Лабораторная работа № 7 изучение работы виртуальных измерительных приборов

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является приобретение практических навыков использования виртуальных измерительных приборов.

ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

1. Изучить принцип работы виртуального осциллографа PCS 500.

2. Изучить принцип работы измерительного генератора PCG 10.

3. Произвести измерение амплитудных и временных характеристик гармонического и импульсного сигналов с помощью виртуального осциллографа PCS 500.

4. Рассчитать спектральные характеристики сигналов.

5. Исследовать характеристики сигналов цифровой передачи информации.

6. Сделать выводы по результатам работы.

ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ

Для решения задач, возникающих в цифровой и импульсной технике, большое значение имеет исследование однократных и редко повторяющихся процессов. В частности, нередко возникает необходимость исследования формы сигналов, осуществляющих передачу некоторых кодовых посылок. Во многих случаях применяется последовательная передача информационных разрядов. Примером этого могут служить требования к передаче информации, предъявляемые ГОСТ Р 52070–2003, ГОСТ 18977–79 и др.

В качестве примера рассмотрим виды и уровни электрических сигналов, применяемых для передачи информации с использованием последовательного кода (ГОСТ 18977–79). Форма и временные соотношения сигналов показаны на рис. 19. Для передачи последовательного кода используются прямоугольные импульсы. Частота следования импульсов f=1/T₀ принимает одно из фиксированных значений, которые составляют 12, 48, 100 и 250 кГц. Амплитуда импульсов U₀ имеет значения +5(+10) В или –5(–10) В. Максимальная длина передаваемой кодовой комбинации равна 32 двоичным разрядам. Кодовые комбинации должны быть разделены между собой паузами длительностью не менее 4T₀.

Для эффективной работы устройств, выполняющих обмен информацией с использованием сигналов последовательного кода, требуется контролировать правильность передачи и приема тестовых последовательностей битов. При этом во многих случаях также требуется контролировать значения длительности фронтов импульсов и амплитуду внешних помех. В этих условиях наиболее удобным является применение цифровых и виртуальных измерительных осциллографов, позволяющих регистрировать различные разовые события и с высокой точностью измерять параметры сигналов.

Рис. 19

Виртуальный осциллограф состоит из современного быстродействующего персонального компьютера и одной (или нескольких) плат сбора данных (ПСД). Наличие персонального компьютера является необходимым условием высококачественных и точных измерений. ПСД устанавливается в компьютер (обычно в слот ISA или PCI) или во внешнее дополнительное устройство, подключаемое через LPT или USB-порт. В комплексе с ПСД поставляется соответствующее программное обеспечение.

Важную роль в создании виртуальных осциллографов играет разработка ПСД с необходимыми метрологическими характеристиками для данной измерительной задачи, такими, как разрядность, быстродействие и динамические погрешности аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При этом необходимо использование быстрых и эффективных алгоритмов обработки измеряемой информации. Программное обеспечение должно иметь возможность отображения данных под наиболее распространенные операционные системы Windows, Linux и др.

Рассмотрим технические характеристики и возможности виртуального осциллографа PCS 500. Данный прибор является двухканальным цифровым запоминающим осциллографом и предназначен для изучения сигналов от внешних устройств, их отображения на мониторе компьютера, измерения параметров сигналов и математической обработки с помощью программного обеспечения.

Технические характеристики виртуального осциллографа PCS 500 представлены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Количество каналов	2
Частота дискретизации	1,25 кГц…50 МГц
Максимальная частота стробирования	1 ГГц
Число разрядов АЦП	8
Тип интерфейса ПЭВМ	LPT
Диапазон значений коэффициента отклонения	от 5 мВ/дел. до 15 В/дел.
Диапазон значений коэффициента развертки	от 10 нс/дел. до 100 мс/дел.
Пределы допускаемой основной относительной погрешности	± 2,5 %
Входной импеданс	1 МОм, 30 пФ
Напряжение питания	9-10 В

Прибор обеспечивает:

- наблюдение формы сигналов по двум независимым каналам в режиме реального времени с частотой дискретизации до 50 МГц (в стробоскопическом режиме с эквивалентной частотой дискретизации до 1 ГГц);

- измерение амплитудных и временных характеристик сигналов с помощью курсоров;

- автоматическую настройку на параметры сигнала;

- спектральный анализ выделенного участка сигнала с помощью прямого и обратного преобразования Фурье;

- запись в файлы, чтение данных из файлов;

- возможность сохранения и считывания настроек прибора.

Действие цифровых генераторов (в том числе и виртуальных) основано на принципе формирования чи­слового кода с последующим преобразованием его в аналоговый сигнал. Помимо генерации сигналов стандартной (синусоидальной, прямоугольной, треугольной, пилообразной и т. д.) формы многие цифровые генераторы обеспечивают возможность вырабатывать сигналы произвольной формы, а также битовые последовательности цифровых сигналов. Пользователь имеет возможность задавать форму сигналов вручную (в графическом, математическом виде или по шаблону, считываемому из файла)

Основные параметры виртуального генератора PCG 10/8016 приведены в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Диапазон частот	0,01 Гц - 1 МГц
Максимальная частота дискретизации	32 МГц
Число разрядов ЦАП	8
Тип интерфейса ПЭВМ	LPT
Диапазон размаха сигнала	от 100 мВ до 10 В при нагрузке 600 Ом
Коэффициент гармоник	менее 0,08 %
Выходной импеданс	50 Ом
Источник питания	адаптер 12 В/800 мА

ХОД РАБОТЫ

1. Собрать схему для измерения параметров сигналов согласно рис. 20.

Рис. 20

2. Выполнить подготовку НЧ-генератора, генератора импульсных сигналов и ПЭВМ к работе в соответствии с требованиями их технических описаний.

3. Подготовить к работе осциллограф PCS 500. Для этого включить прибор в розетку и запустить его программное обеспечение на ПЭВМ. Для запуска программного обеспечения осциллографа PCS 500 необходимо выбрать файл Pc_Lab2000se в меню «Пуск». При запуске программного обеспечения на экране ПЭВМ появится окно, представленное на рис. 21. В указанном окне на панели LPT-Devices необходимо выбрать пункт PCS 500, после чего нажать кнопку OK. После выполнения перечисленных действий на экране можно увидеть окно, показанное на рис. 22. Для просмотра входных сигналов в данном окне необходимо нажать кнопку Run.

Рис. 21

Рис. 22

4. При частоте напряжения на выходе НЧ-генератора 1 кГц измерить 10-15 значений напряжения (на входе CH1) в диапазоне от 0 до 10В и занести результаты измерений в таблицу 7.3.

5. При частоте напряжения на выходе генератора импульсных сигналов 1 кГц измерить 10-15 значений напряжения (на входе CH2) в диапазоне от 0 до 10 В и занести результаты измерений в таблицу 7.3.

Таблица 7.3

№	Показания осциллографа (амплитуда сигнала)		Абсолютная погрешность (вход CH2) ΔU=Um–Ux, В	Относительная погрешность, %
	Um, В (вход CH1)	Um, В (вход CH2)

6. Для результатов измерения напряжения импульсных сигналов рассчитать значения абсолютной и относительной погрешности. В качестве действительного значения напряжения использовать показания индикатора генератора импульсных сигналов U_x. Результаты расчетов занести в табл. 7.3.

7. При частоте напряжения на выходе импульсного генератора 1 кГц измерить 10-15 значений длительности импульсов. Результаты занести в таблицу 7.4.

Таблица 7.4

№	Длительность импульсов (по генератору) τx, с	Показания осциллографа τ, с	Абсолютная погрешность Δτ=τ–τx , с	Относительная погрешность, %

Определить абсолютную и относительную погрешности измерения длительности импульсов, принимая за действительные показания индикатора генератора импульсных сигналов. Результаты занести в таблицу 7.4.

8. Выполнить спектральный анализ сигналов, поданных на каналы CH1 и СH2. Для этого в окне управления осциллографа PCS 500 необходимо выбрать пункт Spectrum Analyzer. На экране компьютера появится окно, представленное на рис. 23. В данном окне будет отображен текущий спектр сигнала, присутствующего на одном из входных каналов (на рис. 23 представлен текущий спектр канала CH1). Для получения изображения спектра сигнала, поданного на канал CH2 необходимо нажать кнопку ON под надписью СH2.

9. Произвести запись фрагмента сигнала и сохранить записанные данные на жестком диске ПЭВМ. Для записи сигнала необходимо в окне управления осциллографа PCS 500 выбрать пункт Transient Recorder. Данное действие приведет к появлению окна, представленного на рис. 24. Запись сигнала выполняется нажатием кнопки Run. Повторное нажатие кнопки Run останавливает процесс записи сигналов. Для сохранения записанных данных следует выбрать пункт меню File, затем пункт Save Data…, после чего программное обеспечение потребует ввести имя текстового файла (*.txt) в котором будут сохранены отсчеты записанных сигналов.

Рис. 23

Рис. 24

Пример содержания текстового файла, хранящего отсчеты двух сигналов приведен ниже.

START: 11.12.2008 22:00:32

STOP : 11.12.2008 22:01:17

TIME STEP:

100 = 1s

VOLTAGE STEP:

CH1: 32 = 5V

CH2: 32 = 5V

N CH1 CH2

0 97 209

1 98 180

2 98 180

3 98 181

4 98 181

5 98 181

6 97 181

7 98 181

8 98 182

9 98 181

10 97 182

11 98 182

12 98 182

… … ….

4093 97 208

4094 98 208

4095 98 209

10. Собрать схему для измерения параметров сигналов согласно рис. 25.

Рис. 25

11. Запустить осциллограф PCS 500 (повторить действия п. 3).

12. Включить ждущий режим запуска осциллографа PCS 500. Для этого в окне на рис. 22 на панели Trigger нажать кнопку On, затем кнопку CH1 и далее кнопку . После этого следует установить требуемый уровень запуска осциллографа путем перемещения указателя в левой части панелиTrigger.

13. Подготовить к работе генератор PCG 10/8016. Для этого включить прибор в розетку и запустить его программное обеспечение на ПЭВМ2. Для запуска программного обеспечения генератора PCG 10/8016 необходимо выбрать файл Pc_Lab2000se в меню «Пуск». При запуске программного обеспечения на экране ПЭВМ2 появится окно, представленное на рис. 21. В указанном окне на панели LPT-Devices необходимо выбрать пункт PCG 10, после чего нажать кнопку OK. После выполнения перечисленных действий на экране можно увидеть окно, показанное на рис. 26.

Рис. 26

14. Запустить генератор в режиме циклической выдачи 32-разрядных кодовых комбинаций. Для этого необходимо в окне на рис. 26 нажать кнопку MORE FUNCT. Данное действие вызовет новое окно, представленное на рис. 27.

Рис. 27

В этом окне следует выбрать кнопку LIB, нажатие которой выведет на экран список файлов библиотеки форм сигналов (рис. 28).

Рис. 28

В данном списке необходимо отметить файл, имитирующий передачу 32-разрядного последовательного кода (имя файла указывается преподавателем) и нажать кнопку «Открыть». После этого в окне на рис. 26 следует задать уровень постоянной составляющей (Offset) равным нулю, размах сигнала (Amplitude) равным 10 В и частоту повторения кодовой комбинации (Frequency) равной 333,33 Гц.

15. С помощью осциллографа PCS 500 измерить длительность передачи единичного элемента кодовой комбинации и амплитуды импульсов положительной и отрицательной полярностей. Результаты измерений занести в табл. 7.5.

16. С помощью осциллографа PCS 500 измерить длительность фронта импульсов. Результаты измерений занести в табл. 7.5.

17. В окне на рис. 26 при неизменных значениях Offset и Amplitude задать частоту повторения кодовой комбинации (Frequency) равной 1333 и 2778 Гц. Для сигналов с указанными частотами повторить действия п. 15-16.

18. Сделать выводы о соответствии значений, измеренных в пп. 15 требованиям рис. 19.

Таблица 7.5

№	Длительность передачи единичного элемента T0, с	Амплитуда импульсов положительной полярности U0, В	Амплитуда импульсов отрицательной полярности U0, В	Длительность фронта импульсов tф , с
1
2
3

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что представляют собой виртуальные измерительные приборы? Какие элементы включаются в их структуру?

2. Какими достоинствами и недостатками обладают виртуальные измерительные приборы по сравнению с автономными микропроцессорными измерительными приборами?

3. Что представляет собой стробоскопический режим наблюдения виртуального осциллографа?

4. Какие вычислительные возможности имеют современные виртуальные осциллографы?

5. Какие наиболее распространенные форматы файлов используются для сохранения сигналов, записанных с помощью виртуальных осциллографов?

ЛИТЕРАТУРА

1. PC Scopes PCS500, PCS100/K8031: Reference Manual.

2. PC Generator PCG10/K8016: Reference Manual.

3. Метрология и радиоизмерения / Под ред. В. И. Нефедова. – М.: Высш. школа, 2003. – 526 с.

4. Основы измерений в технике связи и стандартизации / Д. А. Титов, Е. Д. Бычков. – Омск: изд-во ОмГТУ, 2008. – 124 c.

ПРИЛОЖЕНИЕ