Ćw. 1 Oscyloskopowa rejestracja sygnałów Elektronika przemysłowa Instrukcja do laboratorium dr inż. Sławomir Judek mgr inż. Maciej Cisek Katedra Inżynierii Elektrycznej Transportu Gdańsk, 2017
2 Katedra Inżynierii Elektrycznej Transportu 1. WSTĘP Badanie i testowanie układów elektronicznych i urządzeń energoelektronicznych wymaga precyzyjnych narzędzi pomiarowych, przygotowanych do pomiarów sygnałów wysokiej częstotliwości. Najwygodniejszym przyrządem jest oscyloskop. Pierwszy oscylograf, protoplasta oscyloskopu, został skonstruowany przez Karla Brauna w 1897 r. Jego głównym elementem była lampa oscyloskopowa. Pierwszy oscyloskop cyfrowy został skonstruowany w 1971 r. Dobrze skonfigurowany oscyloskop jest doskonałym narzędziem, które nie tylko może testować ale również wykonywać pełne badania charakterystyk statycznych i dynamicznych przyrządów i urządzeń energoelektronicznych. 2. BUDOWA OSCYLOSKOPU Z punktu widzenia eksploatacyjnego, oscyloskopy elektroniczne składają się z (rys. 1): wyświetlacza, układów przetwarzania sygnału, przycisków kontrolnych i pokręteł regulacyjnych. 3. FUNKCJE OSCYLOSKOPU Rys. 1. Widok płyty czołowej oscyloskopu Oscyloskop jest przyrządem pomiarowym, który umożliwia wizualizację sygnałów. Ponadto pozwala na wykonanie pomiarów. Możliwe opcje dostępne są do wyboru w menu konfiguracji funkcji pomiarowych (przycisk Measure). Do częściej wykorzystywanych należą pomiary: amplitudy, wartości średniej (AV lub mean), częstotliwości (frequency), wartości skutecznej (RMS), wartości minimalnej, maksymalnej, międzyszczytowej (min, max, peak to peak), czasu narastania/opadania, okresu. Wśród funkcji są również: synchronizacja sygnałów (pokrętło Level panelu Trigger oraz przycisk Trig Menu), sumowanie, odejmowanie, mnożenie sygnałów (przycisk i opcje menu Math), analizę widmową FFT sygnałów (przycisk i opcje menu Math), zapisywanie przebiegów oraz wyników na zewnętrznych nośnikach danych (przycisk Save).
Oscyloskopowa rejestracja sygnałów 3 4. KONFIGURACJA OSCYLOSKOPU Mierzone sygnały podłączane są do kanałów oscyloskopu za pomocą złączy BNC oznaczonych przez cyfry 1 i 2. Sygnały muszą spełniać warunki opisane przez producenta. W wypadku oscyloskopu TBS 1042, wykorzystywanego w ćwiczeniach, wartość napięcia sygnału nie powinna przekraczać 300 V względem potencjału uziemienia oscyloskopu. W przypadku innych urządzeń w pobliżu złącz BNC widoczny jest opis określający zakres napięcia pomiarowego. Pomiary prądu, czy innych sygnałów, powinny być wykonywane przy pomocy sond prądowych przedstawiających sygnały w postaci napięcia dopasowanego do oscyloskopu. Sygnał wyświetlany na wyświetlaczu może być przesuwany oraz skalowany za pomocą pokręteł Position oraz Scale umieszczonych w obszarze Vertical oraz Horizontal. Pokrętło Position w bloku Horizontal umożliwia przesuwanie przebiegu w górę/dół, natomiast pokrętło w bloku Vertical przesuwa przebieg w lewo/prawo. W przypadku przesuwania należy pamiętać, że przesuwany jest przebieg względem miejsca wyzwolenia oraz fakt, że po zatrzymaniu akwizycji sygnałów, przesuwany jest wyłącznie przebieg zapamiętany w pamięci wewnętrznej oscyloskopu. Może to powodować widoczne ucięcie przebiegu. Za pomocą pokręteł Scale możliwe jest dopasowanie podziałki oscyloskopu do oglądanego sygnału. Przekręcając pokrętło w bloku Horizontal można zmieniać podstawę czasu dla jednej podziałki oscyloskopu (s/div), natomiast w bloku Vertical można zmieniać wzmocnienie napięciowe dla jednej podziałki pionowej oscyloskopu (V/div). Szczególną uwagę należy zwracać aby ustawienia skali sondy pomiarowej, dostępne w menu wyświetlanym po przyciśnięciu przycisku wyboru kanału, były zbieżne z parametrami sprzętowymi. Ustawione wartości, wyświetlane są w dolnej części wyświetlacza. Dla kanału 1 i 2 odpowiednio opisane CH1 i CH2 oraz dla wspólnej podstawy czasu oznaczone literą M (rys. 2). Rys. 2. Przykładowy przebieg dwóch sygnałów 5. KONFIGURACJA MODUŁU WYZWALANIA (TRIGGER) Moduł wyzwalania akwizycji umożliwia ustalenie punktu początku obserwacji sygnału. Jednocześnie może to być odpowiednia wartość sygnału jak również jego kształt. Konfiguracja wyzwolenia odbywa się za pomocą menu klawisza Trig Menu. Menu umożliwia ustalenie m.in.: rodzaju wyzwalania, źródła (może być nim sygnał badany przyłączony do kanału 1 lub 2), rodzaju zbocza, trybu wyzwalania oraz rodzaju sygnału. W przypadku sygnałów cyfrowych o kształcie prostokątnym najczęściej wybieranym rodzajem wyzwolenia jest zbocze (Edge). Powoduje to wyzwolenie oscyloskopu w
4 Katedra Inżynierii Elektrycznej Transportu momencie natrafienia na zbocze o odpowiednim nachyleniu i amplitudzie (zbocze narastające lub opadające). Poziom wyzwolenia ustawiamy pokrętłem Level panelu Trigger. 6. POMIARY Pomiary z wykorzystaniem oscyloskopu można podzielić na trzy grupy. Pierwsza z nich jest odczytywaniem wartości z zarejestrowanych przebiegów. Wymaga to dobrego dopasowania parametrów podstawy czasu oraz skali wykresu do badanego sygnału. Druga grupa do wykorzystanie wbudowanych narzędzi oscyloskopu. W menu przycisku MEASURE znajduje się grupa pomiarów, które wykonuje układ arytmetyczno-logiczny oscyloskopu opisane w rozdz. 3. Trzecia grupa pomiarów to pomiary z włączonymi kursorami. Aby wykorzystać kursowy należy włączyć ich menu za pomocą przycisku CURSOR. W menu pojawi się możliwość ustawienia kursorów do pomiarów amplitudy lub do pomiarów czasu. Dla jednego sygnału możliwe jest w jednym czasie włączenie tylko jednego typu kursorów. 7. ZAPISYWANIE PRZEBIEGÓW W oscyloskopach TBS 1042 istnieje możliwość zapisywania przebiegów na zewnętrznym nośniku danych korzystającym z interfejsu USB. Przebiegi zapisywane są za pomocą menu SAVE, w którym określa się rodzaj zapisywanych danych (plik graficzny jpg i/lub zbiór danych csv) oraz można określić sygnały, które są zapisywane. 8. EDYCJA PLIKÓW TEKSTOWYCH W ARKUSZU KALKULACYJNYM Zapis pomiaru oscyloskopowego w formie danych csv umożliwia łatwe przetwarzanie wyników za pomocą arkusza kalkulacyjnego. Szczegółowy opis funkcjonalności tego typu został przygotowany na przykładzie arkusza kalkulacyjnego MS Excel. Dla innych arkuszy sposób działania jest analogiczny. Aby prawidłowo importować dane tekstowe wygenerowane przez oscyloskop do arkusza kalkulacyjnego należy: a) Utworzyć nowy, pusty dokument programu MS Excel. b) W zakładce Dane wybrać opcję importu danych zewnętrznych Z tekstu. c) Wybrać plik *.csv, który ma być poddany edycji. d) Po dokonaniu wyboru pliku wyświetli się okno z opcjami. Należy się upewnić, że w oknie zaznaczone zostały opcje: Typ danych źródłowych Rozdzielany, Pochodzenie pliku Windows (ANSI). Po wybraniu opcji należy nacisnąć przycisk Dalej >.
Oscyloskopowa rejestracja sygnałów 5 e) W następnym kroku należy przewinąć podgląd dokumentu tak, by obejmował on interesujący nas obszar danych. f) W polu Ograniczniki należy wybrać taki znacznik, który w prawidłowy sposób dokona rozdziału kolumny dokumentu zmiany będą widoczne w oknie podglądu (różne pliki tekstowe mają odmienne rodzaje ograniczników w przypadku pliku użytego w przykładzie, csv (ang. commaseparated values), jest to przecinek). g) Po uzyskaniu zamierzonej struktury dokumentu należy nacisnąć przycisk Dalej >. h) W kolejnym oknie można zmienić dodatkowe opcje związane z prezentacją danych. W przypadku danych z oscyloskopu nie jest to wymagane, można więc pominąć to okno, wybierając przycisk Zakończ.
6 Katedra Inżynierii Elektrycznej Transportu i) Po zakończeniu pracy kreatora na ekranie pojawi się okno, w którym dokonuje się wyboru miejsca wstawienia danych. W przypadku tworzenia nowego arkusza można potwierdzić miejsce wstawienia wybrane domyślnie przez program. j) Domyślnym znakiem rozdzielającym część całkowitą od części ułamkowej w arkuszu kalkulacyjnym MS Excel jest przecinek. Jeśli w importowanym pliku znakiem ogranicznika był przecinek (punkt f), zaś dane w komórkach mają postać liczb, w których część całkowita jest oddzielona od części ułamkowej kropką, importowane dane nie będą przydatne do dalszego przetwarzania, dopóki nie zmieniony zostanie znak kropki na znak przecinka w każdej z komórek. Żeby tego dokonać należy posłużyć się opcją Znajdź i zamień (skrót klawiaturowy: Lewy Ctrl + F).
Oscyloskopowa rejestracja sygnałów 7 W polu Znajdź: należy wpisać kropkę, zaś w polu Zamień na: przecinek. Następnie należy wcisnąć przycisk Zamień wszystko. Tak przygotowane dane można poddać dalszemu przetwarzaniu numerycznemu. 9. WYKONYWANIE OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH W ARKUSZU KALKULACYJNYM Sposób dokonywania obliczeń numerycznych przedstawiono na przykładzie wyznaczania mocy czynnej wydzielonej w elemencie obwodu a także wartości skutecznej napięcia lub prądu. Moc czynna Chwilowa moc p(t) może być opisana jako iloczyn chwilowej wartości napięcia oraz prądu: (1) Dla dyskretnych sygnałów prądu i napięcia, których wartości pobierane są w tych samych chwilach czasowych t n, w obliczeniach numerycznych wartość mocy chwilowej można opisać jako: (2) Przykładowo, w celu wyznaczenia mocy strat tranzystora T, z układu przedstawionego na rys. 3, należy posłużyć się napięciem dren-źródło u DS (t) występującym na tranzystorze oraz prądem i d (t) płynącym przez ten element. W sytuacji jak na rys. 3, gdy możliwy jest wyłącznie pomiar napięcia obciążenia u o, napięcie tranzystora może być wyznaczone jako u DS (t) = U d u o, gdzie U d jest zasilającym napięciem DC. Przy założeniu, że wartość U d jest stała w trakcie przeprowadzenia próby, można napięcie to zmierzyć za pomocą woltomierza. W przedstawionym przykładzie należy także wziąć pod uwagę fakt, że prąd odbiornika i o jest równy sumie prądów i d oraz i D, nie można więc do obliczeń dotyczących tranzystora wykorzystać napięcia i prądu odbiornika. Konieczne jest rejestrowanie za pomocą oscyloskopu przebiegu prądu i d. Można to zrealizować bezpośrednio z użyciem sondy prądowej, bądź pośrednio z wykorzystaniem rezystora dodatkowego szeregowego (tzw. bocznika). W drugim przypadku mierzony jest spadek napięcia proporcjonalny do płynącego prądu i konieczne jest przeskalowanie przebiegu.
8 Katedra Inżynierii Elektrycznej Transportu i d T s i D i o L o U d D R o u o E o Rys. 3. Schemat ideowy przykładowego układu pomiarowego Biorąc pod uwagę opisane uwarunkowania, moc strat tranzystora T można w tym przypadku wyrazić jako: U (3) W celu wyznaczenia mocy strat należy posłużyć się zależnością definicyjną: (4) Niezbędne jest zatem obliczenie wartości średniej z przebiegu mocy chwilowej. Wykorzystanie zależności (4) jest możliwe tylko wtedy, gdy znana jest analityczna postać sygnału (w analizowanym przykładzie p(t)). W przypadku, gdy dysponujemy sygnałem w postaci dyskretnej, do obliczeń można wykorzystać metody numeryczne. W przypadku całkowania najprostszym algorytmem jest całkowanie metodą prostokątów. Jeśli częstotliwość próbkowania była stała w czasie rejestracji, można numeryczne obliczenie wartości średniej, sprowadzić do wyznaczenia sumy: (5) gdzie: p sn wartość n-tej próbki mocy chwilowej, N liczba próbek odpowiadająca jednemu okresowi analizowanego przebiegu. Aby dokonać obliczenia numerycznego wartości średniej danego przebiegu należy:
Oscyloskopowa rejestracja sygnałów 9 a) wybrać N próbek analizowanego przebiegu odpowiadających jednemu okresowi przebiegu lub jego całkowitej wielokrotności, b) zsumować wartości każdej z próbek, c) podzielić wartość sumy przez liczbę próbek N. Wartość skuteczna RMS Wartość skuteczna (ang. Root Mean Square RMS) sygnału okresowego może zostać zdefiniowana w sposób fizyczny lub matematyczny. W sensie matematycznym wartość skuteczną wyrażamy jako pierwiastek kwadratowy ze średniej kwadratu sygnału w przedziale czasu równym okresowi T. W przypadku natężenia prądu i napięcia można zapisać:,, (6) Jeśli częstotliwość próbkowania była stała w czasie rejestracji, można numeryczne obliczenie wartości skutecznej, sprowadzić do obliczenia wartości średniej kwadratowej: (7) (8) gdzie: u n, i n wartość n-tej próbki napięcia i prądu, N liczba próbek odpowiadająca jednemu okresowi analizowanego przebiegu. Aby dokonać obliczenia numerycznego wartości RMS danego przebiegu należy: a) wybrać N próbek analizowanego przebiegu odpowiadających jednemu okresowi przebiegu lub jego całkowitej wielokrotności, b) podnieść wartość każdej próbki do kwadratu,
10 Katedra Inżynierii Elektrycznej Transportu c) zsumować kwadraty wartości każdej z próbek, d) podzielić wartość sumy kwadratów przez liczbę próbek N, e) wyznaczyć z tak obliczonej wartości pierwiastek kwadratowy. 10. PRZEBIEG ĆWICZENIA W ramach ćwiczenia studenci wykonują pomiary z użyciem oscyloskopu oraz generatora funkcji, lub innego urządzenia wskazanego przez prowadzącego. W trakcie ćwiczenia należy: 1) zapoznać się z budową oscyloskopu, 2) skonfigurować generator funkcji (jeśli jest wykorzystywany), 3) zarejestrować sygnały o kształcie sinusoidalnym, prostokątnym i trójkątnym, lub inne wskazane przez prowadzącego, 4) wykonać pomiary: a. częstotliwości, b. amplitudy, c. czasu narastania, d. czasu opadania, e. okresu, f. wartości średniej, g. wartości RMS, 5) zapisać przebiegi wraz z pomiarami na nośniku USB, 6) w ramach sprawozdania wyznaczyć wartości średnie i skuteczne, wskazanych przez prowadzącego, przebiegów zarejestrowanych w trakcie ćwiczenia. 11. PYTANIA 1) Do czego służy i w jaki sposób kontroluje się podziałkę napięciową oscyloskopu? 2) Jak prawidłowo odczytać parametry napięciowe i czasowe badanego przebiegu? 3) Przedstaw funkcjonalność i sposób konfiguracji oscyloskopowego modułu wyzwalania.
Oscyloskopowa rejestracja sygnałów 11 4) W jaki sposób można mierzyć prąd za pomocą oscyloskopu? 5) Dla wskazanej sytuacji pomiarowej wyznaczyć moc odbiornika jeżeli zarejestrowano przebieg jego napięcia i prądu. 6) Dla wskazanej sytuacji pomiarowej wyznaczyć moc odbiornika w stanie ustalonym na podstawie zarejestrowanych przebiegów napięcia i prądu. 7) Dla przedstawionego przebiegu wyznacz jego wartość skuteczną. 8) Jak obliczyć składową przemienną sygnału zmiennego? 9) Jaki dobrać czas próbkowania dla sygnału o częstotliwości 10 khz? 10) Narysować schemat układu pomiarowego prądu i napięcia odbiornika z wykorzystaniem bocznika, napięciowych sond pomiarowych i dwukanałowego oscyloskopu - na rysunku zaznaczyć styk wejścia pomiarowego i styk masy sondy pomiarowej. LITERATURA [1] TBS1000 Digital Storage Oscilloscopes. User Manual. www.tek.com [2] Rydzewski J.: Pomiary oscyloskopowe. WNT 2007, Warszawa