
На схеме не показаны только два блока питания: высоковольтный источник, который используется для вырабатывания высокого напряжения поступающего на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) и низковольтный, обеспечивающий работу всех узлов прибора. И отсутствует встроенный калибратор, который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.
Исследуемый сигнал подаётся на вход «Y» канала вертикального отклонения и попадает на аттенюатор, который представляет собой многопозиционный переключатель, регулирующий чувствительность. Его шкала отградуирована в V/см или V/дел. Имеется в виду одно деление координатной сетки нанесённой на экран ЭЛТ. Там же нанесены сами величины: 0,1 В,10 В, 100 В. Если амплитуда исследуемого сигнала неизвестна, мы устанавливаем минимальную чувствительность, например 100 вольт на деление. Тогда даже сигнал амплитудой 300 вольт не выведет прибор из строя.
В комплект любого осциллографа входят делители 1 : 10 и 1 : 100 они представляют собой цилиндрические или прямоугольные насадки с разъёмами с двух сторон. Выполняют те же функции, что и аттенюатор. Кроме того при работе с короткими импульсами они компенсируют ёмкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешний делитель от осциллографа С1-94. Как видим, коэффициент деления его составляет 1 : 10.
Благодаря внешнему делителю удаётся расширить возможности прибора, так как при его использовании становится возможным исследование электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.
С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель. Здесь он разветвляется и поступает на линию задержки и на переключатель синхронизации. Линия задержки предназначена для компенсации времени срабатывания генератора развёртки с поступлением исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения. Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на пластины «Y» и обеспечивает отклонение луча по вертикали.
Генератор развёртки формирует пилообразное напряжение, которое подаётся на усилитель горизонтального отклонения и на пластины «X» ЭЛТ и обеспечивает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный как время на деление («Время/дел»), и шкалу времени развёртки в секундах (s), миллисекундах (ms) и микросекундах (μs).
Устройство синхронизации обеспечивает начало запуска генератора развёртки одновременно с возникновением сигнала в начальной точке экрана. В результате на экране осциллографа мы видим изображение импульса развёрнутое во времени. Переключатель синхронизации имеет следующие положения:
- Синхронизация от исследуемого сигнала.
- Синхронизация от сети.
- Синхронизация от внешнего источника.
Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.
Осциллограф С1-94.
Кроме сложных и дорогих моделей осциллографов, которые используются при разработке электронной аппаратуры, нашей промышленностью был налажен выпуск малогабаритного осциллографа C1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он хорошо зарекомендовал себя в работе и обладает всеми функциями дорогого и серьёзного прибора.
В отличие от своих более «навороченных» собратьев, осциллограф С1-94 обладает достаточно небольшими размерами, а также прост в использовании. Рассмотрим его органы управления. Вот лицевая панель осциллографа С1-94.
Справа от экрана сверху вниз.
- Ручка: «Фокус».
- Ручка «Яркость». Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.
- Кнопка «Сеть». Кнопка включения прибора.
- Кнопка установки времени развёртки. Грубое переключение коэффициентов развёртки. Можно установить миллисекунды (ms) и микросекунды (μs). Напомним, что 1 ms = 1000 μs. Подробнее о сокращённой записи численных величин.
- Кнопка режима «Ждущ-Авт».
Это кнопка выбора ждущего и автоматического режима развёртки. При работе в ждущем режиме запуск и синхронизация развёртки производится исследуемым сигналом. При автоматическом режиме запуск развёртки происходит без сигнала. Для исследования сигнала чаще используется ждущий режим запуска развёртки.
Клемма «корпус» служит для заземления корпуса прибора. Это делается в целях безопасности. В условиях домашней мастерской порой нет возможности заземлить корпус прибора. Поэтому приходится работать без заземления. При этом важно помнить, что во включенном состоянии на корпусе осциллографа может быть потенциал напряжения. При касании корпуса может «дёрнуть». Особенно опасно дотрагиваться одной рукой до корпуса осциллографа, а другой рукой до батарей отопления или других работающих электроприборов. В таком случае опасный потенциал с корпуса пройдёт через ваше тело («рука» — «рука») и вы получите электрический удар! Поэтому при работе осциллографа без заземления желательно не дотрагиваться до металлических частей корпуса. Это правило справедливо и для прочих электроприборов с металлическим корпусом.
Также на панели осциллографа имеются:
- Ручка «Перемещение луча по горизонтали». Она служит для корректировки положения луча в горизонтальном направлении. Если покрутить данную ручку, то изображение развёртки будет смешатся либо вправо, либо влево.
- Также есть и ручка «Перемещение луча по вертикали». С помощью её можно отрегулировать положение развёртки на экране по вертикали. Ручки «Перемещение луча по горизонтали» и «Перемещение луча по вертикали» служат исключительно для настройки комфортного отображения осциллограммы сигнала на экране. Они никак не влияют на настройку работы самого осциллографа.
- А вот ручка «Уровень синхронизации» необходима для того, чтобы «остановить» осциллограмму сигнала на экране.
Поворотом этой ручки добиваются того, чтобы изображение сигнала «застыло», а не «убегало». Иногда, чтобы поймать изображение с помощью ручки «Уровень» приходится изменить время развёртки переключателем Время/дел.
В настоящее время, с развитием цифровой техники, стали широко внедряться цифровые осциллографы. По сути это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.
Аналоговая аппаратура всегда была надежной и удобной в работе. Кроме того она легко ремонтировалась. Цифровой осциллограф стоит на порядок дороже и очень сложен в ремонте. Плюсов конечно много. Если аналоговый сигнал с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) перевести в цифровую форму, то с ним можно делать всё что угодно. Его можно записать в память и в любой момент вывести на экран для сравнения с другим сигналом, складывать в фазе и противофазе с другими сигналами. Конечно, аналоговая техника это хорошо, но за цифровой электроникой будущее.
Аналоговые измерительные устройства
Рассмотрим устройство и работу универсального осциллографа. Структурная схема универсального осциллографа показана на рис. 8.15.
Исследуемый сигнал, поступая на вход канала Y , усиливается и подается на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
Дл я изменения калиброванного коэффициента отклонения на входе канала Y установлен входной делитель – аттенюатор (АТ). При переключении аттенюатора калибро ванный коэффициент усиления изменяется при неизменном сопротивлении входа осциллографа. В предвари тельном усилителе напряжения канала Y предусмотрена плавная регулировка усиления и перемещения изображения по вертикали. Входной каскад усилителя совместно с аттенюатором обеспечивает большое входное сопротивление, малую входную емкость и способность пропускать все частоты входного сигнала. Для получения на экране осциллографа полного и устойчивого изображения процесса, в канале Y имеется линия задержки, которая задерживает входной сигнал на время задержки работы генератора ждущей развертки. При изучении входных сигналов с большой постоянной составляющей вход осциллографа можно сделать закрытым. Разделительный конденсатор включается переключателем SA 1.
На горизонтально отклоняющие пластины трубки поступает вырабатываемое генератором развертки пилообразное напряже ние, усиленное усилителем горизонтального отклонения луча (УГО). Регулирование усиления этого усилителя позволяет изменять масштаб изображения по горизонтали и калибровать коэффициент развертки. В зависимости от характера исследуемых сигналов генератор развертки может работать в непрерывном и ждущем режимах (положение Ж и Н переключателя SA 4). Чтобы изображение на экране осциллографа было неподвижным и стабильным, необходима синхронизация генератора развертки исследуемым процессом. Для этого на генератор развертки подают короткие синхронизирующие импульсы, сформированные из исследуемого сигнала в устройстве синхронизации и запуска развертки (положение 1 SA 2). Синхронизацию непрерывной и ждущей разверток можно осуществлять от внешних источни ков сигнала (положение 2 SA 2). Для получения изображения функциональной зависимости двух величин, генератор развертки (ГР) отключается от усилителя горизонтального отклонения и на вход канала Х подается внешний сигнал (положение 2 SA 5). У стройство управления лучом по яркости (УУЯ) (вход Z ), позволяет резко увеличить яркость луча при прямом ходе развертки и исключить возможность прожога экрана трубки во время отсутствия сигнала на входе осциллографа. С целью улучшения метрологических характери стик осциллографа в него вводятся калибраторы амплитуды и длительности. Калибратор амплитуды представляет собой источник сигнала с известной амплитудой. Этот сигнал подается на вход осциллографа (положение 2 SA 3) или на пластины трубки и позволяет отградуировать в единицах напряжения канал Y осциллографа.
Калибратор меток времени представляет собой стабильный генератор электрических колебаний. Его сигнал подается на усилитель канала вертикального отклонения. Период повторения этого сигнала используется в качестве калибровочных интервалов времени; функции калибраторов могут быть совмещены в одном генераторе.
Линия задержки — устройство, виды, назначение, принцип работы
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про линия задержки, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое линия задержки , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база. В различных импульсных устройствах часто необходима задержка импульсов во времени. Электрические линии задержки, состоящие из звеньев LC, применяются для задержки импульсов на время от сотых долей до десятков микросекунд. Задержка импульсов основана на конечном времени распространения электромагнитной энергии вдоль линии и обусловлена переходными процессами в ее элементах. линия задержки — устройство, предназначенное для задержки электромагнитных сигналов на определенный промежуток времени (фиксированный, переключаемый или с плавной регулировкой). Линии задержки (далее ЛЗ) широко применяются в разных областях радиоэлектронных технологий — в радиолокации и радионавигации,измерительной технике, вычислительной технике и автоматике, электроакустике (ревербераторы), технике связи, в научных исследованиях. Линии задержки могут быть реализованы различными способами, включая использование коаксиальных кабелей, волноводов или специальных интегральных схем.
Классификация
- линии задержки для задержки электрических сигналов
- Аналоговые линии задержки
- линии задержки на линиях с распределенными параметрами (кабельные, волноводные)
- Искусственные линии задержки (цепи с сосредоточенными параметрами)
- линии задержки с преобразованием электрических сигналов в сигналы другой физической природы (ультразвуковое, оптическое излучение) и обратно
- Аппаратно реализованные цифровые линии задержки
- Программно реализованные линии задержки
- Акустооптические линии задержки с прямым детектированием
- Акустооптические линии задержки гетеродинного типа
линии задержки подразделяются также на широкополосные (как правило, с нижней частотой 0 Гц) и узкополосные (для задержки сверхвысокочастотного или оптического сигнала). СВЧ и оптические линии бывают дисперсионными (волновая скорость зависит от частоты) и бездисперсионными.
линии задержки с распределенными параметрами
Телевизионная линия задержки
Наиболее простой способ реализации задержки электрического сигнала — использование в качестве задерживающей среды линий передачи определенной длины, так как скорость распространения сигнала в линиях конечна и относительно стабильна, сигнал при прохождении через линию задерживается на время пропорциональное ее длине. В качестве линии могут использоваться радиочастотные кабели, полосковые и микрополосковые линии, а также волноводы, преимущественно ферритовые (с использованием магнитостатических волн), линия обязательно должна иметь хорошо согласованную нагрузку на выходе, для предотвращения искажения сигнала. Исторически наибольшее распространение приобрели кабельные ЛЗ — на коаксиальных кабелях (используются в основном в качестве калибраторов задержки) и спиральных кабелях (используются в осциллографах для задержки сигнала относительно начала развертки и в других целях). Кабельные ЛЗ просты в устройстве, надежны, имеют малую дисперсию, широкополосны (от нуля до сотен мегагерц), недостатком является малая задержка (доли микросекунды, реже единицы микросекунд).
- Встраиваемые бескорпусные ЛЗ в виде бухты кабеля с выводами под распайку или с коаксиальнными разъемами;
- Встраиваемые ЛЗ на полосковых или ферритовых волноводах в виде микромодуля или микросхемы;
- ЛЗ как самостоятельные устройства (калибраторы), имеют корпус с разъемами, могут содержать одну, две или несколько ЛЗ, а также, дополнительные элементы — аттенюатор, ферритовый вентиль, элементы коммутации коаксиальных трактов.
Искусственные линии задержки
Искусственная ЛЗ представляет собой последовательность звеньев, имитирующих реальную линию. В качестве звеньев могут быть использованы LC-цепочки из конденсаторов, индуктивных элементов или, в некоторых случаях (в СВЧ-технике), резонаторы с распределенными параметрами. Искусственные ЛЗ применяются для временно́й расстановки импульсов в устройствах радиолокации, радионавигации, для задержки СВЧ сигналов и в других целях, выполнены чаще всего в виде модулей с множеством отводов, что позволяет получить разные значения задержки, существуют также ЛЗ с регулируемой задержкой. Искусственные ЛЗ позволяют получить большие значения задержки чем естественные линии на кабелях и волноводах, однако неудобны тем, что имеют малый рабочий диапазон, поэтому постепенно заменяются цифровыми ЛЗ — в импульсной технике и акустическими — в СВЧ-технике.
ПРИМЕР: ЛЗТ-4,0-1200.
Если линия нагружена на волновое сопротивление ρ, в ней не возникает отражений. Если линия разомкнута, от ее конца отражается импульс напряжения без изменения полярности. Если линия замкнута на конце накоротко, от ее конца отражается импульс напряжения противоположной полярности.
Рис. 157. Искусственные линии задержки;
а — однородная с распределенными параметрами, б — неоднородная с сосредоточенными параметрами
Различают однородные линии с равномерно распределенными параметрами (емкостью и индуктивностью) и неоднородные (многоячеечные) линии с сосредоточенными параметрами.
Однородные линии выполняют в виде спирали, намотанной на гибкий диэлектрический стержень (рис. 157,а). Спираль покрывают слоем диэлектрика и заключают в медную оплетку, защищаемую пластмассовым чехлом. Емкость создается спиралью относительно оплетки, а индуктивность — витками спирали. Волновое сопротивление однородной линии ρ=√L/C невелико (до 1,5 кОм) и может быть увеличено путем расширения диаметра спирали.
Задержка линии на единицу длины
где L — погонная индуктивность, мкГ/см; С —погонная емкость, мкФ/см.
В однородных линиях существенна нежелательная межвитковая емкость, шунтирующая индуктивность ячейки, что вызывает искажение формы импульса на выходе линии. Для увеличения погонной индуктивности спираль наматывают на гибкий ферромагнитный стержень с высокой магнитной проницаемостью μ. При этом в √μ раз увеличиваются задержка и волновое сопротивление.
Плавную регулировку задержки импульса в однородной линии можно осуществить путем перемещения скользящего контакта вдоль витков спирали. Обычно однородные линии задержки применяют для получения небольшой (до 1 мкс) задержки. Однородные линии задержки выпускаются также и в виде специального кабеля задержки, по виду напоминающего обычный коаксиальный. Например, радиокабель задержки РКЗ-401 имеет ρ≈400 Ом и tз ≈0,6 мкс/м. Для получения задержки импульсов на время от сотых долей до десятков микросекунд используют неоднородные линии (рис. 157,б), включающие большое количество последовательно соединенных ячеек (звеньев). Каждая ячейка состоит из сосредоточенных элементов (катушки индуктивности и конденсатора).
Волновое сопротивление неоднородной линии определяется так же, как и однородной. Время задержки импульса линией из п ячеек
Линия должна быть нагружена на резистор Rи с сопротивлением, равным волновому. Чтобы обеспечить неискаженное пропускание импульса длительностью tи с задержкой tз частотная характеристика линии должна быть равномерной в области частот до
Параметры элементов ячеек приближенно рассчитывают по заданным tи, tз и Rи :
Пример. Рассчитать линию для задержки импульсов длительностью 0,5 мкс на время 1,5 мкс при сопротивлении нагрузки Rи= 100 Ом.
L = 0,1 tиRи =0,1∗0,5∗ 10-6∗1000 = 5∗10-6 Г = 5 мкГ.
С= 0,1∗tи/Rн= 0,1∗0,5∗10-6/100 = 5∗10-10 Ф = 500 пФ,
Более длительная задержка (до нескольких миллисекунд) осуществляется с помощью ультразвуковых линий задержки.
Ультразвуковые линии задержки
Ультразвуковая ЛЗ на плате телевизора
Принцип работы ультразвуковых ЛЗ состоит в том, что электрический сигнал с помощью электромеханического преобразователя преобразуется в механические колебания, которые затем распространяются и виде упругих волн по определенному направлению через звукопровод и далее снова преобразуются в электрический сигнал. Время задержки выходного сигнала относительно входного определяется акустическими параметрами среды звукопровода, его размерами и конфигурацией и типом волн. Акустические волны, используемые в ЛЗ могут быть разных видов и типов — поверхностные и объемные, поперечные (волны сдвига), продольные (волны сжатия), крутильные. По типу используемого звукопровода ЛЗ подразделяются на волноводные (ленточные и проволочные) и, более простые в изготовлении, ЛЗ с многократными отражениями (с прямым ходом луча, свернутые, многоугольные, клиновидные). В качестве электромеханических преобразователей применяются, обычно, пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи. Для задержки СВЧ сигналов возникает необходимость транспортировать спектр входного сигнала в более низкочастотную область, для нормальной работы акустической части, а затем восстановить сигнал, в этом случае на входе и на выходе устанавливаютсяпреобразователи частоты, так как оба преобразователя работают с одним высокостабильным гетеродином, на практике можно считать, что спектр выходного сигнала идентичен спектру входного.
Ультразвуковые ЛЗ имеют задержку от долей миллисекунды до десятков миллисекунд и используются для задержки сигнала цветности в телевизионных приемниках, в качестве мер временного интервала в измерительной технике, в качестве калибраторов расстояния (высоты) длярадиолокационных и радионавигационных устройств, в качестве запоминающих устройств в вычислительной и радиолокационной технике, в других целях.
ПРИМЕРЫ: ЛЗА-511-10, УЛ3-64-5, DL872
УЛЗ — электромеханическое устройство, состоящее из стеклянного (металлического) звукопровода, пройдя через который электрический сигнал сдвигается по отношению к исходному на время прохождения волны по звукопроводу.
В бытовой РЭА ультразвуковые линии задержки (УЛЗ) используют для задержки сигнала цветности в телевизионных приемниках
Ультразвуковые линии задержки (УЛЗ) предназначены для задержки электрических сигналов на время от долей микросекунд до десятков миллисекунд. Их действие основано на использовании упругих волн. Задержка в УЛЗ обусловлена относительно малой скоростью распространения упругих волн в звукопроводе (примерно в 105 раз меньше скорости распространения электромагнитных волн). УЛЗ состоят из трех основных элементов (рис. 1, a): входного 1 и выходного 2 электроакустических преобразователей, превращающих соответственно электрические колебания в упругие на входе УЛЗ и упругие колебания в электрические — на выходе, и звукопровода 3, в котором распространяются упругие волны.
Схемы включения ультразвуковых линий задержки, работающих «на проход» (a) и «на отражение» (b)
Рис. 1
1 и 2 — преобразователи;
В зависимости от характера включения УЛЗ могут работать “на проход” (рис. 1, а) или “на отражение” (рис. 1, b), причем во втором случае один и тот же преобразователь выполняет функции как излучателя, так и приемника ультразвука (УЗ).
Для электромеханического преобразования сигнала в УЛЗ используют в основном пьезоэлектрические, реже магнитострикционные преобразователи (см. описания ФЭ “Прямой (обратный) пьезоэффект”, “Магнитострикция”). Звукопроводом в УЛЗ служит твердая среда, в которой упругие волны распространяются с относительно малыми потерями (см. описания ФЭ “Поглощение звука”, “Рассеяние звука”).
К основным параметрам УЛЗ относятся:
1) время задержки Т, определяемое длиной пути L, проходимого упругими волнами в звукопроводе от входного преобразователя до выходного, и скоростью распространения УЗ c, т.е. T =L/c;
2) рабочая частота f0, приблизительно равная резонансной частоте преобразователей, причем частота задерживаемого радиосигнала должна совпадать с f0, а в случае задержки видеосигнала его надо сначала преобразовать в радиосигнал с частотой заполнения f0, а затем выделить огибающую (продетектировать);
3) полоса пропускания Df, определяемая добротностью преобразователей и частотной характеристикой потерь в звукопроводе;
4) уровень ложных сигналов — отношение амплитуды наибольшего из ложных сигналов к амплитуде задержанного сигнала;
5) температурный коэффициент задержки, определяемый зависимостью скорости распространения упругих волн в звукопроводе от температуры.
В УЛЗ на объемных волнах акустическая энергия локализуется по всему сечению звукопровода, размеры которого существенно превышают длину волны. Звукопроводы для таких УЛЗ изготавливаются из плавленого кварца, магниевого сплава, специального стекла, монокристаллов кварца и солей NaCl, KCl и др. Увеличение времени задержки в пределах заданного размера звукопровода достигается за счет многократных отражений УЗ-вого пучка от границ звукопровод-воздух на пути от входа до выхода УЛЗ (рис. 2).
Направления распространения УЗ-вого пучка в УЗЛ с звукопроводами различной формы: a — многоугольной; b — прямоугольной с малыми углами отражения; c — прямоугольной с углами отражения 450; d — «двухэтажной»
Рис. 2
Цифровые линии задержки
Цифровая линия задержки представляет собой цифровое устройство, предназначенное для задержки цифровых сигналов во времени на заданное число тактов. Время задержки в таких линиях либо фиксированное, либо может программироваться извне. Одна линия может обладать несколькими «отводами» позволяющими получить ряд сигналов, каждый из которых будет обладать своим временным смещением на заданное число тактов синхронизации.
Цифровая линия задержки – это устройство, предназначенное для сдвига сигналов во времени. Различают регулируемые и постоянные линии задержки.
Регулируемыми называют такие линии задержки, время задержки сигнала в которых можно изменять. Постоянными – в которых время задержки сигнала неизменно.
Рассмотрим схему регулируемой линии задержки (рис. 18.3).
Цифровая линия задержки – это устройство, предназначенное для сдвига сигналов во времени. Различают регулируемые и постоянные линии задержки.
Регулируемыми называют такие линии задержки, время задержки сигнала в которых можно изменять. Постоянными – в которых время задержки сигнала неизменно.
Рассмотрим схему регулируемой линии задержки (рис. 18.3).
– задерживает СИ на время необходимое для срабатывания счетчика. Чтобы время задержки не изменялось при изменении числа разрядов счетчика Ст2, необходимо приманять синхронные счетчики;
– компенсирует задержку вносимую мультиплексором MS;
– вносит задержку в работу D – триггера;
D – триггер нужен для того, чтобы считывать информацию с ОЗУ (RAM) в момент, когда выход его активен;
СНУ – схема начальной установки (в момент включения питания формирует один импульс);
ФК – формирователь кода;
Ст1 – двоичный счетчик “чтения”;
Ст2 – двоичный счетчик “записи”;
DC – дешифратор срабатывающий, когда на его входах будут все “0”;
RAM – оперативное запоминающее устройство;
Гси – генератор синхроимпульсов.
Величина задержки определяется разницей адресов ячеек RAM, в которую
производится запись и чтение. Эти два адреса формируются двоичными счетчиками “чтения” (Ст1) и “записи” (Ст2) и подаются попеременно мультиплексором на адресные входы RAM. Генератор синхроимпульсов (Гси) обеспечивает синхронизацию в схеме, а так же определенные командные сигналы. Для обеспечения разных по величине задержек, в схеме предусмотрен формирователь кода (ФК), который обеспечивает заданную дискретность
перестройки задержки. Схема начальной установки (СНУ) служит для обнуления счетчиков Ст1 и Ст2, после подачи питания на схему. Линии задержек 1,2 ,3 служат для задержки сигналов на небольшое время, когда это необходимо. До тех пор, пока счетчик “чтения” (Ст1) не перебрал все адреса ячеек памяти до той, в которой была проведена первая запись, на
выходе схемы будет сформирован уровень “0”. Когда этот счетчик дойдет до той ячейки памяти, в которую была проведена первая запись, на выходе схемы начнет формироваться выходной импульс.
Применение Цифровая линия задержки
Цифровые линии задержки предназначены для фазового выравнивания цифровых сигналов, могут быть использованы в целях цифровой обработки сигналов при построении цифровых фильтров и т. п. Цифровые линии задержки могут применяться, также для замены традиционных гибридных линий задержки.
Цифровая линия задержки может применяться в ряде устройств цифровой обработки сигнала. Например, на основе линии задержки может быть построен цифровой фильтр.
Оптические линии задержки
В оптических ЛЗ свет задерживается в процессе прохождения через оптическую среду с низкой скоростью распространения сигнала, то есть с высоким показателем преломления. Наиболее распространенными являются волоконно-оптические ЛЗ (аналогично кабельным — для радиодиапазона, существуют также ЛЗ в виде набора плоскопараллельных пластин из кварцевого стекла (эшелоны Майкельсона), на базе дифракционных решеток и призм, а также призменно-линзовые. Для получения возможности использования оптической задержки в интегральгых микросхемах специалисты IBM разработали модель принципиально новой ЛЗ , состоящей из множества последовательных «микрокольцевых резонаторов», то есть, своего рода, искусственную линию.
Многоканальная волоконно-оптическая линия задержки МЛЗ-5-FC/APC
Погрешность задержки оптического сигнала, нс: ± 2,5
Полоса частот, не менее, МГц: 0-8000¹
Неравномерность коэффициента передачи модулирующего сигнала в полосе частот, не более, дБ: 1
Количество каналов: 5
Время задержки оптического сигнала, мкс:
1 канал: 1,68
2 канал: 3,38
3 канал: 6,79
4 канал: 13,62
5 канал: 27,27
Затухание мощности оптического сигнала в оптическом канале, не более, дБ: 1,5
Габаритные размеры: 293х224х74
Диапазон температур при эксплуатации, ºС: от 10 до 35ВОЛЗ (волоконно-оптические линии задержки) отличаются высокой стабильностью времени задержки, широкой полосой пропускания и
могут найти применение в различных устройствах , эксплуатируемых в жестких условиях эксплуатации. Линии задержки , сохраняющие свои параметры
даже в сложных условиях эксплуатации , необходимыдл я применения :
— в контрольно-измерительной аппаратуре,
— для уменьшения «мертвой» зоны области измерения;
— в аппаратуре связи ,для временного уплотнения передаваемой информации;
— в аппаратуре радиоэлектронной борьбы, для формирования сигналов ложной цели
Номинальное значение задержки сигнала или диапазон устанавливаемых значений
Основные нормируемые характеристики
- Допустимое отклонение фактического значения задержки от номинального или установленного
- Рабочий диапазон частот (диапазон длин волн для оптических ЛЗ)
- Допустимое ослабление сигнала
- Параметры, определяющие допустимое искажение формы или спектра сигнала в рабочем диапазоне час
Практическое применение цифровых линий задержки
Цифровые линии задержки применяются во всех случаях, когда, кроме основной системы, используются дополнительные акустические системы, распределенные по залу. Необходимость их применения хорошо иллюстрирует рисунок 1.
На этом рисунке видно, что каждый из трех громкоговорителей находится на разном расстоянии от точки прослушивания и звук от них не может приходить в эту точку одновременно. Из-за разницы во времени прихода звукового сигнала от громкоговорителей в точке прослушивания звук становится неразборчивым. Используя цифровые линии задержки, можно компенсировать эту разницу, выровнять расхождения во времени прихода звука от громкоговорителей и тем самым обеспечить чистоту и разборчивость звука.
В театральных залах и залах многоцелевого назначения, имеющих балкон, устанавливаются дополнительные акустические системы над балконом и в подбалконной части зала (рис. 2). Так как звук от основных акустических систем центральной группы не может адекватно проникать в эти части зала, то целью установки над- и подбалконных систем является создание равномерного звукового поля в этих зонах. Они позволяют заполнить отсутствующие средние и высокочастотные составляющие в спектре звукового сигнала, приходящего от основной системы. Так как основные и дополнительные акустические системы находятся на разном расстоянии от слушателя, необходимо применение цифровых линий задержки в тракте усиления дополнительных акустических систем. Подбалконные акустические системы находятся в другом акустическом окружении по отношению к основным, поэтому в тракт их усиления, кроме цифровых линий задержки, необходимо включить отдельный эквалайзер. Величина задержки рассчитывается как разница прихода во времени звукового сигнала от основной системы и системы расположенной над головой слушателя плюс 15 — 20 мсек. Таким образом, время задержки звукового сигнала в миллисекундах в точке 1 (см. рис. 2) составит (А-В) х 2,9 + 15. Эти расчеты должны быть выполнены для переднего и заднего сектора зоны перекрытия. При настройке подбалконной системы задержку следует откорректировать и оптимизировать в пределах верхнего и нижнего теоретического уровня, пока не будет найдено оптимальное значение. Уровень усиления должен быть таким, чтобы не нарушалась локализация источника звука, а небольшой подъем в области верхних частот позволит создать еще большую иллюзию натурального звукового баланса.
Система озвучания балкона настраивается таким же образом.
В большинстве случаев в театрах и залах многоцелевого назначения центральный кластер находится высоко над сценой, и звук от него приходит в зал с задержкой по отношению к прямому звуку. При задержке звука центрального кластера относительно прямого локализация может быть поддержана установкой дополнительных акустических систем в местах, где имеется недостаточное перекрытие звуком от основной системы — спереди и по бокам сцены.
В театральных залах цифровая линия задержки может использоваться в системе, предназначенной для воспроизведения спецэффектов (гром с раскатами, надвигающийся со сцены, рев двигателей пролетающего самолета, лай бегущей собаки и т.п.).
При проектировании звуковых систем для конференц-зала применяют центральную или портальную системы с дополнительными громкоговорителями или без них. В этом случае появляется разница между звуковым уровнем передней и задней зон помещения. Если в аудитории пол без наклона и низкий потолок, предпочтительно использовать подвесные потолочные системы для лучшего покрытия звуковым полем зоны аудитории. Путем правильной установки подвесных колонок может быть достигнут тот же ровный охват звуковым полем всей аудитории, что и при применении центральных или портальных систем. Применять или не применять цифровые линии задержки — в этом случае очень сильно зависит от отделочных материалов помещения и его акустики. Например, если в комнате абсорбирующий акустический подвесной потолок и покрытый ковром пол, то звук очень быстро поглощается. Слушатели, находящиеся в центре и по бокам, будут слышать звук только от ближайшего динамика. В этом случае применение задержки не сильно повлияет на разборчивость речи. Но если помещение имеет пол или потолок из твердого материала, который хорошо отражает звук, то голос оратора будет слышан с некоторой протяженностью. В этом случае система с применением задержки может быть использована для усиления звука и его синхронизации по времени.
На рисунке 3 изображен типичный маленький конференц-зал. Расстояние от сцены до конца зала около 20 метров, высота около 5 метров. 7 рядов динамиков используются для покрытия звуковым полем всей комнаты.
Когда вы имеете дело с таким типом системы, нужно помнить, что «высота» ушей — это не высота потолка, что очень важно. Обычно уши сидящего человека находятся на высоте около 1,2 м от пола, следовательно, расстояние от ушей до потолочного динамика в нашем примере составит 3,8 м, и звук от него достигнет ушей через 11 мсек.(3,8 х 2,9 = 11). В передних рядах слушатели будут слышать прямой натуральный звук, а до заднего ряда звук дойдет через 58 мсек (2,9 х 20) Если не использовать систему задержки, то в заднем ряду звук из верхнего динамика будет слышан на 47 мсек раньше, чем из центральной системы. Это за «правилом 30 мсек», а значит, и будут потери в разборчивости. Очевидно, систему можно улучшить, введя в нее цифровые линии задержки. Задержав сигнал на 47 мсек, мы полностью синхронизируем время прибытия сигнала, но для того, чтобы полностью улучшить эффект локализации, мы должны добавить 15 мсек. Правильной будет задержка в 62 мсек. Но если мы будем использовать только одну линию задержки, то возникнут проблемы в передних рядах помещения. Там услышат звук через 6 мсек со сцены и через 73 мсек из динамиков над головой — возникнет эхо. Без задержки слушатель из переднего ряда услышит прямой звук через 6 мсек, и через 11 мсек из динамиков — локализация не дала эффекта. Та же проблема со слушателями, сидящими еще дальше, но если есть задержка в 62 мсек, то прямой звук дойдет через 18 мсек, а сверху через 73 мсек — разница 55 мсек, мы опять не попадаем в «зону 30 мсек». В центре зала (10 м) разница с задержкой будет 44 мсек. Поэтому возникает необходимость введения второй линии задержки. Но фактически нужно поставить 3 линии задержки — для получения максимальной локализации и разборчивости. Также необходим всего один эквалайзер для всей системы. Проектируя такую систему, для успешного применения задержек нужно помнить о перекрытии двух зон с разной задержкой. Для избавления от этих проблем разница во времени задержки в соседних зонах не должна превышать 30 мсек.
В инсталляциях, описанных выше, колонки центральной акустической системы могут быть установлены на платформу, или пара направленных колонок может устанавливаться по сторонам платформы для обеспечения сильного направленного звука. В зависимости от ситуации и геометрии помещения, можно использовать небольшую задержку, чтобы быть уверенным, что звук со сцены дойдет до слушателя первым. Лучше разместить центральные динамики под потолком, задержка будет выглядеть более натурально, будет хорошо выдержано чувство направления. (Наш слух хуже определяет направление по вертикали, чем по горизонтали.) В акустически «бедных» комнатах одиночный источник звука создаст меньше нежелательной отраженной энергии, чем две широко расставленные акустические системы.
В некоторых инсталляциях не всегда возможно крепить динамики к потолку — или потолок очень высокий, или этого нельзя делать по архитектурным причинам. В таком случае колонки могут быть установлены на стенах ниже потолка по периметру помещения. Расчет задержек производится так же, как и для потолочных систем, хотя увеличивается расстояние между каждым динамиком. Зоны перекрытия помещения звуковым полем должны быть спланированы очень тщательно. Динамики должны быть направлены вниз так, чтобы была хорошая зона перекрытия от каждого динамика и эти зоны не пересекались.
Альтернативой множеству распределенных низкоуровневых динамиков является применение основной группы линейных динамиков или собранный массив горнов, работающих по длине здания, зоны или зала. В большинстве случаев невозможно обеспечить полное покрытие помещения звуковым полем без дополнительных повторяющихся групп. Для обеспечения хорошей разборчивости вторичные динамики должны быть синхронизированы и выровнены относительно друг друга для поддержания достаточной зоны охвата. Применив задержку для вторичных динамиков и синхронизировав их с основной группой, можно получить значительные улучшения в чистоте и разборчивости речи.
Аналогичны в использовании системы задержки звука для открытых пространств. В них используются те же принципы: сцена с центральной группой и повторяющие динамики, находящиеся на определенном расстоянии от сцены; в их усилительный тракт включены линии задержки.
Когда приходится работать с большими расстояниями, а соответственно и большими задержками, приходится учитывать влияние внешних атмосферных явлений, например влажность, температура, скорость ветра. Температура и направление ветра могут значительно влиять на передачу звука, изменяя звуковой путь и влияя на время задержки. Избыточное поглощение звука на определенных частотах может также произойти при его передаче на большие расстояния и должно корректироваться с использованием графического эквалайзера. Высокие частоты могут затухать из-за избыточного воздушного поглощения, а близость расположения акустических систем с землей может повлиять на передачу звука в области нижней середины и низких частот.
Наиболее привычной конфигурацией звукотехнического комплекса для открытых пространств(например, стадионов) является та, где центральная группа громкоговорителей используется для покрытия звуковым полем основного стадиона и мест зрителей, тогда как локальная система используется для покрытия звуковым полем верхних рядов. Если эти зоны связаны с основной ареной, то потребуется существенная задержка для компенсации разницы звука. Количество требуемых линий задержки будет зависеть от конструкции самого стадиона, отношения длины к ширине и положению центральной группы. Например, если стадион имеет квадратную форму, то потребуется одна или две линии задержки. Тем не менее, если стадион прямоугольной формы и есть большая разница между длиной и шириной, потребуются свои параметры задержки для каждой стороны. Может понадобиться несколько промежуточных задержек для покрытия промежуточных зон между короткими и длинными сторонами.
В зданиях с относительно низкой высотой потолков, таких как ледовый дворец, закрытый стадион или выставочный зал, не всегда возможно обеспечить адекватное покрытие звуковым полем периферийных участков с помощью центральной группы акустических систем. Например, выставочные стенды и экспонаты могут создавать так называемые теневые зоны. Эти зоны должны быть озвучены дополнительно включенными в тракт усиления громкоговорителями, для которых необходимо включить цифровых линий задержки. И наоборот, если пространство сильно отражает и «реверберирует» звук, например ледяной каток, тогда по желанию можно минимизировать реверберационное возбуждение путем выключения громкоговорителей, работающих на свободные от слушателей или иные ненужные зоны. Но можно и ограничить зону покрытия звуковым полем центральной группой громкоговорителей для избежания отражения звука от нежелательных поверхностей. Например, установить защитные экраны вокруг ледяного поля. И снова может потребоваться несколько линий задержки, которые должны быть настроены с применением «правила 30 мсек», а также необходимо избегать задержек между смежными областями.
На дискотеке главное — создать «атмосферу восхищения». Правильное сочетание звуковой картины и игры света играет на дискотеке ключевую роль. Было замечено, что добавление задержки позволяет значительно расширить и улучшить акустическое восприятие. Основная система работает напрямую, без задержки, но, введение задержки для вспомогательных динамиков, расположенных вокруг танцпола, позволяет «раскрыть» звучание музыки. Этот прием сделает звук неограниченным, придаст ему воздушное, пространственное ощущение музыки. Будет создан эффект того, что слушатель «находится в звуке». Это — чувство погружения и охвата звуковым полем. Такой эффект нельзя достичь увеличением громкости или применением эквалайзера. Низкочастотная составляющая спектра музыки благодаря задержке тоже улучшается, становясь более насыщенной и реалистичной. Задержки в районе 40 — 80 мсек обычно являются оптимальными, но нужные установки для конкретного помещения дискотеки находятся только экспериментальным путем.
Обозначение линий задажек на электрической принци пиальной схеме
ГОСТ 2.736-68
Вау!! �� Ты еще не читал? Это зря!
- Фазовращатель
- Коаксиальный кабель
- Полосковая линия
- Микрополосковая линия
- Волновод
- Ультразвук
- Память на линиях задержки
- Пьезоэлектрический эффект
- Оптоволокно
- Ревербератор
Пожалуйста, пиши комментарии, если ты обнаружил что-то неправильное или если ты желаешь поделиться дополнительной информацией про линия задержки Надеюсь, что теперь ты понял что такое линия задержки и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Модернизация винтажного осциллографа с помощью линии задержки
Старинные осциллографы со ждущей разверткой находят применение во многих приложениях. Однако из-за отсутствия внутренней линии задержки они не могут отображать импульс, запускающий развертку. Те же ранние лабораторные осциллографы, у которых была линия задержки, имели задержку, недостаточную для отображения таких импульсов на линейном участке развертки. При использовании таких осциллографов об истинной форме импульса можно было только догадываться. Эти ограничения можно обойти, добавив внешнюю линию задержки и эквалайзер (амплитудно-фазовый корректор). С такой доработкой осциллограф сможет точно отображать осциллограмму непосредственно от точки запуска развертки. После этого прибор становится проще в использовании, а измерения становятся более достоверными. На каждую микросекунду задержки, внесенной скорректированным кабелем, осциллограф может отображать дополнительную микросекунду информации, предшествующей запуску. На Рисунке 1 показаны компоненты, необходимые для реализации этих доработок применительно к 10-мегагерцовому осциллографу Philips PM3230. Это широкополосный усилитель, восстанавливающий сигнал до исходного уровня и обеспечивающий запуск, кабель задержки 750 нс и пассивный двухступенчатый эквалайзер.
Рисунок 1. Схема модификации винтажного осциллографа, не имеющего внутренней
линии задержки.Телевизионные кабели, такие как RG6U, RG59U и другие, обычно доступны на гаражных распродажах и в магазинах секонд-хенда. Для создания 750-наносекундной линии задержки 75-омные кабели с твердым или вспененным диэлектриком подключаются с помощью стандартных разъемов CATV. Глазковая диаграмма на Рисунке 2a отображает отклик линии задержки на биполярное ступенчатое воздействие при возбуждении ее низкоимпедансным драйвером. На звуковых частотах из-за резистивных потерь линия задержки передает лишь примерно 65% сигнала, а на высоких частотах скин-эффект увеличивает потери еще больше. Теоретическая форма отклика на ступенчатое воздействие с учетом потерь, добавляемых скин-эффектом, представляет собой дополнительную функцию ошибок
(см. ([1]). Время t относится к началу ступеньки после прохождения кабеля длиной l = 160 м. Компьютерная оценка этой функции показывает, что для наилучшего соответствия переходной характеристике на Рисунке 2а константа должна быть равна
Адекватно скорректировать эту функциональную форму, используя обычный одиночный Т-образный фильтр, невозможно. Поэтому задача решается во временной области путем компенсации полюсов нулями с помощью двухступенчатого эквалайзера, показанного на Рисунке 1 [2]. Фильтр на двойном Т-образном мосте корректирует вносимые кабелем фазовые и амплитудные искажения в полосе 10 МГц.
Каждый из этих двух фильтров по существу представляет собой резистивный аттенюатор, но быстрые перепады в течение интервала, определяемого постоянной времени τ, могут проходить без аттенюации. На интервале τ нагрузка со стороны входного порта эквалайзера представлена только кабелем 75 Ом, поскольку конденсатор на высоких частотах эквивалентен короткому замыканию. Дроссель на высоких частотах эквивалентен разрыву, поэтому на отрезках времени τ резисторы не оказывают влияния. В конце концов, когда время t, прошедшее с начала переходного процесса, превысит τ, конденсатор и дроссель уступают место резистивному аттенюатору, представляющему для входа эквалайзера нагрузку 75 Ом. При использовании только первого фильтра с τ = 180 нс форма ступенчатого отклика становится округлой. При использовании второго фильтра с τ = 25 нс отклик имеет резкий крутой фонт, ограниченный только полосой пропускания осциллографа. Каждый фильтр находится в доработанном корпусе разветвителя сигнала CATV. Эти 75-омные фильтры можно подключать в различных местах вдоль линии задержки, не опасаясь отражений. Поэтому при использовании этого устройства можно с помощью рефлектометра выполнять точную оптимизацию номиналов пассивных компонентов для устранения остаточных отражений.
Рисунок 3. Осциллограммы A и B показывают отклик на
ступенчатое воздействие без схемы задержки
и со схемой задержки, соответственно.Усилитель на основе микросхемы AD8055 имеет полосу пропускания более 100 МГц, что полностью соответствует требованиям к 10-мегагерцовому осциллографу. Его входной импеданс, представляющий собой сопротивление 1 МОм с параллельной емкостью 30 пФ, согласуется с входом осциллографа и его низкоемкостными щупами. На Рисунке 2б показана окончательная глазковая диаграмма сигнала, проходящего через усилитель, двухкаскадный эквалайзер и 750-наносекундную линию задержки. Ее форма по существу идентична глазковой диаграмме, которая получается при использовании осциллографа без схемы на Рисунке 1, за исключением временного сдвига 750 нс. Преимущество схемы наглядно демонстрирует осциллограмма на Рисунке 3. Луч A показывает исходную импульсную характеристику осциллографа без схемы. Это просто неинтересная, ничего не выражающая осциллограмма. Луч B соответствует случаю, когда входной импульс проходит через усилитель на вход внешнего запуска, а затем через эквалайзер и кабель задержки на вход осциллографа. Поскольку его задержка больше, чем собственная задержка запуска развертки осциллографа, на экране появляется чистый импульс длительностью примерно 20 нс. Теперь этот набор можно использовать в качестве лабораторного осциллографа с полосой пропускания 10 МГц.
Входной импульс можно представить как четную функцию, состоящую исключительно из косинусоид с нулевыми фазами. Однако импульсная характеристика кабеля является просто производной от формы сигнала на Рисунке 2а и приобретает длинный, затянутый хвост. Следовательно, эта импульсная характеристика больше не является четной функцией, поэтому косинусоидальные составляющие, пройдя через кабель, приобретают различные фазовые сдвиги. Рисунок 3 показывает, как схема на Рисунке 1 корректирует эти фазовые сдвиги и изменения амплитуды. На осциллограмме B виден короткий симметричный импульс без «хвоста», максимально похожий на входной импульс.
Ссылки
- Nahman, NS, “The measurement of baseband pulse rise times of less than 10–9 second,” Proceedings of the IEEE, Volume 55, No. 6, June 1967, pg 855.
- Hubert Houtman «Стробоскопическая приставка к осциллографу с полосой пропускания 1 ГГц»
Материалы по теме
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
- Аналоговые линии задержки