Wprowadzenie do obsługi aparatury pomiarowej w laboratorium 515

Transkrypt

1 Wprowadzenie do obsługi aparatury pomiarowej w laboratorium Ogólne uwagi o pomiarach w laboratorium Modele laboratoryjne i pomiary w dopasowaniu Zasilanie modeli i bezpieczeństwo 2. Oscyloskop cyfrowy HP 54615B Właściwości użytkowe Uruchomienie i podstawowa obsługa Pomiary automatyczne Uśrednianie Funkcje pamięci Komunikacja z PC Przykładowe pomiary 3. Analizator widma TEK 495P Szkic działania i budowy analizatora Krótki opis panelu czołowego i przygotowanie analizatora do pomiarów Pomiary widma sygnału Pomiary amplitudowych charakterystyk częstotliwościowych Komunikacja z PC Obliczanie mocy z krzywej widmowej Przykładowe pomiary widma i charakterystyk częstotliwościowych

2 1. Ogólne uwagi o pomiarach w laboratorium 1.1. Modele laboratoryjne i pomiary w dopasowaniu. Modele laboratoryjne układów są zmontowane na odkrytych samonośnych płytkach drukowanych z zainstalowanymi przełącznikami, gniazdami zasilania oraz wejściowymi i wyjściowymi gniazdami BNC dla sygnałów wysokiej częstotliwości. Pomiary odpowiednich sygnałów dokonywane są zwykle w układach, których przykład pokazano na rysunku 1. Generator Impulsowy lub PRBS Zasilacz modelu Kabel zasilający Oscyloskop lub analizator R IN =50Ω Komunikacja z PC WE Model laboratoryjny lub zestaw modeli WY Rys.1.Typowa konfiguracja pomiarowa w ćwiczeniu laboratoryjnym Pomiary sygnałów wysokiej częstotliwości dokonywane są w warunkach obustronnego dopasowania do rezystancji charakterystycznej kabli doprowadzających sygnał od źródła do przyrządu pomiarowego, wynoszącej R c = 50Ω. W przypadku pomiarów oscyloskopowych oznacza to konieczność włączenia opcji rezystancji wejściowej kanału pomiarowego na R IN = 50Ω. Analizator widma TEK 495P posiada wejście sygnałowe stałoprądowe o oporności R IN = 50Ω. UWAGA! Z uwagi na ograniczony zakres dynamiki wejściowej analizatora, oraz na fakt, że w niektórych modelach laboratoryjnych sygnał wyjściowy może zawierać składową stałą, która może uszkodzić wejście analizatora, POLECA się na wejściu stosować szeregowy kondensator w postaci komponentu koncentrycznego - tzw. DC BLOCK a. Możliwy jest jednoczesny pomiar oscyloskopem i analizatorem tego samego sygnału, pod warunkiem, że terminację linii stanowi wejście analizatora, natomiast wejście oscyloskopowe, nastawione na rezystancję R IN = 1 MΩ,

3 podłączone jest przez trójnik BNC włączony w środku linii doprowadzającej sygnał do analizatora patrz rysunek 2. Generator Impulsowy lub PRBS Oscyloskop Analizator HP 54615B TEK 495P R IN =1MΩ R IN =50Ω WE Model laboratoryjny WY Trójnik BNC DC BLOCK Rys.2.Jednoczesny pomiar oscyloskopem i analizatorem widma 1.2. Zasilanie modeli i bezpieczeństwo. Wszystkie modele układów laboratoryjnych są zasilane z wyodrębnionych zasilaczy niskiego napięcia, zwykle zawartych w niewielkich obudowach, mechanicznie związanych z wtyczka sieciową. To rozwiązanie pozwala na galwaniczne odseparowanie układów modeli laboratoryjnych od sieci energetycznej 230V, a tym samym pozwala na całkowitą eliminację zagrożenia porażenia prądem z sieci. W przypadku ćwiczeń laboratoryjnych, w których występują aktywne układy światłowodowe (światłowodowe nadajniki laserowe), zgodnie z normą PN- EN gwarantowane poziomy emitowanych mocy światła spełniają warunki bezpieczeństwa dla 1 Klasy tego typu urządzeń. Oznacza to, że uczestnicy takich ćwiczeń nie są narażeni na niebezpieczeństwo uszkodzenia wzroku światłem emitowanym przez stosowane nadajniki. 2. Oscyloskop cyfrowy HP 54615B Oscyloskop HP 54615B jest cyfrowym oscyloskopem pomiarowym o maksymalnej częstości próbkowania 1Gsa/s i odpowiednio pasmie pomiarowym 500 MHz. Maksymalna czułość kanałów pomiarowych odchylania pionowego wynosi 2 mv/dz, a najszybsza podstawa czasu 1ns/dz. Obsługa podstawowych funkcji oscyloskopu nie różni się zbytnio od obsługi typowych oscyloskopów analogowych i dlatego w niniejszym rozdziale omówione zostaną jedynie pewne specyficzne możliwości tego przyrządu.

4 2.1 Włączenie i przygotowanie do pomiarów Włączenie przycisku zasilania sieciowego przycisk Line w dolnej części panelu czołowego, spowoduje uruchomienie wewnętrznego programu inicjującego oscyloskopu i po chwili przyrząd będzie gotowy do prowadzenia pomiarów. W polu obsługi kanałów wejściowych VERTICAL znajduja się przyciski kanałów odchylania pionowego z numerami 1 i 2. Naciskając odpowiednio przycisk 1 lub 2 na dole ekranu pojawi się menu pozwalające na ustawienie parametrów wybranego kanału. Przy pomiarach prowadzonych w dopasowaniu do kabli koncentrycznych należy ustawić rezystancje wejściową na 50Ω. Bardzo użyteczną funkcją jest skalowanie automatyczne włączane przyciskiem Auto-scale ponad polem VERTICAL. Powoduje ona automatyczne dobranie nastaw oscyloskopu do doprowadzonego do wejścia sygnału. 2.2 Pomiary automatyczne Po uzyskaniu na ekranie stabilnego obrazu mierzonego przebiegu można wykonywać automatyczne pomiary parametrów tego przebiegu. Do wykorzystania tej opcji służą przyciski w polu Measure. Aby mierzyć parametry czasowe przebiegu należy wcisnąć przycisk Time. Analogicznie do pomiarów amplitudowych używamy przycisku Voltage. Wybranie tych przycisków wywoła odpowiednie menu w dolnej części ekranu. Wciśnięcie przycisku Cursors spowoduje pojawienie się pionowych kursorów, które można przesuwać pokrętłem pozycji kursorów ulokowanym poniżej pola Measure. Zmiana kursora przesuwanego pokrętłem następuje po kolejnym wciśnięciu przycisku Cursors. Odczytując pozycje kursorów można mierzyć dowolnie wybrane parametry czasowe przebiegu i ich różnice. Dla wybierania odpowiednich opcji pomiarowych, należy posługiwać się przyciskami operacyjnymi umieszczone pod ekranem. Aktualne funkcje przypisane przyciskom wyświetlane są nad nimi na ekranie Uśrednianie W niektórych sytuacjach, zwłaszcza w przypadkach słabych sygnałów, obarczonych znaczącym szumem, pomocna bywa funkcja uśredniania przebiegu wyświetlanego na ekranie. Funkcja ta, w stosunku do obserwacji bez uśredniania pozwala na znaczną poprawę możliwości prowadzenia dokładniejszej analizy przebiegu. Aby włączyć tę opcję należy wcisnąć przycisk Display po prawej od przycisku Autoscale, a następnie przy użyciu przycisków operacyjnych umieszczonych pod ekranem wybrać Average i ustawić stosowną krotność uśredniania 8, 64, 256.

5 2.4. Funkcje pamięci Pole przycisków STORAGE umożliwia zatrzymywanie akcji pomiarowej oscyloskopu Stop (Run), zapamiętywanie (kumulację) wielu przebiegów Autostore lub wymazywanie zapamiętanego przebiegu z ekranu Erase. Istnieje możliwość rejestracji i zapamiętywania przebiegów jednorazowych, przy zastosowaniu funkcji Autostore i wyzwalania jednorazowego nastawianego przyciskami w polu Trigger Komunikacja z PC Oscyloskop umożliwia przesyłanie rezultatów pomiarowych do komputera PC za pośrednictwem interface RS 232 i programu HP34810B bench Link. Po polączeniu oscyloskopu i PC kablem RS232, aby przetransmitować dane z oscyloskopu do komputera należy: a. Kliknąć ikonę HP34810B Bench Link b. Z menu image wybrać New i potwierdzić import danych c. Po około 1 min. na ekranie monitora ukaże się rysunek przedstawiający ekran oscyloskopu z mierzonym przebiegiem. Plik ten można zapisać w jednym z proponowanych formatów graficznych Przykładowe pomiary Polecenie 1: Doprowadź do oscyloskopu okresowy sygnał impulsowy z generatora impulsowego i zmierz: a. Wartość międzyszczytową impulsów, średnią i skuteczną. b. Częstotliwość przebiegu, okres i współczynnik wypełnienia c. Czas narastania i opadania impulsu Polecenie 2: Przetransmituj wszystkie rezultaty pomiarowe do komputera. 2. Analizator widma TEK 495P 3.1. Podstawy działania i budowy analizatora Analizator TEK 495P jest urządzeniem dokonującym technicznej realizacji analizy częstotliwościowej sygnału doprowadzonego do wejścia przyrządu. Rezultatem analizy jest obraz uśrednionego widma częstotliwościowego sygnału w dziedzinie dodatnich częstotliwości. Przyrząd posiada możliwość analizy sygnału w maksymalnie szerokim zakresie częstotliwości od 100 khz do 1,8 GHz, przy czym dysponuje znacznymi możliwościami jeśli chodzi o precyzję w dziedzinie częstotliwości, jak również w dziedzinie uśrednionej mocy. Uproszczony schemat blokowy analizatora pokazano na rysunku 3.

6 WE Wąskopasmowy filtr o przestrajanej f x f Wzmacniacz logarytmiczny Detektor wartości skutecznej U sk (f x ) f f x Rys.3. Uproszczony schemat blokowy analizatora. Sygnał analizowany jest doprowadzony do zespołu układów spełniającego rolę przestrajanego filtru selektywnego o pasmie przepustowym f. Filtr ten w trakcie przestrajania częstotliwości środkowej f x dokonuje analizy składowych sygnału wejściowego w otoczeniu chwilowej wartości częstotliwości f x. Sygnał przefiltrowany wzmacniany jest w układzie zmiennoprądowego wzmacniacza logarytmicznego dla uzyskania skali logarytmicznej mierzonej wartości. Rezultatem końcowym jest wartość skuteczna, jednoznaczna z mocą, uzyskiwana na wyjściu detektora wartości skutecznej. Zbiór wartości skutecznych U sk (f x ) tworzy na ekranie przyrządu krzywą widmową analizowanego sygnału. W rzeczywistości budowa analizatora widma jest znacznie bardziej skomplikowana i wykorzystuje najbardziej wyrafinowane techniki stosowane w precyzyjnych, analogowych układach radiotechnicznych. Przykładowo do realizacji wąskopasmowej analizy (filtracji) sygnału stosuje się trójstopniową kaskadę układów przemiany częstotliwości oraz przełączane filtry pośredniej częstotliwości, które z dużą dokładnością określają szerokość pasma analizy f Krótki opis panelu czołowego i przygotowanie analizatora do pomiarów Wygląd panelu czołowego analizatora TEK 495P pokazano na rysunku 4. W dolnym prawym rogu panelu znajduje się koncentryczne gniazdo wejściowe sygnału analizowanego, a nad nim wyłącznik sieciowy przyrządu. Wszystkie przyciski i przełączniki są indywidualnie opisane na panelu w języku angielskim, a najważniejsze z punktu widzenia prowadzenia pomiarów w laboratorium wskazano na rysunku 4 i opisano po polsku. Przygotowanie przyrządu do pomiarów polega na włączeniu zasilania i odczekaniu na gotowość wewnętrznego systemu sterującego analizatorem. Analizator inicjuje pracę automatycznie w maksymalnym zakresie rozciągu częstotliwościowego od f start = 100 khz do f stop = 1.8 GHz, maksymalnej szerokości pasma filtru analizującego f=3mhz oraz poziomie odniesienia równym 0 dbm. Częstotliwość f start znajduje się na pierwszej od lewej pionowej linii siatki na display u, f stop na ostatniej od lewej, natomiast poziom referencyjny wskazuje górna pozioma linia siatki. Skala pionowa jest logarytmiczna po 10 dbm/działkę, co oznacza, że najniższa pozioma linia siatki odpowiada poziomowi 80 dbm.

7 Przycisk zakresu analizy Display Przyciski funkcyjne Pokrętło pozycji znacznika Marker Pokrętło rozciągu i pasma f Wyłącznik sieciowy Atenuator wejściowy Wejście pomiarowe Rys.4. Panel czołowy analizatora TEK 495P. UWAGA! Najważniejsze nastawy przyrządu można odczytać na ekranie w obszarach opisanych na ramce zewnętrznej zgodnie z rysunkiem 5. Poziom odniesienia i znacznika [dbm] Częstotliwość znacznika [MHz] Rozciąg [MHZ/dz] Pasmo filtru f [MHZ/dz] Rys.5. Parametry pomiaru wyświetlane na ekranie analizatora.

8 3.3. Pomiary widma sygnału Sygnał, który ma być poddany analizie widmowej należy doprowadzić poprzez separator składowej stałej, czyli wspomniany DC BLOCK kablem dopasowanym do wejścia pomiarowego analizatora. Jeżeli znany jest orientacyjnie charakter i zakres widma analizowanego sygnału należy: a) w pierwszej kolejności nastawić pożądany zakres analizy wybierając przyciski w następującej sekwencji: 1) SHIFT niebieski przycisk w polu Przyciski funkcyjne 2) Freq. Start/Stop Przycisk zakresu analizy pojawi się komunikat na ekranie 3) Z klawiatury numerycznej (Pole Data Entry) wybierz sekwencję wartości częstotliwości początkowej analizy - f start sekwencję zakończ klawiszem jednostki (khz, MHz lub GHz) 4) Analogicznie wprowadź wartość częstotliwości końcowej - f stop b) Następnie można dobrać szerokość pasma filtru analizującego - f. W tym celu należy wcisnąć podświetlony klawisz MAX SPAN po lewej od Pokrętła rozciągu i pasma f i wybrać pożądaną szerokość filtru tym pokrętłem odczyt na ekranie. UWAGA! Pasmo filtru wpływa zasadniczo na warunki prowadzenia analizy przez przyrząd i może decydować o prawidłowości uzyskanego rezultatu pomiarowego w postaci przebiegu krzywej widmowej. Zaleca się konsultowanie tej procedury z osobą prowadzącą zajęcia. c) W miarę potrzeby można również dobrać poziom sygnału analizowanego przez użycie pokrętła atenuatora (po lewej od gniazda wejściowego) Pomiary amplitudowych charakterystyk częstotliwościowych Analizator widma wraz ze sprzężonym z nim generatorem śledzącym (Tracking generator) stanowią zestaw aparaturowy pozwalający na pomiar amplitudowych charakterystyk częstotliwościowych zarówno układów biernych (przykładowo filtrów dyskretnych), jak również układów aktywnych (przykładowo wzmacniacz szerokopasmowy). Zestaw pomiarowy służący do wykonania takiego pomiaru pokazano na rysunku 6.

9 Generator śledzący TR 503 Kable sprzęgające Analizator TEK 495P R IN =50Ω DC BLOCK WE Układ testowany WY Rys.6. Zestaw do pomiaru charakterystyk częstotliwościowych 3.5. Zasada działania zestawu. Generator śledzący, poprzez sprzężenie z oscylatorami wewnętrznymi analizatora wytwarza przestrajany sygnał sinusoidalny o stabilizowanej amplitudzie i częstotliwości (śledzącej) f tr = f x. Wobec powyższego w pokazanym układzie pomiarowym, zbiór wartości poziomu sygnału U sk (f x ), mierzonych przez analizator na wyjściu testowanego układu stanowi krzywą amplitudowej charakterystyki częstotliwościowej. UWAGA! W procedurze pomiaru charakterystyk częstotliwościowych układów aktywnych, należy dobrać poziom sygnału z generatora TR 503 tak, aby nie przekroczyć liniowego zakresu pracy układu testowanego Znacznik Znacznik włącza się poprzez naciśnięcie przycisku Marker po lewej od pokrętła pozycji znacznika. Znacznik jest jasno rozświetlonym punktem krzywej pomiarowej i w tej opcji umożliwia odczyt pozycji punktu pomiarowego krzywej. Manipulując pokrętłem pozycji znacznika można przesuwać go po krzywej pomiarowej i w ten sposób przeanalizować charakterystyczne jej punkty Komunikacja z PC Analizator TEK 495P jest wyposażony w interface GP-IB, służący do komunikowania się z komputerem. Za pomocą odpowiedniego oprogramowania zainstalowanego w komputerze można przetransmitować wyniki prowadzonych pomiarów, wyświetlić je w postaci krzywych w odpowiednim oknie na monitorze i ewentualnie zapamiętać w postaci plików, zarówno graficznych bmp jak również m-plików, umożliwiających dalsze przetwarzanie w programie Matlab. Aktywacja łącza GP-IB w pierwszej kolejności wymaga połączenia analizatora kablem z odpowiednią kartą, zainstalowaną w komputerze. Po włączeniu komputera należy: a) kliknąć ikonę GP-IB b) w menu Urządzenia wybrać TEK 495 P

10 Otworzy się okno interface z polem ekranu odpowiadającego ekranowi analizatora i po prawej kilku polami przycisków operacyjnych. Klikając przycisk Pobierz dane dokonamy transmisji krzywej pomiarowej z analizatora do PC. Następnie krzywą można zapamiętać w postaci pliku graficznego w formacie bmp lub m-pliku. M-plik jest wewnętrznie opisany i zawiera zbiór wartości współrzędnych punktów pomiarowych 2 krzywych w postaci wektorów A i B - współrzędne poziomu mocy [dbm] oraz f A i f B - współrzędne częstotliwości [Hz]. Każda krzywa składa się zawsze z 500 punktów pomiarowych Obliczanie mocy z krzywej pomiarowej Dsyponując m-plikiem, można przy pomocy procedur programu Matlab obliczyć moc zawartą w pożądanym przedziale częstotliwości. UWAGA I! Należy pamiętać,że wektor A zapisany jest w skali logarytmicznej, stąd pierwszą operacją w procedurze obliczenia mocy powinno być przeliczenie wartości współrzędnych na skalę liniową [W]. UWAGA II! Należy pamiętać, że współrzędne mocy wektora A odnoszą się do pomiaru wykonanego w wybranym pasmie filtru analizującego f, a poszczególne punkty pomiarowe dzieli przedział częstotliwości równy: f stop f F = start. 500 Należy obliczyć: F n = f Jeśli n 1, to zbiór wartości wspólrzędnej mocowej (przeliczony do skali liniowej) należy pomnożyć prze współczynnik n. Po dokonaniu powyższych operacji, w celu obliczenia mocy w pożądanym przedziale częstotliwości wystarczy zsumować wszystkie wartości wspólrzędnej mocowej przeliczonego wektora A należące do tego przedziału częstotliwości Przykładowe pomiary Polecenie 1: Doprowadź do analizatora okresowy sygnał impulsowy z generatora impulsowego i zmierz: a. Widmo sygnału przy szerokościach pasma filtru analizującego 3 MHz, 1 MHz, 100 khz. b. Przy użyciu kursora zmierz poziomy harmonicznych drugiej, trzeciej, czwartej i piątej c. Zapamiętaj i przetransmituj dane pomiarowe do komputera

11 d. Analizując zawartość m-plików porównaj wyniki pomiaru kursorem z wartościami harmonicznych zawartych w plikach Polecenie 2: Doprowadź do analizatora sygnał losowy z generatora szumu i zmierz: e. Widmo sygnału przy szerokościach pasma filtru analizującego 3 MHz, 1 MHz, 100 khz, w zakresie od 100 khz do 1.8 GHz. f. Przy użyciu kursora oszacuj przeciętny poziom mocy krzywych pomiarowych. g. Znając szerokość filtru oszacuj przeciętną gęstość widmową mocy szumu i stąd oblicz całkowitą moc szumu w pełnym pasmie pomiarowym. h. Zapamiętaj i przetransmituj dane pomiarowe do komputera. i. Wykorzystując m-pliki pomiarowe oblicz moc szumów w pełnym pasmie i porównaj wynik z rezultatem szcunkowym z punktu g.