2015-07-14
1827
Более широкие возможности при исследовании сигналов предоставляются при применении ЦО.
На рис. 6 в предельно упрощенном виде показана структурная схема цифрового осциллографа (ЦО).
Пройдя через масштабирующее устройство (МУ), аналогичное такому же, что и в АО, входное напряжение u(t) преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в дискретную последовательность кодовых слов Ni, отображающих мгновенные значения ui этого напряжения. Каждое новое кодовое слово записывается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). При этом все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку (регистр сдвига), а самый первый N1 исчезает, как бы «выталкивается».
 |
Рис. 6. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа TDS1001
Если ОЗУ состоит из М ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится М последних, «свежих», кодовых слов. Так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено некое заданное условие, например, когда какое-либо ui впервые превысит заданный оператором уровень («запуск по уровню»). После этого содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство (ЗУ), входящее в состав контроллера (К).
|
|
|
Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату кодовое слово Ni, находящееся в этой ячейке.
Для хорошего изображения сигнала на экране вполне достаточно 2 точки на 1 мм. Средних размеров экран имеет высоту 100 мм и ширину 120 мм. Следовательно, на экране должны располагаться 200×240 = 48 000 точек или более.
Таким образом, для формирования хорошего изображения АЦП должен иметь не менее 8 двоичных разрядов (256 точек по вертикали) и ЗУ должно содержать 256 ячеек.
Но количество ячеек ОЗУ гораздо больше. Это позволяет запоминать в ОЗУ очень много кодовых слов, а потом «вытягивать» их порциями, соответствующими ширине экрана. В аналоговых осциллографах это, конечно, невозможно. Для обозначения запаса по оси времени («глубина памяти») иногда пользуются такой оценкой длительности сигнала, данные о котором записаны в ОЗУ: «число экранов». Например, «8 экранов» означает, что объём памяти ОЗУ не 256, а 2048 ячеек, в которых записано 2048 кодовых слов Ni. Каждое Ni – это 8-разрядный код, т.е. один байт, т.е. «8 экранов» – это объём памяти в 2 килобайта. Можно вообразить очень широкий экран-ленту – в 8 раз шире натурального, но такой же высоты. На такой ленте было бы записано изображение всего сигнала. Длина этой ленты около одного метра.
Ещё одно принципиальное отличие от АО состоит в том, что в ЦО можно видеть предысторию сигнала до появления импульса запуска. Это называют «предзапуском». Кодовые слова переписываются из ОЗУ в ЗУ так, что в момент появления импульса запуска первой ячейкой ЗУ будет та, что даёт точку на вертикальной линии, проходящей через центр экрана, последующие точки располагаются направо от неё, предыдущие – налево. Положение первой ячейки можно смещать влево или вправо от центра и тем самым соответственно уменьшать или увеличивать видимый интервал предыстории.
|
|
|
Частоту дискретизации (частоту «выборок») можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в АО.
Для изменения масштаба по вертикали, как и в аналоговых осциллографах, можно изменять коэффициенты усиления или деления входного усилителя или делителя напряжения.
ЦО помимо обычных органов управления (ОУ - кнопки, ручки) для задания режимов измерения снабжаются развитым программным обеспечением. Это позволяет выполнять различные математические операции: растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, производить цифровые измерения параметров исследуемых сигналов, складывать и вычитать сигналы в разных каналах, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и проч.
ЭКРАН И ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ ОСЦИЛЛОГРАФОМ
На лицевой панели осциллографа в правой ее части расположен экран, а в левой - расположены органы управления – кнопки и ручки, а также разъёмы (рис. 7 и рис. 8).
На экране ЦО кроме изображения сигналов отображаются сведения о сигналах и параметрах управления. На рис. 7 приведен пример возможного получаемого изображения и даны краткие пояснения назначения значков и надписей на экране.
Режимы работы и проведение тех или иных измерений обеспечивается необходимым программным обеспечением ЦО, а его интерфейс позволяет получить быстрый доступ к их реализации через развитую структуру меню. Конкретные указания по проведению измерений даны в методических указаниях.
 |
1 - режим сбора данных: - режим усреднения или другие;
|
3 - момент запуска и его сдвиг от центра экрана, устанавливается ручкой
«HORIZONTAL POSITION»;
4 – длительность сигнала;
5 – маркер указывает уровень синхронизации по фронту;
6 - положения нулевых уровней 1-го и 2‑го каналов;
7 - место для сообщений (некоторые сообщения видны только 3 с);
8 –значок появляется при инвертировании сигнала;
9,11- значения коэффициентов отклонения по вертикали для CH1 и CH2;
10 - Bw указывает на ограничение полосы пропускания;
12 - значение коэффициента отклонения по горизонтали; M –отображение всей запи-санной серии;
13 - W – значение коэффициента отклонения по горизонтали в растянутом отображение, если оно используется;
14 – источник сигнала синхронизации;
15 – тип синхронизации (по нарастающему или спадающему фронту);
16 – значение частоты синхронизации;
17 - значение уровня запуска по фронту;
18 - информационные секторы экрана для вывода сообщений меню нажатием кнопок 34 –38.
Рис. 7. Экран цифрового осциллографа.
1 - CH1, 2 – CH2 – входы каналов 1 и 2;
3 – EXT TRIG (ВНЕШ СИНХ, сокр. от External Trigger), – вход для внешней синхро-низации;
4 – RUN/STOP (ПУСК/СТОП)– сигналы регистрируются непрерывно или сбор данных приостанавливается (режимы чередуются при повторных нажатиях кнопки);
5 – SINGLE SEQ (ОДИНОЧН ЗАПУСК,сокр. от Sequence Single) – разовый (не повто-ряющийся) запуск; режим используется для одиночных, не повторяющихся сигналов;
6 – AUTO SET (АВТО УСТ) – получение изображения с автоматически установленными масштабами и положением по вертикали и горизонтали; режим очень удобен для быстрого получения устойчивого изображения сигнала;
|
|
|
7; 8 – POSITION (ПОЛОЖЕНИЕ) или СURSOR (КУРСОР) – установка положения по вертикали изображений сигналов в каналах 1 и 2 (установка положения по вертикали действует так же, как в аналоговых осциллографах);; альтернативная функция этих ручек – установка положения курсоров 1 и 2 – действует после нажатия кнопки 29 (при этом светятся соответствующие индикаторы);
9; 10 –, VOLT/DIV (ВОЛЬТ/ДЕЛ) – установка значений коэффициентов отклонения по вертикали в каналах 1 и 2; действует так же, как в АО, с той только разницей, что значения установленного коэффициента прочитывается не по положению ручки, а индицируются внизу экрана;
11,12 – MENU (МЕНЮ) CH 1 и CH 2 - вызов меню каналов;
13 – MATH MENU (сокр. от Mathematics), – вызов меню математических функций (сложение или вычитание сигналов в каналах; быстрое преобразование Фурье сигнала в каналах);
14 – POSITION или HELP SCROLL – установка положения по горизонтали изображений сигналов в каналах; альтернативная функция этой ручки – прокрутка справки – действует после нажатия кнопки 31 (при этом светится соответствующий индикатор);
15 – SEC/DIV – установка масштаба по горизонтали; действует так же, как в АО, с той только разницей, что значения установленного коэффициента прочитываются не по положению ручки, а индицируются внизу экрана; в зависимости от выбранного варианта горизонтального меню (кнопка 16) эта ручка устанавливает масштаб в основном режиме (Main) или в режиме растяжки (назван «зоной окна» – Window Zone);
16 – HORIZ MENU (ГОРИЗ МЕНЮ) – вызов меню развёртки изображения по горизонтали;
17 – SET TO ZERO (УСТ НУЛЬ) – установка момента запуска в середину экрана (установка «нуля»);
18 – LEVEL или USER SELECT (УРОВЕНЬ или ВЫБОР ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ) – установка уровня запуска. При запуске по уровню эта ручка устанавливает уровень напряжения, по достижении которого на фронте (или на спаде) происходит запуск. Альтернативные функции этой ручки используются в работе не используются. Выбор типа синхронизации производится кнопкой 34 после вызова меню кнопкой 19;
|
|
|
19 – TRIG MENU (МЕНЮ СИНХ) – вызов меню синхронизации;
20 –SET TO 50 % (УСТ 50 %) – установка уровня напряжения при запуске по уровню, соответствующего середине между максимальным и минимальным значениями сигнала для быстрого получения устойчивого изображения;
21 – FORCE TRIG (ФОРС ЗАПУСК)– форсированный запуск, используемый для того, чтобы завершить сбор данных, даже если условие запуска не выполнено;
22 – TRIG VIEW (ПРОСМ ИМП СИНХ) – просмотр на экране импульса синхронизации;
23 – PROBE CHECK (ПРОВЕРКА ПРОБН)– кнопка, которую надо нажать при проверке пробника (в лабораторной работе пробники не используются);
24 – PROBE COMP (КОМПЕНС ПРОБН) (сокр. от Compensation) – вывод источника импульсного напряжения для проверки пробника и его настройки (в работе не производится);
25 – SAVE/RECALL (СОХР/ВЫЗОВ)– вызов меню сохранения в памяти и вызова из памяти настроек или изображений сигнала;
26 – MEASURE (ИЗМЕРЕНИЯ)– вызов меню автоматически выполняемых осциллографом измерений (11 параметров сигнала);
27 –ACQUIRE (СБОР ДАННЫХ) – вызов меню сбора данных;
28 –UTILITY (СЕРВИС) – вызов сервисных меню;
29 –CURSOR (КУРСОР) – вызов меню курсорных измерений;
30 –DISPLAY (ЭКРАН) – вызов меню режима работы экрана;
31 –HELP (СПРАВКА) – вызов справочного материала об осциллографе;
32 –DEFAULT SETUP (НАСТРОЙКА ПО УМОЛЧАНИЮ) – установка настройки, предусмотренной изготовителем;
33 –PRINT (ПЕЧАТЬ) – вывод всех данных, имеющихся на экране на принтер или компьютер только при установленном в осциллограф модуле;
34 ÷ 38 – экранные кнопки для вызова меню в информационных секторах экрана.
Рис. 8. Органы управления ЦО.
4. ЗАДАНИЕ
1. Измерить следующие параметры сигнала на зажимах 1-1:
1.1. Измерить с помощью АО полный размах и период сигнала;
1.2. Измерить с помощью ЦО полный размах и период сигнала;
1.3. Измерить с помощью ЦО среднеквадратическое значение сигнала.
2. Измерить параметры импульсного напряжения на зажимах 2-2: длительность импульса, амплитуду импульса, амплитуду выброса, длительность фронта, длительность среза.
2.1. Измерить с помощью АО эти параметры сигнала на зажимах 2-2;
2.2. Измерить с помощью ЦО эти параметры сигнала на зажимах 2-2.
3. Измерить частоту напряжения на зажимах 3-3:
3.1. Измерить с помощью АО частоту двумя методами: косвенно, измерив период этого напряжения, и методом фигур Лиссажу;
3.2 Измерить с помощью ЦО частоту следующими методами: прямым, косвенным и методом фигур Лиссажу.
4. Измерить амплитуду 1-ой гармоники прямоугольного напряжения с частотой, заданной преподавателем. Найти значение частоты 1-ой и 3-ей гармоник.
5. Измерить амплитуду 1-ой и 3-ей гармоник на зажимах 4 – 4 или 5 –5.
6. Рассчитать погрешности проведенных измерений и составить отчёт по требуемой форме.
5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
5.1. Измерение мгновенных значений напряжений
Возможность измерения мгновенных значений напряжений - одно из основных достоинств осциллографов. При использовании откалиброванных осциллографов измерение напряжения сводится к измерению длины линейного отрезка, соответствующего измеряемому напряжению, и умножению его на коэффициент отклонения по вертикали (см. (1)), т.е.
uY = lY K O, Y
5.2. Измерение интервалов времени
ЭО широко применяются для измерений интервалов времени между точками на оси времени.При использовании откалиброванных осциллографов для этого достаточно измерить длину линейного отрезка, соответствующего измеряемому интервалу времени, умножить его на коэффициент отклонения по горизонтали или коэффициент развертки см. (2)), т.е.
tX = lX K O, X = lX K Р
5.3. Измерение частоты
Измерение частоты с помощью ЭО широко распространено, несмотря на наличие цифровых частотомеров. Измерение частоты иссле-дуемого напряжения обычно сводят к измерению интервала времени, т.е. периоду. Подобное измерение целесообразно производить при сложной форме исследуемого напряжения, так как в этом случае не всегда можно использовать частотомер.
При измерении частоты синусоидального напряжения часто используют метод фигур Лиссажу. Пусть на вход Y (канал, отклоняющий луч по вертикали) подано напряжение неизвестной частоты fY, а на вход X - напряжение плавно регулируемой известной частоты fX (канал, отклоняющий луч по горизонтали, при этом предварительно необходимо отключить генератор развёртки). Регулировкой частоты fX нужно добиться неподвижного изображения на экране - фигуры Лиссажу, что достигается, когда отношение частот будет соответствовать отношению целых чисел. Частота fY находится из соотношения
fY / fX = NX / NY, т.е. fY = fX NX / NY,
где NX - наибольшее число точек пересечения фигуры Лиссажу горизонтальной секущей, а NY - вертикальной. В частном случае, когда fY = fX, фигура Лиссажу представляет собой эллипс.
Практически стремятся установить такую фигуру, для которой числа NY и NX достаточно малы. В противном случае расшифровка фигуры становится затруднительной.
Точность измерения частоты рассмотренным методом не зависит от свойств осциллографа (частотного диапазона, чувствительности, размеров экрана и т.д.), а целиком определяется точностью, с которой известна образцовая частота.
5.4. Общие замечания при работе с АО АСК-1021
