DARBAS SU SKAITMENINIU OSCILOGRAFU

DARBAS SU SKAITMENINIU OSCILOGRAFU

Laboratorinis darbas Nr 2

Skaitmeninis oscilografas (SO) – tobulas šiuolaikinis matavimo prietaisas, kuriame organiškai apjungti signalų diskretizavimo, tvarkymo ir atkūrimo pasiekimai. SO turi savyje gana pajėgų procesorių ir išvystyt¹ programinź dalį; kai kuriuose iš jų naudojamos tos pačios operacinės aplinkos, kaip ir asmeniniuose kompiuteriuose.

Analoginio oscilografo ir SO struktūra. Analoginio oscilografo struktūra parodyta 1 pav.

1 pav. Analoginio oscilografo struktūra: 1 ir 4 – y ir x kanalų ateniuatoriai, 2 ir 7 – stiprintuvai, 3 – oscilografo vamzdis, 5 – sinchronizacijos režimo perjungėjas, 6 – skleistinės blokas.

Tiriamasis signalas y(t), prijungtas prie y gnybtų ir sustiprintas stiprintuve 2, patenka į vertikalaus atlenkimo plokšteles, atlenkdamas spindulį vertikalia kryptimi. Į horizontalaus atlenkimo plokšteles paduodama bloko 6 sukurta skleistinės įtampa - pjūklinė įtampa, atlenkianti spindulį horizontaliai pastoviu greičiu. Tokiu atveju spindulys nupiešia tiriamojo signalo, kaip laiko funkcijos, grafik¹. Kad vaizdas ekrane nejudėtų, pjūklinės įtampos periodas turi būti lygus ar kartotinis tiriamo signalo periodui, t.y. skleistinė turi būti sinchronizuota (triggered). Tai galima atlikti, priklausomai nuo perjungėjo 5 padėties, išorinio signalo, paduoto į x įėjim¹, pagalba – išorinė sinchronizacija (external triggering), arba su tuo pat tiriamuoju signalu – vidinė sinchronizacija (internal triggering).

Kai kuriuose oscilografuose spindulio atlenkimui horizontaliai gali būti panaudojamas signalas x(t), prijungtas prie x gnybtų; tuomet ekrane nupiešiamas grafikas y(x).

Skaitmeninio oscilografo struktūra parodyta 2 pav.

Tiriamasis signalas po sustiprinimo patenka į keitiklį “analogas – kodas” (ADC) 8. Seka skaičių, atitinkančių signalo atskaitas periodiškai pasikartojančiais laiko momentais, įrašoma į atmintinź 9. Jos, kaip ir viso SO darb¹ valdo procesorius 10. Pagal jo komand¹ displėjaus valdymo blokas 11 atvaizduoja reikaling¹ signalo y(t) reikšmių ansamblį displėjuje 3. Čia taip pat panaudojama skleistinės sinchronizacija tiriamuoju signalu arba išoriniu, prijungtu prie x gnybtų. Kartu procesorius įgalina atlikti vis¹ eilź aptarnavimo, savikontrolės ir darbo funkcijų, išmatuoti tiriamojo signalo būdingus parametrus, atlikti matematines operacijas, spektrinź analizź bei atvaizduoti displėjuje papildom¹ tekstinź, grafinź ir skaitmeninź informacij¹.

2 pav. SO struktūra: 1 ir 4 – y ir x kanalų ateniuatoriai, 2 ir 7 – stiprintuvai, 3 –displėjus, 5 – sinchronizacijos režimo perjungėjas, 6 – skleistinės blokas, 8 – ADC, 9 – atmintinė, 10 – procesorius, 11 – displėjaus valdymo blokas.

Paprastai SO turi s¹sajas, kuriomis gali būti jungiamas su asmeniniu kompiuteriu (AK), printeriu ar kitais įrenginiais. Mūsų naudojamas SO TDS2022 turi s¹sajas HPIB (GPIB), RS232 bei Centronics (printeriui).

Darbo tikslas: įsisavinti darbo su SO pagrindus, išsiaiškinti matavimų ir serviso funkcijas, kurių nėra analoginiame oscilografe.

Darbo eiga.

1. Įjungiame oscilograf¹, paspausdami tinklo mygtuk¹. Po savikontrolės testo oscilografe įsijungia pradinis režimas, pav.: nustatytas gamintojo.
2. Prijungiame įėjimo kabelį su dalikliu prie pirmojo kanalo įėjimo (CH1). Daliklį perjungiame į padėtį “x10”. Išbandome oscilografo adaptyvų susiderinim¹ matuojamajam signalui. Daliklio “šalt¹” laid¹ (su “krokodilu”). prijungiame prie priekinės panelės apačioje dešinėje esančio gnybto, o “karšt¹” laid¹ – prie gnybto, esančio šiek tiek aukščiau, ir paspaudžiame mygtuk¹ “AUTO SET”. Po tam tikro laiko oscilografas parodo stačiakampių impulsų sek¹, patvirtindamas, kad surado impulsinį signal¹, bei išmatuodamas (pasiūlydamas išmatuoti) signalo parametrus.

Tokia prietaiso adaptacija teoriškai įmanoma ir “ikiprocesoriniame” oscilografe, nors jos realizavimas, nesant programiškai valdomos dalies, būtų komplikuotas

3. Paleidžiame automatinį oscilografo daliklio patikrinim¹. Paliekame daliklį prijungt¹ ten pat Paspaudžiame mygtuk¹ “PROBE CHECK”. Po keliasdešimt sekundžių oscilografas patvirtina kad daliklis ir kabelis tvarkoje. Displėjuje matome stačiakampius impulsus.
4. Išbandome vienkartinio įvykio registravim¹. Tam tikslui nustatome rankenėle „VOLTS/DIV“ 2 V, „SEC/DIV“ – 2.50 ms. Parenkame sinchronizacijos lygį rankenėle „TRIGGER LEVEL“ vienu langeliu aukščiau 0 (šį lygį rodo horizontali rodyklė ekrano dešinėje). Paspaudžiame mygtuk¹ „SINGLE SEQ“. Displėjuje matome užraš¹ „Ready“, o displėjuje buvźs vaizdas tampa „punktyriniu“, Tai reiškia, kad oscilografas pasiruošźs. Labai trumpai „karštu“ daliklio kontaktu paliečiame jau naudot¹ gnybt¹. Pasirodo impulsų seka ir užrašas „Acq complete“.

Čia reikia atkreipti dėmesį, kad skleistinė paleidžiama tik atsiradus tiriamajam įvykiui. Displėjuje šis momentas būna ties viduriu, tiksliau, ten, kur paleidim¹ rodo žemyn nukreipta rodyklė. Vadinasi mes matome įvykio priešistorij¹. Tai galima, nes oscilografas diskretizuoja ir kaupia signalo atskaitas vis¹ laik¹, tačiau į displėjų ji paduodama tik tada, kai skleistinė paleidžiama (‚triggered“). Vaizdui panaudojama tiek pat informacijos prieš ir po paleidimo. Analoginiuose oscilografuose vienkartinį įvykį galima užfiksuoti greitaveikiu fotoaparatu, kol ekrano švytėjimas dar neužgesźs, bet priešistorij¹ registruoti nepavykdavo.

5. Paspaudžiame „RUN/STOP“, prijungź daliklį prie tų pat gnybtų. Išbandome matavimų režim¹. Paspaudžiame „MEASURE“. Displėjaus dešinėje matome išmatuotus 5 parametrus; paspaudź greta esančius mygtukus galime išmatuoti ir daugiau. Galime matuoti naudodamiesi markeriais (spaudžiame „CURSOR“). Jų padėtį keičiame rankenėlėmis „POSITION CH1“ ir „POSITION CH2“.
6. Išbandome matematinį signalo apdorojim¹, paspaudź „MATH.MENIU“ ir „FFT. Displėjuje matome signalo spektr¹ (y ašis logaritminiame mastelyje). Vaizd¹ reguliuojame rankenėlėmis  „POSITION CH1“ ir „POSITION SEC/DIV“.
7. Grįžtame į normalų režim¹ (rankenėle „CH1 MENU“).

„Aliasing“ problema. Šio oscilografo ADC gali dirbti iki 2 gigaatskaitų per sekundź greičiu. Tačiau tokia greitaveika reikalinga tik esant labai greitai skleistinei (2.5 nsek/pad ir pan.). Kitais atvejais greitaveika parenkama mažesnė ir priderinama prie pikselių skaičiaus horizontaliai (250 vienai padalai). Tuomet Nyquist‘o dažnis (pusė atskaitos dažnio) lygus:

f_N =125/(padalos vertė sek.).

Signalas atvaizduojamas be iškraipymų, jei jo aukščiausias dažnis neviršija f_N . Priešingu atveju atsiranda „aliasing“ reiškinys.

Pav.: mes turime 20 MHz sinusinį signal¹, moduliuot¹ 20 kHz sinusiniu signalu ir norime pamatyti displėjuje kelet¹ moduliacijos signalo periodų. Tam reikėtų parinkti vienos padalos vertź „SEC/DIV“ >10 μs. Dabar f_N < 12.5 MHz ir signalas teisingai atvaizduotas nebus.

Įsitikiname tuo.

Įjungiame funkcinį generatorių 33220A, sujungiame jo išėjim¹ „Output“ su oscilografo įėjimu (pradžioje „šalt¹” laid¹, vėliau „karšt¹“ – pažymėt¹ raudonai).

Generatoriuje parenkame „Sine“, dažnį („Freq“) – 20 MHz, amplitudź – 1 Vpp (nuo piko iki piko). Paspaudžiame „Output“ , o oscilografe – „AUTO SET“. Stebime sinusinź.

Generatoriuje paspaudžiame „Mod“, „AM 100%“, „AM Freq“ surenkame 20 kHz.

Oscilografe parenkame x mastelį 5 ar 10 μs/pad., stebime 1 ar 2 periodus moduliuojančiojo signalo, į kurį įrašytas nešlys. Perjungź į 25 μs/pad. ir daugiau matome kažk¹ neapibrėžto – pasireiškia „aliasing“ reiškinys, kuris pilnai iškraipo vaizd¹.

3 pav. Kreivės diskretizavimas: a) normalus, b) „peak detect“.

Kovai su šiuo reiškiniu oscilografe numatytas pikinio detektavimo („Peak detect“) režimas. Šiuo atveju ieškoma ir registruojama maksimali ir/arba minimali signalo vertė visame intervale, lygiame atskaitos periodui T_at (3 pav.). Šį režim¹ įjungiame paspaudź „ACQUIRE“, po to „Peak detect“. Dabar matome žemo dažnio signal¹ - gaubtinź ir galime stebėti 10-20 moduliuojančiojo signalo periodų ekrane be jokių iškraipymų. Tokio vaizdo požymis – užštrichuoti plotai.

Įsitikiname, kad analoginiame oscilografe „aliasing“ reiškinio nėra. 33220A išėjim¹ sujungiame su oscilografo C1-70 įėjimu. Be iškraipymų stebime ekrane 1-20 moduliuojančio signalo periodų, perjungdami jo laiko mastelį. Tokiu būdu siaurajuostis (iki 20 MHz ) C1-70 leidžia stebėti tai, ko, neatsižvelgus į „aliasing“, negalėtų plačiajuostis (iki 200MHz) TDS2022.

Tai, kad keičiant x ašies mastelį smarkiai kinta stebima kreivės forma, yra „aliasing“ reiškinio požymis. Norint jo išvengti, reikia įvertinti aukščiausius signalo spektro dažnius ir atitinkamai parinkti atskaitos dažnį. Jei tai negalima, reikia filtruoti signal¹, nuslopinant jame visas dedam¹sias, kurių dažnis didesnis už f_N .

„Aliasing“ įtakos įvertinimas. Žinant didžiausi¹ signalo spektro dedamųjų dažnį lengva įvertinti „Aliasing“ iššauktus spektro iškraipymus. Kiekviena spektro dedamoji, turinti dažnį f_s , iš diskretinių reikšmių (po ADC) atkuriama su dažniu f‘_s , kuriam galioja:

f‘_s f_s , jei f_s < f_N ,

f‘_s 2f_N - f_s , jei f_s > f_N .

Antroji lygybė reiškia, kad spektro dedamosios su dažniais f_s > f_N , „veidrodiškai atspindimos“ nuo dažnio f_N   (4 pav.).

4 pav. Spektro iškraipymas, pasireiškus „aliasing“ reiškiniui.

Pavyzdžiui, į ADC paduodame amplitude moduliuot¹ 40 kHz signal¹. Tegul atskaitos greitaveika 100 kiloatsk/s. Tuomet   f_N 50 kHz. Kaip žinome, harmoningojo signalo amplitudź moduliuojant kitu harmoninguoju, spektre atsiranda dvi dedamosios, kurių dažniai lygūs nešlio ir moduliuojančiojo signalų sumai ir skirtumui. Jei moduliuosime 5 kHz dažnio signalu, spektr¹ sudarys trys 35, 40 ir 45 kHz dažnio linijos. Visas jas galėsime atkurti po diskretizavimo. Gi jei moduliuosime 15 kHz dažniu, spektras susidės iš 25, 40 ir 55 kHz linijų. Pastarosios dažnis didesnis už f_N , ir signale, atkurtame iš atskaitų, turėsime 25, 40 ir 45 kHz dažnio dedam¹sias. Šis dažnis – tai f‘_s 2f_N - f_s 45 kHz. Taigi, signalas bus atvaizduotas neteisingai.

1. Iš generatoriaus paduodame į oscilograf¹ 1 V 40 kHz sinusinź įtamp¹, moduliuot¹ sinusiniu 5 kHz dažnio signalu. Parenkame artim¹ 100 proc. moduliacijos gylį. Įjungiame „MATH. MENU“ ir „FFT“ atitinkamame kanale.
2. Rankenėle „SEC/DIV“ parenkame greitaveik¹ 100 kiloatskaitų per sekundź (100 kS/s). Stebime spektr¹, sudaryt¹ iš trijų linijų.
3. Rankenėle „POSITION“ spektr¹ išdėstome simetriškai ekrane; to požymis – užrašas „Pos: 25,00 kHz“ ekrane. Dabar ekrano kairysis kraštas atitiks 0 Hz, dešinysis kraštas - dažnį f_N .
4. Didiname moduliacijos dažnį. Matome, kad šoninės linijos pradžioje tolsta nuo centrinės. Kai dešinioji linija pasiekia ekrano krašt¹, dar toliau didinant moduliacijos dažnį stebime šios linijos atspindį nuo krašto. Ji artėja prie centrinės linijos.
5. Vėl parenkame 5 kHz moduliacijos dažnį. Pakeitź greitaveik¹ į 50 kiloatskaitų per sekundź, stebime visas tris linijas atsispindėjusias nuo f_N. Šiuo atveju signalas stipriai iškraipytas.

Ryšys su AK. SO turi plačias ryšio su AK galimybes. Išbandysime vien¹ iš paketų, įeinančių į standartinį SO komplekt¹.

1. Sujungiame SO ir AK s¹sajos RS232 lizdus specialiu kabeliu.
2. Du kart paspaudžiame ikon¹ „OpenChoise Desktop“. Atsidariusiame lange paspaudžiame „Select Instrument >ASRL::INSTR>Identify>OK“.
3. Galima nukopijuoti arba viso ekrano vaizd¹ arba kurio nors kanalo rodom¹ kreivź. Pirmuoju atveju spaudžiame „Screen Capture>Get Screen“. Pasirenkame įrašymo format¹ ir viet¹ („Save as“).
4. Kopijuodami vien¹ kanal¹ spaudžiame „Waveform Data Capture>Select Channels>CH1>Get Data“. Taip pat pasirenkame įrašymo format¹ ir viet¹ („Save as“).
5. Atsispausdiname kuri¹ nors kreivź ir pridedame prie ataskaitos.