Курсова робота - Методика перевірки цифрового осцилографа
ВведениеПовірка засобів вимірювань (СІ) – сукупність операцій, що виконуються органами державної метрологічної служби та суб'єктами господарювання з метою визначення та підтвердження відповідності СІ встановленим требованиям.[1,5]
Мета перевірки - встановити:
- чи перебувають метрологічні характеристики (МХ) повіреного СІ в заданих межах;
- чи немає в повірюваному СІ несправних або недостатньо надійних деталей, вузлів або блоків, які можуть спричинити неприпустимі зміни МХ або виходу СІ з ладу.
Таким чином, суть повірки:
- перевірка – це з форм державного чи відомчого метрологічного контролю;
- мета повірки – встановити відповідність СІ метрологічним та технічним вимогам, встановленим у нормативних документах (НД) та визнання СІ придатним до застосування;
- перевірка проводиться дослідним шляхом за офіційно затвердженими методиками перевірки;
- перевірку проводять особи, атестовані як повірителі у порядку, встановленому ДержСтандартом;
- якщо результати повірки позитивні, то на СІ та/або НД наноситься відбиток повірного тавра та/або видається свідоцтво про повірку, а якщо результати негативні – СІ бракується та видається повідомлення про його непридатність із зазначенням причин.
Залежно від цілей та призначення результатів види перевірки класифікуються за такими ознаками:
- Залежно від того, якою метрологічною службою вона проводитиметься: державна і просто «повірка»;
- Залежно від етапу роботи СІ перевірка може бути: первинна, періодична та позачергова;
- Залежно від характеру проведенняперевірка поділяється на інспекційну та експертну.
Як видно з малюнка 1, управління роботою ЦО здійснюється тактовими імпульсами УУ. В АЦП реалізується кодоімпульсний метод перетворення при розгортаючому врівноважуванні з рівномірно ступінчастою зміною напруги, що компенсує. Завдяки цьому імітується тимчасова розгортка осцилографа.
Оперативне ЗУ дозволяє запам'ятати весь масив миттєвих значень U(t), які у вигляді кодів з АЦП, і навіть необхідну службову інформацію. Швидкість запису в ЗУ та його ємність істотно впливають нашвидкодія та метрологічні характеристики ЦО.
Особливо слід зупинитися на видах візуальних індикаторів (ВІ), що застосовуються у ЦО. Вони поділяються на дві групи: ЕЛТ та матричні індикаторні панелі (МІП). При використанні ЕЛТ необхідні додаткові ЦАП, що перетворюють коди ЗП на напругу сигналу U(t), що надходить на пластини Y, і напруга розгортки, що подається на пластини X ЕЛТ. Необхідність ЦАП відпадає, якщо перейти до МІП – плоским матричним екранам, дискретність яких природно узгоджується з дискретною формою представленої інформації. Крім того, застосування МІП знижує габарити та масу ЦО, усуває джерела високої напруги та різко скорочує кількість органів керування екраном. В даний час також широко застосовуються рідкокристалічні індикатори (РКІ) та їх сенсорні різновиди, що дозволяють скоротити кількість органів управління на передній панелі приладів.
Останнім часом на практиці успішно застосовуються цифрові осцилографи [7], в яких вхідні аналогові сигнали перетворюються за допомогою паралельного або паралельно-послідовного (змішаного) АЦП в коди, що записуються в цифровий пристрій, де вони зберігаються необхідний для дослідження час. Для отримання зображення на екрані осцилографа коди зчитуються з пристрою. При цьому досліджуваний сигнал може відображатися на екрані електронно-променевої трубки, так і на плоскому матричному екрані, виконаному на рідких кристалах або світлодіодах.
Найпростіша структурна схема цифрового осцилографа представлена на малюнку 2. Миттєві значення досліджуваного сигналу, що надходить із входу Y через вхідний пристрій ВУ на АЦП, у певні моменти часу, що задаються тактовим генератором ТГ, перетворюються на цифрові кодизапам'ятовуються в цифровому пристрої ЗУ. Далі ці коди надходять в пристрій, що відображає ОУ, де на їх основі виробляються сигнали, що керують вертикальним переміщенням світлової точки на екрані.
Рисунок 2 – Найпростіша структурна схема цифрового осцилографа У ті моменти часу формувачем наростаючого коду ФНК виробляється код, рівномірно наростаючий за часом. Він також надходить у пристрій, де перетворюється на сигнал, що керує горизонтальним переміщенням світлової точки на екрані. Цей процес імітує тимчасове розгортання осцилографа.
Джерело опорної напруги ІОН виробляє певні значення напруги, які надходять на входи компараторів АЦП, задаючи їх рівні спрацьовування, що відповідають рівням квантування.
Якщо в якості дисплея використовується екран електронно-променевої трубки, то коди, відповідні миттєвим значенням досліджуваного сигналу і тимчасової розгортці, перетворюються в цифроаналогових перетворювачів на напруги, що подаються, відповідно, вертикальні і горизонтальні пластини, що відхиляють трубки. Якщо дисплеєм є матричний екран, то зазначені коди перетворюються на позиційні, які вибирають один з рядків і один зі стовпців матричної панелі, на перетині яких виникає крапка, що світиться.
Функціональні можливості цифрових осцилографів значно ширші, ніж можливості аналогових. Вони дозволяють отримувати в цифровій формі багато параметрів досліджуваного сигналу, реалізовувати його диференціальну, інтегральну або спектральну характеристики, автоматизувати процес вимірювання, керувати ним дистанційно і т.д. На екрані крім осцилограм у цифровій формі відображаються коефіцієнт відхилення (чутливість по вертикалі) та тривалістьрозгортки. Крім того, застосування матричних екранів зменшує габарити цифрових осцилографів і робить їх безпечнішими з точки зору охорони праці, оскільки в цьому випадку відпадає необхідність використання джерел живлення високої напруги.
Так, портативний цифровий осцилограф «Північ-1» з кольоровим екраном на рідких кристалах має розміри 156х257х256 мм та призначений для спостереження, запам'ятовування у цифровій формі та вимірювання амплітудно-часових параметрів двох електричних сигналів у діапазоні частот 0-50 МГц. При цьому забезпечується висока точність вимірювань (похибка вимірювання миттєвих значень напруги не більше 2%) та автоматичний вимір основних параметрів сигналу: амплітуди, розмаху, періоду сигналу, параметрів перехідної характеристики. Крім того, в осцилографі передбачені режим самописця з довжиною запису 20 000 пікселів і режим усереднення.
Сучасна мікропроцесорна техніка завдяки включенню її до цифрового осцилографа дозволяє вирішувати практично будь-які функціональні завдання, що виникають при дослідженні електричних сигналів. Як приклад наведемо осцилограф ОЦСЗ-01С. Цей запам'ятовуючий осцилограф, що поєднує в собі вимірювальний пристрій та обчислювальну машину, забезпечує візуальне спостереження, запам'ятовування в цифровій формі, вимірювання та математичну обробку амплітудно-часових параметрів періодичних та неперіодичних сигналів у динамічному діапазоні від 4 мВ до 50 В та смузі частот від 0,1 до 50 МГц. Як портативна ЕОМ використовується IBM PC/AT/ATX - сумісний комп'ютер (процесор типу Intel 486 і вище).1.1 Цифровий запам'ятовуючий осцилографОдне з основних напрямів удосконалення осцилографів засноване на широкому використанні в їх схемах цифрових методів обробкисигналів та мікропроцесорів [6]. Структура побудови сучасного цифрового осцилографа залежить від обсягу та характеру функцій, покладених на мікропроцесорну систему.
Порівняно проста схема цифрового осцилографа представлена малюнку 3. Це цифровий запам'ятовуючий осцилограф (ЦЗО).
Рисунок 3 – Структурна схема цифрового запам'ятовуючого осцилографа У момент ti за командою мікроконтролера (МК) в АЦП починається перетворення напруги U(t), що надходить на його вхід. В результаті напруги U(ti) перетворюється на числовий код і записується в комірку пам'яті ЗУ. Процес запам'ятовування значень U(ti) продовжується до заповнення призначених при цьому клітин пам'яті ЗУ. При необхідності по команді МК з пам'яті ЗУ певної послідовності вибираються числа і подаються на ЦАП, де перетворюються на відповідні напруги U(ti). Далі ця напруга через кінцевий підсилювач подається на вертикально відхиляючі пластини. В результаті при наявності розгорток на екрані відображається послідовність точок, що світяться, а за наявності блоку інтерполяції - розгорнута осцилограма.
Функції генератора розгортки у цій схемі може виконувати ЦАП, керований сигналами, що надходять з його вхід від микроконтроллера. На виході ЦАП утворюється напруга, що ступінчасто змінюється, близька до лінійно змінюється. Швидкість розгортки при цьому визначається швидкодією ЦАП та мікроконтролера.
Сучасні ЦЗО забезпечують практично необмежений час зберігання інформації, можливість відтворення ділянок сигналу, що запам'ятовується. Водночас невисока швидкодія АЦП обмежує максимальну частоту досліджуваних сигналів (40 МГц).1.2 Цифровий осцилограф з програмним керуваннямБільш широкіможливості мають цифрові осцилографи із програмним управлінням на основі мікропроцесорних систем [5]. Структура таких осцилографів подібна до структури обчислювальних машин (рисунок 4).
Рисунок 4 – Узагальнена структурна схема цифрового осцилографа з програмним керуванням Досліджуваний аналоговий сигнал U(t) надходить на вхідний пристрій, де здійснюється узгодження його параметрів з АЦП, а також автоматичне перемикання каналів при багатоканальному осцилографуванні. Крім того, тут за допомогою вбудованих вимірювачів можуть визначатися амплітудні та часові параметри сигналу, що досліджується.
Після АЦП послідовність кодів інформативних параметрів сигналу через внутрішньоприладовий інтерфейс подається до ЗУ, яке, як правило, включає до свого складу:
- оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗУ), що має високу швидкість запису сигналів, що йдуть з частотою дискретизації;
- запам'ятовуючий пристрій програм управління (ЗУПУ), що забезпечує зберігання програм математичної та логічної обробки результатів вимірювань та програм управління осцилографом;
- пристрій службової інформації (ЗУСІ), що запам'ятовує, призначений для зберігання виведеної на екран чисельно - буквеної та іншої знакової інформації.
З ЗУ сигнали надходять у процесор П, що відображає пристрій або через зовнішній інтерфейс на зовнішні пристрої та ЕОМ.
Як процесор в цифровому осцилографі можуть використовуватися мікропроцесорні комплекти, а також мікро-і міні ЕОМ. Наявність мікропроцесорної системи дозволяє повністю автоматизувати роботу осцилографа. Процесор здійснює вибір та завдання режимів роботи осцилографа, обробку результатів вимірювань, зв'язок осцилографа з оператором та зовнішніми пристроями та іншіоперації.
На пристроях цифрових осцилографів можна спостерігати не тільки осцилограми сигналів, але і чисельні значення ряду його параметрів. Т.к. в осцилографі, що розглядається, є можливість вимірювати параметри сигналів на його вході, а не на виході каналу горизонтального або вертикального відхилення, як у звичайних аналогових осцилографах, то чисельні значення досліджуваних параметрів вимірюються з більш високою точністю1.3 Приставки до персонального комп'ютера
Аналізатор сигналів призначений до роботи з персональним комп'ютером (ПК). Усі індикатори та органи керування відображаються на моніторі ПК. Живлення здійснюється від USB шини. У сукупності з персональним комп'ютером або ноутбуком пристрій є багатофункціональним апаратно-програмним вимірювальним комплексом. Можливості комплексу дозволяють використовувати його у навчальних лабораторіях.