METROLOGIA ZALICZENIE: OSCYLOSKOP, GENERATOR, MULTIMETR

1. OSCYLOSKOP:

1. Podać ważniejsze funkcje, jakie realizują współczesne oscyloskopy cyfrowe?

Współczesny oscyloskop cyfrowy jest urządzeniem umożliwiającym akwizycję, wizualizację, analizę oraz pomiar wielu parametrów jednego lub kilku sygnałów napięciowych, doprowadzonych do jego wejść Po zastosowaniu odpowiednich sond lub przetworników możliwe jest badanie sygnałów prądowych, ładunkowych, mocowych oraz sygnałów nieelektrycznych. Ponadto możliwy jest pomiar relacji fazowych i czasowych pomiędzy sygnałami doprowadzonymi do wejść oscyloskopu. Wbudowane funkcje matematyczne pozwalają na obliczanie i wyświetlanie sygnałów proporcjonalnych do sumy, różnicy lub iloczynu sygnałów. Wiele współczesnych oscyloskopów cyfrowych realizuje analizę widmową sygnałów metodą szybkiej transformaty Fouriera (ang. Fast Fourier Transform, FFT) [1]. Niektóre oscyloskopy cyfrowe posiadają także wbudowany wielokanałowy analizator stanów logicznych [2], umożliwiający wizualizację stanów logicznych na np. 20 liniach cyfrowych oraz przebiegów czasowych na kilku (maksymalnie 4).

2. Jak interpretować stwierdzenie „oscyloskop o paśmie 25MHz” ?

Oznacza to, że za pomocą oscyloskopu można wiernie dokonywać pomiaru w zakresie od 0 do 25MHz. Wartość 25MHz jest to tak zwana 3 decybelowa częstotliwość graniczna, która jest jednym z głównych parametrów oscyloskopu.

3. Podać relację między czasem narastania/opadania a trzydecybelową częstotliwością analogowego toru Y oscyloskopu.

t_r,osc - czas narastania [ns]

f_3dB - częst. Trzydecybelowa [MHz]

Poprawna wartość czasu narastania t_r,popr mierzonego sygnału wyraża się zależnością:

4. Podać interpretację ekwiwalentnej maksymalnej szybkości próbkowania oscyloskopu.

Jest to maksymalna szybkość próbkowania z jaką oscyloskop może próbkować przebieg periodyczny. Jest ona wielokrotnie większa od maksymalnej szybkości, z jaką oscyloskop może próbkować przebieg jednorazowy. Szybkość ta wyrażona jest najczęściej w GSa/s (Giga Samples per Second).

5. Jak sprawdzić poprawność kompensacji częstotliwościowej pasywnej sondy oscyloskopowej?

W celu sprawdzenia poprawność kompensacji częstotliwościowej pasywnej sondy oscyloskopowej należy przed użyciem podłączyć ją do kalibratora. Wytwarza on napięcie prostokątne o wartości międzyszczytowej rzędu kilku woltów i o częstotliwości rzędu kilku kHz. Zaciski sondy należy połączyć z zaciskami kalibratora i sprawdzić, czy widoczny na ekranie oscyloskopu przebieg jest niezniekształconym przebiegiem prostokątnym.

2. GENERATOR.

1. Wymienić rodzaje generatorów elektrycznych sygnałów pomiarowych i podać ich zastosowanie.

Generatory wytwarzające niemodulowany lub modulowany przebieg sinusoidalny są

nazywane sygnałowymi. Częstotliwość generowanego przez nie sygnału zawiera się w przedziale od kilku kHz do kilkuset GHz. Są one wykorzystywane między innymi w laboratoriach radio- i telekomunikacyjnych. W technice cyfrowej stosowane są generatory impulsowe, które wytwarzają przebiegi cyfrowe o nastawianej przez użytkownika częstotliwości, amplitudzie, współczynniku wypełnienia, a w bardziej zaawansowanych przyrządach także czasu narastania i opadania zboczy sygnału. Generatory, których sygnał wyjściowy charakteryzuje się dużą dokładnością i stabilnością częstotliwości, a ponadto dużą rozdzielczością jej nastawy, są nazywane syntez erami częstotliwości.

Najbardziej rozpowszechnionymi w technice są generatory funkcyjne, które wytwarzają napięcie elektryczne o określonym kształcie. Niemal wszystkie generatory funkcyjne wytwarzają napięcie o kształcie sinusoidalnym, trójkątnym (piłokształtnym) oraz prostokątnym [1]. Generatory funkcyjne mogą być klasyfikowane na kilka sposobów. Na przykład, biorąc pod uwagę kryterium technologiczno-konstrukcyjne, można je podzielić na generatory analogowe

oraz generatory z syntezą cyfrową.

2. Podać ważniejsze różnice między generatorami funkcyjnymi analogowymi i generatorami z cyfrową syntezą przebiegu.

- Generatory analogowe charakteryzują się przeciętną stabilnością częstotliwości i amplitudy generowanego sygnału. Znacznie większą stabilnością częstotliwości i amplitudy charakteryzują się generatory z cyfrową syntezą przebiegu.

- Zaletą generatorów DDS jest łatwość wobulacji ich częstotliwości

- generatory DDS pozwalają także na wytworzenie określonej przez użytkownika liczby oktesów sygnału

3. Narysować i omówić schemat blokowy generatora funkcyjnego DDS.

Układ ten składa się z następujących elementów:

- akumulatora fazy w postaci k-bitowego przerzutnika typu D;

- rejestru słowa przestrajającego częstotliwość (ang. Frequency Tuning Word, FTW) w

postaci k-bitowego przerzutnika typu D;

- k-bitowego sumatora cyfrowego;

- generatora sygnału taktującego o częstotliwości CLK f ;

- stałej pamięci przebiegu, zawierającej próbki sinusoidy;

- m-bitowego przetwornika cyfrowo-analogowego;

- filtru dolnoprzepustowego.

Układ działa w sposób następujący: każdy impuls z generatora taktującego powoduje wpisanie do akumulatora fazy nowego słowa o wartości będącej sumą wartości poprzedniego słowa przechowywanego w akumulatorze oraz wartości słowa przechowywanego w rejestrze FTW. Wartość akumulatora jest więc z każdym taktem inkrementowana o wartość FTW N aŜ do przepełnienia akumulatora. Słowo przechowywane w akumulatorze reprezentuje fazę wytwarzanego przez generator DDS przebiegu. Kilkanaście najstarszych bitów akumulatora jest doprowadzonych do wejścia pamięci przebiegu, zawierającej wartości próbek sinusoidy. Cyfrowe wartości tych próbek podawane są na wejście przetwornika cyfrowo-analogowego, który przetwarza cyfrowe wartości próbek sinusoidy na napięcie o charakterystycznym schodkowym kształcie przedstawionym na rys.2. Po odfiltrowaniu wyższych harmonicznych na wyjściu generatora DDS uzyskuje się sygnał zbliżony do sinusoidy. Sygnał ten może być zamieniony na sygnał cyfrowy za pomocą odpowiedniego komparatora.

4. Wymienić i krótko omówić sposoby modulowania sygnału sinusoidalnego, spotykane w generatorach funkcyjnych.

Generatory funkcyjne są wyposażone w tzw. wyjście synchronizacji. Na wyjściu tym z reguły występuje sygnał cyfrowy standardu TTL, który jest synchroniczny z sygnałem wytwarzanym na wyjściu głównym. Sygnał ten może służyć np. jako sygnał toru wyzwalania oscyloskopu. Umożliwia to w wielu przypadkach uzyskanie stabilnego obrazu na ekranie oscyloskopu, np. w przypadku gdy główny sygnał wyjściowy generatora jest zmodulowany amplitudowo. Generatory z bezpośrednią cyfrową syntezą częstotliwości pozwalają na łatwe modulowanie

wytwarzanych sygnałów [3].

Modulacja częstotliwości (ang. Frequency Modulation, FM), fazy (ang. Phase Modulation, PM) oraz kluczowanie częstotliwości (ang. Frequency Shift Keying, FSK) jest realizowana przez dynamiczne modyfikowanie zawartości rejestru FTW.

W praktyce rejestr ten ma postać pamięci SRAM, ktorej zawartość zależy od rodzaju modulacji. Modulacja amplitudy (ang. Amplitude Modulation, AM) jest realizowana za pomocą analogowego układu mnożącego, który mnoży napięcie wyjściowe uzyskiwane z generatora DDS przez napięcie modulujące, uzyskiwane za pomocą pomocniczego generatora modulującego.

3. MULTIMETR CYFROWY.

1. Co to jest multimetr cyfrowy?

Multimetr cyfrowy to przyrząd pomiarowy. Multimetry cyfrowe umożliwiają pomiary wielu wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. Są to z reguły napięcia stałe i zmienne, prądy stałe i zmienne oraz rezystancja i pojemność elektryczna. Dodatkowo możliwe są pomiary częstotliwości oraz testy ciągłości obwodu, testy diod półprzewodnikowych i tranzystorów, pomiary natężenia dźwięku, natężenia światła i inne.

2. Omówić zasadę działania przetwornika z podwójnym całkowaniem.

Przetwarzanie w omawianym przetworniku odbywa się w dwóch fazach.

Faza 1:

W chwili czasowej t=0 do układu całkującego (integratora) dołączone jest mierzone napięcie stałe UX. Napięcie wyjściowe integratora uC1 ma przebieg czasowy opisany równaniem: (1)

gdzie: k=1/RC - stała integratora.

Ponieważ napięcie UX jest napięciem stałym - napięcie wyjściowe integratora uC1 jest napięciem liniowo narastającym: (2)

Faza pierwsza trwa ściśle określony odstęp czasu TN, po którym, w chwili t=tN napięcie na wyjściu integratora ma wartość równą: (3)

Faza 2:

Układ sterujący przetwornika w chwili t=tN przełącza klucz, co powoduje dołączenie napięcia wzorcowego UN do wejścia integratora. Jest to początek fazy 2-giej. Napięcie UN jest odwrotnie spolaryzowane w stosunku do napięcia mierzonego UX. Napięcie wyjściowe integratora w fazie 2-giej uc2 ma postać: (4)

Całkowanie trwa do chwili t=tX, w której napięcie wyjściowe integratora osiągnie wartość zerową. Osiągnięcie poziomu zerowego wykrywane jest przez komparator. Można wówczas napisać następującą zależność: (5)

Odstęp czasu pomiędzy chwilami tN i tX oznaczmy jako TX. Równanie (5) można wtedy zapisać następująco: (6)

Z zależności powyższej można wyznaczyć wartość mierzonego napięcia w funkcji odstępu czasu TX: (7)

Bramka B jest otwierana na początku fazy 1-szej i zamykana na zakończenie fazy 2-giej na czas TN+TX. Liczba impulsów, które przejdą przez bramkę w czasie TN jest dobrana tak, aby w chwili tN następowało przepełnienie licznika. Od tej chwili licznik zaczyna ponownie zliczać impulsy od zera, zaś zliczanie zatrzymuje się w chwili tX. Generator wzorcowy wytwarza impulsy o wzorcowym odstępie TW, zatem odstęp czasu TX jest równy: (8)

Po uwzględnieniu równania (7) w równaniu (8) otrzymujemy: (9)

Z równania (9) wynika, że liczba impulsów zliczonych przez licznik jest proporcjonalna do wartości napięcia mierzonego. Wartość może być wyświetlona bezpośrednio na wyświetlaczu multimetru lub też może być poddana dalszemu przetwarzaniu. Przebiegi czasowe w przetworniku z podwójnym całkowaniem pokazano na rys. 2.

Rys2

3. Wymienić podstawowe cechy przetwornika z podwójnym całkowaniem.

Właściwości przetwornika z podwójnym całkowaniem są następujące:

 umożliwia wyłącznie pomiar napięcia stałego;

 jest stosunkowo niedrogi;

 charakteryzuje się dobrą stabilnością czasową;

 jest odporny na zakłócenia sieciowe;

 jest stosunkowo wolny (czas przetwarzania zwykle wynosi od 100 do 300 ms.

Dwie ostatnie cechy wynikają z następujących przesłanek: zwykle mierzonym napięciom stałym towarzyszą zakłócenia okresowe o częstotliwości sieciowej (w Europie 50 Hz, w Stanach Zjednoczonych 60 Hz). Jeżeli czas pierwszej fazy całkowania zostanie dobrany jako wielokrotność okresu przebiegu zakłócającego, wówczas po czasie pierwszego całkowania wartość napięcia wyjściowego układu całkującego będzie taka sama jak dla przebiegu bez zakłóceń - zakłócenie nie wpłynie na wynik pomiaru. Czas całkowania w fazie 1 dobiera się jako krotność 20 lub 16,67 ms. Dobór czasu całkowania równego 100 ms pozwala na wyeliminowanie wpływu zarówno zakłóceń o częstotliwości 50 Hz jak i 60 Hz.

4. Wymienić podstawowe funkcje multimetrów cyfrowych.

- pomiar napięcia stałego

- pomiar napięcia przemiennego

- pomiar prądu stałego i przemiennego

- pomiar rezystancji

- pomiar wielkości nieelektrycznych

5. Dlaczego wskazanie wartości skutecznej przebiegów prostokątnych w niektórych multimetrach jest o 11% większe niż u innych?

Ponieważ mierniki te wykorzystują metodę uśredniania.

Metoda uśredniania, która wykorzystuje zależność między wartością średnią wyprostowanego przebiegu a jego wartością skuteczną: , (11)

gdzie k - współczynnik kształtu. Woltomierze z uśrednianiem wykorzystują zazwyczaj prostowanie dwupołówkowe. Przeznaczone są do pomiaru wartości skutecznej przebiegów sinusoidalnych, dla których współczynnik kształtu k ma wartość 1,11. Zastosowanie woltomierza tego typu do pomiaru wartości skutecznych przebiegów o innych kształtach prowadzi do znacznych błędów pomiaru.

6. Jak oszacować niepewność pomiaru multimetrem cyfrowym?

---