11 лаба метрология

Преподаватель:

Медведев А.В.

Выполнили: студенты гр. 5091/1

Кузнецов А., Герасимов О.

Часть 1

Введение в лабораторный практикум

Цели работы

1. Изучение устройства, принципа действия и режимов работы цифрового осциллографа.

2. Ознакомление с органами управления осциллографа.

3. Получение навыков осциллографирования сигналов.

Список оборудования

1. Цифровой осциллограф Tektronix серии DPO 2000 или MSO 2000.

2. Пассивный пробник Tektronix P2221 1X/10X.

3. Кабель Host/Device USB.

4. Лабораторная макетная плата Tektronix 878-0456.

Технические характеристики осциллографа MSO 2012

● Полоса пропускания 100 МГц

● Количество каналов: 2 канала

● Частота дискретизации до 1 Гвыб/c

● Длина памяти 1 Мвыб

● Максимальная скорость захвата 5000 осциллограмм в секунду

● Разрешение по вертикали 8 бит

● Запуск, декодирование и анализ сигналов последовательных шин I2C, SPI, CAN, LIN и RS-232/422/485/UART

● 7-дюймовый (180 мм) широкоэкранный ЖК-дисплей

● Порт USB 2.0 на передней панели для сохранения данных

● Порт USB 2.0 на задней панели для управления осциллографом с компьютера с помощью программного обеспечения USBTMC или распечатки отчетов на принтере, совместимом с технологией PictBridge®

● Интерфейс пробника TekVPI®, поддерживающий активные, дифференциальные и токовые пробники, обеспечивая автоматическое распознавание коэффициентов ослабления

Виды осциллографических измерений

Введение

Цифровой осциллограф можно использовать для измерения самых разных параметров сигнала. Так, например, размаха сигнала (peak-to-peak), среднеквадратического значения напряжения (RMS – root mean square), частоты, периода, длительностей фронта и спада импульса. Выполнить измерения можно несколькими способами. В этом параграфе рассматриваются три основных метода измерения:

• ручные измерения;

• курсорные измерения;

• автоматические измерения.

Ручные измерения (Manual Measurements). При ручных измерениях используется масштабная сетка. Измерительная масштабная сетка имеет 8 делений по вертикали и 10 делений по горизонтали. Для достижения максимальной точности следует использовать как можно большую площадь экрана. Измеренные значения в делениях сетки умножаются на соответствующие масштабные коэффициенты по горизонтали или вертикали.

Курсорные измерения (Cursor Measurements) проводятся вручную путем установки двух курсоров на осциллограмме сигнала. Искомое значение измеряемой величины считывается с экрана осциллографа.

Автоматические измерения (Automatic Measurements) предполагают использование алгоритмов, хранимых в памяти осциллографа. Алгоритмы позволяют идентифицировать форму сигнала, выполнить измерения, выбрать единицы измерения и отобразить измеренное значение на экране.

Ручные измерения

1. Следующие упражнения позволят изучить способы проведения ручных измерений.

1. Выполните сброс установок осциллографа и получите на экране осциллограмму, подобную той, что изображена справа на рисунке. Как правило, для достижения наивысшей точности измерений рекомендуется использовать наибольшую площадь экрана.

Упражнение

1. Определите размах сигнала путем подсчета числа вертикальных делений на измерительной масштабной сетке экрана. Затем умножьте полученное число на масштаб по вертикали. Запишите полученный результат.

5дел*1V/дел=5v

2. Определите период сигнала путем подсчета числа горизонтальных делений на измерительной масштабной сетке экрана. Затем умножьте полученное число на масштаб по горизонтали. Запишите полученный результат.

5дел*200us/дел=1ms

3. Рассчитайте частоту сигнала (f = 1/T).

f=1kHz

Курсорные измерения

1. Большей точности измерений можно достичь, используя курсорные измерения. Далее рассмотрен способ выполнения курсорных измерений.

1. Дважды нажмите кнопку Cursors, при этом будут включены все курсоры.

• Вертикальные курсоры позволяют измерять временные параметры по горизонтальной оси.

• Горизонтальные курсоры предназначены для измерения напряжения вдоль вертикальной оси.

• Когда курсоры активны, они изображаются сплошной линией. В противном случае – пунктирной линией.

2. Нажмите кнопку Select и сделайте активными горизонтальные курсоры. С помощью многофункциональных переключателей Multipurpose a и b установите горизонтальные курсоры на максимум и минимум напряжения. Считайте измеренное значение размаха напряжения, которое индицируется в правом верхнем углу экрана.

3. Нажмите кнопку Select для выбора вертикальных курсоров. Обратите внимание на вид курсоров. Вертикальные курсоры должны стать сплошными, а регулировки a и b переходят на временные параметры.

4. С помощью многофункциональных переключателей Multipurpose a и b установите курсоры на начало и конец периода сигнала (от фронта до фронта), затем считайте измеренное значение.

Упражнение

1. Запишите значение размаха сигнала.

4,96V

2. Запишите значение периода сигнала.

1ms

Автоматические измерения

1. В памяти осциллографа DPO 2012 записано 29 видов автоматических измерений. Для выполнения автоматических измерений необходимо получить на экране хотя бы один период исследуемого сигнала и подобрать масштаб по вертикали так, чтобы использовать почти всю площадь экрана. Последующие шаги показывают способ проведения автоматических измерений.

1. Нажмите кнопку Cursor, чтобы выключить все курсоры.

2. Нажмите кнопку Measure.

3. Нажмите всплывающую кнопку Add Measurement.

4. С помощью прокрутки Multipurpose a выберите измерение размаха сигнала (Peak-to-peak), затем нажмите всплывающую кнопку OK Add Measurement.

5. С помощью прокрутки Multipurpose a выберите измерение периода сигнала (Period), затем нажмите всплывающую кнопку OK Add Measurement.

6. С помощью прокрутки Multipurpose a выберите измерение частоты сигнала (Frequency), затем нажмите всплывающую кнопку OK Add Measurement.

7. Дважды нажмите кнопку Menu Off. Измеренные параметры отобразятся в нижней части экрана.

Упражнение

1. Запишите результаты измерения размаха и периода сигнала.

5,16V

1,011ms

2. На сколько процентов отличаются значения, измеренные вручную, от значений, полученных в результате курсорных и автоматических измерений?

Ручные от курсорных: T отличается на 0% А отличается на |100%*4,96/5-100%|=0,8%

Ручные от автоматических: Т отличается на |100%*1,011/1-100%|=1,1% А отличается на |100%*5,16/5-100%|=3,2%

Заключительные упражнения

1. Какой из параметров цифрового осциллографа является основным?

   1. Габариты.

   2. Длина памяти.

   3. Полоса пропускания .

   4. Частота дискретизации.

   5. Время нарастания переходной характеристики. ответ: в, д, г, б, а(по убыванию значимости)

2. Осциллограф обычно:

   1. Отображает амплитуду напряжения на вертикальной оси дисплея.

   2. Обеспечивает удобное управление осциллограммой.

   3. Предоставляет несколько способов измерения параметров сигнала.

   4. Все указанное вместе. ответ: г

3. Цифровой осциллограф:

   1. Нормирует входной сигнал.

   2. Преобразует в цифровую форму входной сигнал на максимальной частоте дискретизации.

   3. Запоминает выборку сигнала и отображает ее на дисплее.

   4. Все вместе. ответ: г

4. Какие основные группы органов управления осциллографом можно выделить на передней панели?

   1. Управление вертикальным и измерительным каналами, управление дисплеем.

   2. Управление горизонтальным каналом, схемой автоустановки, измерительным каналом.

   3. Управление вертикальным и горизонтальным каналами, управление синхронизацией.

   4. Управление синхронизацией, управление каналом измерения, управление курсорами. ответ: в

5. С помощью осциллографа можно выполнить:

   1. Автоматические измерения, по записанным в память алгоритмам.

   2. Курсорные измерения.

   3. Ручные измерения с помощью масштабной сетки на экране.

   4. Все вместе. ответ: г.

6. Заключительное упражнение, в котором используются знания, полученные в ходе всей работы.

1. Подключите лабораторный макет к USB-порту осциллографа.

2. Подсоедините зажим «земля» пробника к выводу GND макета. Подключите сигнальный конец пробника к выводу CNT_CLK макета. Нажмите кнопку Default Setup.

3. Получите на экране осциллографа неподвижное изображение сигнала, содержащее 2-4 периода. (Не используйте режим Autoset!). Запишите последовательность ваших действий:

Последовательность действий соответствует описанным ранее пунктам задания(п.6, а-б), плюс ко всему были выполнены автоматические измерения сигнала с помощью опции Measure.

Результат:

4. Измерьте с помощью масштабной сетки следующие параметры:

   1. Размах сигнала = 7*500mV = 3.5V

   2. Период сигнала = 8*100ns = 800ns

5. Используя курсорные измерения, выполните измерения:

   1. Размаха сигнала = 3,44V

   2. Периода сигнала = 806ns

6. Используя автоматические измерения, проведите измерения:

   1. Размаха сигнала = 4,08V

   2. Периода сигнала = 800ns

   3. Частоты сигнала = 1,250MHz

Часть 2

Введение

Цели работы

В ходе работы вы продолжите изучение основных характеристик и функциональных возможностей цифрового осциллографа, на практике научитесь выполнять математическую обработку и измерять параметры сложных сигналов.

Основные цели работы:

1. Изучение способов захвата сигнала.

2. Получение навыков использования органов управления панорама и лупа, для воспроизведения различных частей осциллограммы.

3. Изучение способов математической обработки сигнала.

4. Получение практических навыков осциллографирования сложных сигналов.

Моды захвата сигнала

Упражнение

1. Какая мода захвата установлена по умолчанию в осциллографе MSO 2012?

1. Sample

2. Average

3. Peak Detect

4. Noise Filtering ответ: a

2. Для выбора моды захвата Peak Detect следует нажать кнопку FilterVu.

3. Мода захвата Average обеспечивает уменьшение шумовой составляющей сигнала без изменения полосы пропускания.

Открытый и закрытый вход

Упражнения

1. Упражнение для исследования режима открытого и закрытого входа, а также опции «земля».

   1. Подключите входы пробников первого и второго каналов к выводам CNT_CLK макетной платы.

   2. Подключите «землю» пробников первого и второго каналов к выводу GND макетной платы.

   3. Получите на дисплее следующую осциллограмму:

4. Оба канала сейчас установлены в режим с открытым входом (по умолчанию). Как изменится осциллограмма первого канала, если перейти в режим с закрытым входом? Сместится вниз (постоянная составляющая отсеивается) Теперь задайте режим AC для первого канала и зарисуйте полученную осциллограмму.

Как изменится осциллограмма первого канала, если выбрать опцию «земля»? обратится в линию совпадающую с нулевым уровнем первого канала Теперь выберите опцию «земля» и зарисуйте полученный результат.

2. В последующей части исследуется влияние полосы пропускания фильтра второго канала на форму траектории на экране.

   1. Нажмите кнопку Menu для вертикальной оси второго канала.

   2. Выберите опцию Bandwidth Full с помощью всплывающей кнопки Bandwidth.

   3. Обратите внимание на фронты осциллограмм первого и второго каналов. Осциллограммы должны быть идентичны друг другу и на них должны отображаться высокочастотные составляющие сигнала. Как изменится осциллограмма второго канала, если установить полосу пропускания фильтра, равной 20 МГц увеличивается время нарастания

   4. Выберите опцию 20 MHz для полосового фильтра второго канала и зарисуйте полученную осциллограмму.

   5. Снова выберите опцию Full.

Просмотр осциллограммы

Упражнение

1. В записанном сигнале FREQ_ANOM найдите и промаркируйте все импульсы с малой амплитудой (установите пороги от 600 мВ до 2,2 В). Используйте функцию Wave Inspector® и опцию Runt. Сколько импульсов вы нашли?

2 импульса(2 метки)

Математическая обработка сигнала

Функции математической обработки

Упражнения

1. В этом упражнении используется математическая обработка для измерения временной задержки сигналов.

   1. Подключите вход пробника первого канала к выходу CNT_CLK макетной платы. Подключите «землю» пробника к выводу Ground макета.

   2. Подключите вход пробника второго канала к выходу CNT_OUT_0 макетной платы. Подключите «землю» второго пробника к выводу Ground макета.

   3. Нажмите кнопку Default Setup.

   4. Настройте осциллограф таким образом, чтобы на экране получилась следующая осциллограмма:

2. С помощью функции математической обработки выполните вычитание сигнала второго канала из сигнала первого канала. Запишите последовательность ваших действий. Math/Dual wfm Math/operator -/2^nd source “2”/1^st source “1”

3. Определите задержку между фронтами двух сигналов.

Задержка = 22,8 ns

Быстрое преобразование Фурье

Упражнение

1. В этом упражнении будет выполнено БПФ еще одного сигнала и измерен его спектр.

   1. Подключите вход пробника первого канала к выходу CNT_OUT_4 макетной платы. Подключите экран пробника к выводу Ground макета.

   2. Нажмите кнопку Default Setup.

   3. Получите на экране осциллограмму:

4. Выполните БПФ. Растяните изображение спектра по горизонтали так, чтобы можно было измерить частоту первой и нескольких нечетных гармоник.

5. Измерьте частоту первой гармоники. Измерьте амплитуду и частоту третьей и пятой гармоник.

1 = 39 kHz

2 = 117 kHz

3 = 195,3 kHz

Заключительные упражнения

1. Когда выбрана кнопка Run/Stop, процедура дискретизации продолжается пока:

   1. Не будет нажата кнопка Run/Stop.

   2. Не заполнится вся память.

   3. Вход пробника не отключат от сигнального вывода.

   4. Варианты a и b.

Ответ: г

2. Какой из перечисленных режимов не входит в список входных режимов?

   1. DC.

   2. AC.

   3. Ground.

   4. 1 M.

Ответ: г

3. Функция математической обработки выполняет операцию _________________.

   1. Над выборкой определенного объема.

   2. В целом формате.

   3. В формате с плавающей точкой.

   4. С помощью рекурсивного метода.

Ответ: а

4. Операция _______________ может быть использована для определения отличий между измеренной и образцовой осциллограммами.

   1. Вычитания.

   2. Деления.

   3. Умножения.

   4. Сложения.

Ответ: а

5. Операция _______________ используется для измерения мгновенной мощности.

   1. Вычитания.

   2. Деления.

   3. Умножения.

   4. Сложения.

Ответ:в

6. Функция Wave Inspector ® позволяет ________ и __________ специфические события на протяжении всех кадров, записанных в памяти осциллографа.

   1. Находить, маркировать.

   2. Добавлять, вычитать.

   3. Добавлять, записывать.

   4. Генерировать сигнал тревоги, записывать его.

Ответ: а

7. ___________________ преобразует сигнал из временной области в частотную.

   1. Wave Inspector ®.

   2. БПФ (FFT).

   3. FilterVu™ мода.

   4. Смещение осциллограммы по вертикали.

Ответ: б

8. Измерьте частоту и амплитуду первой, третьей и пятой гармоник сигнала CNT_OUT_3. Запишите последовательность ваших действий: 1 = 79 kHz

2 = 221 kHz

3 = 411 kHz

Def setup/autoset/math/fft/scale 400us/cursors