Laboratorium Podstaw Pomiarów

Transkrypt

1 Laboratorium Podstaw Pomiarów Ćwiczenie 3 Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Instrukcja Opracował: dr inż. Grzegorz Tarapata Instytut Systemów Elektronicznych Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechnika Warszawska Warszawa 2017 v. 4.1

2 Ćwiczenie 3 Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z oscyloskopem cyfrowym. W ćwiczeniu zostaną zaprezentowane głównie zagadnienia związane z pomiarami parametrów napięciowych sygnałów elektrycznych za pomocą oscyloskopu. 2. Tematyka ćwiczenia zapoznanie się z podstawowymi funkcjami oscyloskopu, pomiary parametrów napięciowych różnych sygnałów elektrycznych, wykorzystanie cyfrowego przetwarzania sygnału: uśredniania i filtracji. 3. Umiejętności zdobywane przez studentów: umiejętność poprawnego dołączenia oscyloskopu do badanego obwodu i uzyskania stabilnego obrazu w trybie pracy jednokanałowej, umiejętność posługiwania się podstawowymi funkcjami oscyloskopu cyfrowego związanych z obsługą toru Y, umiejętność pomiaru podstawowych parametrów napięciowych sygnałów stałych i zmiennych. 4. Teoria Oscyloskop jest jednym z podstawowych i najbardziej uniwersalnych przyrządów wykorzystywanych przez inżyniera elektronika. Oprócz możliwości obserwacji kształtów sygnałów elektrycznych, umożliwia także pomiary praktycznie dowolnych parametrów napięciowych oraz czasowych. Historycznie, pierwsze były oscyloskopy analogowe, obecnie na szeroką skalę są wykorzystywane oscyloskopy cyfrowe. Główna różnica pomiędzy oscyloskopem analogowym a cyfrowym związana jest ze sposobem rejestrowania i wyświetlania obrazu na ekranie przyrządu. Poza tym ich obsługa w zakresie podstawowego wykorzystania niczym się nie różni. W oscyloskopie analogowym obraz powstaje poprzez pobudzenie luminoforu wiązką elektronów, której położenie jest sterowane w sposób ciągły sygnałem obserwowanym oraz sygnałem pochodzącym z generatora tzw. podstawy czasu. Ruch wiązki elektronów w osi Y zależny jest od zmian chwilowej wartości napięcia badanego sygnału, natomiast ruch w osi X zwykle jest sterowany narastającym liniowo sygnałem piłokształtnym z wewnętrznego generatora podstawy czasu. Generator ten startuje (umożliwia wyświetlenie sygnału na ekranie) dopiero wtedy, kiedy otrzyma specjalny sygnał wyzwalający (ang. Trigger). Odpowiedzialny jest za to tzw. układ wyzwalania podstawy czasu. W związku z tym Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 2

3 w oscyloskopie analogowym nie można zaobserwować sygnału przed momentem wyzwolenia, a sygnał rysowany jest od lewej strony ekranu, wraz ze wzrostem napięcia generatora podstawy czasu. Zmniejszenie napięcia generatora podstawy czasu do wartości początkowej oznacza powrót wiązki elektronów (plamki) do lewej strony ekranu i cały cykl rysowania przebiegu zaczyna się od początku. W oscyloskopie cyfrowym proces prezentacji sygnału na ekranie jest odmienny. Badany sygnał jest próbkowany i zamieniany na postać cyfrową w sposób ciągły, a wartości kolejnych próbek zapisywane są do pamięci oscyloskopu. Dopiero po zebraniu odpowiedniej ich liczby, próbki te są przetwarzane, a następnie generowany jest obraz do wyświetlenia na ekranie oscyloskopu. Wynika stąd, że oscyloskop analogowy może wyświetlać obraz tylko w czasie rzeczywistym, natomiast oscyloskop cyfrowy pracuje z opóźnieniem. Dodatkowo, w oscyloskopie cyfrowym moment wyzwolenia zazwyczaj ustawiany jest na środku osi X. Oznacza to, że próbki z lewej strony od punktu wyzwolenia zostały zarejestrowane przed wyzwoleniem podstawy czasu. Jest to możliwe dzięki ciągłej rejestracji badanego sygnału i zapisywaniu go w pamięci, natomiast moment wyzwolenia wybierany jest arbitralnie. Przykładowy obraz ekranu oscyloskopu cyfrowego został pokazany na Rys Na ekranie widać przebiegi dwóch sygnałów oraz podstawowe informacje dotyczące ustawień oscyloskopu niezbędne do właściwej interpretacji widocznych przebiegów. Stan układu akwizycji Okno obserwowanego sygnału w pamięci próbek Punkt wyzwalania w pamięci Tryb i kanał wyzwalania Przebieg z kanału CH1 Ekranowe menu kontekstowe Poziom odniesienia dla kanału CH1 Przebieg z kanału CH2 Poziom odniesienia dla kanału CH2 Stała oscyloskopu toru Y i sprzężenie kanału CH1 Stała oscyloskopu toru Y i sprzężenie kanału CH2 Stała oscyloskopu toru X (podstawa czasu) Rys Ekran oscyloskopu cyfrowego w pracy dwukanałowej z dwoma obserwowanymi sygnałami Położenie i wygląd przebiegów sygnałów wejściowych można w pewnym zakresie zmieniać (przesuwać w poziomie i pionie, rozciągać itp.). Jest to przydatne w sytuacji, gdy chcemy uzyskać czytelniejszy obraz, ułatwić operatorowi pomiary, a przede Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 3

4 wszystkim zwiększyć dokładność pomiarów. Położenie obrazów sygnałów na ekranie można przesuwać wzdłuż osi X i Y za pomocą pokręteł POSITION w sekcjach panelu sterowania VERTICAL oraz HORIZONTAL (Rys. 3.2) Sekcje te, zgodnie z nazwą, odpowiedzialne są za ustawienia oscyloskopu odpowiednio dla toru pionowego (związanego z parametrami napięciowymi) oraz poziomego (dla parametrów czasowych). Menu funkcji użytkowych Blok toru Y kanałów CH1 i CH2 Blok układu wyzwalania Blok toru X Wejścia kanałów CH1 i CH2 Wyjście kalibratora sondy pomiarowej Rys Panel kontrolny oscyloskopu cyfrowego Rigol DS 1052E Dokonując pokrętłem POSITION regulacji w osi Y należy zauważyć, że zmieniamy w ten sposób położenie poziomu napięcia odniesienia. Poziomem tym jest zwykle poziom masy GND, który na ekranie oscyloskopu jest zaznaczony strzałką z lewej strony ekranu. Każdy kanał oscyloskopu posiada niezależnie ustawiane położenie poziomu masy, co jest zasygnalizowane kolorem strzałki zgodnym z kolorem dla danego toru. Poza przesuwaniem obrazu po ekranie, można również zmieniać skalę obrazu w obu osiach. Do tego celu służą pokrętła SCALE odpowiednio w sekcjach VERTICAL i HORIZONTAL. Zmiana skali w osi Y związana jest ze zmianą wzmocnienia sygnału, wyrażonego przez stałą CY oscyloskopu dla toru Y danego kanału. Stała CY wyrażona jest w woltach na działkę. Natomiast zmiana skali w osi X jest związana ze zmianą tak zwanej podstawy czasu, wyrażonej przez stałą CX oscyloskopu dla toru X. Jest ona wyrażona w jednostkach czasu na działkę. Przy zmianie podstawy czasu zmienia się też częstotliwość próbkowania badanego sygnału. Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 4

5 Układy wejściowe oscyloskopów Sygnał jest doprowadzany do obwodów wejściowych oscyloskopu poprzez układ sprzężenia. Każdy oscyloskop posiada trzy typy sprzężenia (ang. Coupling): GND przy tym ustawieniu obwody wejściowe oscyloskopu dołączone są do masy. Umożliwia to dokładne ustawienie poziomu odniesienia na ekranie, przy czym operacja ta jest całkowicie bezpieczna dla źródła obserwowanego sygnału (zwarcie obwodu wejściowego wzmacniacza do masy odbywa się przy jednoczesnym odłączeniu gniazda wejściowego oscyloskopu). AC gniazdo wejściowe i tor Y oscyloskopu połączone są za pomocą szeregowego kondensatora o dużej pojemności. Ponieważ kondensator dla napięcia stałego stanowi rozwarcie, obserwowany na ekranie sygnał będzie zawierał tylko składową zmienną. Składowa stała zostanie odcięta. DC gniazdo wejściowe i tor Y oscyloskopu połączone są ze sobą galwanicznie, czyli przewodem. W związku z tym na ekranie oscyloskopu można oglądać oryginalny sygnał zawierający zarówno składową stałą jak i zmienną. Typ sprzężenia można ustawiać niezależnie dla każdego kanału z poziomu menu kontekstowego po naciśnięciu przycisku CH1 lub CH2 w sekcji VERTICAL. Pomiary parametrów napięciowych Pomiary oscyloskopem są stosunkowo proste i w ujęciu klasycznym polegają na pomiarze długości odpowiednich odcinków lub przesunięcia obserwowanego przebiegu od ustalonego położenia odniesienia. Za pomocą oscyloskopu można mierzyć parametry sygnałów stałych jak i zmiennych. Wykonując pomiary napięć lub czasów, z ekranu odczytujemy zawsze długości odpowiednich odcinków. Długości te są wyrażone w działkach [dz]. Tak więc wszelkie pomiary parametrów napięciowych czy też czasowych mają charakter pośredni. Aby otrzymać końcowy wynik, zmierzone długości należy pomnożyć przez wartość stałej CY oscyloskopu dla toru Y lub stałej CX oscyloskopu dla toru X (podstawy czasu). W celu ułatwienia użytkownikowi pomiarów parametrów za pomocą długości odcinków oscyloskopy cyfrowe wyposażone są w funkcje kursorów. Za ich pomocą można w prosty sposób wykonywać pomiary dowolnych wielkości związanych z osią Y (pomiary parametrów napięciowych) i osią X (pomiary parametrów czasowych). Wynik takiego pomiaru w postaci cyfrowej wyświetlany jest na ekranie oscyloskopu. Jest on równy różnicy położenia obu kursorów z uwzględnieniem wartości ustawionych stałych CY i CX. Kursory uaktywnia się używając przycisku Cursor w sekcji MENU. Przyciskami w menu kontekstowym, pojawiającym się po prawej stronie ekranu, należy wybrać tryb ręczny ( Mode: Manual ) oraz odpowiedni typ kursora (np. Type: Y ). Typ Y Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 5

6 L [dz] Laboratorium Podstaw Pomiarów wywołuje kursory poziome dla pomiarów napięciowych (oś Y), natomiast typ X kursory pionowe dla pomiarów czasowych (oś X). Do wyboru aktywnego kursora służy odpowiedni przycisk w menu kontekstowym na ekranie, natomiast położenie kursora jest sterowane pokrętłem ( ). Obok trybu ręcznego, do kontrolowania położenia kursorów można używać trybu śledzenia ( Mode: Track ). Wówczas kursory poruszają się tylko po śladzie obserwowanego sygnału i umożliwiają odczyt położenia jednocześnie w osiach X i Y. Pomiary napięć stałych Pomiary napięć stałych za pomocą oscyloskopu wykonuje się przy ustawieniu sprzężenia DC dla wykorzystywanego kanału (np. dla kanału CH1 trzeba nacisnąć przycisk CH1, a następnie z menu kontekstowego na ekranie oscyloskopu wybrać pozycję DC w sekcji COUPLING). W przypadku pomiarów napięć dodatnich należy ustawić położenie poziomu odniesienia (odpowiadającego napięciu równemu zeru) w dolnej części ekranu jak na Rys. 3.3 (lub w górnej części dla napięć ujemnych). Po doprowadzeniu sygnału oraz ustawieniu odpowiedniej wartości stałej CY dla toru Y, należy odczytać długość odcinka L. Poziom odniesienia (masy) Rys Pomiar napięcia stałego Wynik pomiaru napięcia stałego będzie iloczynem zmierzonej długości odcinka L oraz stałej CY oscyloskopu dla toru Y: U = L C Y (3-1) Przy założeniu, że w przedstawionym przykładzie stała oscyloskopu dla toru Y wynosi CY = 2 V/dz, a odległość L = 4,5 dz, zmierzone napięcie będzie wynosiło U = 9,0 V. Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 6

7 Pomiary parametrów napięć zmiennych W przypadku napięć zmiennych możliwy jest pomiar zarówno składowej stałej, jak i składowej zmiennej sygnału. Pomiary amplitudy sygnału wykonujemy przy sprzężeniu AC dla wybranego kanału. W przypadku sygnału sinusoidalnego (Rys. 3.4) pomiar amplitudy polega na pomiarze długości odcinka L odpowiadającego wartości międzyszczytowej i podzieleniu wyniku przez dwa: gdzie CY jest stałą oscyloskopu dla toru Y wybranego kanału. U m = U pp 2 = L 2 C Y (3-2) YMAX YMIN Rys Pomiar napięcia międzyszczytowego sygnału sinusoidalnego Często zdarza się, że obserwowany sygnał zmienny (np. sinusoidalny) posiada składową stałą UO (Rys. 3.5). Aby to zweryfikować, należy dokonać obserwacji sygnału dla dwóch rodzajów sprzężenia: AC oraz DC. Potwierdzeniem istnienia składowej stałej będzie przesunięcie obrazu sygnału w górę lub w dół przy zmianie rodzaju sprzężenia. UO L1 [dz] L2 [dz] L [dz] Rys Pomiar składowej stałej UO napięcia zmiennego Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 7

8 Mierząc to przesunięcie można w prosty sposób wykonać pomiar wartości składowej stałej napięcia. Aby ułatwić pomiar należy ustawić charakterystyczny punktu sygnału (np. odpowiadający wartości minimalnej) równo z wybraną linią siatki osi Y, a następnie zmienić rodzaj sprzężenia. Zmierzone przesunięcie oscylogramu pomnożone przez wartość stałej CY będzie równe napięciu składowej stałej UO. Inny, trochę bardziej skomplikowany sposób pomiaru napięcia UO polega na wybraniu sprzężenia DC, dobraniu wartości stałej CY tak, aby widoczny był cały sygnał, a następnie zmierzeniu długości odcinków L1 oraz L2 względem poziomu odniesienia zgodnie z Rys Wartość składowej stałej wyznacza się wówczas z zależności U o = L 1 + L 2 2 C Y (3-3) Pomiary sygnałów o małych amplitudach oraz sygnałów zaszumionych Omówione wcześniej przypadki pomiarów napięć dotyczą sygnałów laboratoryjnych, które z reguły nie zawierają zakłóceń. W praktyce jednak bardzo często spotyka się sygnały zniekształcone lub zaszumione, jak np. sygnał przedstawiony na Rys. 3.6a. Przeważnie są to sygnały o małych amplitudach rzędu mv. a) b) kursory osi Y Rys Przykładowy sygnał zaszumiony a) oryginalny, b) wygładzony za pomocą funkcji uśredniających Szum zwiększa wartość międzyszczytową napięcia, dlatego pomiar amplitudy sygnału poprzez pomiar napięcia międzyszczytowego jest obarczony błędem. Wykonując taki pomiar ręcznie, intuicyjnie uśredniamy szum i mierzymy odległość pomiędzy uśrednioną wartością maksymalną a uśrednioną wartością minimalną (zgodnie z położeniem kursorów przedstawionym na Rys. 3.6a). Dzięki temu możemy uzyskać mniejszy błąd pomiaru. W celu przeprowadzenia bardziej precyzyjnego pomiaru można skorzystać z wbudowanej funkcji cyfrowego uśredniania sygnału. W przypadku, gdy obserwowany sygnał jest zaszumiony, a szum ma charakter losowy, można spróbować go zredukować stosując filtrację uśredniającą. Funkcja ta jest dostępna w sekcji MENU po naciśnięciu przycisku Acquire. W menu kontekstowym Acquire należy aktywować funkcję Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 8

9 uśredniającą wybierając opcję Acquisition: Average, a następnie wybrać stopień uśredniania Averages z wykorzystaniem od 2 do 256 przebiegów. Jednak im wyższy jest stopień uśredniania, tym dłuższy jest czas oczekiwania na odświeżenie ekranu. Na Rys. 3.6b przedstawiono rezultat operacji uśredniania dla sygnału z Rys. 3.6a. Automatyczne funkcje pomiarowe oscyloskopu cyfrowego Poza klasycznym podejściem do pomiarów na podstawie obserwacji kształtu sygnału, oscyloskop cyfrowy umożliwia również pomiary automatyczne. W oscyloskopie Rigol możliwy jest automatyczny pomiar 10 parametrów napięciowych i 12 parametrów czasowych. Znajdują się one w sekcji MENU po naciśnięciu przycisku Measure. Za pomocą przycisków menu kontekstowego z prawej strony ekranu oraz pokrętła ( ) można wybrać wymagane wielkości dostępne z klasy Voltage oraz Time. Dostępne są m.in. pomiary takich parametrów jak: Vpp napięcie międzyszczytowe różnica napięć pomiędzy wartością maksymalną a minimalną sygnału (Rys. 3.7) V pp Rys Wizualizacja działania funkcji pomiarowej parametru Vpp Vamp amplituda sygnału zgodnie z definicją z Rys Dla sygnałów sinusoidalnych wyjątkowo oznacza to wartość napięcia międzyszczytowego. V amp Rys Wizualizacja działania funkcji pomiarowej parametru Vamp Vavg wartość średnia sygnału. Należy jednak zaznaczyć, że wartości parametrów mierzonych za pomocą funkcji automatycznych wyznaczane są na podstawie próbek widocznych na ekranie. Dlatego wyniki zależą od ustawień oscyloskopu. Dodatkowo oscyloskop umożliwia automatyczne pomiary innych parametrów napięciowych sygnałów, takich jak: Vmax, Vmin, Vtop, Vbase, Vrms, Overshoot, Preshoot. Dokładny opis tych parametrów znajduje się w instrukcji obsługi oscyloskopu. Sonda pomiarowa Każdy oscyloskop charakteryzuje się stosunkowo dużą rezystancją wejściową i małą pojemnością wejściową. Wartości te dla oscyloskopu Rigol DS 1052E wynoszą Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 9

10 odpowiednio Rwe = 1 MΩ i Cwe = 18 pf. Należy jednak pamiętać, że koncentryczny przewód pomiarowy, wykorzystywany do doprowadzenia sygnału, także charakteryzuje się pewną pojemnością. Przykładowo, przewód koncentryczny o długości 1 m ma pojemność około 100 pf. Razem z pojemnością wejściową oscyloskopu daje to wartość około 118 pf. Jeżeli dokonujemy obserwacji sygnału o niewielkiej częstotliwości, to impedancja oscyloskopu pozostaje stosunkowo duża i w przybliżeniu równa Rwe. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału impedancja ta znacznie spada. Przykładowo dla f = 10 MHz, impedancja ta wynosiłaby zaledwie 135 Ω. Biorąc pod uwagę ten fakt oraz to, że sygnał pomiarowy może pochodzić ze źródła o dużej rezystancji wyjściowej (porównywalnej z Rwe oscyloskopu) błąd pomiaru napięcia oscyloskopem może być znaczny. Aby zminimalizować wpływ dużej rezystancji wyjściowej źródła i zwiększyć impedancję toru wejściowego oscyloskopu, stosuje się sondy pomiarowe. Impedancja wejściowa oscyloskopu wraz z impedancją przewodu koncentrycznego jest połączona szeregowo z impedancją sondy. Tworzy się więc dzielnik napięcia pokazany na Rys Zmniejsza on pojemność wejściową i zwiększa rezystancję wejściową toru oscyloskopu widzianą przez źródło. W wyniku tego zwiększa się impedancja toru wejściowego oscyloskopu. Stosując sondę, która zwiększa dziesięciokrotnie impedancję toru wejściowego oscyloskopu (x10) widzianą od strony źródła, uzyskujemy dziesięciokrotnie mniejszy sygnał na wejściu oscyloskopu (wskutek działania dzielnika). Efekt ten można uwzględnić, ustawiając dziesięciokrotnie mniejszą stałą CY dla toru Y i otrzymany wynik pomiaru napięcia pomnożyć przez 10. W oscyloskopie cyfrowym jest jednak wygodniejszy sposób działania w menu kontekstowym dla danego kanału trzeba ustawić właściwą dla sondy wartość tłumienia: CH1 Probe: 10X. Dzięki temu wyniki pomiarów automatycznych oraz uzyskanych za pomocą kursorów będą miały prawidłowe wartości. Sonda R 1 9 MΩ kabel koncentryczny Oscyloskop C 1 C o R o 1 MΩ Rys Uproszczony schemat zastępczy toru wejściowego oscyloskopu z dołączoną sondą pomiarową Należy także podkreślić, że stopień podziału dzielnika napięcia utworzonego przez sondę pomiarową oraz impedancję wejściową oscyloskopu nie powinien zależeć od częstotliwości sygnału. Oznacza to, że sygnały o różnych częstotliwości muszą być tłumione w takim samym stopniu. W tym celu przed użyciem sondy pomiarowej należy sprawdzić, czy jest ona skompensowana. Wykonuje się to za pomocą prostokątnego sygnału kalibracyjnego. Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 10

11 Warunkiem kompensacji sondy dla schematu z Rys. 3.9 jest spełnienie zależności gdzie Ck oznacza pojemność przewodu koncentrycznego. R 1 C 1 = R 0 (C 0 + C k ) (3-4) Sygnał prostokątny o częstotliwości 1 khz do kalibracji sondy pomiarowej dostępny jest w każdym oscyloskopie (Rys. 3.2). Dołączając sondę do kalibratora oraz kręcąc wbudowanym w sondzie pokrętłem (zmieniając pojemność C1) należy ustawić na ekranie oscyloskopu obraz jak najbardziej zbliżony do prostokątnego. Na Rys pokazano przykładowe oscylogramy związane z procesem kalibracji sondy pomiarowej. źle dobrze źle Rys Kompensacja sondy pomiarowej (od lewej: sonda przekompensowana, sonda skompensowana, sonda niedokompensowana) Stosowanie oscyloskopu z nieskompensowaną sondą pomiarową nie zawsze powoduje zniekształcenie kształtu sygnału, które jest bardzo dobrze widoczne dla sygnałów prostokątnych. Przy obserwacji sygnałów sinusoidalnych zniekształcenia sygnału nie są w ogóle widoczne (kształt sygnału dalej pozostaje sinusoidalny), natomiast nieskompensowanie sondy powoduje, że sygnały sinusoidalne o jednakowych amplitudach ale różnych częstotliwościach, na ekranie oscyloskopu będą miały różne amplitudy. Błędy graniczne pomiarów oscyloskopem cyfrowym Pomiary oscyloskopowe, podobnie jak pomiary z wykorzystaniem każdego innego przyrządu pomiarowego, obarczone są niepewnością. Jak opisano powyżej, pomiary parametrów napięciowych dokonuje się metodą pośrednią poprzez pomiar długości odcinka zgodnie ze wzorem (3-1). Aby oszacować niepewność wyrażoną błędem granicznym, obliczamy różniczkę zupełną dla wyrażenia (3-1) i w efekcie uzyskujemy δ g U = δ g L + δ g C Y (3-5) Należy przyjąć, że niedokładność związana z odczytem długości odcinka wynosi ±0,1 dz. W związku z tym błąd graniczny względny spowodowany niedokładnością odczytu wynosi 0,1 dz δ g L = 100% (3-6) L gdzie L jest zmierzoną długością odcinka wyrażoną w działkach. Błąd graniczny δgcy związany z niedokładnością skalowania toru Y podawany jest indywidualnie przez producenta oscyloskopu. Dla używanych w Laboratorium oscyloskopów Rigol błąd ten wynosi 3%. Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 11

12 Jak łatwo zauważyć, aby zminimalizować błąd pomiaru napięcia, użytkownik może wpłynąć tylko na błąd związany z błędem pomiaru długości odcinka. Można to uzyskać poprzez wybór takich ustawień oscyloskopu, aby mierzona długość odcinka L była jak największa. Między innymi z tego względu przy pomiarze amplitudy sygnału sinusoidalnego mierzymy wartość międzyszczytową i dzielimy ją przez dwa (patrz wzór (3-2)). Dzielenie przez liczbę nie zmienia względnego błędu pomiaru. W przypadku pomiarów za pomocą kursorów oraz pomiarów automatycznych względny błąd graniczny pomiaru napięcia określony jest zależnością δ g U = 0,05 dz C Y U 100% + δ g C Y (3-7) gdzie: U napięcie mierzone, CY stała toru odchylania pionowego wyrażona w mv/dz. 5. Obsługa sprzętu i oprogramowania 5.1. Zdalna obsługa oscyloskopu Do komunikacji oscyloskopu z komputerem oraz do eksportu oscylogramów służy program Ultrascope for DS1000E Series. Skrót do tego programu znajduje się na pulpicie komputerów w Laboratorium Podstaw Pomiarów. a) b) Przycisk panelu wirtualnego Przycisk połączenia z oscyloskopem Rys Wygląd okien systemowych Ultrascope for DS1000E Series: a) okno nawiązania połączenia komputera z oscyloskopem, b) uruchomienie panelu wirtualnego Po uruchomieniu programu należy nawiązać połączenie z oscyloskopem. W tym celu należy wybrać polecenie Connect to Oscilloscope z menu Tools lub klikając na odpowiednią ikonę skrótu w pasku zadań. Następnie należy wybrać połączenie za pomocą portu USB i potwierdzić przyciskiem OK (Rys. 3.11a). Poprawne połączenie komputera z oscyloskopem sygnalizowane jest napisem Rmt na ekranie oscyloskopu. W tym stanie zablokowane jest ręczne sterowanie oscyloskopu z jego panelu czołowego. Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 12

13 Możliwość zdalnego sterowania funkcjami oscyloskopu oraz wykonywania kopii ekranu oscyloskopu dostępne jest po wybraniu polecenia Virtual Panel w oknie DSO Controller. W ten sposób na ekranie komputera otrzymuje się widok panelu kontrolnego oscyloskopu. W celu wykonania kopii oscylogramów należy powiększyć panel oscyloskopu przyciskiem Zoom, a następnie wybrać przycisk Eksport. Po wybraniu lokalizacji zapisu pliku oraz nadaniu mu nazwy można zapisać plik graficzny, a następnie obraz ekranu oscyloskopu skopiować do protokołu. UWAGA: Aby odzyskać możliwość ręcznego sterowania oscyloskopem po skopiowaniu obrazu ekranu oscyloskopu, należy wybrać przycisk Stop w sekcji Control panelu wirtualnego lub zamknąć ten panel, a następnie wcisnąć przycisk FORCE local na panelu czołowym oscyloskopu Generator sygnałowy Dostępny w Laboratorium generator Keysight 33511B umożliwia generowanie m.in. sygnałów sinusoidalnych, prostokątnych, trójkątnych, impulsowych oraz arbitralnych, czyli sygnałów o dowolnym kształcie zapisanych w pamięci generatora. Próbki takich sygnałów można przygotować np. przy pomocy programu MS Excel. Tak więc poza standardowymi sygnałami użytkownik może stworzyć sygnał dowolnie skomplikowany. Panel czołowy generatora oraz opis przycisków został przedstawiony na Rys wyświetlacz generatora, 2 przycisk menu ustawiania parametrów generowanego sygnału, 3 przycisk menu wyboru kształtu generowanego sygnału, 4 pokrętło oraz kursory wyboru wartości, 5 przycisk menu dla wyjścia generatora, 6 wyjście sygnałowe BNC generatora, 7 wyjście BNC sygnałów synchronizujących, 8 przyciski menu kontekstowego, 9 wyłącznik generatora Rys Panel czołowy generatora sygnałowego Keysight 33511B Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 13

14 W celu wybrania jednego z podstawowych kształtów sygnału należy nacisnąć przycisk Waveforms (3), a następnie za pomocą przycisków menu kontekstowego (8) wybrać wymagany sygnał. Każdy sygnał w zależności od kształtu jest scharakteryzowany przez szereg parametrów takich jak: częstotliwość, amplituda, składowa stała, przesunięcie fazowe, symetria oraz czas narastania i opadania. Wartości tych parametrów można ustawić po naciśnięciu przycisku Parameters (2). Za pomocą przycisków menu kontekstowego (8) dokonuje się wyboru odpowiedniego parametru, natomiast zmian wartości dokonujemy pokrętłem (4) z wykorzystaniem kursorów. Eksperymenty wykonywane w laboratorium będą wymagały m.in. wykorzystania sygnałów arbitralnych dostępnych w generatorze. W celu wybrania odpowiedniego sygnału należy nacisnąć przycisk Waveforms (3), następnie w menu kontekstowym wybrać kolejno pozycje: Arb Arbs Select Arb. Na wyświetlaczu zostanie wówczas wyświetlona lista zaprogramowanych sygnałów. Pokrętłem (4) należy wskazać jeden z nich, a następnie potwierdzić wybór przyciskiem Select w menu kontekstowym. Generator 33511B wspomaga użytkownika przy ustawianiu parametrów napięciowych sygnałów (np. wartości międzyszczytowej Vpp) uwzględniając obciążenie wyjścia generatora. Standardowo generator wyświetla ustawiane wartości napięć dla obciążenia 50 Ω. Jednak zarówno oscyloskop, jak i moduły pomiarowe, charakteryzują się rezystancją znacznie większą równą co najmniej 1 MΩ. W związku z tym rzeczywiste wartości napięć będą około dwa razy większe niż wyświetlane na wyświetlaczu generatora. W celu korekcji tych wartości można przełączyć wartość rezystancji obciążenia na dużą wartość, tzw. High Z. W tym celu należy nacisnąć przycisk Channel (5), następnie przycisk kontekstowy Output Load i wybrać wartość Set to High Z. UWAGA: Standardowo wyjście generatora (6) jest nieaktywne mimo wyboru wymaganego sygnału i ustawienia jego parametrów. Aby włączyć wyjście generatora należy nacisnąć przycisk Channel (5) i w menu kontekstowym wybrać odpowiedni stan wyjścia generatora przyciskiem Output on/off. Podstawowe parametry generatora: sygnały: sinusoidalny, prostokątny, piłokształtny, impulsowy, trójkątny, szum gaussowski, losowa sekwencja bitowa, arbitralny zakres częstotliwości: 1 µhz 20 MHz rozdzielczość: 1 µhz niedokładność częstotliwości: 0,1 ppm wartości ± 15 phz zniekształcenia THD: < 0,04% dla 20 Hz 20 khz współczynnik wypełnienia ε: 0,01 % 99,99 % długość impulsu: min. 16 ns, z rozdzielczością 100 ps Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 14

15 powtarzalność okresu: sample rate: amplituda Um: niedokładność Um: składowa stała Uo: niedokładność Uo: > 50 lat 250 MSa/s 2 mvpp 20 Vpp ±1% Um ±1 mv ±10 V ±(1% Uo + 0,25% Um + 2 mv) 6. Badania i pomiary Przedmiotem badań są podstawowe parametry napięciowe sygnałów elektrycznych. Przed przystąpieniem do pracy zaleca się przywrócenie fabrycznych ustawień oscyloskopu. W tym celu należy wykonać następującą sekwencję poleceń: (MENU) Storage Waveform Factory Load Zadanie 1. Obserwacje sygnałów elektrycznych. Do kanału CH1 oscyloskopu należy dołączyć generator funkcyjny, a następnie w generatorze spośród dostępnych sygnałów arbitralnych wybrać sygnał o nazwie test1 ( Waveforms Arb Arbs Select Arb ). Uaktywnić wyjście generatora ( Channel Output on/off ). Upewnić się, czy oscyloskop pracuje w trybie wyzwalania AUTO ( (TRIGGER) MENU Sweep: Auto ). Zad Na ekranie oscyloskopu należy uzyskać stabilny obraz. W protokole zamieścić oscylogram oraz wartości stałych oscyloskopu CX i CY. Zad Na podstawie obserwacji sygnału zbadać i skomentować, jaki jest wpływ rodzaju sprzężenia: AC, DC, GND ( CH1 Coupling: AC / DC / GND ) na kształt i położenie obserwowanego sygnału. Zad Na podstawie obserwacji sygnału mierzonego zbadać działanie pokrętła POSITION w sekcji VERTICAL. Co się dzieje z położeniem obserwowanego sygnału oraz poziomu GND przy zmianie pozycji pokrętła? Zad Na podstawie obserwacji sygnału mierzonego zbadać działanie pokrętła POSITION w sekcji HORIZONTAL oraz pokrętła LEVEL w sekcji TRIGGER. Jaka jest różnica w działaniu obu wyżej wymienionych pokręteł? Zwrócić uwagę na położenie momentu wyzwalania na ekranie oscyloskopu. Co się dzieje z obrazem obserwowanego sygnału, jeżeli ustawiony poziom LEVEL w sekcji TRIGGER będzie poza zakresem zmienności sygnału? Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 15

16 Zadanie 2. Pomiary napięć. W generatorze funkcyjnym wybrać sygnał arbitralny o nazwie test2. Zad Zmierzyć wartość międzyszczytową Upp napięcia obserwowanego sygnału metodą klasyczną poprzez pomiar długości odcinka. Należy ustawić odpowiedni rodzaj sprzężenia (AC/DC) oraz wartość stałej CY oscyloskopu aby zapewnić możliwie najdokładniejszy pomiar mierzonej wielkości. W celu zwiększenia precyzji regulacji stałej CY należy nacisnąć pokrętło SCALE w sekcji VERTICAL. Ponowne naciśnięcie pokrętła SCALE powoduje powrót do skokowej regulacji stałej CY. W protokole zamieścić oscylogram, zaznaczyć mierzony odcinek i zapisać wynik. Wyznaczyć błąd graniczny zmierzonej wielkości. Uzasadnić wybór rodzaju sprzężenia (AC/DC). Zad Zmierzyć wartość międzyszczytową Upp napięcia za pomocą kursorów: (MENU) Cursor Mode: Manual, a następnie w tym samym menu kontekstowym Cursors: Type: Y. W protokole zamieścić oscylogram i zapisać wynik. Wyznaczyć błąd graniczny zmierzonej wielkości. Zad Zmierzyć wartość składowej stałej Uo oraz wartość międzyszczytową Upp napięcia za pomocą wbudowanych funkcji automatycznych: (MENU) Measure Voltage Vpp, Vavg dla sprzężenia DC, przy widocznym całym sygnale łącznie ze składową stałą i znacznikiem zera, dla sprzężenia AC, dla składowej zmiennej maksymalnie powiększonej do wysokości ekranu (skorzystać z precyzyjnej regulacji stałej CY oscyloskopu). Jak rozumieć różnicę wyników pomiaru Uavg dla sprzężenia AC i DC? Wyznaczyć błędy graniczne zmierzonych wielkości. Wyniki z zadań 2.1, 2.2 i 2.3 wraz z obliczonymi błędami granicznymi zestawić w tabeli. Wykorzystując aplikację Porównywanie wyników porównać wyniki pomiarów otrzymanych w zadaniach 2.1, 2.2 i 2.3. Skomentować działanie funkcji pomiarów automatycznych. Czy oscyloskop mierzy poprawnie zadane wielkości przy pomiarach automatycznych w przypadku, kiedy fragment obserwowanego sygnału znajduje się poza ekranem oscyloskopu? Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 16

17 Zadanie 3. Pomiary automatyczne sygnałów zaszumionych. W menu generatora funkcyjnego wybrać sygnał arbitralny o nazwie test3. Jeżeli obserwowany na ekranie oscyloskopu sygnał jest niestabilny, należy ustawić tryb wyzwalania impulsem: (TRIGGER) MENU Mode: Pulse. Zad Zmierzyć wartość międzyszczytową Upp napięcia za pomocą kursorów ( (MENU) Cursor Mode: Manual, a następnie Type: Y ) oraz przy użyciu funkcji automatycznej Vpp. Wykonując pomiar za pomocą kursorów można zredukować wpływ szumu przy założeniu, że szum ten jest symetryczny względem sygnału (wartość średnia szumu jest równa zero). W protokole zamieścić oscylogram zawierający położenia kursorów oraz wyniki obu pomiarów. Porównać otrzymane wyniki pomiarów. Skomentować zaobserwowane różnice. Zad Włączyć funkcję uśredniania sygnału: (MENU) Acquire Acquisition: Average W tym samym menu kontekstowym Acquire ustawić współczynnik uśredniania na wartość 64 ( Averages: 64 ). Ponieważ obecny w sygnale szum ma charakter losowy, uśrednienie sygnału powinno zredukować szum. Ponownie wykonać pomiary wartości międzyszczytowej napięcia za pomocą kursorów oraz przy użyciu funkcji automatycznej Vpp. W protokole zamieścić oscylogram zawierający położenie kursorów oraz wyniki pomiarów. Porównać i skomentować otrzymane wyniki z zadań 3.1 oraz 3.2. Po zakończeniu pomiarów wyłączyć tryb uśredniania: (MENU) Acquire Acquisition: Normal Zadanie 4. Sonda oscyloskopowa. Sondę pomiarową dołączyć do kanału CH1 oscyloskopu. Należy ustawić przełącznik sondy pomiarowej w pozycji x10, a następnie odpowiednio ustawić wartość współczynnika korekcji dla toru Y użytego kanału pomiarowego: CH1 PROBE: 10X. Po zakończeniu pomiarów przy użyciu sondy, należy powrócić do poprzedniego ustawienia parametru PROBE ( CH1 PROBE: 1X ). Zad Za pomocą prostokątnego sygnału kalibracyjnego dostępnego w oscyloskopie sprawdzić czy sonda pomiarowa jest skompensowana. W przypadku nieskompensowania Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 17

18 ? sondy pomiarowej, należy skonsultować się z Prowadzącym. Oscylogram z testowania kompensacji sondy pomiarowej zamieścić w protokole. Zad W generatorze ustawić sygnał prostokątny ( Waveforms square ) o częstotliwości około 200 khz i napięciu z zakresu od 1 do 5 Vpp. Zwiększyć rezystancję wyjściową generatora poprzez dołączenie do jego wyjścia rezystora o wartości 8,2 kω. Zaobserwować sygnał przy użyciu przewodu koncentrycznego oraz przy użyciu sondy pomiarowej. Uzyskane oscylogramy zamieścić w protokole. Skomentować zaobserwowane różnice, uwzględniając kształt i parametry sygnałów. Pytania kontrolne 1. Czy sondę pomiarową można kompensować sygnałem sinusoidalnym? Odpowiedź uzasadnij. 2. W jaki sposób należy dobrać ustawienia oscyloskopu aby zapewnić najlepszą dokładność pomiaru amplitudy sygnału harmonicznego? 3. W jaki sposób mierzy się amplitudę a w jaki sposób wartość międzyszczytową sygnału sinusoidalnego? 4. Jakie jest praktyczne zastosowanie pokrętła POSITION w sekcji VERTICAL? 5. Jakie jest praktyczne zastosowanie pokrętła SCALE w sekcji VERTICAL? 6. Czy można zaobserwować zmiany położenia obserwowanego sygnału prostokątnego podczas zmiany położenia pokrętła LEVEL w zakresie zmienności sygnału? Odpowiedź uzasadnić. 7. Na czym polega kompensacja sondy pomiarowej oscyloskopu? 8. Jaki jest cel stosowania sondy oscyloskopowej? 9. W jaki sposób można sprawdzić, czy obserwowany sygnał posiada składową stałą? 10. Jaki będzie efekt obserwowany na ekranie oscyloskopu dla dwóch trybów pracy NORM i AUTO, jeżeli poziom wyzwalania LEVEL będzie ustawiony poza zakresem zmienności sygnału? 11. Jaka jest różnica pomiędzy sprzężeniem typu AC i DC toru Y w oscyloskopie? 12. Dany jest sygnał sinusoidalny o amplitudzie 2 V i częstotliwości 2 khz. Narysuj, jak będzie wyglądał ten sygnał na ekranie oscyloskopu, jeżeli stała oscyloskopu toru Y wynosi CY = 1 V/dz, a podstawa czasu CX = 50 µs/dz. Wiadomo, że ekran ma wymiary 8 dz x 10 dz. Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 18

19 13. Na ekranie oscyloskopu przy liniowej podstawie czasu uzyskano obraz, jak na Rys Ile wynosi amplituda sygnału sinusoidalnego, jeżeli wiadomo, że CY = 2 V/dz? Rys Oscylogramy sygnału sinusoidalnego oraz prostokątnego 14. Na ekranie oscyloskopu przy liniowej podstawie czasu uzyskano obraz, jak na Rys Ile wynosi wartość międzyszczytowa sygnału prostokątnego, jeżeli wiadomo, że CY = 1 V/dz? 15. Oblicz błąd graniczny pomiaru amplitudy sygnału sinusoidalnego z Rys. 3.13, jeżeli zmierzono długość odcinka pionowego odpowiadającego wartości międzyszczytowej napięcia. Błąd graniczny stałej CY wynosi 3%. 16. Oblicz błąd graniczny pomiaru wartości międzyszczytowej sygnału prostokątnego przedstawionego na Rys Błąd graniczny stałej CY wynosi 3%. 17. Jeżeli przedłużymy przewód z sondą pomiarową za pomocą dodatkowego przewodu koncentrycznego, to czy taka sonda będzie nadal skompensowana? Wyjaśnij, dlaczego tak się dzieje. 18. W jaki sposób można zmierzyć składową stałą sygnału u(t) = U0 + Um sin(ωt) za pomocą oscyloskopu? Podaj ustawienia przełączników: rodzaj sprzężenia toru Y, sposób wyzwalania generatora podstawy czasu. 19. W jaki sposób można zmierzyć parametry napięciowe składowej zmiennej sygnału u(t) = U0 + Um sin(ωt) za pomocą oscyloskopu? Podaj ustawienia przełączników: rodzaj sprzężenia toru Y, sposób wyzwalania generatora podstawy czasu. Ćw.3. Podstawowa aparatura pomiarowa: Oscyloskop cyfrowy I Strona 19