4. Вивчення фазометра ф2-34, осцилографа sds7102, генератора atf20b.

1. Мета роботи

Дослідження функціональних можливостей цифрового запам'ятовуючого осцилографа на прикладі SDS7102 з набуттям навичок вимірювання амплітудних, часових і спектральних характеристик електричних сигналів генератора ATF20B та дослідження вимірювання зсуву фаз за допомогою фазометра Ф2-34.

2. Основні теоретичні відомості

Цифровий осцилограф типу SDS7102 призначений для дослідження форми електричних сигналів шляхом візуального спостереження та вимірювання їх амплітудних і часових параметрів при дослідженні та розробці електронних пристроїв, в процесі експлуатації і перевірки.

1. Принцип дії осцилографа та його складові частини.

Принцип дії цифрового осцилографа полягає в дискретизації вхідного сигнала з частотою не меншої подвійної найвищої частоти спектра сигнала згідно з теоремою Котельникова, квантування виборок сигнала, запам’ятовування та вивід на екран.

До складу функціональної схеми одного каналу осцилографа (рис.1) входять наступні вузли: блок мікропроцесорного управління; пристрій вибірки та зберігання (ПВЗ); аналого-цифровий перетворювач (АЦП); блок пам’яті; рідкокристалічний індикатор РКІ; блок живлення.

Рисунок 1. Функціональна схема цифрового осцилографа

Сигнал, що досліджується, після нормування (підсилення або ослаблення до напруги 1 В), подається на вхід попереднього підсилювача, в якому відбувається зміщення за вертикаллю, і далі на ПВЗ, де відбувається дискретизація, та запам’ятовування миттєвого значення напруги сигналу за час вибірки. У цифрових осцилографах для спрощення схеми звичайно частота вибірок береться не менш як учетверо вище частоти сигналу. Моменти вибірок визначаються блоком мікропроцесорного управління. Миттєве значення напруги вибірки за допомогою АЦП перетворюється в двійкове число. Потік чисел, що несуть інформацію про значення вибірки сигналу, запам’ятовується в оперативній пам’яті, з об’ємом, достатнім для фіксації реальних сигналів. Процес цифрового осцилографування полягає в тому, що спочатку відбувається накопичування у цифровій формі даних про вхідний сигнал, а потім в повільному темпі будується осцилограма сигналу. При цьому тільки 1–2% часу відбувається запам’ятовування вибірок, а решту часу цифровий осцилограф виводить вже зареєстрований фрагмент сигналу.

Функціональна схема цифрового осцилографа має ряд вузлів, характерних для комп’ютера. Це мікропроцесор, цифрові схеми управління і пам’ять. Управління цими вузлами здійснюється за допомогою програмного забезпечення, яке зберігається в постійному запам’ятовуючому пристрої. Програмне забезпечення дає можливість виконувати велику кількість функцій, які не має аналоговий осцилограф, наприклад, усереднення сигналу з метою очищення від шумів, швидке перетворення Фур’є для отримання спектрограм. Мікропроцесор визначає послідовність витяг даних з пам’яті, які надходять до РКІ в сповільненому темпі, що дозволяє змінювати розгортку сигналу.

Система синхронізації визначає момент запуску - початковий момент у для відтворення зареєстрованих даних. Налаштування системи синхронізації дозволяє отримати осцилограму, що відображає форму сигналу. Запуск і синхронізація розгортки може здійснюватися як за допомогою досліджуваного сигналу, при внутрішньої синхронізації, так і за допомогою зовнішнього сигналу, що подається на гніздо зовнішньої синхронізації.

2. Технічні характеристики осцилографу OWON SDS7102

Діапазон частот 0…100 MГц, діапазон частот дискретизації 0.5S/s~1GS/s, розгортка 2ns/div～100s/div, кроки 1～2～5, похибка вимірювання інтервала часу 100 ppm×reading+0.4ns, АЦП 8 bit resolution (2 канали одночасно, чутливість2mV/div~10V/div, похибка коефіцієнта підсилення на постійному струмі ±3%, час наростання фронта≤3.5ns.

3. Принцип дії генератора сигналів ATF20B

Для генерації сигналу використовується технологія прямого цифрового синтезу (Direct Digital Synthesis, DDS), без використання коливальних контурів. Вона використовує потік цифрових даних, відповідних необхідній формі сигналу, що заздалегідь записані в пам’ять приладу. Цей потік даних подається до входу аналого-цифрового перетворювача (АЦП), де відтворюється послідовність рівнів напруги, що апроксимують потрібну форму сигналу. Наприклад, для синтезу синусоїдного сигналу використовується відліки функції y=sin(x), які зберігаються в пам’яті. Вибірки сигналу зчитується через інтервали часу, які формуються з сигналу тактового генератора, стабілізованого кварцем. В результаті синтезу формується ступінчаста синусоїда з високою стабільністю частоти. Опорний генератор стабільної напруги в ЦАП забезпечує точність амплітуди і стабільність форми сигналу. Для відсічення вищих гармонік сигнал пропускають через низькочастотний фільтр. Структурна схема цифрового генератора представлена на рис. 4.2.

Рисунок 4. 2 - Структурна схема цифрового генератора

4. Основні технічні характеристики генератора сигналів ATF20B

Діапазон частот синусоїдного сигналу 40 мГц…20 МГц ; нестабільність частоти опорного генератора 5·10^-6. Вихідна напруга 2мВ..20В (50 Ом); зміщення постійної складової ±10 В. 32 форми сигналу: синусоїда, прямокутні імпульси, трикутний, пилкоподібний сигнали, білий шум та ін. 1024 точки, 8 біт, частота вибірки 100 МГц. Коефіцієнт нелінійних спотворень синусоїдального сигналу <1 % (f<20 кГц). Імпульсний режим: діапазон частот 40 мГц…1 МГц, час наростання <35нс, викиди <10%. Види модуляції АМ, ЧМ, ФМ, ЧМн.

5. Фазометри призначені для вимірювання фазового зсуву між двома гармонійними сигналами однакової частоти в широкому діапазоні частот і застосовуються при вимірюванні фазочастотних характеристик чотириполюсників: підсилювачів, атенюаторів, каналів зв'язку, фільтрів, інтегральних мікросхем, при визначенні параметрів матеріалів, при налаштуванні резонаторів, антен, тощо.

6. В основу роботи фазометра Ф2-34 покладено метод перетворення фазового зсуву в часовий інтервал. Сутність метода пояснюється структурною схемою і часовими діаграмами, наведеними на рис. 2. Гармонійні коливання U1 і U2, фазовий зсув яких необхідно виміряти, через вхідні пристрої 1 і 2 надходять на входи формувачів 3 та 4. формувачі виробляють короткі імпульси в моменти часу, що відповідають переходу напрузі гармонійних сигналів через нульове значення на висхідній ділянці сигналу (позитивний нуль-перехід). Часовий зсув Δt між послідовностями імпульсів U3 і U4 буде пропорційний зсуву фаз φ. За допомогою тригера 5, який сигналом U3 встановлюється в стан логічної одиниці (високий потенціал), а сигналом U4 в стан логічного нуля (низький потенціал), формується послідовність імпульсів U5 тривалістю Δt. Експериментально визначивши значення відношення Δt / T, легко знайти фазовий зсув за співвідношенням φ=360·Δt/T.

7. Кількість імпульсів пропорційним фазового зсуву і незалежних від частоти проходження рахункових імпульсів вміст лічильника индикується за допомогою індикатора 6, шо показує фазовий зсув в градусах або їх десяткових частках. Пристрій управління 7 координує роботу всіх вузлів схеми.

Рис. 2. Перетворення фазового зсуву в часовий інтервал	Рис. 3. Принцип аналого-цифрового перетворення відношення ∆t/T.

8. Основними джерелами похибки цифрових фазометрів є нестабільність порогів формувачів в перетворювачі фазового зсуву в часовий інтервал та похибка дискретизації. Похибка дискретизації обумовлена ​​некратністю інтервалу Δt і періоду проходження рахункових імпульсів T_сч, а також інтервалу T_вим та періоду сигналів T, вона збільшується із зростанням частоти сигналу і зменшується зі збільшенням частоти лічильних імпульсів.

Технічні характеристики Ф2-34: діапазон робочих частот від 0,5 Гц до 5 МГц; діапазон вхідних напруг від 20 мВ до 2 В; діапазон вимірювання кутів фазового зсуву від 0 до 360°; роздільна здатність 0,01°; похибка вимірювання фазового зсуву в діапазоні частот F від 20 Гц до 5 ·10⁶ Гц ±(0,1+10^-7F)°.

3. Завдання на самостійну позааудиторну роботу

Вивчити методи дослідження електричних сигналів у часовій і спектральній області. Ознайомитись з призначенням органів керування осцилографа SDS 7102, генератора ATF20B, фазометра типа Ф2-34 згідно керівництв з експлуатації.

4. Опис лабораторної установки

Функціональна схема експериментальної установки наведена на рис.4.2.

Рисунок 4.2 – Склад експериментальної установки: 1- генератор сигналів звукової й високої частот типу ATF20B; 2 – цифровий запам'ятовуючий осцилограф SDS 7102; 3 –цифровий фазометр Ф2-34.

5. Порядок підготовки до виконання роботи

   1. З’єднайте вихід А генератора ATF20B з входом CH1 осцилографа та входом 1 Ф2-34.

   2. З’єднайте вихід В ATF20B з входом CH2 осцилографа та входом 2 .

   3. Включити до мережі 220 В ATF20B, SDS 7102, Ф2-34.

   4. Включити кнопки живлення на генераторі, осцилографі, фазометрі.

   5. Прогріти установку протягом 30 хв, під час прогріву ознайомитись з органами керування на передній панелі генератора, осцилографа, фазометра згідно керівництв з експлуатації.

   6. Виконати розрахунки даних для проведення експерименту згідно дати проведення роботи.

   7. Розрахувати частоту коливань f, яку необхідно встановити на генераторі ATF20B за формулою f=D (кГц), де D– число дати виконання лабораторної роботи бригадою. Наприклад, для 27 вересня D=27 та f=27 кГц.

   8. Розрахувати період коливань Ті=1/f ( мc) синусоїдних коливань.

   9. Розрахувати амплітуду А(В)коливань: А=1+1/D, та занести до табл. 1

   10. Розрахувати розмах коливань V_pp=2А

   11. Розрахувати середньоквадратичне значення напруги (СКЗН) для синусоїдної форми

Таблиця 4.1  Дані для встановлення вихідних напруг сигналів

Частота f, кГц	Період T, мс	Амплітуда А, В	Vpp=2А, В	СКЗ напруги, Uд,В

1. Контрольні запитання і завдання для допуску до аудиторної роботи

1. Які вимірювання проводять за допомогою осциллографа?

1. Які вимірювання проводять за допомогою фазометра?

2. Принцип дії цифрового осциллографа.

3. Принцип дії цифрового генератора.

4. Принцип дії фазометра.

5. Склад експериментальної установки, призначення органів керування осцилографа, генератора, фазометра.

6. Розрахункові дані

7. Вивчення роботи генератора ATF20B

1. ВстановВстановити на виході каналу А генератора ATF20B синусоїдні коливання з частотою f, розрахованою в п. 5.1.1, розмахом Vp-p, розрахованим в п.4.6 та фазою 45^о, для цього при включеній кнопці [Channel], виберіть CHA Alone для включення каналу А та функцій:

• Виберіть Frequency –частота з допомогою відповідної функціональної кнопки.

• Наберіть число f кнопками цифрового вводу та нажміть кнопку [кHz].

• Виберіть Amplitude – амплітуда з допомогою відповідної функціональної кнопки наберіть число Vp-p кнопками цифрового вводу та нажміть багатофункціональну кнопку одиниці вимірювання [Vpp] .

• Нажміть кнопку [Sine] для вибору синусоїдної форми сигнала.

• Нажміть Wave, з’явиться Phase, ручкою регулювання наберіть 45 та нажміть кнопку одиниці вимірювання –градус [°].

1. Встановити на виході каналу В генератора ATF20B синусоїдні коливання з розрахованою частотою f,і розмахом Vp-p, в п.4.6, та фазою 0^о , для цього:

• Нажміть кнопку [Channel], виберіть CHB Alone для включення каналу В та його функцій.

• Виберіть Frequency –частота з допомогою відповідної функціональної кнопки

• Наберіть число f кнопками цифрового вводу та нажміть кнопку [кHz].

• Виберіть Amplitude –амплітуда з допомогою відповідної функціональної кнопки

• Наберіть число Vp-p кнопками цифрового вводу та нажміть у кнопку [Vpp].

• Нажміть кнопку [Sine] для вибору синусоїдальної форми сигнала

• Нажміть Wave, з’явиться Phase, ручкою регулювання наберіть 0 та нажміть[°].

1. Вивчення роботи ЦЗО

   1. Нажміть на кнопку AUTOSET- авто установки.

   2. Щоб оптимизувати осциллограму, встановіть параметри вертикального та горизонтального каналу червоного кольору CH1, для цього:

• Нажміть червону кнопку CH1 MENU для виклика меню CH1 УСТАНОВКА

• Нажміть кнопку Н1 для виклика меню зв’язку.

• Нажміть кнопку F1 для вибору зв’язку по постійному струму “DC”

• Нажміть кнопку Н3 для виклика меню коефіцієнта ослаблення

• Нажміть кнопку F1 для вибору коефіцієнта ослаблення Х1 в каналі CH1

1. Аналогічно встановіть параметри канала з жовтим променем CH2 :

• Нажміть жовту кнопку CH2 MENU для виклика меню CH2 УСТАНОВКА

• Нажміть кнопку Н1 для виклика меню зв’язку.

• Нажміть кнопку F1 для вибору зв’язку по постійному струму “DC”

• Нажміть кнопку Н3 для виклика меню коефіцієнта ослаблення

• Нажміть кнопку F1 для вибору коефіцієнта ослаблення Х1 в каналі CH2

1. Регуляторами зміщення VERTICAL POSITION над червоною та жовтою кнопками встановіть обидва зображення на нульовій лінії.

2. Встановіть масштаби з вертикалі VOLTS/DIV для отримання зображення більше половини висоти екрана.

3. Проведіть синхронізацію осцилографа. Для цього:

4. Нажміть кнопку Menu на панелі запуска (синхронізації) Trigger (з права). З’являться функціональні кнопки, якими встановити настройки синхронизації:

• Нажати Н1 для вибору типу запуску, і встановіть Одиночний Single кнопкою F1.

• Нажміть Н1, з’явиться меню СИНХР., регулятором М выберіть грань (фронт)

Edge. та нажати кнопку ручки М.

• Нажміть H2 для вибору джерела синхронізації, встановіть CH1 кнопкою F1

• Нажміть кнопку H3 для вибору типу зв’язку по постійному струму “DC”

• Выберіть режим запуска по передньому або задньому фронту Н4.

• За допомогою регулятора TRIG LEVEL змінити установку рівня запуску. Стрілка - вказівник положення рівня запуску буде зміщатися вверх або вниз.

• Встановіть регулятор зміщення по горизонталі HORISONTAL POSITION та множник розгортки SEC/DIV, для встановлення зображення 2-х періодів на екрані.

7. Спостерігайте осцилограми синусоїдальних коливань, зміщених на 45°.

8. Вивчення вимірювання параметрів сигналів на осцилографі

1. Провести автоматичні вимірювання частоти, періода, амплітуди, середньо-квадратичного значення напруги (СКЗН) сигналу на вході СH1, для цього:

• Нажміть Н2-Source-источник, нажати F1-виберіть СH1 як джерело сигналу .

• Нажміть кнопку Measure –Измерения, з’явиться меню автоматичних вимірювань

• Нажміть кнопку Н1-Add- Добавить для відображення вимірюваних величин.

• Нажміть кнопку F1-Type- тип, при цьому в лівій частині екрана з’явиться меню типів (величин) автоматичних вимірювань.

• Нажміть кнопку Н1- Добавить, F1- тип, ручкою М виберіть Freq –частота і нажміть кнопку F4, зліва внизу добавиться процедура вимірювання частоти.

• Нажміть кнопку Н1- Добавить, F1- тип, ручкою М виберіть Period –період і нажміть F4 для добавлення процедури вимірювання періода.

• Нажміть кнопку Н1- Добавить, F1- тип, ручкою М виберіть Vаmp –амплітуда і нажміть F4, для добавлення процедури вимірювання амплітуди.

• Нажміть кнопку Н1- Добавить, F1- тип, ручкою М виберіть– Vцкл СКЗ та F4 для добавлення вимірювання середньоквадратичного значення напруги (СКЗН).

• Нажміть кнопку Н1- Добавить, F1- тип, ручкою М виберіть Заде. A–B і F4 для добавлення вимірювання часу затримки між сигналами каналів А та В.

• Після цього виміряні значення відображаються в нижній лівій частині екрана.

2. Зчитати з панелі осцилографа та усереднити за 7 спостережень значення параметрів - амплітуду А, період, частоту, СКЗН напруги (Urms) синусоїдного коливання, часу затримки τ між коливаннями сигналів каналів А і В та внести результати до табл

3. Обчислити зсув фази між сигналами по затримці φ=360·τ_сер/Т_вимсер, занести до табл.2.

Таблиця 4.2 – Результати вимірювань синусоїдних сигналів

№ спостережень	Частота fвим, кГц	Період Tвим, мкс	Амплітуда Авим, В	Urms вим, В	τ, мс	φ, град
1						-
2
3
4
5
6
7
Середні значення

4. Зберегти осцилограми на флеш - пам’ять. Для цього:

5. Підключить флеш-пам’ять ( з об’ємом не більше 8 ГБ в форматі FAT32) до розніму USB на правій стороні осцилографа.

6. Нажміть кнопку Save –CОХРАНЕНИЕ, в меню, що з’явиться, нажміть H1 і виберіть ТИП.

7. Регулятором М виберіть Image – зображення і виберіть Н4 - Сохр. Save для збереження зображення екрана в файл з назвою датачас.bmp, або наберіть свою назву файлу по буквам у вікні регулятором М, та нажміть ручку М.

9. Вимірювання зсуву фаз за допомогою фазометра та осцилографа

1. Встановіть зсув фаз на генераторі ATF20B 0°, для цього:

• нажміть кнопку [Channel], виберіть CHA Alone для включення каналу A.

• Нажміть Wave, виберіть Phase за допомогою відповідної кнопки, поворотом регулятора встановіть 0 та нажміть кнопку одиниці вимірювання [°].

1. Виміряйте зсув фаз за допомогою фазометра Ф2-34. Для цього:

• Тумблер на задній стінці фазометра “” встановити в положення "l S";

• Нажати кнопку "φ". Після цього починається цикл встановлення нуля, який триває біля 2 хвилин. Закінчення циклу встановлення нуля індикується периодичним світінням нижнього сегменту символьного розряду індикаторного табло. Після закінчення циклу установки нуля прилад починає показувати значення фазового зсуву.

3. Якщо рівень завади та шумів в сигналах великий, то для підвищення точності тумблер “” встановити в положення "10 S", при цьому час циклу збільшиться до 10 с.

4. Занесіть результати вимірювання фази до табл.4.3.

Таблиця 4.3 – Результати вимірювань зсуву фази за допомогою Ф2-34

φвст,град	φвим,град	Δφ= φвим- φвст, град	δ φ=100%· Δφ/ φвим
0
45
90
180

1. Спостерігайте коливання зі зсувом фази осцилографом в режимі XY :

• Нажміть кнопку Display для виклика на екран меню відображення Display Set

• Нажміть кнопку H3 для включення режиму XY .

6. Збережіть на флеш-пам’ять фігуру при однаковій частоті і зсуві фази між сигналами 0°.

7. Встановіть фазу на виході A генератора 45° аналогічно п.10.1.

8. Виміряйте фазометром зсув фази та занесіть результат до табл.3.

9. Спостерігайте осцилограму при однаковій частоті та різності фаз вхідних сигналів 45° та збережіть на флеш-пам’ять.

10. Аналогічно встановіть фазу на виході A генератора 90°, виміряте зсув фази фазометром, та занесіть до табл. 3, спостерігайте осцилограму при однакових частотах та різності фаз 90° та збережіть на флеш-пам’ять.

11. Встановіть фазу на виході A генератора 180°, виміряте зсув фази фазометром, та занести до табл. 3, спостерігайте осцилограму при однакових частотах та різності фаз 180° та збережіть на флеш-пам’ять.

12. Визначте абсолютну та відносну похибки вимірювання різності фаз та занесіть до табл. 4.3.

9. Осцилографічні дослідження форм вихідних коливань генератора сигналів ATF20B

   1. Виключить сигнал на каналі B , нажавши Оutput Trigger

   2. Спостерігати послідовно форми коливання генератора ATF20B, для цього:

- Нажміть кнопку [Channel], виберіть CHA Alone для включення каналу А

- Нажміть кнопку [Arb] . Поверненням регулятора спостерігайте 32 форми сигнала.

- Наберіть номер типу сигнала у відповідності до дня дати виконання лаборатор-ної роботи D, та зберегти файл з зображенням осцилограми на флеш - пам’ять.

9. Вимірювання параметрів імпульсних сигналів

   1. Встановити на виході А ATF20B прямокутну форму кнопкою [Square].

   2. Встановити щілинність імпульсів Q= T/τ (коефіцієнт заповнення τ /T %), :

- Нажміть Impedance та виберіть опцію Duty

- Нажміть кнопку duty ratio – коефіцієнт заповнення

- Наберіть регулятором 50 %.

3. Провести автоматичні вимірювання частоти, періоду, тривалості, щілинності, напруги пік-пік, СКЗН на вході СH1, для цього:

- Нажміть кнопку Measure, при цьому з’явиться меню автоматичних вимірювань

• Нажміть кнопку Н1-Add- Добавить для відображення типів величин

• Нажміть кнопку F2-Source- источник і виберіть СH1 як джерело сигналу.

• Нажміть кнопку F1-Type- тип - з’явиться меню типів вимірювань.

• Нажміть F1- тип, М виберіть частота і F4- добавити вимірювання частоти.

• Нажміть F1- тип, М виберіть період і F4 добавити вимірювання періода.

• Нажміть кнопку F1- тип, М виберіть +Width + Ширина: і нажміть F4 добавити вимірювання тривалості позитивного імпульсу на рівні 50%.

• Нажміть кнопку F1- тип, М виберіть + Duty- і F4, для коефіцієнту заповнення.

• Нажміть кнопку F1- тип, М виберіть виберіть Vpp – і нажміть кнопку F4 , добавиться вимірювання напруги від піка до піка.

• Нажміть кнопку F1- тип, М виберіть Vцкл скз –середньоквадратичне значення напруги і нажміть кнопку F4-, добавиться вимірювання СКЗН.

• Виміряні значення будуть відображатися в нижній лівій частині екрана.

Зчитати з панелі осцилографа значення параметрів - частоту f, період T , тривалість імпульсів  , коефіцієнт заповнення, напругу Vpp, СКЗН (Urms) , внести результати до табл. 4 та зберегти осцилограму на флеш - пам’ять.

Рисунок 4.3

Таблиця 4.4 – Результати вимірювань параметрів прямокутних сигналів

/T,вст %	Частота fвим, кГц	Період Tвим, мкс	Трива-лість, 	/T, %	Vpp, В	Urms вим, В	ΔТ, мс	ΔU, B
50%
25%
20%

4. Наберіть регулятором на генераторі ATF20B duty ratio 25 % , повторіть вимірювання, внести результати до табл. 4 та збережіть осцилограму на флешку.

5. Наберіть регулятором на генераторі ATF20B duty ratio 20 % , повторіть вимірювання та внести результати до табл. 3, збережіть осцилограму на флешку.

6. Розрахувати експериментальні абсолютні похибки вимірювання періоду сигналу генератора ΔT=T_вим-T_вст та СКЗН напруги ΔU= U_вим -U_вст за допомогою осцилографа.

12. Дослідження спектра імпульсного сигналу ATF20B

1. Встановіть осцилограф до режиму вимірювання спектра, для цього:

- Нажміть кнопку CH1 MENU та виберіть тип зв’язку AC.

- Нажміть кнопку Math та викличте Math меню

- Нажміть кнопку H2 для виклику меню швидкого перетворення Фур’є - FFT

- Нажміть кнопку F1 для вибору CH1 як джерела сигнала

- Нажміть кнопку F2 для виклика меню типу вікна в лівій частині екрана

- Поверніть регулятор М та виберіть вікно Хеннінга-Hanning

- Нажміть кнопку F3 для виклику меню формату відліку амплітуди в rms (СКЗН)

- Нажміть кнопку F4 для виклику меню масштабування .

- Поверніть регулятор М та виберіть 1 .

- Розгорніть спектр по частоті ручкою SEC/DIV

- Встановіть амплітуду канала CH1 ручкою VOLTS/DIV

2. Виміряйте частоти спектральних складових сигналу курсорними вимірюваннями, для цього:

- Нажміть кнопку Cursor, при цьому з’явиться меню курсорних вимірювань

- Нажміть кнопку H1, тип меню буде відображатися в правій частині екрана

- Нажміть кнопку F3 для вибору Частота Freq –з’являться дві вертикальні фіолетові пунктирні лінії, що індикують курсор 1 та курсор 2 вимірювання частоти.

3. Встановити ручкою VERTICAL POSITION CH1 курсор на першу гармоніку.

4. Встановити ручкою VERTICAL POSITION каналу CH2 вертикальний курсор 2 послідовно на другу, 3..8 гармоніки з частотами, кратними основній nf_осн. Результати вимірювань частот занести до табл.4.5.

5. Нажміть кнопку Cursor, при цьому з’явиться меню курсорних вимірювань.

6. Нажміть кнопку H1, тип меню буде відображатися в правій частині екрана.

7. Нажміть кнопку F2 для вибору V_amp, з’являться дві горизонтальні фіолетові пунктирні лінії - курсор 1 та курсор 2 для вимірювання амплітуди

8. Нажміть F3, та виберіть формат rms .

9. Встановити ручкою VERTICAL POSITION CH1 горизонтальний курсор 1 на нульову лінію.

10. Встановити ручкою VERTICAL POSITION CH2 горизонтальний курсор 2 послідовно на першу, другу, 3…8 гармоніки, зчитати їх амплітуди відносно першої гармоніки в середньоквадратичних значеннях (rms) та занести до табл.4. 5.

11. Звернути увагу на відсутність 5 гармоніки. Зберегти спектрограму на флешку.

12. Наберіть регулятором duty ratio генератора ATF20B – коефіцієнт заповнення 25 % та спостерігати спектр сигнала. Звернути увагу на відсутність гармонік, кратних 4. Виміряйте амплітуди гармонік та занесіть до табл.4. 5. Збережіть спектрограму на флеш - пам’ять.

13. Наберіть регулятором duty ratio(цикл) генератора ATF20B – коефіцієнт заповнення 50 %. Звернути увагу на відсутність гармонік, кратних 2 –парних гармонік. Виміряйте амплітуди гармонік та занесіть до табл.5. Збережіть спектрограму на флеш - пам’ять.

Таблиця 4.5Результати вимірювань гармонік прямокутного сигналу

Номер гармоніки, і	1	2	3	4	5	6	7	8
Частоти гармонік, кГц
Амплітуда, мВ Q=5 (τ/Т=20%)
Амплітуда, мВ Q=4 (τ/Т=25%)
Амплітуда, мВ Q=2 (τ/Т=50%)

13. Виключити вимикачі живлення генератора, осцилографа, фазометра, відключити кабелі живлення від мережі 220 В.

14. Звіт

    1. Оформити таблиці 1,2,3,4 з результатами розрахунків і вимірювань.

    2. Графічні зображення осцилограм і спектрограм досліджуваних сигналів.

    3. Висновки по роботі (порівняти і пояснити осцилограми та спектри сигналів).

13. Питання та завдання до захисту звіту

1. Сформулюйте теорему Котельникова.

2. Структурна схема та параметри цифрового осцилографа SDS 7102

3. Структурна схема цифрового генератора. Параметри ATF20B

4. Структурна схема цифрового фазометра. Параметри фазометра Ф2-34.

5. Призначення синхронізації. Співвідношення між частотами досліджуваного сигналу і розгортки, при якому зображення залишається нерухомим.

6. Методика вимірювання частоти, періоду, зсуву фази на осцилографі.

7. Методика вимірювання амплітуди, розмаху і діючого значення напруги гармонічних сигналів за допомогою ЦЗО.

8. Методика вимірювання часу наростання фронту імпульсного сигналу.

9. Середньоквадратичне значення напруги.

10. Суть спектрального аналізу. Дискретне перетворення Фур’є. Спектр прямокутних імпульсів при різних щилинністях.

5. вимірювання ПАРАМЕТРІВ КІЛ З ЗОСЕРЕДЖЕНИМИ пОСТІЙНИМИ

(Q-МЕТР)

1. Мета роботи

Мета роботи - поглиблення знань щодо вимірювання параметрів кіл з зосередженими постійними - добротності, індуктивності котушки, ємності та тангенса втрат конденсатора, освоєння практичної роботи з вимірювачем добротності Е9-4, і методики обчислення похибки.

2. Основні теоретичні відомості

1. Добротність (рос.добротность,англ.quality factor) –характеристика резонансних властивостей системи - відношення енергії, запасеної в системі , до втрат енергії за одне коливання. Добротність коливальної системи – величина, яка показує у скільки разів амплітуда вимушених коливань системи при резонансі перевищує амплітуду коливань при його відсутності. На практиці вимірюють добротність котушок індуктивності та коливальних контурів.

2. Еквівалентну схему котушки представляють як ідеальну індуктивність (з нульовим опором) та послідовно включеним паразитним активним опором Добротність коливального контуравизначається головним чином добротністю котушки: Q = ωL/r, де ω-частота, L- індуктивність котушки; r - активний опір. Частина енергії магнітного поля котушки індуктивності витрачається на нагрівання провідника, деяка частина магнітного потоку розсіюється, не замикаючись на витки котушки. Застосовуючи магнітні сердечники, цього можна уникнути і зменшити кількість витків, отже, підвищити її добротність.

Еквівалентну схему конденсатора представляють як ідеальний конденсатор з послідовно або паралельно включеним паразитним активним опором. Активний опір визваний неідеальнісю діелектрика конденсатора - розсіюванням в ньому енергії. При протіканні змінного струму через конденсатор вектори напруги і струму не точно точно зміщені на 90˚, а зрушені на кут діелектричних втрат δ, тангенс кута діелектричних втрат tgδ = ωСR, де С - ємність ідеального конденсатора; R - активний опір. При відсутності втрат δ = 0. Значення кута діелектричних втрат зазвичай прийнято виражати у відсотках.

Рисунок 5.1 Векторна діаграма напруги і струму в конденсаторі з втратами

2. Методика вимірювання добротності полягає у введені в вимірювальний контур напруги V₁ з генератора та вимірюванні напруги V₂ на вимірювальному конденсаторі при резонансі. Напруга на конденсаторі С :

При резонансі ;і припоказання вольтметраV₂ можуть бути відградуйовані в одиницях добротності.

Рисунок 5.2 –Структурна схема Q-метра

2. Завдання на самостійну позааудиторну роботу

Ознайомитися з інструкцією з експлуатації Е9-4. Вивчити принцип його. Вивчити конспект лекцій.

2. Опис лабораторної установки

   1. До установки (рис.5.2.) входять: індуктивність та ємність для вимірювання, вимірювач добротності типу Е9-4 з набіром стандартних котушок,.

Lx

Е9-4

Cx

Набір стандартних котушок

Рис.5.2 Вимірювальна установка

В якості індуктивності L для вимірювання застосовується промисловий високочастотний дросель типа Д - котушка, намотана на феритовому сердечнику. Перша цифра маркування зверху означає тип, друга цифра максимальну силу струму в амперах, третя цифра номінальну індуктивність в мікрогенрі, четверта–допуск. Номінальна індуктивність може відрізнятися від дійсного значення,але не більш, ніж на величину допуска. Наприклад, дроссель Д-0,1-300±5% має номінальну індуктивність L_ном=300 мкГн з допуском ±5%.

В якості ємності С для вимірювання застосовується високочастотний конденсатор типа КТ-1, який представляює собою керамічну трубку, на внутрішню та наружну поверхність якої нанесені обкладки та припаяні проволочні виводи. Конденсатори цього типу мають ємність від 1 до 10000 пФ, робочу напругу до 750 В. Перша цифра маркування зверху означає номінальну ємність в пікофарадах, друга–допуск у відсотках. Іноді вказується рік випуску.

2. Вимірювач добротності типу Е9-4 (рис.5.3) призначений для вимірювання добротності і індуктивності котушок індуктивності, ємності та тангенса кута втрат конденсаторів.

Рис.5.3 Вимірювач добротності Е9-4

Діапазон вимірюваних добротностей від 5 до 600; діапазон вимірюваних індуктивностей від 0,1 мкГн до 100 мГн, Діапазон частот від 50 кГц до 35 МГц. Похибка градуювання частоти генератора не більше ±1%.

До вимірювача добротності Е9-4 додаються стандартні котушки (№1…№6), на корпусі яких вказані їх параметри- L_ном, С_ном, та діапазон резонансних частот f _рез.

2. Завдання на самостійну позааудиторну роботу

   1. Дати відповіді на контрольні запитання розд. 5.7 .

   2. Ознайомитися з інструкцією з експлуатації вимірювача добротності Е9-4

2. Підготовка до роботи

   1. Підключити кабель живлення Е9-4 до мережі живлення 220 В. Включити тумблер СЕТЬ та включити прилад на прогрів.

   2. Отримати у викладача стандартну котушку № та індуктивність і ємність, параметри яких необхідно виміряти.

   3. Визначити номінальні значення параметрів, та занести до табл.5.1.

Таблиця 5.1 –Номінальні значення елементів, що необхідно виміряти

Параметри	Котушка №	L(мкГн)	С(пФ)
Lном			-
Сном		-
Частота f рез		-	-

2. Контрольні запитання і завдання для допуску до аудиторної роботи

1. Що таке добротність?

2. Опишіть методику вимірювання добротності котушки.

3. Які номінальні значення параметрів елементів, що необхідно виміряти?

4. Опишіть методи вимірювання індуктивності.

5. Опишіть метод вимірювання ємності конденсатора.

2. Підготовка Е9-4 до вимірювань

   1. Перемикач ШКАЛИ Q встановити в положення «60».

   2. Встановити режим УСТ. НУЛЯ та встановити ручками НУЛЬ УРОВНЯ та НУЛЬ Q нулі на шкалах вимірювальних головок УРОВЕНЬ і Q.

   3. Встановити режим КАЛІБРОВКА та за допомогою регулятора УРОВЕНЬ встановити стрілку прилада УРОВЕНЬ на червону відмітку.

   4. За необхідністю за допомогою регуляторів (під шліц) для кожної межі вимірювань Q 60,200,600 встановити стрілку прилада Q на кінець шкали.

   5. Переключити Q-метр в режим ИЗМЕРЕНИЕ. Прилад готовий до роботи.

2. ПРЯМІ ВИМІРЮВАННЯ ДОБРОТНОСТЕЙ ТА ІНДУКТИВНОСТЕЙ

   1. Провести вимірювання добротностей стандартної котушки № з набору Е9-4.

   2. В розетку прилада 1-2 (Lx) включити штепселі стандартної котушки № .

   3. Настроїти генератор перемикачем ДИАПАЗОНЫ та ручкою ЧАСТОТА на найближчу частоту із значень, вказаних в табл.5.2. з діапазону, вказаному на корпусі стандартної котушки.

Таблиця 5.2 – Значення резонансних частот

Частота	Діапазон індуктивності	Множник шкали к
24 МГц	0,1…1 мкГн	0,1
7, 6 МГц	1…10 мкГн	1,0
2,4 МГц	10…100 мкГн	10
760 кГц	0,1…1 мГн	0,1
240 кГц	1…10 мГн	1,0
76 кГц	10…100 мГн	10

4. Змінюючи ЕМКОСТЬ, pF, С, градуйованого конденсатора від мінімума до максимума, настроюють контур в резонанс до досягнення максимального показання прилада Q. При зашкалюванні переключити діапазон вимірювання добротності ШКАЛЫ Q до 200. Якщо резонансу немає, перейти на сусідню частоту з табл.5.2

5. Значення резонансної частоти f та ємності С(пФ) заносять до таблиці 5.3.

6. При настройці послідовного контура в резонанс вихідна напруга на конденсаторі С більше вхідної в Q раз, і добротність котушки визначається безпосередньо за шкалою індикатора Q. Рівень вхідної напруги небхідно підтримувати таким, щоб стрілка УРОВЕНЬ знаходилася на червоній відмітці. Результати вимірювань добротності Q з урахуванням положення перемикача ШКАЛЫ Q та відповідної шкали прилада заносять до табл.5.3.

7. Значення індуктивності (0,1 мкГн...100 мГн) можуть бути виміряні прямим методом на декількох фіксованих частотах, вказаних в табл.5.2.

8. Зчитати показання L_лимб з лимбу шкали індуктивності, розташованої між основною та підстроювальною шкалами вимірювального конденсатора ЕМКОСТЬ, та занести в табл.5.3.

Таблиця 5.3 - Результати прямих вимірювань добротності і індуктивності котушек

Котушка	f(кГц)	С(пФ)	Q	∆Q	Q,%	Lлимб	к	Lвим	Одиниця	L,%
Станд.№
Дроссель

1. Зчитати значення к- Множника шкали к з табл. 2, відповідного частоті, та занести в табл. 5.3.

2. Значення індуктивності визначити за формулою Lвим=кLлимб, де к-множник шкали з табл.5.2. Значення індуктивності, виміряні на різних частотах, можуть відрізнятися через вплив власної ємності котушки.

3. Зчитати одиницю вимірювання (мГн, мкГн ) з табл. 5.3, відповідну частоті, та занести до стовпчика oдиниця в табл.5.4.

2. Провести вимірювання добротності та індуктивності дросселя.

   1. Затиснути виводи дросселя L прикручуванням круглих гайок до рознімів прилада 1-2(L_x) для одержання надійного контакта.

   2. По номінальному значенню індуктивності L_ном та даним табл.5.2 встановити діапазон частот перемикачем ДИАПАЗОНЫ та ручкою ЧАСТОТА встановити частоту f, яка дорівнює значеню, вказаному в табл.5.2.

   3. Змінюючи ЕМКОСТЬ, pF, С, градуйованого конденсатора від мінімума до максимума, настроюють контур в резонанс до досягнення максимального показання прилада Q. При зашкалюванні прилада переключити діапазон вимірювання добротності ШКАЛЫ Q. Якщо резонансу не має, переходять на сусідню частоту з таблиці 5.2.

   4. Значення резонансної частоти f для дросселя заносять до табл. 5.3.

   5. Зі шкали Q зчитати значення добротності дросселя та занести до табл. 5.3.

   6. Зчитати показання L_лимб з лимбу шкали індуктивності, розташованої між основною та підстроювальною шкалами вимірювального конденсатора ЕМКОСТЬ, та занести в табл. 5.3. Зчитати значення к- Множника шкали к з табл. 2, відповідного частоті, та занести в табл.5.3.Значення індуктивності визначити за формулою L_вим= к L_лимб, де к-множник шкали з табл.5. 2. Зчитати одиницю вимірювання (мГн, мкГн ) з табл. 5.3, відповідну частоті, та занести до стовпчика «одиниця» в табл.5.3.

2. Визначити похибки вимірювання добротності Q.

   1. Згідно з паспортом прилада Е9-4, на частотах 50 кГц...15 МГц абсолютна похибка ∆Q вимірювання добротності не перевищує:

на шкалі 60 (участок 20-60 одиниць): ∆Q≤ (0,05Q+0,6) ;

на шкалі 200 (участок 50-200 одиниць): ∆Q≤ (0,04Q+0,6) .

на шкалі 600 (участок 150-400 одиниць): ∆Q≤ (0,04Q+0,6) .

На частотах 15...25 МГц при ємностях вимірювального конденсатора 100..450 пФ абсолютна похибка вимірювання добротності не перевищує ∆Q= (0,22Q+0,6) одиниць, де Q- виміряне значення добротності.

1. Визначене значення абсолютної похибки вимірювання добротності ∆Q та відносної похибки _Q=100%∆Q/Q занести до таблиці 5.2.

2. Порівняти виміряні значення L_вим з номінальними значеннями індуктивностей L_ном, вказаних на корпусі котушок. Визначити відносну похибку L=100%(L_вим-L_ном)/L_вим. Похибка при прямому вимірюванні індуктивності в приладі Е9-4 не нормується.

2. НЕПРЯМІ ВИМІРЮВАННЯ ІНДУКТИВНОСТІ БЕЗ УРАХУВАННЯ ВПЛИВУ ВЛАСНОЇ ЄМНОСТІ КОТУШКИ.

   1. Принцип вимірювань індуктивності полягає в непрямих вимірюваннях по значенням резонансної частоти та ємності вимірювального конденсатора.

   2. Для вимірювання використовуються дані прямих вимірювань (табл.5.3). Значення ємності С (пФ) та частоти f (кГц) занести до табл.5.4.

   3. Визначити уточнене значення ємності, яка включена в контур, за формулою (пФ), де С подставити в пФ. Значення С_е занести до табл.4.

   4. Значення індуктивності без врахування впливу власної ємності котушки обчислюється за формулою (1) , або за спрощеною формулою при значеннях f в кГц, C_е в пФ, мГн.

   5. Результати непрямих вимірювань індуктивностей стандартної котушки № та дросселя без урахування впливу власних ємностей заносять до таблиці 5.4.

Таблиця 5.4 -Результати вимірювань індуктивностей котушок непрямим методом без урахування впливу власної ємності котушки

Котушка	Lном ± %	f(кГц)	С (пФ)	Се(пФ)	Lвим	Lx1, %
Станд.№
Дроссель

6. Значення похибки при непрямому вимірюванні (L_X1) -_Lx може бути визначене як похибка непрямих вимірювань. Прологаримуючи формулу (1), після диференціювання одержимо, звідки для відносної похибки маємо(2),

де f- похибка градуювання генератора за частотою в оцифрованих точках згідно ТО прилада Е9-4 не перевищує .

С - абсолютна похибка градуювання шкали вимірювального конденсатора згідно ТО прилада Е9-4 не перевищує: в межах від 25 до 100 пФ С= 1 пФ; від 100 до 450 пФ С= 0,01С. Відносна похибка встановлення ємності конденсатора . Результати оцінки похибки непрямих вимірювань індуктивностей без урахування впливу власних ємностей котушок заносять до табл. 5.4 .

2. СУКУПНІ ВИМІРЮВАННЯ ІНДУКТИВНОСТІ З УРАХУВАННЯМ ВПЛИВУ ВЛАСНОЇ ЄМНОСТІ КОТУШКИ

   1. Принцип вимірювань полягає в тому, що одержують резонанс на двох частотах - f1 та f2=2f1 (або f2=f1/2) , і знаходять ємності вимірювального конденсатора С1 - на частоті f1 і С2 -на частоті f2.

Еквівалентні ємності (3)(4)

При f₂=2f₁ маємо:

Звідки власна ємність котушки (5)

(6)

При значеннях f₁ в кГц, C в пФ, L в мГн (7)

1. Методика вимірювань наступна:

• Встановити частоту f1, що дорівнює частоті резонансу дросселя, та ємність С(пФ) з табл.3.

• Настроїти контур в резонанс за максимальними значеннями індикатора Q настройкою вимірювального конденсатора. Отримані значення ємності конденсатора С1 (пФ), та частоти резонансу занести до табл.5.5.

• Встановити частоту генератора .

• Настроїти контур в резонанс за максимальними показаннями прилада Q, зменшуючи ємність вимірювального конденсатора ЕМКОСТЬ, pF. Занести значення ємності С2 (пФ) при резонансі до табл.5.5.

• Якщо для одержання резонанса потрібна ємність вимірювального конденсатора менше мінімальної, встановити частоту генератора і знайти резонанс, збільшуючи ємність вимірювального конденсатора С2.

3. Провести обчислення еківалентних ємностей С_е2, С_е1 за формулами (3,4).

4. При f₂=2f₁ обчислити власну ємність дросселя за формулою (5) та індуктивність за формулою (7).

5. При f₂=f₁/2 обчислити власну ємність дросселя та індуктивність за формулами (5а), (7а) (5а);(7а).

2. Виміряти параметри стандартної котушки № .

   1. В розетку прилада 1-2 (Lx) включити штепселі стандартної котушки № .

   2. Аналогічно пп. 7.2.1…7.2.5 провести вимірювання індуктивності, і паразитної ємності починаючи з встановлення частоти резонансу катушки № та ємності С (пФ) з табл.3.

   3. Результати вимірювань на частотах f₁ і f₂ занести до табл. 5.5.

   4. Обчислити С_е1, С_е2 , індуктивність L_X та власну ємність С_L стандартної котушки № та занести до табл.5. 5.

Таблиця 5.5 - Результати вимірювань індуктивностей методом сукупних вимірювань з урахуванням впливу власної ємності котушки.

Котушка	Lном	f1	С1	Се1	f2	С2	Се2	LX	СL	Lx2
Дроссель
Станд.№

5. Значення відносних похибок вимірювання індуктивності непрямим методом з урахуванням власної ємності визначається логаримуванням та диференціювання формули (6) , звідки для відносних похибок вимірювання індуктивностіL_X2 маємо:

(7)

Обчислити значення похибки _Lx2 та занести до табл.5.

2. ВИМІРЮВАННЯ ЄМНОСТЕЙ МЕНШЕ 425 ПФ ТА ТАНГЕНСУ КУТА ВТРАТ КОНДЕНСАТОРІВ.

   1. Підключити конденсатор С з набору для вимірювань до затискачів Сx.

   2. Підключити до затискачів Lx допоміжну котушку індуктивності № .

   3. Встановлюють ємність вимірювального конденсатора С₁=50 пФ.

   4. Змінюючи частоту генератора, знаходять резонанс -максимум Q.

   5. Зменшуючи вимірювального конденсатора С₁, підбирають частоту генератора f₁ таким чином, щоб ємність вимірювального конденсатора С₁ при резонансі була мінімальною. При цьому рівень вхідної напруги небхідно підтримувати таким, щоб стрілка УРОВЕНЬ знаходилася на червоній відмітці. Занести до таблиці 6 значення С₁ та Q1 .

   6. Відключити конденсатор, який вимірюється, залишити тільки котушку індуктивності та досягти на тій же частоті резонансу f₁, збільшуючи емність вимірювального конденсатора до значення С₂ та вимірюючи Q₂ (метод заміщення). Результати вимірювань занести до таблиці 6.

   7. За значеннями С1, С2 обчислити С_е1 і С_е2 за формулами (3),(4). Визначити значення ємності та тангенса кута втрат при ємності менше 425 пФ за формулами Сх= С_е2 - С_е1 (8) (9)

Результати обчислень занести до таблиці 5.6.

Таблиця 5.6 –Результати вимірювань емностей конденсаторів Сх <425пФ.

Сном	f1	С1	Q1	С2	Q2	Се1	Се2	Сх	tg	СX

8. Похибки вимірювань ємності менше 425 пФ знаходимо шляхом логарифмування та диффереціювання (8)

Результати обчислень занести до таблиці 5.6.

2. Зміст звіту

Результати спостережень і вимірювань .Заповнені таблиці 5.1..5.6. Дані розрахунків.

Висновки з указівкою домінуючих похибок.

2. Питання та завдання до захисту звіту

1. Зобразьте структурну схему куметра і опишіть метод вимірювання добротності коливального контура.

2. Опишіть метод вимірювання добротності котушки.

3. Опишіть прямий метод вимірювання індуктивності котушки

4. Опишіть метод вимірювання індуктивності котушки та її власної ємності.

5. Опишіть метод вимірювання ємності конденсатора

6. Опишіть метод вимірювання тангенса кута втрат конденсатора.

6. ВИВЧЕННЯ КОМП'ЮТЕРНОГО ЦИФРОВОГО ЗАПАМ'ЯТОВУЮЧОГО осцилографа PC Scope PCS64i

1. Мета роботи

Дослідження функціональних можливостей комп'ютерного цифрового запам'ятовуючого осцилографа на прикладі PC Scope PCS64i із набуттям навичок вимірювання амплітудних, часових і спектральних характеристик електричних сигналів та визначення похибок встановлення частоти і дійсного значення напруги генераторів.

2. Основні теоретичні відомості

   1. Двоканальний комп'ютерний цифровий запам'ятовуючий осцилограф (ЦЗО) типуVelleman PC Scope PCS64i використовується для спостереження електричних сигналів у часовій та частотній областях. Функціональна схема наведена на рис. 6.1.

Рисунок 6.1- Структурна схема цифрового запам'ятовуючого осцилографа

Сигнал, що досліджується, після ослаблення або підсилення в аттенюаторі (ATT/П) до напруги 1 В, подається на дискретизатор, де відбувається вибірка сигналу - запам’ятовуються миттєві значення напруги сигналу з частотою, не меншої за подвійну найвищу частоту спектра сигнала відповідно до теореми Котельникова. У цифрових осцилографах для спрощення схеми звичайно частота вибірок береться не менш як учетверо вище частоти сигналу. Моменти вибірок визначаються генератором вибіркових імпульсів. Миттєве значення напруги вибірки за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП) перетворюється в двійкове число. Потік чисел, що несуть інформацію про значення вибірки сигналу, запам’ятовується в оперативній пам’яті, (ОЗП) з об’ємом, достатнім для фіксації реальних сигналів і через оптичний ізолятор подається на вхід персонального комп’ютера. Спочатку відбувається накопичування у цифровій формі даних про вхідний сигнал, а потім в повільному темпі будується осцилограма сигналу. Використовуючи засоби програмного забезпечення ЦЗО, можна забезпечити кратність частоти розгортки періоду сигналу для досягнення синхронізації.

ЦЗО дає змогу проводити попереднє оброблення результатів вимірювань, наприклад, визначати частоту, період, середньоквадратичне значення змінної складової досліджуваного сигналу, знаходити сумарний або різницевий сигнали і т. д. Частота періодичного сигналу визначається за допомогою вертикальних електронних маркерів (при вимірюванні тривалості одного періоду). Розмах чи амплітуду сигналу вимірюють як різницю напруг між двома горизонтальними маркерами, причому результати обчислень індикуються на екрані комп’ютера. ЦЗО не тільки отримує зображення досліджуваного сигналу, а й зберігає його у вигляді файлу для наступного аналізу.

3. Опис лабораторної установки

   1. Експериментальна установка (рис. 6.2) містить: 1- генератор сигналів звукової й ультразвукової частот типу Г3-109; 2–комп'ютерний цифровий запам'ятовуючий осцилограф PCS64і; 3 – персональний комп'ютер, підключений до ЦЗО через паралельний LPT – порт.

Рисунок 6.2 – Схема експериментальної установки

Рисунок 6.3 – Виносний блок осцилографа

2. На виносному блоці ЦЗО (рис.6.3) знаходяться наступні органи керування:

1) СН1 і СН2 – входи каналів 1 і 2;

2) регулятори положення лінії горизонтальної розгортки каналів СН1(2);

3) селектори входів каналів СН1(2), що мають три положення:  АС – досліджуваний сигнал надходить на вхід підсилювача/атенюатора каналу без урахування постійної складової;

   вхідний сигнал посаджений на землю (це положення використовується перед початком вимірювань для установлення горизонтальної лінії розгортки в потрібному місці екрана);

 DС – досліджуваний сигнал надходить на вхід підсилювача/атенюатора каналу виносного блоку з урахуванням постійної складової.

3. Основні технічні характеристики PC Scope PCS64i наведені в табл.6.1.

Таблиця 6.1 –Технічні характеристики PC Scope PCS64i

Загальні		Осцилограф
Два окремих канала		Розгортка: 100 нс…100 мс/ поділку
Вхідний опір: 1 МОм/30 пФ		Джерело запуску: канали 1,2 , автозапуск
Смуга вхідних частот : 13 МГц		Фронт запуску: нарастання або спад
Максимальна вхідна напруга: 100 B(AC+DC)		Рівень запуску: настроюваний з кроком ½
Максимальна похибка зчитування: 2,5 %		Крок інтерполяції: лінійний або зглажуючий
З’єднання входу: DC, AC , GND		Маркери для амплітуди та часу
Роздільна здатність за вертикаллю: 8 біт		Вхідна чутливість: від 10 мВ до 5 В/ поділка
Частота вибірок :32 МГц ( макс)	Зчитування діючого значення напруги-Urms
Оперативна пам’ять: 4 кБ/канал
Напруга живлення: 9…10 В (DC)/800 мА	Аналізатор спектра 2 Вхідні канали
Мінімальні системні вимоги IBM сумісний ПК, Windows 95	Діапазон частот : від 0…800 Гц до 13 МГц
Відеокарта VGA, 800x600 для Windows	Принцип роботи: швидке перетворення Фур’є, 2048 точок
Вільний LPT порт	Маркери для амплітуди та часnоти
485 кБ вільної пам’яті	Вікна: прямокутне, Hamming, Hanning, Blackman, Barlett
Аріфметичний сопроцесор для аналізатора спектра та обчислення СКЗ	Шкала часу: від 20 мс/поділ до 2000 с/поділ. Максимальний час запису осцилограм та спектрограм 9,4 год/екран

4. Генератор сигналів низькочастотний Г3-109 - генератор RС- типу з плавною установкою частоти в межах кожного з чотирьох піддіапазонів, має симетричний та несиметричний виходи, розраховані на підключення узгоджених навантажень. Вихідна напруга стабілізована.

Рисунок 6.4 – Генератор сигналів низкочастотний Г3-109

5. Основні технічні характеристики Г3-109 : діапазон частот 20 Гц - 200 кГц

Основна похибка установки частоти, %: ±[2 +(50/f)] (20-200 Гц); ±[1 +(50/f)] (200 Гц-20 кГц); ±[1 +(50/f)] (20-200 кГц)

Нестабільність частоти: ± 10·10^-4 (за 15 хв.); ±50·10^-4 (за 3 год)

Вихідна напруга "выход I" (несиметричний): 15 В (50 Ом);

Похибка установки вихідної напруги ("выход 1"): ±4% (установка опорного рівня), ±6% (атенюатор). Коефіцієнт гармонік: %: 1 (20-200 Гц); 0,5 (200 Гц - 20 кГц); 1 (20-200 кГц).

4. Порядок виконання роботи

   1. Виконати розрахунки даних для проведення індивідуального експерименту бригадою згідно дати проведення лабораторної роботи і номера робочого місця.

   2. Розрахувати з точністю до 1 Гц чотири частоти коливань F_i, які необхідно встановити за шкалою генератора для визначення похибки встановлення частоти генератора : F₁=45+0,7·D; F₂=90+0,7·D; F₃=135+0,7·D; F₄=180+0,7·D , D–число дати виконання лабораторної роботи. Значення частот F_i (Гц) занести до табл. 6.1.

Таблиця 6. 1  Вихідні дані встановлення частот гармонічних сигналів

Номер сигнала, i	Частота Fi, Гц	Множник Частоти	Частота fi,, Гц	Період Ті=1/fi мс.
1		1
2		10
3		102
4		103

3. Розрахувати частоти гармонічних коливань в Гц з урахуванням множників частоти : f₁=1 F₁ ; f₂=10 F₂ ; f₃=10² F₃ ; f₂=10³· F₄. Результати занести до табл. 6 1.

4. Розрахувати періоди гармонічних коливань Ті=1/f_i ( мc), де i – номер частоти,

f_i – в кГц. Результати занести до табл.6.1.

5. Розрахувати чотири амплітуди А_і (В) гармонічних коливань та занести до табл. 6.2 А₁=4 + 0,1D; А₂=1,7 + 0,01D; А₃=0,4+ 0,001D; А₄=0,17+0,0001D;

6. Розрахувати чотири діючих значення напруг ,В, які необхідно встановити для визначення похибки встановлення напруги та занести до табл. 6.2.

Таблиця 6.2  Дані для встановлення вихідних напруг гармонічних сигналів

Номер сигнала, i	Амплітуда, Аi, В	Діюче значення напруги Uді, В
1
2
3
4

7. Визначити межі інструментальних похибок, які гарантовані для генератора Г3-109 згідно його паспортних даних (табл.6.3).

   1. Визначити числові значення відносної похибки встановлення частоти f% згідно формул в таблиці 6.3, де F –значення частоти, встановлене за шкалою частот в Гц. Результати занести в третій стовпчик табл. 6.3.

Таблиця 6.3  Результати розрахунків інструментальних похибок встановлення параметрів гармонічних сигналів Г3-109 (згідно паспорта)

	Похибка встановлення частоти			Похибка встановлення діючої напруги		КГ,%
Номер частоти	Паспортні дані, формула , %	Відносна похибка, f, %	Абсолютна похибка Δf, Гц	Паспортні дані, Uд%	Абсолютна похибка ΔUд, В
1	±(2+50/F)			±4		1
2	±(1+50/F)			±10		0,5
3	±(1+50/F)			±10		0,5
4	±(1+50/F)			±10		1

2. Визначити значення абсолютної похибки встановлення частоти в Гц за формулою ∆f=f%f/100. Результати занести до табл.6.3 .

3. Визначити числові значення абсолютних похибок встановлення діючої напруги при відомій паспортній відносній похибці U_д% за формулою ΔU_д=U_д%U_д/100. Результати занести до табл.6.3.

5. Отримати допуск до виконання лабораторної роботи. Контрольні питання:

1. Розраховані дані таблиць 6.1, 6.2, 6.3.

2. Особливості функціонування ЦЗО.

3. Склад експериментальної установки ЦЗО, призначення органів керування.

4. Синхронізація розгортки ЦЗО з досліджуваним сигналом.

5. Методика вимірювання напруги і часових інтервалів за допомогою ЦЗО.

6. Методика вимірювання відношень рівнів спектральних складових.

6. Підготовка установки до роботи

   1. Включити до мережі 220 В генератор Г3-109, ПК, ЦЗО PCS64.

   2. Включити тумблер СЕТЬ на генераторі Г3-109.

   3. Включити перемикач POWER ОN на PCS64.

   4. Виконати операції по запуску ПК. Запустити інтерфейс PCS64 за допомогою ярлика на робочому столі комп'ютера. Прогріти установку протягом 15 хв.

7. Вивчення роботи ЦЗО

   1. Включити осцилограф за допомогою кнопки Оscilloscoре .

   2. Підключити вихід генератора Г3-109 до одного із входів CH1 або CH2 ЦЗО.

   3. Включити мишею обраний канал CH1 на користувацькому інтерфейсі ЦЗО.

   4. Встановити за допомогою перемикачів VOLTS/DIV значення множника розгортки по вертикалі 5 VOLTS/DIV.

   5. На блоці ЦЗО поставити селектор каналу 1 в положення (закорочення входу).

   6. Встановити ручкою блока ЦЗО нульове положення горизонтальної лінії розгортки на середній лінії екрана.

   7. Перевести селектор входу блока ЦЗО в положення AC (змінний струм).

   8. Настроїти генератор Г3-109 на частоту f =1 кГц, при цьому на шкалі генератора встановлюється 100 Гц і перемикачем МНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТИ значення 10.

   9. Запустити неперервний режим вимірювання ЦЗО за допомогою кнопки Run .

   10. Встановити діюче значення напруги генератора Г3-109 U_д1=1 В, маючи на увазі, що індикатор генератора показує вдвічі більші значення, ніж рівень вихідної напруги без зовнішнього навантаження 50 Ом. Тому для одержання потрібних значень необхідно встановити вдвічі менші значення. Шкали приладу (15 або 5) відповідають кратним відміткам атенюатора (15;50;150;500;1,5;5,15). Встановлення 1 В здійснюється грубо перемикачем аттенюатора 500 mV та плавним обертанням ручки РЕГУЛИРОВКА ВЫХ. до досягнення на індикаторі поділки 5 на шкалі 5.

   11. Зменшувати за допомогою перемикачів VOLTS/DIV значення множника розгортки по вертикалі так, щоб на екрані вийшло зображення досліджуваного сигналу з розмахом по вертикалі майже на весь екран.

   12. Включити синхронізацію TRIGGER On; вибрати як джерело синхронізації Source CH1 ; за допомогою лінійки прокручування Level знайти рівень синхронізації, при якому осцилограма нерухома.

   13. Дослідити вплив вибору фронту синхронізації Edge на синхронізацію сигналу.

Зберегти зображення в обох випадках на флеш – пам’ять.

14. Вибрати за допомогою перемикачів TIME/DIV значення множника розгортки по горизонталі 0,2 мс так, щоб на екрані було 1-2 періоду досліджуваного сигналу .

15. Включити маркери за допомогою команди головного меню View/Markers .

16. Перевірити наявність показань середньоквадратичного (діючого) значення напруги (V_rms), за необхідності встановити «галочку» в меню View - ˅ RMS .

17. Встановити за допомогою «миші» горизонтальні маркери за розмахом сигналу, а вертикальні – на пересіченнях нульової лінії за один період сигналу.

18. Зчитати з панелі осцилографа дійсне значення параметрів - амплітуду А=dV/2, період (dt), частоту (1/dt) досліджуваного сигналу, та внести в табл. 4 дані.

19. Зберегти на флеш – пам’ять файл з отриманою осцилограмою в точковому форматі bitmap.bmp (команда File/Save Image), а координати її точок у файлі в текстовому форматі з розширенням .txt (команда File/Save DSO Data).

Таблиця 6.4 – Результати вимірювань частоти за допомогою ЦЗО

Амплітуда	Частота f	Період T

8. Експериментальні осцилографічні визначення похибки встановлення діючого значення напруги генератора сигналів Г3-109

   1. Встановити частоту генератора F=1 кГц .

   2. Встановити діючі значення U_д напруги генератора згідно табл.2. Встанов-лення здійснюється грубо перемикачем аттенюатора (5 V;1,5 V; 500 mV;50 mV) та плавно ручкою РЕГУЛИРОВКА ВЫХ. згідно відповідних шкал (5 або 15) індикатора генератора Г3-109, встановлюючи вдвічі менші значення, ніж потрібно.

   3. Зчитати з панелі осцилографа дійсні значення параметрів - розмах dV ( амплітуда А=dV/2), середньоквадратичне (діюче) значення напруги (U_д=V_rms) досліджуваного сигналу, та внести в табл. 6. 5 дані

Таблиця 6.5 – Результати вимірювань (дйсні значення параметрів) при дослідженні встановлення діючого значення гармонічних сигналів за допомогою ЦЗО

Часто-та, кГц	Амплітуда A, В	Діюче значен-ня напруги , В	Абсолютна похибка,ΔUВ	Відносна похибка δUд, %	Висновок(норма/не норма)
1кГц

4. Розрахувати абсолютні похибки встановлення дійсного значення напруги сигналу генератора Г3-109 ΔU=U_вст - U_дійсн. Результати внести до табл. 6.5.

5. Розрахувати відносні похибки U= 100%ΔU /U _дійсн. та внести до табл. 6.5.

6. Визначити, чи в нормі похибки встановлення дійсного значення напруги генератора Г3-109 порівнянням з паспортними даними, розрахованими в табл.6.3. Результати внести до табл. 6.5.

9. Експериментальні осцилографічні визначення похибки встановлення частоти генератора сигналів Г3-109

   1. Встановити діюче значення напруги генератора U_д =1 В.

   2. Встановити частоту генератора за його шкалою f₁ згідно табл.6.1.

   3. Вибрати за допомогою перемикачів TIME/DIV значення множника розгортки по горизонталі так, щоб на екрані було 1-2 періоду досліджуваного сигналу .

   4. Встановити за допомогою «миші» горизонтальні маркери за розмахом сигналу, а вертикальні – на пересіченнях нульової лінії за один період сигналу.

   5. Зчитати з панелі осцилографа дійсне значення частоти (1/dt) досліджуваного сигналу, та внести в табл. 6.6 дані.

   6. Аналогічно встановити частоти f_2, f₃ ,f₄ і рівні 1В на генераторі Г3-109, виміряти їх значення за допомогою осциллографа та занести до табл. 6.6.

Таблиця 6.6 – Результати вимірювань встановлення частоти Г3-109

Діюче значення напруги Uд, В	Частота, fвст, кГц	Частота, fвим, кГц	Абсолютна похибка,Δf, кГц	Відносна похибка δf, %	Висновок (норма/не норма)
1	f1
	f2
	f3
	f4

7. Дослідити на частоті f₄ вплив занадто малої частоти виборок (порушення умов теореми Котельникова, при яких можливе одержання неправильного зображення сигналу) при положеннях перемикача TIME/DIV значно більших періоду сигналу. Зберегти на флеш–пам’ять файли з правильними та неправильними осцилограмами.

8. Розрахувати абсолютні похибки встановлення частоти сигналу генератора Г3-109 Δf= f_вст -f_дійсн. Результати внести до табл. 6.6.

9. Розрахувати відносні похибки f= 100%Δf /f _дійсн. та внести до табл. 6.6.

10. Визначити, чи в нормі похибки встановлення параметрів сигналу генератора Г3-109 порівнянням з паспортними даними, розрахованими в табл. 6.3. Результати внести до табл. 6.6.

10. Експериментальні вимірювання коефіцієнту гармонік сигналу Г3-109

    1. Встановити частоту f₁ та середньоквадратичне (діюче) значення вихідної напруги генератора Г3-109 U_д=10 В при положенні атенюатора 5В .

    2. Виміряти параметри f₁ та U_д сигнала за допомогою осцилографа, результати занести в перші колонки таблиці 6.7.

    3. Включити кнопку Spectrum Analizer.

    4. Вибрати за допомогою перемикача FREQUENCY RANGE частотний діапазон в 3 рази більший, ніж f₁ (мінімум 800 Hz), кнопку ZOOM встановити в положення 1.

    5. Включити маркери за допомогою команди головного меню (команда View/Markers (FFT) f&dV, за допомогою якої вимірюється частота f та відносний рівень сигналів. Частота визначається за положенням вертикального маркера.

    6. Встановити на спектрограмі вертикальний електронний маркер на першу гармоніку (рис.6.5), зчитати частоту з панелі та занести до першого рядка табл.6.7.

    7. Встановити на спектрограмі вертикальний електронний маркер послідовно на другу, третю гармоніки з частотами, кратними першій(основній) nf_осн, зчитати їх частоти з панелі та занести до табл.6.7.

    8. Встановити на спектрограмі перший горизонтальний електронний маркер зверху відклику першої (основної) гармоніки, а другий – зверху відклику другої гармоніки та зчитати з панелі аналізатора спектра рівень другої гармоніки dV в дБ (рис.4) відносно рівня основної гармоніки. Порівнювані між собою рівні сигналів U₂, U₁ вимірюються у відносних одиницях – децибелах (дБ) за формулою . Результат вимірювань N₂,дБ занести до першого рядка табл. 6.7.

    9. Встановити на спектрограмі другий електронний маркер зверху відклику третьої гармоніки та зчитати з панелі аналізатора спектра відносний рівень третьої гармоніки dV в дБ (рис.4) відносно рівня основної гармоніки. Результат вимірювань N₃, дБ занести до першого рядка табл. 6.7.

Рис.6.5

Таблиця 6.7  Результати вимірювань на аналізаторі спектра відносних рівнів гармонік, коефіцієнтів гармонік та коефіцієнта нелінійних спотворень

Часто-та, fосн, Гц	Напруга, В	1-а гармоні-ка	2-га гармоніка			3-я гармоніка			КГ, %	Норма/ не норма
		Частота	Частота f=2 fосн)	Рівень, N2,дБ	Кг2,%	Частота f=3 fосн	Рівень, N3, дБ	Кг3, %
f1=
f2=
f3=
f4=

10. Зберегти спектрограму на флеш - пам’ять (команда File/Save FFT Image),

11. Зберегти на флеш - пам’ять координати точок спектрограми  у текстовому форматі (команда File/Save FFT data).

12. Повторити операції згідно з пп. 10.1 – 10.11 для частот f_2, f₃ ,f₄ з напругами U_д=10В. Перемикач FREQUENCY RANGE встановлювати пропорційно частоті так, щоб можна було спостерігати основну спектральну складову сигналу і ще 3 гармоніки, тобто не менш 3f. Результати вимірювань рівнів спектральних складових гармонік занести до другого… четвертого рядків табл. 6.7.

Закінчити роботу з ПК через меню Пуск, виключити тумблер СЕТЬ Г3-109, вимикач POWER PCS64, виключити від мережі 220 В кабелі живлення Г3-109, PCS64, ПК.

11. Звіт

    1. Оформити таблиці 1,2,3,4,5,6,7 з результатами розрахунків і вимірювань.

    2. Визначити парціальні коефіцієнти гармонік у відсотках за формулою

Кг_і=10^(-N_i^{дБ/20 +2)} на кожній із частот. Результати занести до табл. 6. 7.

1. Обчислити коефіцієнти гармонік за формулоюна кожнійіз частот: де n=3  кількість аналізованих гармонік. Результати занести до табл. 6.7.

2. Визначити, чи в нормі коефіцієнт гармонік сигналу генератора Г3-109 порівняно з наведеними в табл. 3 даними. Результати внести до табл. 6.7.

1. В звіті навести графічні зображення осцилограм і спектрограм досліджуваних сигналів і фрагменти текстових даних сигналів (не більше 50 точок).

2. Висновки по роботі (порівняти і пояснити, наприклад, причини розбіжності результатів вимірювань за допомогою ЦЗО і генератора).

12. Питання та завдання до захисту звіту

1. Сформулюйте теорему Котельникова – Найквіста.

2. Структурна схема цифрового осцилографа.

3. Структурна схема аналогового осцилографа.

4. Функціональні можливості й технічні характеристики PC Scope PCS64і.

5. Основні види осцилографічних вимірювань. Електронні маркери.

6. Яке співвідношення між частотами сигналу і розгортки ЦЗО, при якому на екрані осцилографа зображення залишається нерухомим?

7. Методика вимірювання частоти, періоду, амплітуди, розмаху і діючого значення напруги гармонічних сигналів за допомогою ЦЗО.

8. При яких умовах методична похибка, зумовлена вхідним опором осцилографа, істотно впливатиме на параметри вимірюваного кола?

9. Збереження досліджуваних сигналів у графічному і текстовому форматі.

10. Середньоквадратичне значення напруги.

11. Спектр сигнала. Дискретне перетворення Фур’є. Вікна спостереження спектра.

12. Що таке коефіцієнт гармонік і як він вимірюється? Визначення відносного рівня спектральних складових у dB і перехід у %.

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Метрология, стандартизаци, сертификация и электроизмерительная техника. Учебное пособие/К.Ким, Г.Н.Анисимов, В.Ю. Барбарович, Б.Я. Литвинов. СПБ:Питер,2008 www.piter.com Електр.варіиант, без кода

2. Метрология и радиозимерения: Учебное пособие для студ. высш. Учебніх заведений / Б.В. Дворяшин.- М., Издательский центр «Академия»,2005. 389 (07) Д 24

3. Методичні вказівки до всіх видів зайнять з дисципліни «Метрологія та вимірювання» для студентів денної форми навчання з напряму 1601 Інформаційна безпеку/ Упоряд.: В.Б. Бєлявцев, В.Г.Лихограй.- Харків, ХНУРЕ, 2007. ( В-7243 ОРТ).

Навчальне видання

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

з лабораторних робіт з дисципліни