ЛБ_1_осциллограф

2

Составитель: к.ф.-м.н., доцент А.В. Егоров

Исследование периодических сигналов с помощью цифрового осциллографа. Методические указания к выполнению лабораторной работы / Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2009. - 11 с.

Методические указания к выполнению лабораторной работы «Исследование периодических сигналов с помощью цифрового осциллографа» по курсу «Методы и средства измерений» предназначены для студентов 3 курса по специальности: 090105.65 — Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем.

Печатается по решению кафедры прикладной физики, электроники и информационной безопасности и учебно-методической комиссии физикотехнического факультета.

Рецензент: к.ф.-м.н., доцент А.В. Головин

3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы: Ознакомиться с основными методами измерения параметров периодических сигналов с использованием цифрового осциллографа.

Оборудование: Цифровой осциллограф АСК 2062, генератор сигналов специальной формы GFG 8219A.

Теоретические сведения

Сигналы постоянного тока полностью определяются их величиной и полярностью. Измерять параметры сигналов переменного тока намного сложнее. Для извлечения максимума информации о переменном сигнале необходимо получить ряд его выборок с частотой дискретизации, выбранной в соответствии с теоремой Шеннона, которая должна быть как минимум вдвое выше максимальной частоты спектра сигнала. После обработки полученного набора значений можно получить некоторую совокупность параметров, описывающих исходный сигнал.

Для определения величины сигнала (тока или напряжения) используется три параметра – пиковое, средневыпрямленное и эффективное (среднеквадратичное) значения.

Пиковое значение Eп определяется как максимальное значение амплитуды или пика, или как размах сигнала.

Под средневыпрямленным значением понимается среднее значение выпрямленного сигнала переменного тока, т.е.

4

больше периода сигнала.

Среднеквадратичное значение является наиболее важным параметром для определения величины сигнала. Этот параметр равен корню квадратному из среднего значения квадрата сигнала и определяется следующим выражением:

Важность измерения Eэфф объясняется следующими причинами

• Это наиболее распространенный способ определения величины сигнала переменного тока; если не оговорено иное, то всегда

как эквивалентные постоянные напряжение или ток, которые при взаимодействии на один и тот же резистор выделяют столько же тепла, что и измеряемый сигнал переменного тока.

• Среднеквадратичное значение удобно использовать при анализе случайных процессов; например, для любого стационарного случайного сигнала с нулевым среднем значением (в частности белого шума) значение равно его дисперсии

• При суммировании двух ортогональных или некоррелированных сигналов, например двух независимых источников шума, среднеквадратичное значение суммы сигналов равно корню квадратному из суммы квадратов Eэфф отдельных сигналов.

Обычно для уточнения параметров исследуемого сигнала определяются

5

всплеск электрического напряжения или силы тока в определённом, конечном временном промежутке. Важной характеристикой импульсов является их форма, визуально наблюдать которую, можно, например, на экране осциллографа. В общем случае форма импульсов имеет следующие составляющие: фронт — начальный подъём, относительно плоская вершина (не для всех форм) и срез (спад) — конечный спад напряжения. Существует несколько типов импульсов стандартных форм, имеющих относительно простое математическое описание, например, прямоугольные импульсы (наиболее распространённый тип), пилообразные, треугольные импульсы и ряд других.

В общем случае импульсы характеризуются двумя основными параметрами — амплитудой (размахом) и длительностью . Длительность пилообразных и треугольных импульсов определяется по основанию (от начала изменения напряжения до конца), для остальных типов импульсов длительность принято брать на уровне напряжения 50% от амплитуды, для колокольных импульсов иногда используется уровень 10%, длительность искусственно синтезированных колокольных импульсов (с чётко выраженным основанием) и полуволн синусоиды часто измеряется по основанию. Для разных типов импульсов существуют дополнительные параметры, уточняющие форму или характеризующие степень её неидеальности. Например, для описания неидеальности прямоугольных импульсов используются такие параметры, как, длительности фронта и среза (в идеале должны стремиться к нулю), неравномерность вершины, а также размер выбросов напряжения после фронта и среза, возникающих в результате паразитных процессов.

Чередующиеся друг за другом импульсы образуют импульсную последовательность. Последовательности подразделяются на периодические и непериодические. Периодические последовательности представляют собой ряд одинаковых импульсов, повторяющихся через строго одинаковые интервалы времени. Длительность интервала называется периодом повторения T . Величина, обратная периоду — частотой повторения

дополнительно применяются ещё две однозначно взаимосвязанных друг с другом параметра: скважность (отношение периода к длительности импульса) и коэффициент заполнения — обратная скважности величина; иногда коэффициент заполнения используют и для характеристики квазипериодической и случайной последовательностей, в этом случае он равен среднему отношению суммы длительностей импульсов за достаточно большой промежуток времени к длительности этого промежутка.

Для определения частотного состава измеряемого сигнала проводят его спектральный анализ. Преобразование Фурье является математической основой, которая связывает временной или пространственный сигнал (или же некоторую модель этого сигнала) с его представлением в частотной области. В частности, спектральный анализ периодических функций заключается в

(косинусоид). применяются также ряды с синусом под знаком суммы.

7

Для визуализации электрических сигналов, а также определения их параметров в реальном времени в последнее время широко применяют цифровые осциллографы. Цифровой осциллограф - это контрольноизмерительный прибор, представляющий собой конструктивное объединение аналогового осциллографа и электронно-вычислительной машины. С его помощью можно не только отображать характеристику напряжения в реальном времени, но и выполнять различные математические операции: складывать и вычитать сигналы в разных каналах, растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и ряд других операций.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа

Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа представлена на рис.1. Входной сигнал u t проходит через масштабирующее устройство МУ (усилитель и делитель напряжения) и попадает в аналого-цифровой преобразователь АЦП. Задача этого звена – заменить полученную зависимость дискретной последовательностью кодовых слов N i (мгновенных значений ui этого напряжения). Полученное кодовое слово записывается оперативным запоминающим устройством ОЗУ, при этом, все предыдущие записанные отсчеты сдвигаются на одну ячейку. Если ОЗУ состоит из М ячеек, то в нем, постоянно обновляясь, содержится М последних кодовых слов. Так продолжается до тех пор, пока не будет

8

выполнено некое заданное условие. После этого, содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство ЗУ, где

которое находится в этой ячейке. Для задания режимов измерений служат органы управления ОУ (кнопки и ручки на передней панели осциллографа), а синхронизация работы отдельных узлов осуществляется встроенным микроконтроллером К.

Частоту дискретизации (частоту «выборок») можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развертки в аналоговых осциллографах.

Для изменения масштаба по вертикали, как и в аналоговых осциллографах, можно изменять коэффициенты усиления или деления соответственно входного усилителя или делителя напряжения.

В большинстве цифровых осциллографах присутствует режим курсорных измерений, позволяющий производить амплитудные или временные измерения путем установки вертикальных или горизонтальных курсоров в нужные точки осциллограммы. Например, при амплитудных измерениях можно определить значение размаха или разности напряжений, а при временных измерениях - разность значений по оси времени.

Задание

1.Подготовка осциллографа к работе

a)С помощью кнопки «UTILITY» установите для осциллографа русский язык

b)Подключите первый канал осциллографа к пробнику.

c)С помощью кнопки «CH1» включите первый канал, остальные каналы должны быть отключены (т.е. только кнопка «CH1» должна иметь зеленый цвет).

9

d)Установите в меню канала «CH1» ослабление 10Х.

e)Нажмите кнопку «AUTO».

f)С помощью отвертки отрегулируйте подстроечный конденсатор на пробнике до получения правильной формы меандра (на дисплее должен отображаться прямоугольный сигнал правильной формы).

2.Измерение характеристик сигнала.

a)Подключите к первому каналу генератор сигналов специальной формы, установив на нём прямоугольный тип сигнала.

b)Нажмите на осциллографе кнопку «AUTO» для автоматического определения настроек горизонтальной и вертикальной систем входного сигнала.

c)С помощью меню «MEASURE» запустите режим автоизмерений и отобразите на дисплее размах входного сигнала, действующее напряжение (для этого необходимо зайти в подменю напряжение и выбрать соответствующие пункты), а также частоту и скважность входного сигнала (подменю время).

d)Сохраните полученное изображение на USB-накопитель. Для этого вставьте USB-накопитель в соответствующий разъём, нажмите кнопку «SAVE/LOAD», выберите пункт «Внешнее ЗУ».

e)Занесите данные измерений в таблицу и повторите измерения для треугольных и гармонических сигналов. Обязательно сохраняйте изображения для каждого случая.

3.Спектральный анализ сигнала.

a)Подключите к первому каналу генератор сигналов специальной формы, установив на нём прямоугольный тип сигнала с заданной амплитудой, частотой и скважностью (значения получить у преподавателя). Для изменения скважности сигнала вытяните ручку «DUTY» на лицевой панели генератора и путем поворота установите необходимое значение.

10

b)Выполните быстрое преобразование Фурье над входным сигналом. Для этого активируйте режим «MATH» путем нажатия соответствующей кнопки, в появившемся меню выберите арифметическую операцию «FFT», дисплей - «2 окна», источник - «первый канал», тип окна - «Hanning», вертикальная шкала - «V RMS».

c)Сохраните полученное изображение на внешнее ЗУ.

d)Установите такую частоту дискретизации (SA), чтобы гармоники на экране дисплея были хорошо видны. Для выполнения этой операции

g)С помощью курсорных измерений измерьте какой частоте соответствует каждая гармоника. Для этого выберите «CURSOR»,

установите режим вручную, источник FFT, тип курсора время, выйдите из меню. На дисплее появится таблица с полями X1, X2,X , после чего должен загореться индикатор Плавно передвигайте курсор с помощью переключателя, расположенного

рядом с индикатором.

h) Представьте все измеренные результаты в таблице.