Лабораторная работа №2

Универсальный цифровой прибор АКИП 4107

Цель работы: Изучение универсального цифрового измерительного прибора АКИП  4107 и приемов работы с ним.

Продолжительность работы – 2 часа.

Описание лабораторной установки.

Универсальный цифровой прибор АКИП 4107 предназначен для исследования электрических сигналов с напряжением не более 20 вольт и с частотами в диапазоне от 0,1 герца до 5 мегагерц. Наличие двух входов дает возможность рассматривать одновременно два независимых электрических сигнала относительно общей точки электрической схемы.

Универсальный цифровой прибор АКИП 4107 подключается к персональному компьютеру через USB кабель, поэтому результаты исследуемых электрических сигналов отображаются на экране монитора персонального компьютера. Гнездо для подключения USB кабеля расположено на задней стороне корпуса прибора АКИП 4107. На передней стороне расположены три стандартных разъема байонетного типа – BNC, которые используются на всех современных осциллографах.

Гнезда CHA и CHB являются входами A и B цифрового осциллографа. Помимо функции цифрового осциллографа прибор АКИП 4107 может выполнять также функции генератора сигналов с частотами от 1 герца до 1 мегагерца. Гнездо SIGNAL OUT является выходом генератора сигналов. Форма сигнала на выходе генератора может быть любой от простого гармонического сигнала до сигнала произвольной формы.

Для совместной работы прибора АКИП  4107 с персональным компьютером на последнем должно быть установлено программное обеспечение, поставляемое с прибором АКИП   4107.

Прибор АКИП 4107 может работать в 3 режимах:

1) режим осциллографа ;

2) режим послесвечения ;

3) режим отображения спектра

По умолчанию после включения активен режим осциллографа.

Внешний вид прибора представлен на рисунке 1.

Рисунок 1

Рабочее задание:

1. Включение и первоначальная настройка прибора АКИП  4107.

2. Измерение периода сигнала на выходе генератора.

3. Измерение среднеквадратического значения сигнала и его амплитуды.

4. Измерение параметров переменного сигнала с постоянной составляющей

Методические указания

По первому пункту задания выполнить следующие действия:

1. Подключить прибор АКИП  4107 к персональному компьютеру с помощью USB кабеля.

2. Включить персональный компьютер и дождаться загрузки операционной системы.

3. Запустить программу PicoScope 6. После запуска программы на экране появляется окно представленное на рисунке 2.

4. Соединить кабелем с двумя разъемами байонетного типа – BNC на обоих концах гнездо SIGNAL OUT с гнездом CHA. Подключение разъемов байонетного типа осуществляется так: «Вставил и зафиксировал, повернув по часовой стрелке на 90 градусов». Отключение производится в обратном порядке: «Снял фиксацию, повернув против часовой стрелки на 90 градусов, и вынул».

Рисунок 2

5. Включить генератор с помощью пиктограммы (рисунок 2). Для этого необходимо мышкой навести курсор на пиктограмму и щелкнуть по ней левой клавишей мышки. В появившемся окне, представленном на рисунке 3, установить галочку в позиции «Сигнал вкл», которая отмечена на рисунке 3 красным карандашом. По умолчанию включается сигнал прямоугольных импульсов с частотой 1 кГц и амплитудой 1 вольт и включается режим автонастройки параметров осциллографа.

Рисунок 3

6. Установить сигнал в соответствии с таблицей заданий по номеру варианта.

№	Форма сигнала	Частота (Гц)	Амплитуда (В)	№	Форма сигнала	Частота (Гц)	Амплитуда (В)
1	синусоидальный	950	0,95	14	наклон вниз	700	0,85
2	прямоугольный	900	0,95	15	наклон вверх	650	0,85
3	треугольный	900	0,95	16	синусоидальный	650	0,8
4	наклон вниз	900	0,95	17	прямоугольный	600	0,8
5	наклон вверх	850	0,95	18	треугольный	600	0,8
6	синусоидальный	850	0,9	19	наклон вниз	600	0,8
7	прямоугольный	800	0,9	20	наклон вверх	650	0,75
8	треугольный	800	0,9	21	синусоидальный	550	0,75
9	наклон вниз	800	0,9	22	прямоугольный	500	0,75
10	наклон вверх	750	0,9	23	треугольный	500	0,75
11	синусоидальный	750	0,85	24	наклон вниз	500	0,75
12	прямоугольный	700	0,85	25	наклон вверх	500	0,75
13	треугольный	700	0,85	26	синусоидальный	450	0,7

7. Выполнить ручную настройку масштаба изображения по вертикальной оси. Для этого щелкнуть мышкой по галочке на пиктограмме в верхнем левом углу (рисунок 2). В появившемся окне масштабов необходимо выбрать масштаб, который будет ближайшим большим значением к заданной амплитуде сигнала. Так, например, если задана амплитуда 0,45 В, то надо выбрать масштаб ±500мВ. Масштаб по вертикальной оси ±500мВ обеспечивает правильное отображение сигнала, амплитуда которого не превысит 0,5 вольта. Если по какой-то причине величина исследуемого сигнала превысит 0,5 В, то экране появится восклицательный знак, предупреждающий о превышении заданного порога чувствительности.

8. Выполнить ручную настройку масштаба изображения по горизонтальной оси. Для этого необходимо вычислить масштаб одной клетки по горизонтали ∆t , исходя из следующего неравенства:

При пользовании этой формулой необходимо помнить, что частота f задается в герцах, а масштаб одной клетки ∆t по горизонтали получается в секундах.

Для выполнения ручной настройки необходимо щелкнуть мышкой по галочке на пиктограмме (рисунок 2). В появившемся окне масштабов необходимо выбрать масштаб, который будет ближайшим меньшим значением к рассчитанному масштабу изображения по горизонтальной оси.

Так, например, если задана частота 900Гц, то по формуле получим ∆t ≤ 0,000476 секунды. Поэтому выбираем масштаб по горизонтали - 200µs/div, т.е. 200 микросекунд на клетку.

9. Переключатель режимов канала А должен быть установлен в положение - DC. В этом режиме можно проводить измерение как переменных сигналов, так и постоянных, поэтому этот режим является универсальным. В режиме AC можно проводить измерение только переменных сигналов.

10. Поскольку канал B сейчас не используется, то он должен быть установлен в положение «Выкл».

По второму пункту задания выполнить следующие действия:

1. Для измерения периода сигнала необходимо выполнить синхронизацию, т.е. сделать так, чтобы изображение было стабильным, т.е. неподвижным. Это можно сделать двумя способами.

2. Во-первых, можно щелкнуть один раз по пиктограмме или по пиктограмме (рисунок 2). Оба действия приводят к прекращению работы осциллографа и изображение останавливается. Повторное нажатие на эти пиктограммы возобновляет работу осциллографа, и изображение вновь становится подвижным. Выполните эти действия по нескольку раз и ответьте на вопрос: «В каких положениях останавливается изображение сигнала относительно координатной сетки?». Ответ запишите в конспект.

3. Во-вторых, можно щелкнуть мышкой по галочке на пиктограмме (рисунок 2) и в выпадающем меню выбрать режим «Авто». В этом случае осциллограф осуществляет постоянную развертку сигнала по горизонтальной оси начиная с того момента, когда напряжение переходит через уровень, отраженный в окошечке . По умолчанию это уровень 0 Вольт.

4. В режиме «Авто» щелкните мышкой сначала по пиктограмме , а затем по пиктограмме и ответьте на вопрос «Как осуществляется развертка сигнала по горизонтали в первом и во втором случаях?» При этом обратите внимание на то, в каком случае сигнал возрастает при прохождении через уровень 0 Вольт, а в каком случае уменьшается. Ответ запишите в конспект.

5. Для того чтобы измерить период сигнала наиболее точно необходимо развертку выполнять из крайней левой точки экрана. По умолчанию развертка сигнала начинается с середины экрана, поэтому в окошечке смещения установлено значение 50% - (рисунок 2) . Установите в окошке смещения значение 0% и ответьте на вопрос: «Куда смещается ромбик желтого цвета, определяющий начало развертки, при нулевом значении?». Ответ запишите в конспект.

6. Если окажется так, что на экране будет более двух периодов, то необходимо растянуть изображение, увеличив масштаб по горизонтали в два раза. Для этого необходимо щелкнуть мышкой по кнопке «+» на пиктограмме в верхней части экрана (рисунок 2). После этого необходимо с помощью ползунка в нижней части экрана передвинуть изображение так, чтобы ромбик желтого цвета оказался в крайнем левом положении.

7. Попробуйте два варианта развертки, нажав сначала на пиктограмму , а затем по пиктограмму . Определите период сигнала в том случае, где он отражается более точно. Результат измерения запишите в конспект.

8. Определите частоту сигнала по формуле:

Сравните полученный результат с заданием и сделайте вывод.

По третьему пункту задания выполнить следующие действия:

1. Для определения величины среднеквадратического значения сигнала необходимо добавить режим определения среднеквадратических значений. Для этого щелкнуть один раз по кнопке «+» на пиктограмме в нижней части экрана (рисунок 2). В появившемся окне (рисунок 4) необходимо щелкнуть мышкой по галочке в окне «Выберите тип измерения».

Рисунок 4

0. В появившемся окне типов измерения (рисунок 5) выбрать сначала тип измерения «Перем. СКЗ», который расположен в самой верхней строчке списка, как показано на рисунке 5. Затем щелкнуть по кнопке ОК.

Рисунок 5

0. Затем повторно еще раз щелкнуть по кнопке «+» на пиктограмме (рисунок 2). В появившемся окне (рисунок 5) необходимо еще раз щелкнуть мышкой по галочке в окне «Выберите тип измерения». В появившемся окне типов измерения (рисунок 6) передвинуть мышкой движок в крайнее нижнее положение и выбрать тип изменения «СКЗ», который расположен в самой нижней строчке списка, как показано на рисунке 6. Затем щелкнуть по кнопке ОК.

Рисунок 6

0. Результат одного из вариантов представлен а рисунке 7.

Рисунок 7

0. Измерения среднеквадратических значений сигнала производятся по 20 выборкам. Это отмечено в столбце «Число захватов». Поскольку на сигнал от генератора накладываются шумы, то значение СКЗ в столбце «Значение» не постоянно и изменяется в младшем разряде. Для оценки среднеквадратического значения сигнала по 20 выборкам мы будем использовать те значения, которые представлены в столбце «Среднее».

1. Величина «Перем. СКЗ» рассчитывается по формуле

,

где - среднее значение сигнала, которое рассчитывается по формуле

.

Термин «Перем. СКЗ» ввели разработчики прибора АКИП  4107 поскольку не используют общепринятую терминологию. Величину σ – необходимо называть среднеквадратическим значением сигнала. В зарубежной литературе используется термин True RMS, что переводится как истинное среднеквадратическое.

В приборах с аналоговой регистрацией сигнала подобные значения получаются при подаче сигнала на «ЗАКРЫТЫЙ ВХОД».

Поэтому величину «Перем. СКЗ» мы будем назвать истинным среднеквадратическим напряжением переменного сигнала. Возможно пояснение: «как на ЗАКРЫТОМ ВХОДЕ осциллографа с электроннолучевой трубкой».

0. СКЗ рассчитывается по формуле

В математике такую величину называют среднеквадратическим значением со смещением. В электротехнике такое значение напряжения называют действующим или эффективным значением переменного напряжения.

В приборах с аналоговой регистрацией сигнала подобные значения получаются при подаче сигнала на «ОТКРЫТЫЙ ВХОД».

Поэтому величину СКЗ мы будем назвать действующим напряжением. Возможно пояснение: «как на ОТККРЫТОМ ВХОДЕ осциллографа с электроннолучевой трубкой».

0. Запишите результаты измерения в конспект по следующей форме:

Истинное среднеквадратическое напряжение σ = _____.

Действующее напряжение U = ______.

Сравните эти две величины и запишите в конспект вывод о том, как соотносятся эти два показателя для переменного напряжения без смещения, т.е. без постоянной составляющей.

По четвертому пункту задания выполнить следующие действия:

1. Установите постоянную составляющую сигнала на генераторе, щелкнув мышкой на пиктограмме (рисунок 7) и в выпадающем меню задайте смещение в соответствии с формулой:

Например, для первого варианта смещение должно быть равно 0,05 В, а для двадцать шестого варианта 1,3 В.

2. Для измерения величины постоянной составляющей необходимо добавить измеряемый параметр «Пост. среднее». Для это щелкаем мышкой по кнопке «+» пиктограммы и в выпадающем меню выбираем пункт «Пост. среднее».

3. Выполнить измерения трех параметров: истинного среднеквадратичного значения (Перем.СКЗ), действующего значения (СКЗ) и постоянной составляющей. Значения брать из столбца «Среднее».

4. Запишите результаты измерения в конспект по следующей форме:

Истинное среднеквадратическое напряжение σ = _____.

Действующее напряжение U = ______.

Постоянная составляющая Δ = ______.

Сравните эти две величины U и σ, запишите в конспект вывод о том, как соотносятся эти два показателя для переменного напряжения со смещением, т.е. с постоянной составляющей

Контрольные вопросы:

1. Какого типа сигнал поступает на входы CHA и CHB?

2. Каков диапазон частот можно подавать на входы CHA и CHB?

3. Какого назначение вывода SIGNAL OUT и каков диапазон частот на этом выводе?

4. Какая форма сигнала может быть на выводе SIGNAL OUT?

5. Напишите формулу для определения истинного среднеквадратического значения?

6. Напишите формулу среднего значения сигнала?

7. Напишите формулу для действующего значения напряжения.