5. Характеристики современных измерительных

приборов

Принцип аналого-цифрового преобразования

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно-изменяющейся во времени физической величины в эквивалентные ей значения цифровых кодов. В качестве аналоговой величины может быть напряжение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д. Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций:

— дискретизациию сигнала во времени, т.е. выборку значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные моменты времени;

— квантование (округление преобразуемой величины до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени значения аналоговой величины по уровню;

— кодирование – замена найденных квантовых значений некоторыми числовыми кодами.

Операция квантования по уровню функции U(t) заключается в замене бесконечного множества её значений на некоторое конечное множество значений U*n (t), называемых уровнями квантования. Для выполнения этой операции весь диапазон изменения функции D=U(t)max-U(t)min разбивают на некоторое число уровней N и производят округление каждого значения функции U(t) до ближайшего уровня квантования U*n(t). В результате процесса аналого-цифрового преобразования аналоговая функция U(t) заменяется дискретной функцией Un(t). В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобразования может быть представлен выражением: , где U(t)i - значение функции U(t) в i-м шаге, h - шаг квантования, - погрешность преобразования на i-м шаге.

Рисунок 2.2- Принцип аналого-цифрового преобразования

Величина h=D/N носит название шага квантования.

Процесс квантования по уровню связан с внесением некоторой погрешности e_i , значение которой определяется неравенством:

e_i ≤ ±h/2.

Погрешность зависит от разрядности.

Основные параметры АЦП делятся на статистические и динамические.

К статистическим относятся:

— вид преобразуемой величины: напряжение, ток, угловое перемещение и т.д.,

— диапазон изменения входных величин,

— разрядность определяет максимальное число кодовых комбинаций на выходе АЦП (например, 8-разрядный АЦП имеет разрешение по амплитуде в 2⁸=256 точек),

— абсолютная разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП (например, для 8-разрядного АЦП составляет 1/2^N=1/256 или 0,39%),

— абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы dшк -

— нелинейность преобразования dL – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования от идеальной.

К динамическим параметрам относится частота дискретизации.

Система сбора данных LCARD E20-10

E20-10 - быстродействующий внешний модуль АЦП. Интерфейс USB 2.0 и внутренний FIFO буфер размером 8 Мбайт обеспечивают высокоскоростной непрерывный сбор данных на частотах до 10 МГц.

Рисунок 2.3 – Внешний вид LCARD E20-10

Архитектура с одним АЦП, коммутатором и входными буферными усилителями в последовательно опрашиваемых каналах полностью исключает коммутационную помеху, активные ФНЧ 3-го порядка в каждом канале улучшают соотношение сигнал/шум. Функциональная схема Е20-10 приведена на рис.2.4.

Рисунок 2.4 – Функциональная схема Е20-10.

Ниже приведены основные технические характеристики АЦП LCARD E20-10 (табл. 3)

Таблица 3

Технические характеристики АЦП LCARD E20-10

Количество каналов	4
Разрядность АЦП	14 бит
Входные поддиапазоны	±3,0 В; ±1,0 В; ±0,3 В независимая настройка для каждого канала
Входное сопротивление аналогового входа АЦП	>5 МОм
Максимальная частота преобразования	10 МГц
Полоса пропускания сигнала каждого канала	1,2 МГц - фиксированная
Пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока: – в диапазоне частот входного напряжения от 0,00002 до 0,5 МГц	±0,2 %
– в диапазоне частот входного напряжения от 0,5 МГц до 1 МГц	±1 %

Цифровые генераторы сигналов

Цифровые генераторы сигналов используются в качестве генератора сигналов специальной формы и применяются при настройке и регулировке различной радиоэлектронной аппаратуры, медицинских приборов, в вибрации и акустике.

Принцип работы генератора основан на технологии прямого синтеза (DDS). Этот принцип состоит в том, что цифровые данные, представляющие цифровой эквивалент сигнала требуемой формы, последовательно считываются из памяти сигнала и поступают на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). ЦАП тактируется с частотой дискретизации генератора и выдает последовательность ступеней напряжения, аппроксимирующих требуемую форму сигнала.

Рисунок 2.5 – Принцип формирования сигнала

Ступенчатое напряжение затем сглаживается фильтром нижних частот (ФНЧ), в результате чего восстанавливается окончательная форма сигнала (см. рис. 2.5).

В данной лабораторной работе используется генератор сигналов специальной формы ГСС-05.

Рисунок 2.6 – Генератор сигналов специальной формы ГСС-05

В память генераторов заложено 27 различных стандартных форм сигнала с разрешением по вертикали 10 бит и длиной 4096 точек, среди которых синусоидальный, меандр, импульс со скважностью до 1000, треугольник, пила, постоянное смещение, логарифмический, экспоненциальный, sin x / x , кардиосигнал и т.д.

В основе генераторов ГСС-05 лежит ЦАП с разрешением по вертикали 12 бит, частотой дискретизации 200 МГц. Сигнал с выхода ЦАП поступает на малошумящий выходной усилитель. Усилитель имеет коэффициент нелинейных искажений не более 0,1% на частотах до 200 кГц. При этом усилитель обеспечивает равномерную АЧХ выходного сигнала и стабильность уровня выходного сигнала во времени (не более 0,5% за 3 часа). После усилителя сигнал поступает на вход аттенюатора для обеспечения требуемого динамического диапазона установки уровня выходного сигнала. Затем сигнал подается на выходной разъем. Схема выходных цепей генератор собрана так, чтобы обеспечить его внутреннее сопротивление с номинальным значением 50 Ом, что позволяет избежать значительных искажений формы сигнала при работе.

Основные характеристики:

• Диапазон частот для основных форм выходного сигнала 1мкГц – 5 МГц;

• Разрешение по частоте 1 мкГц;

• Амплитуда выходного сигнала от 100 мкВ до 10 В;

• Разрядность ЦАП 12 бит;

• Частота дискретизации 200 МГц;

• Формирование сигнала произвольной формы;

• Интерфейс RS-232;

• Абсолютная погрешность установки размаха напряжения выходного сигнала на нагрузке 50 Ом ±(0,01×U + 0,2В)

• Неравномерность АЧХ синусоидального сигнала относительно частоты 1 кГц ±0,5дБ.

Цифровые осциллографы Instek GDS-820

Входной сигнал после нормализации преобразуется в цифровую форму и записывается в память. В общем виде цифровой осциллограф состоит из входного делителя, нормализующего усилителя, аналого-цифрового преобразователя, блока памяти, устройства управления и устройства отображения.

Полная оцифровка сигнала позволяет избежать отображения сигнала в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов, упростить масштабирование и растяжку, ввести метки. Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает возможность для отображения любой дополнительной информации и управления прибором с помощью меню.

Используемые в осциллографах процессоры цифровой обработки сигнала предоставляют возможность исследования спектра сигнала посредством анализа с применением быстрого преобразования Фурье. Цифровое представление информации обеспечивает сохранение экрана с результатами измерения в памяти компьютера или вывод непосредственно на принтер.

В данной лабораторной работе используется осциллограф Instek GDS-820С. Его технические характеристики приведены в табл. 4.

Таблица 4

Краткие технические характеристики осциллографа GDS-820C

КАНАЛ ВЕРТИКАЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЯ	Полоса пропускания (-3 дБ)	150 МГц Ограничение полосы пропускания до 20 МГц
	Коэф. отклонения (Коткл)	2 мВ/дел...5 В/дел (шаг 1-2-5)
	Погрешность установки Коткл	± 3 %
	Время нарастания	< 2,3 нс
	Входной импеданс	1 МОм (± 2 %) / 22 пФ
	Макс. входное напряжение	300 В (DC+АС пик, до 1 кГц)
	Режимы работы	Канал 1, канал 2, канал 1 (2) инвертированный, канал 1 и 2
	Математика	Кан 1 + Кан 2; Кан 1 - Кан 2; БПФ
	Погрешность установки Кразв	± 0,01 %
	Режимы работы	Основной, окно, ZOOM окна, самописец, X-Y
СИНХРОНИЗАЦИЯ	Источники синхросигнала	Канал 1, канал 2, сеть, внешний
	Режимы запуска развертки	Автоколебательный, ждущий, однократный, ТВ (NTSC, PAL / SECAM), пред- (20 дел.) и послезапуск (1000 дел)
	Внешняя синхронизация	50 мВ (0...30 МГц 100 мВ (30...150 МГц) Уровень: постоянное ± 15 В; переменное 2 В пик.
	Вход внешней синхронизации	1 МОм (± 2 %) / 22 пФ
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ	Разрешение по вертикали	8 бит
	Частота дискретизации	До 100 МГц на канал
	Эквив. частота дискретиз.	До 25 ГГц на канал
	Длина записи	125 Кбайт на канал
	Пиковый детектор	10 нс
	Режимы работы	Выборка, пик. детектор (> 10 нс); усреднение (2 /.../ 256); накопление; выбор длины записи (0,5 К /.../ 125 К)
ОБЩИЕ ДАННЫЕ	ЖК-дисплей	8 х 12 дел (разрешение 320 х 240), цветной ЖК (модели с индексом C)
	Напряжение питания	100.240 В, 48.63 Гц (автовыбор)
	Габаритные размеры; масса	254 х 142 х 310 мм; 4,1 кг
	Комплект поставки	Шнур питания (1), делитель 1:1/1:10 (2)