Цифровые осциллографы Instek GDS-820

Входной сигнал после нормализации преобразуется в цифровую форму и записывается в память. В общем виде цифровой осциллограф состоит из входного делителя, нормализующего усилителя, аналого-цифрового преобразователя, блока памяти, устройства управления и устройства отображения.

Полная оцифровка сигнала позволяет избежать отображения сигнала в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов, упростить масштабирование и растяжку, ввести метки. Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает возможность для отображения любой дополнительной информации и управления прибором с помощью меню.

Используемые в осциллографах процессоры цифровой обработки сигнала предоставляют возможность исследования спектра сигнала посредством анализа с применением быстрого преобразования Фурье. Цифровое представление информации обеспечивает сохранение экрана с результатами измерения в памяти компьютера или вывод непосредственно на принтер.

В данной лабораторной работе используется осциллограф Instek GDS-820С. Его технические характеристики приведены в табл. 4.

Таблица 4

Краткие технические характеристики осциллографа GDS-820C

КАНАЛ ВЕРТИКАЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЯ	Полоса пропускания (-3 дБ)	150 МГц Ограничение полосы пропускания до 20 МГц
Коэф. отклонения (Коткл)	2 мВ/дел...5 В/дел (шаг 1-2-5)
Погрешность установки Коткл	± 3 %
Время нарастания	< 2,3 нс
Входной импеданс	1 МОм (± 2 %) / 22 пФ
Макс. входное напряжение	300 В (DC+АС пик, до 1 кГц)
Режимы работы	Канал 1, канал 2, канал 1 (2) инвертированный, канал 1 и 2
Математика	Кан 1 + Кан 2; Кан 1 - Кан 2; БПФ
Погрешность установки Кразв	± 0,01 %
Режимы работы	Основной, окно, ZOOM окна, самописец, X-Y
СИНХРОНИЗАЦИЯ	Источники синхросигнала	Канал 1, канал 2, сеть, внешний
Режимы запуска развертки	Автоколебательный, ждущий, однократный, ТВ (NTSC, PAL / SECAM), пред- (20 дел.) и послезапуск (1000 дел)
Внешняя синхронизация	50 мВ (0...30 МГц 100 мВ (30...150 МГц) Уровень: постоянное ± 15 В; переменное 2 В пик.
Вход внешней синхронизации	1 МОм (± 2 %) / 22 пФ
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ	Разрешение по вертикали	8 бит
Частота дискретизации	До 100 МГц на канал
Эквив. частота дискретиз.	До 25 ГГц на канал
Длина записи	125 Кбайт на канал
Пиковый детектор	10 нс
Режимы работы	Выборка, пик. детектор (> 10 нс); усреднение (2 /.../ 256); накопление; выбор длины записи (0,5 К /.../ 125 К)
ОБЩИЕ ДАННЫЕ	ЖК-дисплей	8 х 12 дел (разрешение 320 х 240), цветной ЖК (модели с индексом C)
Напряжение питания	100.240 В, 48.63 Гц (автовыбор)
Габаритные размеры; масса	254 х 142 х 310 мм; 4,1 кг
Комплект поставки	Шнур питания (1), делитель 1:1/1:10 (2)

Описание работы автоматизированной установки

Алгоритм измерения фазы

Предлагаемый алгоритм измерения фазы основан на принципе синхронного фазового детектирования, при котором принятый сигнал перемножается с опорным (рис 3.2).

Рисунок 3.2 - Принцип синхронного фазового детектирования

Пусть имеются два гармонических сигнала единичной амплитуды и одинаковой частоты, не содержащие постоянной составляющей и , разность фаз между этими сигналами равна . Перемножим эти сигналы:

Полученное выражение представляет собой гармонический сигнал с частотой и постоянной составляющей . Выделив постоянную составляющую у полученного сигнала, можно получить разность фаз между исходными сигналами. Постоянная составляющая гармонического сигнала вычисляется путем его интегрирования и деления на длину интервала интегрирования. Постоянная составляющая определяется по формуле:

, следовательно, ,

где T – время, на котором производится сравнение фаз сигналов, причем необходимо выполнение условия , так как в общем случае на время T «укладывается» нецелое число периодов гармонического сигнала.

В результате получим:

.

В предлагаемой установке используются аналогово-цифровые преобразователи и методы цифровой обработки сигналов. Здесь следует учитывать, что амплитуда сигналов, получаемых с АЦП, не равна единице и может иметь постоянную составляющую.

Для избавления от постоянной составляющей воспользуемся формулами

; ,

где E – постоянная составляющая; N – количество отсчетов в выборке; – отсчеты входного сигнала; - отсчеты преобразованного сигнала без постоянной составляющей.

Для того, чтобы привести амплитуды полученных сигналов без постоянной составляющей к единице, воспользуемся формулой:

; ,

где - вычисленное значение амплитуды сигнала; - значения отсчетов сигнала приведенного к единице. Здесь вычисляется действующее значение гармонического сигнала за время выборки длиной N, затем из него вычисляется амплитудное. После этого, путем деления каждого отсчета сигнала без постоянной составляющей на амплитудное значение, получаются отсчеты сигнала приведенного к единице. После этих преобразований можно переходить непосредственно к измерению значения фазы по формуле:

Погрешность измерения

Относительную погрешность измерения амплитуд и фазы, ваттного сопротивления можно определить по формуле

,

где I – величина, погрешность которой необходимо определить; I₁, I₂, I₃, …, I_i – относительная погрешность величин, определяющих I.

Погрешность определения амплитуды сигнала зависит от разрядности АЦП.

Разрешающая способность (шаг квантования) АЦП:

мВ.

Погрешность квантования:

мВ.

Относительная погрешность при амплитуде сигнала U=250 мВ и U=2В:

;

,

где δ - пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока LCARD E20-10.

Относительная погрешность фазы определяется по формуле:

;

%.

Порядок выполнения работы

4.1. Домашнее задание

Изучить теоретический и практический материал, приведенный в п.2 - п.4. При допуске к выполнению лабораторной работы ответьте на следующие вопросы:

1. Расскажите методику измерения параметров преобразователя.

2. Перечислите основные параметры преобразователя и дайте им определение.

3. Нарисуйте структурную схему установки для измерения параметров преобразователя и расскажите принцип ее работы.

4. Какие погрешности в данных измерениях присутствуют и как их оценить?

5. Расскажите алгоритм выполнения работы.

6. Расскажите последовательность проведения измерений.

7. Как выбрать добавочный резистор?

8. Какое максимальное значение добавочного резистора и как его выбрать?

9. Как определить резонансную частоту преобразователя?

Подготовка установки к работе

4.2.1. Собрать установку.

Для этого генератор сигналов соединить с ЭВМ через обратный кабель RS232-RS232, АЦП соединить с ЭВМ через USB кабель. Входной разъем блока добавочных резисторов через соединительный кабель РК-50 подсоединить к выходу генератора сигналов, а выходной - к преобразователю. Входы АЦП через соединительный кабель РК-50 подсоединить к разъемам блока добавочных резисторов. На Вход 1 подключить кабель от генератора, на Вход 2 – от преобразователя.

4.2.2. Запустить и настроить программу

1.1

Запустить программу. Для установки связи ЭВМ с генератором сигналов, открыть меню «Настройка» и нажать «Определить генератор».

Рисунок 4.1 - Окно программы

Алгоритм выполнения работы

4.3.1. Задать максимальное значение напряжения на входах АЦП в поле «Чувствительность АЦП» равное 3 В. Входные цепи АЦП содержат ограничители и работают в трех режимах: 3В; 1В; 0,3В.

4.3.2. Установить максимальное значение добавочного резистора. На генераторе установить предполагаемое значение частоты основного резонанса преобразователя.

4.3.3. Установить напряжение на выходе генератора не превышающее значение ограничителя входа АЦП.

На панели «Ручная» ввести значение частоты, на которой необходимо произвести измерения, и нажать кнопку «Пуск». В таблице в столбце «Амп. Ген.» отобразится значение напряжения на входе АЦП. Скорректировать напряжение генератора таким образом, чтобы значение в столбце «Амп. Ген.» составляло около 60-90% значения ограничителя АЦП. Напряжение на выходе генератора можно установить вручную на генераторе или в поле «Напряжение генератора» ввести значение напряжения в Вольтах и нажать клавишу «Enter».

4.3.4. Определить резонансную частоту преобразователя.

На панели «Автомат» задать диапазон рабочих частот, шаг перестройки частоты и нажать кнопку «Пуск». Резонансная частота преобразователя определяется по результатам измерений Rw(f), представленных в таблице и на графике. На панели индикации появятся значения резонансной частоты при минимальном Rw(f).

4.3.5. Выбрать добавочный резистор.

На панели «Ручная» ввести значение резонансной частоты и нажать кнопку «Пуск». По результатам измерений «Амп. Ген» и «Амп. Пр.» в таблице установить значение добавочного резистора такой величины, чтобы отношение напряжений «Амп. Ген» и «Амп. Пр.» было ≥ 10.

Установить напряжение на выходе генератора в соответствии с п.4.3.3.

4.3.6. В поле «Задержка» ввести значение времени в миллисекундах между переключением с одной частоты на другую, необходимое для образования установившегося процесса. По умолчанию устанавливается время задержки 200 мс.

4.3.7. На панели «Автомат» задать диапазон рабочих частот, шаг перестройки частоты и нажать кнопку «Пуск».

4.3.8. Программа обрабатывает результаты измерений.

Результаты измерений представлены в таблице и на вкладках «Активная составляющая полного сопротивления», «Емкость динамическая», «Импеданс полный» содержат графики соответственно активной составляющей полного сопротивления, динамической емкости, полного импеданса и поля форматирования графиков.

Поля таблицы открыты для редактирования. Изменения автоматически отражаются на графике.

В текстовое поле вкладки «Главная» вводится информация об измерениях (Дата, название измерения и др.)

Для сохранения данных в текстовый файл, откройте меню «Файл» и нажмите «Сохранить». В появившемся окне диалога введите имя и выберите расположение файла. Структура текстового файла следующая: заголовок – содержимое текстового поля вкладки «главная», данные измерений.

4.2.9. Для передачи данных в MS Word, откройте меню «файл» и нажмите «передать в MS Word».