Цифровой осциллограф

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

ЦИФРОВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Группа:33422/1.

Студент: Скробов Леонид Артемьевич

Преподаватель: Бочков В.В.

осциллограф амплитуда напряжение электрический сигнал

Основные параметры цифрового осциллографа.

- Полоса пропускания.

Измеряется в [Мгц] и определяется частотой, при которой амплитуда отображаемого напряжения уменьшается на 3 дБ (70.7%) по сравнению с максимальной.

(Полоса пропускания) ? (частота 5-ой гармоники сигнала)

- Время нарастания.

Крутые фронты цифрового сигнала дают существенное расширение спектра по сравнению с частотой повторения сигнала. Для верной оцифровки осциллограф и пробник должны иметь значительно меньшее время нарастания переходной характеристики, чем длительность фронта илли спада сигнала.

(время нарастания ПХ осц) ? (время нарастания сигнала) / 5

- Частота дискретизации.

Частота оцифровки входного сигнала [выб/сек].

- Длина памяти.

Упражнение: какие параметры осциллографа требуются для дискретизации сигнала: период 2мс, форма синусоидальныя.

f = 1/2 = 500 Гц.

- Полоса пропускания:

5*500Гц = 2.5к Гц. Полоса пропускания ? 2.5 кГц.

- Частота дискретизации:

5*500Гц = 2.5 кВыб/сек. Частота дискретизации ?2.5 кВыб/сек.

- Длина памяти:

2*10^-3 = x/2.5*10³

x = 5Выб. Длина памяти ? 5 Выб.

Начальные установки и структура экрана.

Упражнение: по приведенной осциллограмме найти: размах напряжения, максимальное положительное и отрицательное напряжение, период и частоту сигнала:

- амплитуда =3.2дел *1В/дел = 3.2 В.

- напряжение = ± 1.6 В.

- период = 5 * 20 мкС = 0.1 мС.

- частота = 1/0.1мС = 10 кГц.

Органы управления осциллографом.

Органы управления осциллографом серии MSO/DPO 2000 можно разделить на три группы: управление каналом вертикального отклонения, управление каналом горизонтального отклонения, управление синхронизацией.

Упражнение: для контроля какой величины используются органы управления вертикального отклонения.

Как правило вертикальная ось на экране осциллографа пропорциональна напряжению, существуют варианты использования, когда ось Y будет пропорциональна, например току, а X будет пропорционально напряжению другого сигнала или его частоте.

Управление каналом вертикального управления.

Органы управления вертикального отклонения для каждого канала отдельны, и представлены элементами регулировки:

- Position (положение осциллограммы по вертикали).

- Scale (масштаб вертикальной оси).

Упражнение: какой масштаб по вертикали следует установить для измерения амплитуды тестового меандра и почему.

Масштаб координатной сетки всегда следует устанавливать такой, чтобы осциллограмма занимала большую часть экрана - это положение соответствует минимальным погрешностям снятия параметров сигнала, т.е. масштаб должен быть равен U/8 В/дел.

Управление каналом горизонтального отклонения.

Органы управление каналом горизонтального отклонения позволяют менять как положение вдоль оси Х, так и масштаб оси.

Упражнение: чему равно временное окно, если скорость развертки 1мкС/дел.

Временное окно = 1мкС/дел * 10 дел = 10мкС.

Длина памяти.

Частота дискретизации определяется временным окном и выбранной длинной памяти в соответствии с выражением:

Частота дискретизации = длина памяти/временное окно

Упражнение: значение коэффициента развертки равно 200 мкС/дел, длина памяти 1 Мвыб. Чему равна частота дискретизации?

Временное окно = 200 мкС/дел *10 = 2000мкС.

Частота дискретизации = 1МВыб/2мС = 0.5 ГВыб/С.

Управление синхронизацией.

Синхронизация позволяет получить неподвижное изображение периодического сигнала на экране осциллографа. Уровень синхронизации определяет момент времени, когда начинается дискретизация сигнала.

Упражнение: какие установки следует сделать для запуска любых меандров с частотой больше чем 500 Гц?

Период 500 ГЦ -го сигнала равен = 1/500 = 1 мС, следовательно длительность импульса в два раза меньше и равна 1 мС.

Таким образом для запуска любых меандров с частотой выше 500 Гц необходимо установить настройку Pulse Width в 1 мС.

Виды осциллографических измерений.

Рассмотрим три основных метода измерения.

- Ручные измерения.

Выполняются за счет визуального определения размеров отображаемого сигнала на масштабной сетке экрана и последующего умножения полученных линейных размеров на соответствующие масштабы осей.

- Курсорные измерения.

Обладают большей точностью в сравнении с ручными. Точность установки курсоров на, например, минимуме и максимуме сигнала обеспечиваются дополнительными подсказками системы, по которым облегчается понимание направления сигнала (еще возрастание или уже убывание ).

- Автоматические измерения.

Автоматические измерения обеспечивают наивысшую точность измерений, так как вычисления проводятся не исходя из одного снимка сигнала отображаемого на экране, а из выборки снимков расположенных в памяти осциллографа.

В памяти осциллографа DPO 2012 записано 29 видов автоматических измерений. Для выполнения автоматических измерений необходимо получить на экране хотя бы один полный период сигнала и подобрать масштаб по вертикали так чтобы использовать почти всю площадь экрана.

Заключительные упражнения.

Какой параметр цифрового осциллографа является основным?

Основным среди предложенных, как мне кажется, является полоса пропускания, так как длина памяти и частота дискретизации косвенно зависимы именно от нее (косвенно, потому что реализация большой длинны памяти нецелесообразна без большой частоты дискретизации, которая, в свою очередь, имеет различные разумные пределы для разных частот). Время же нарастания переходной характеристики скорее относится к качественным параметрам осциллографа нежели к основным.

Осциллограф обычно отображает амплитуду напряжения на вертикальной оси дисплея, предоставляет удобное управление осциллограммой. Цифровой осциллограф так же предоставляет различные способы проведений измерений характеристик входного сигнала.

Цифровой осциллограф запоминает выборку сигнала и отображает ее на дисплее.

На передней панели цифрового осциллографа можно выделить три основные группы органов управления:

- управление вертикальным каналом;

- управление горизонтальным каналом;

- управление синхронизацией.

С помощью цифрового осциллографа можно выполнить все три варианта измерений (автоматический по записанным в памяти алгоритмам, курсорные и ручные измерения).

Заключительные прикладные упражнения на лабораторном стенде.

Лабораторный макет подключен к источнику питания.

Земля подключена к клемме «GND».

Сигнал снимается с вывода «cnt_clk».

С помощью элементов управления масштаба координатной сетки и положения сигнала на ней получаем осциллограмму сигнала (рис 1.1)

Y_s = 1В/дел;

X_s = 100 нС/дел.

Рис 1.1

Ручные измерения.

ДU = 3.2 [дел] * 1 [В/дел] = 3.2 В;

T = 8 [дел] * 100 [нС/дел] = 800 нС.

Курсорный метод измерения.



Рис 1.2

ДU = 3.36 В;

T = 802 нС.

Автоматический метод.

Рис 1.3

ДU = 4 В;

T = 800 нС;

F = 1.250 МГц.

Выводы.

Как мы видим ручные и курсорные измерения при простом и достаточно качественном сигнале дают чрезвычайно схожий результат.

Автоматический метод дал сбой при определении амплитуды сигнала, так как взял пиковые показания выбросов во фронтах, превышающие рабочие параметры. Если присмотреться к масштабной сетке, то видно что величина этого выброса составляет порядка

0.35 дел, а следовательно 0.35 В. На двух фронтах составит 0.7 В, соответственно 4В - 0.7В = 3.3В, т.е. то же значение что и в предыдущих измерениях.

Таким образом выбор типа измерения на цифровом осциллографе следует выбирать и контролировать.

Математическая обработка сигналов с помощью цифрового осциллографа.

Подготовка лабораторного оборудования.

Лабораторный макет подключен к источнику питания.

Земля подключена к клемме «GND».

Сигнал снимается с вывода «NOISE_SINE».

С помощью элементов управления масштаба координатной сетки и положения сигнала на ней получаем осциллограмму сигнала (рис 1.1)

Y_s = 1В/дел;

X_s = 10 мС/дел.

Уровень синхронизации установлен максимально возможным при сохранении устойчивого изображения (рис 2.1).

Рис. 2.1

Методы захвата сигнала.

Обычно осциллограф работает в режиме непрерывной дискретизации сигнала, однако во время измерений или отладки электронной схемы может возникнуть необходимость остановки процедуры оцифровки и «заморозки» изображения. Для этого на панели прибора предусмотрены кнопки пуска и остановки процедуры захвата сигнала.

В цифровом осциллографе имеется возможность выбора способа (моды) захвата сигнала. Мода захвата определяется способом создания осциллограммы из последовательности отчетов, полученных с помощью АЦП. Реализация моды Sample.

В моде Sample на экране осциллографа отображается каждый отсчет, полученный с помощью АЦП. Эта мода установлена по умолчанию.

Рис. 2.2.1

Мода усреднения.

Мода усреднения позволяет «очистить» изображение от шума. Среднее значение рассчитывается по множеству реализаций выборок сигнала.

Рис. 2.2.2

Мода Peak Detect.

Мода Peak Detect реализована, как часть алгоритма низкочастотного фильтра FilterVu.

Рис. 2.2.3

Выводы.

Мода Sample не позволяет точно увидеть сигнал за шумом, а следовательно провести точные измерения, В то же время мода усреднения оперируя ограниченным набором отсчетов и усредняя их, хоть и выводит чистое изображение, но выводит его не точное значение, скрывая информацию по шумам. Применение моды Peak Detect позволяет получить еще более чистое изображение сигнала, нежели при усреднении, но в придачу позволяет наблюдать и присутствие шума, а следовательно и пиковых, реальных значений напряжения.

Упражнения:

- По умолчанию в цифровом осциллографе установлена мода захвата «Sample».

- Для выбора моды фильтрации Peak Detect используется управляющая кнопка на лицевой панели осциллографа FilterVu/

- Мода захвата Sample обеспечивает уменьшение шумовой составляющей без изменения полосы пропускания.

Управление входами осциллографа.

В осциллографе есть возможность выбора вида входа для канала вертикального отклонения и его свойств.

- открытый (DC) или закрытый (AC) вход. В режиме открытого входа на осциллограф поступает и постоянная и переменная состовляющие, в то время как закрытый вход отсекает постоянную состовляющую сигнала. Так же третьим вариантом является вход «Ground»/

- Оция Bandwidth Limit позволяет управлять аналоговым полосовым фильтром.

- Режим Offset позволяет убрать постоянную составляющую методом вычитания этой составляющей.

Подготовка лабораторного оборудования.

Лабораторный макет подключен к источнику питания.

Земля подключена к клемме «GND».

Сигнал подается на два входа с вывода «CNT_CLK».

С помощью элементов управления масштаба координатной сетки и положения сигнала на ней получаем осциллограмму сигнала (рис 2.3.1).

Y_s = 2В/дел;

X_s = 200 нС/дел.

Режим открытого входа.

Рис. 2.3.1

Режим закрытого входа.

Рис. 2.3.2

Как можно видеть осциллограмма первого канала симметрично «упала» примерно на 1 В, что соответствует активации закрытого режима для этого канала и исключение постоянной составляющей из сигнала.

Режим «Ground».

Влияние изменения полосы пропускания фильтра второго канала на изображение.



Просмотр осциллограммы.

2 импульса.

Математическая обработка сигнала.

Сигнал Freq_anom.

Сравнение двух сигналов методом вычитания.

Упражнения:

Математическая обработка для измерения временной звдержки сигналов.

1-й вход к CNT_CLK, второй к CNT_OUT_0.

Вычитание сигналов выгляжит так

:

Задержка между фронтами составляет 28.4 нС:

Быстрое преобразование Фурье.

Сигнал_CNT_OUT_4.

Измерение частоты 1-й гармоники и амплитуды, и частоты 3-й и 5-й гармоник.



1-я: 39,43 кГц

2-я: 117,6 кГц, 3 В

3-я: 195,6 кГц, 2,9 В

Упражнения:

1. Вариант а и б.

2. В список входных режимов не входит вариант «г».

3. Функция математической обработки выполняет операцию БПФ над выборкой определенного размера.

4. Операция вычитания может быть использована для определения отличий между измеренной и образцовой осциллограммой.

5. Операция умножения позволяет вычислить мгновенную мощность при пропорциональности одного из сигналов напряжению, а другого току на нагрузке.

Размещено на Allbest.ru

...