Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Цифровий осцилограф
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
ЗІ
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2016
Тип роботи:
Дипломний проект
Предмет:
Комп’ютерна електроніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
ВСТУП
В ході розвитку технології мікроелектроніки відбувалася мініатюризація електронних схем, і з'явилися НВІС. Масове виробництво НВІС призвело до їх здешевлення. Одним з дешевих і мініатюрних пристроїв є мікроконтролер (МК)[1].
Мікроконтролер - це НВІС, що містить на одному кристалі процесор, ПЗП, ОЗП, послідовний або паралельний інтерфейс зв'язку, таймери, схему переривань і інші периферійні пристрої. Таким чином, на одній ІС можна реалізувати безліч різних пристроїв, в яких потрібно керувати якимось процесом. Причому вдосконалення технології виготовлення НВІС призвело до підвищення їх продуктивності, і мікроконтролери можуть досить швидко реагувати на подію і обробляти її.
В даний час бурхливо розвиваються цифрові прилади. Причому через кращі характеристики цифрові прилади витісняють аналогові прилади.
Можна виділити наступні переваги цифрового осцилографа:
- висока точність вимірювань;
- добре сфокусований екран на будь-якій швидкості розгортки;
- можливість відображення сигналу до моменту запуску;
- можливість зупинки оновлення екрану на довільний час;
- можливість детектування імпульсних перешкод;
- автоматичні засоби вимірювання параметрів сигналів;
- можливість підключення принтера для створення звітів вимірювань;
- можливість статистичної обробки сигналу;
- можливість самодіагностики і самокалібрування;
- чітке окреслення контуру зображення сигналу;
- можливість досліджувати детально перехідні процеси;
- зчитування попередньо записаних даних;
- широкі аналітичні можливості і спрощена архівація;
- можливість порівняння попередньо записаних даних з поточними.
Метою дипломного проекту є розробка цифрового осцилографа, який приймає сигнал на вході, та оброблюючи його за допомогою мікроконтролеру виводить на єкран пристрою[1].
В даному проекті буде розроблена схема пристрою на мікроконтролері Cortex-M3 з розробкою програмного забезпечення.
Проведено розрахунки працездатності, надійності та безвідмовності проектуємого пристрою.
Проведено заходи з охорони праці та опис очікуваних техніко-економічних показників[1].
1 ПРИЗНАЧЕННЯ ТА ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ ПРИСТРОЮ
Наука – надзвичайно складний процес зі своїми законами та методологією, зі своєю чітко сформованою системою. Важливою приналежністю науки є метод дослідження – це сукупність прийомів і операцій, способів обґрунтування системи знань, контролю об’єктивності отриманих результатів, побудови моделей дійсності[2].
Поняття «вимірювання» означає знаходження значення певної фізичної величини за допомогою досліду та спеціальних технічних засобів. Вимірювання фізичних величин є одним з найважливіших методів пізнання світу, що ґрунтується на принципі відображення фізичної величини певного розміру і результату відображення, тобто значення фізичної величини. Якщо значення вимірювальної величини в процесі вимірювання не змінюється, то маємо статичне вимірювання, в іншому випадку – динамічне вимірювання.
Вимірювання можуть бути прямими та непрямими. Під час прямих вимірювань потрібна величина відраховується безпосередньо за шкалою приладу, від градуйованого у відповідних одиницях.
При непрямих вимірюваннях виконують пряме вимірювання однієї величини, а потім, використовуючи відомі функціональні залежності, знаходять шукану величину[2].
Технічні засоби, що їх використовують для проведення вимірювань і які мають нормовані метрологічні характеристики, називають засобами вимірювання. До них відносять вимірювальні прилади та вимірювальні пристрої і перетворювачі.
Вимірювальний прилад – засіб вимірювань, в якому створюється візуальний сигнал вимірюваної інформації.
Основне призначення вимірювальних приладів – візуальний показ контрольованого параметра за допомогою показувального пристрою, реєстрація його значення на різних носіях, вироблення сигналу поточного значення для системи автоматичного регулювання. Деякі вторинні прилади містять контактну групу для сигналізації граничних значень параметра та інтегратор[2].
Крім показувальних функцій вимірювальні прилади можуть виконувати і реєструвальні функції. Реєструвальні вимірювальні прилади поділяють на самописні (барографи, термографи, шлейфові осцилографи), що видають покази у формі діаграми (графіка), та друкуючі, які видають результат вимірювань у цифровій формі на паперовій стрічці.
Реєструвальні прилади знаходять застосування при вимірюванні фізичних величин — параметрів процесів чи властивостей об'єктів у динамічних режимах, коли значення вимірюваної величини (температура, тиск) безперервно змінюються[2].
Вимірювальні прилади класифікуються за декількома ознаками:
за видом подання результатів — аналогові (безперервні) і цифрові (дискретні);
за видом структурної схеми — прилади прямого вимірювання і прилади, що працюють за принципом компенсації;
за типом обчислювального пристрою, що використовується: сумуючі, інтегруючі і з обчисленням складних функцій;
за характером використання — стаціонарні (щитові) і переносні;
за видом енергії, що використовується — електричні, пневматичні і гідравлічні прилади.
Вимірювальні прилади характеризуються наступними параметрами:
діапазон вимірювань — метрологічна характеристика, що визначає інтервал значень вимірюваної величини, в межах якого пронормовані похибки засобу вимірювань;
поріг чутливості — найменше значення вимірюваної величини, яка може бути виявлена засобом вимірювань;
чутливість пов'язує зміну значення вимірюваного параметра з відповідною йому зміною показів приладу;
точність — ступінь збігання показань вимірювального приладу з істинними значеннями вимірюваних величин. Чим менша ця різниця, тим більша точність приладу;
стабільність — здатність засобу вимірювальної техніки зберігати свої метрологічні характеристики в заданих границях протягом заданого інтервалу часу.
Вимірювальні прилади виробляють сигнали вимірювальної інформації в такій формі, щоб її легко було прочитати експериментаторові. Всі вимірювальні прилади поділяють на вказівні та реєстраційні. Якщо прилад має шкалу з цифрами і будь-який вказівний пристрій, наприклад стрілку, то такий прилад називають вказівним. Вказівні прилади, які видають інформацію тільки у вигляді цифр і не мають вказівних пристроїв, цифровими.
Електровимірювальні прилади — клас пристроїв, що застосовуються для виміру різних електричних величин. До групи електровимірювальних приладів також належать й інші засоби вимірювань — міри, перетворювачі, комплексні установки.
Електровимірювальні прилади для виміру електричних величин поділяються на:
прилади для виміру сили струму — амперметри;
прилади для виміру напруги — вольтметри;
прилади для виміру активної та реактивної потужності — ватметри та варметри;
прилади для вимірювання cos φ — фазометри;
прилади для вимірювання опорів — омметри , мегометри;
прилади для виміру частоти змінної напруги або струму — частотоміри;
прилади для вимірювання ємності — фарадометри;
прилади для дослідження повного набору характеристик пасивних електронних компонентів - вимірювачі імітансу;
прилади для вимірювання добротності — куметри;
прилади для спостереження форми електричних сигналів та вимірювання параметрів сигналів - осцилографи[2].
Системи електровимірювальних приладів:
магнітоелектрична система – прилади даної системи працюють за принципом взаємодії магнітного поля нерухомого постійного магніту з магнітним полем провідника зі струмом, що проходить по рухомій котушці.
електромагнітна система – у вимірювальних механізмах електромагнітної системи обертаючий момент обумовлений електромеханічною дією магнітного поля вимірюваного струму в нерухливій котушці приладу на рухливий феромагнітний якір.
електродинамічна та феродинамічна система – ці системи дуже міцні, проте вони поступаються за точністю вимірювальним механізмам електродинамічної системи. Зокрема, вони не можуть бути застосовані для вимірювань постійного струму[3].
Осцилограф – прилад, призначений для дослідження електричних сигналів у часовій області шляхом візуального спостереження графіка сигналу на екрані або записаного на фотострічці, а також для виміру амплітудних і часових параметрів сигналу за формою графіка. Це прилад для спостереження функціонального зв'язку між двома або декількома величинами (параметрами й функціями; електричними або перетвореними в електричні).
Для цієї мети сигнали параметра й функції подають на взаємно перпендикулярні відхиляючі пластини осцилографічної електропроменевої трубки й спостерігають, вимірюють і фотографують графічне зображення залежності на екрані трубки. Це зображення називають осцилограмою. Найчастіше осцилограма зображує форму електричного сигналу в часі. По ній можна визначити полярність, амплітуду й тривалість сигналу. Осцилографи часто мають проградуйовані у вольтах по вертикалі й у секундах по горизонталі шкали на екрані трубки. Це забезпечує можливість одночасного спостереження й виміру часових і амплітудних характеристик усього сигналу або його частини, а також виміру параметрів випадкових або однократних сигналів. Іноді зображення досліджуваного сигналу порівнюють із каліброваним сигналом або застосовують компенсаційний метод вимірів[3].
Компенсаційний метод вимірювання – метод вимірювання, заснований на компенсації вимірюваної напруги, створюваної на відомому опорі струмом від допоміжного джерела. Компенсаційний метод вимірювання застосовують не тільки для вимірювання електричних величин (напруг, струмів, опору). Він широко застосовується й для виміру інших фізичних величин (механічних, світлових, температури і т. д.), які звичайно попередньо перетворять в електричні величини.
Компенсаційний метод вимірювання є одним з варіантів методу порівняння із заходом, у якім результуючий ефект впливу величин на прилад порівняння доводять до нуля (домагаються нульового показання вимірювального приладу). Компенсаційний метод відрізняється високою точністю. Вона залежить від чутливості нульового приладу (нуль-індикатора), що контролює здійснення компенсації, і від точності визначення величини, що компенсує вимірювану величину. Компенсаційний метод вимірювання електричної напруги в ланцюзі постійного струму полягає в наступному. Вимірювана напруга Ux компенсується спаданням напруги, створюваним на відомому опорі r струмом від допоміжного джерела Uвсп (робочим струмом lp) [3].
Гальванометр (нульовий прилад) включається в ланцюг порівнюваних напруг переміщенням перемикача у праве положення. Коли напруги скомпенсовані, струм у гальванометрі, а отже, і в ланцюзі вимірюваної напруги Ux відсутній. Це є більшою перевагою компенсаційного методу вимірювання перед іншими методами, тому що він дозволяє вимірювати повну ЕРС джерела Ux і, крім того, на результати вимірів цим методом не впливає опір сполучних проводів і гальванометра. Робочий струм установлюють по нормальному елементу EN з відомої ерс, компенсуючи її спаданням напруги на опорі R (перемикач П – у лівім положенні). Значення напруги Ux знаходять по формулі
Ux = En*r/R (1.1)
де r – опір спадання напруги на якім компенсує Ux.
При вимірі компенсаційним методом сили струму Ix цей струм пропускають по відомому опору R0 і вимірюють спадання напруги на ньому. Опір R0 включають замість джерела напруги Ux. Для виміру потужності необхідно по черзі виміряти напругу й силу струму. Для виміру опору його включають у допоміжний ланцюг послідовно з відомим опором і порівнюють спадання напруги на них спадання напруги на якім компенсує Ux. При вимірі компенсаційним методом сили струму Ix цей струм пропускають по відомому опору R0 і вимірюють спадання напруги на ньому. Для виміру потужності необхідно по черзі виміряти напругу й силу струму. Для виміру опору його включають у допоміжний ланцюг послідовно з відомим опором і порівнюють спадання напруги на них.
Важливими характеристиками осцилографа, що визначають його експлуатаційні можливості, є:
1) коефіцієнт відхилення – відношення напруги вхідного сигналу до відхилення променя, викликаному цією напругою (в/см або в /справ);
2) смуга пропущення – діапазон частот, у межах якого коефіцієнт відхилення осцилографа зменшується не більше ніж на 3 Дб щодо його значення на середній (опорної) частоті;
3) час наростання tн, протягом якого перехідна характеристика осцилографа наростає від 0,1 до 0,9 від амплітудного значення (часто вживається замість смуги пропущення);
4) коефіцієнт розгорнення – відношення часу АН до величини відхилення променя, викликаного напругою розгорнення за цей час (у сек/под або сек/справ);
5) швидкість запису – максимальна швидкість переміщення променя по екрану, при якій забезпечується фотографування або запам'ятовування (для запам'ятовувального осцилографа) однократного сигналу.
Перераховані параметри визначають амплітудний, часовий і частотний діапазони досліджуваних сигналів.
Похибка виміру сигналів залежить від погрішностей коефіцієнта відхилення й коефіцієнта розгорнення (звичайно ~2 – 5 %), від частоти (тривалості) досліджуваного сигналу й смуги пропущення (часу наростання сигналу tн). Якщо вимірюваний параметр сигналу 5 tн, то він відтворюється на екрані осцилографа з погрішністю 2 %. Замість похибки коефіцієнтів відхилення й розгорнення для осцилографа часто вказують близьку їм похибку виміру амплітуди стандартного сигналу і погрішність виміру тимчасових інтервалів[3].
Для одночасного дослідження двох або більш сигналів використовуються багатопроменеві осцилографи, а також багатоканальні електронні комутатори, що вбудовуються в тракт вертикального відхилення. Електронний комутатор забезпечує одержання зображення декількох сигналів на однопроменевій трубці при послідовнім підключенні джерел цих сигналів до тракту вертикального відхилення.
Електронні комутатори використовуються, як правило, для дослідження тимчасових (фазових) співвідношень декількох синхронних сигналів. Для вивчення частини досліджуваного сигналу, у тому числі віддаленого на значний час від його початку, застосовується розтяжка розгорнення (частина пилкоподібної напруги, яка подається на вхід підсилювача горизонтального відхилення, підсилюється в декілька раз, еквівалентно збільшенню в кілька раз довжини розгорнення) або затримка запуску розгорнення (затримане розгорнення). Затримане розгорнення еквівалентне розтяжці розгорнення в кілька тисяч раз.
Найбільші функціональні можливості мають осцилографи зі змінними блоками в трактах вертикального й горизонтального відхилення. Перестановкою блоків можна одержати осцилографи з різними характеристиками: широкосмуговий, високочутливий, 2 – або 4 – канальний, диференціальний і т. д.
У цифровому осцилографі досліджуваний безперервний у часі сигнал представляється на основі аналого-цифрового перетворення з тактовою частотою до декількох десятків мегагерц послідовністю крапок з відповідними значеннями сигналу й часу в цифровому еквіваленті[3].
Цифрові еквіваленти розміщаються в комірках оперативного запам'ятовувального пристрою й використовуються для апаратної й програмної обробки. Для візуалізації зображення застосовуються різні електронно-променеві трубки й матричні індикаторні панелі з більшим числом малогабаритних керованих світлових елементів. Послідовне порушення світлових елементів з координатами, що відповідають координатам послідовності крапок досліджуваного сигналу, дає його видиме зображення.
Переваги аналогових осцилографів:
миттєве оновлення екрану при відображенні швидко-змінюваних сигналів в часі;
прямі, зрозумілі засоби керування для часто використовуваних настройок (коефіцієнт чутливості, коефіцієнт розгортки, зсув сигналу, рівень запуску і т.д.);
низька вартість.
Недоліки аналогових осцилографів:
низька точність;
мерехтіння і/або тьмяність екрану в залежності від частоти сигналу і коефіцієнта розгортки;
немає можливості відображення сигналу до моменту запуску;
обмежена смуга пропускання;
висока експлуатаційна вартість;
обмежені засоби вимірювання параметрів сигналів.
Переваги цифрових осцилографів:
можливість "заморожування" зображення на довільний час;
висока точність вимірювань;
широка смуга пропускання;
яскравий, добре сфокусований екран на будь-якій швидкості розгортки;
можливість відображення сигналу до моменту запуску (в "негативному" часі);
можливість виявлення імпульсних перешкод;
автоматичні засоби вимірювання параметрів сигналів;
можливість підключення до комп'ютера, принтера або плоттера;
можливості математичної і статистичної обробки сигналу;
засоби самодіагностики і самокалібрування.
Недоліки цифрових осцилографів:
більш висока вартість;
складніші в управлінні[3].
2 ОГЛЯД ВІДОМИХ РІШЕНЬ ТА ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ПРИЙНЯТОГО ПРИНЦИПУ ПОБУДОВИ ПРИСТРОЮ
Осцилографи можна вважати найбільш поширеними контрольно-вимірювальними приладами в багатьох технічних галузях виробництва та наукових досліджень, або ж при вирішенні різних завдань поставлених перед користувачем[4].
А широке розповсюдження та прогрес у розвитку сучасних цифрових технологій привели до серйозної зміни характеристик і розширенню можливостей осцилографів цього типу. По способу обробки вхідного сигналу осцилографи можна розділити на аналогові та цифрові, а також за кількістю променів на однопроменеві, двохпроменеві і т. д.
N – променевий осцилограф має N сигнальних входів і може одночасно відображати на екрані N графіків. Цифрові осцилографи у свою чергу поділяються на запам'ятовуючі, люмінофорні і стробоскопіні. Для кращого розуміння розходжень і особливостей окремих типів осцилограф, нижче представлені їх короткі описання[4].
Аналогові осцилографи – прибори цього типу вважаються класичними представниками загального поняття про осцилограф, як контрольно-вимірювальний прилад. В цілому, будь-який аналоговий осцилограф складається з наступних складових: вхідний дільник, підсилювач вертикального відхилення, схема синхронізації і горизонтального відхилення, джерело живлення та електронно-променева трубка. У осцилографах застосовують електронно-променеві трубки з електростатичним відхиленням, на відміну від телевізорів і моніторів, де використовується магнітне відхилення.
Електронно-променеві трубки з електростатичним відхиленням, хоча й більш складні у виготовленні, мають значно більший частотний діапазон. В кожний конкретний момент відхилення електронного променя та світлової плями на екрані, що він утворює, пропорційно напрузі, що додається до пластинам вертикального відхилення. Напруга на пластинах горизонтального відхилення змінюється лінійно, забезпечуючи горизонтальне розгорнення. Нижня частота, при якій картинка ще читається, складає в середньому 10 Гц, хоча при застосуванні спеціальних електронно-променевих трубок з великим часом після підсвічення вона може бути значно нижче. Верхня робоча частота визначається в основному характеристиками підсилювача вертикального відхилення і ємністю між відхиляючими пластинами[4].
Останнім часом цифрові осцилографи, які мають великий ряд переваг, витісняють аналогові прилади з світового ринку, але все-таки традиційні аналогові осцилографи реального часу не зникають повністю, в першу чергу із-за низької вартості в порівнянні з цифровими осцилографами. Плюс до цього з розвитком елементної бази аналогові осцилографи придбали ряд важливих додаткових функцій і можливостей, наприклад, надзвичайно полегшують роботу курсора з цифровим відліком величин (напруги і часу) і дуже зручне цифрове управління. За допомогою вхідного мультиплексора для декількох каналів можна досить просто організувати єдину розгортку на однопроменевій трубці з відображенням декількох сигналов.
Цифрові запам'ятовуючі осцилографи в порівнянні з аналоговими попередниками мають більш широкі можливості, а завдяки зниженню вартості цифрових схем з кожним роком вони стають більш доступними потенційним покупцям. У загальному вигляді цифровий осцилограф складається з вхідного дільника, і нормалізуючого підсилювача, аналого-цифрового перетворювача, блоку пам'яті, пристрою управління та пристрою відображення. Пристрій відображення зазвичай виконується на основі рідкокристалічної панелі (рисунок 2.1)
/
Рисунок 2.1 – Цифровий осцилограф змішаних сигналів RIGOL DS1102CD
Цифрові осцилографи володіють значними можливостями за рахунок самого принципу роботи. Вхідний сигнал після нормалізації перетворюється в цифрову форму і записується в пам'ять. Швидкість запису (кількість вибірок в секунду) задається пристроєм управління, і її верхня межа визначається швидкодією аналого-цифрового перетворювача, а нижня межа теоретично не обмежена, на відміну від аналогових осцилографів[4].
Повна оцифровка сигналу дозволяє уникнути відображення сигналу в реальному масштабі часу а, отже, підвищити стійкість зображення, організувати збереження результатів, спростити масштабування та розтяжку, ввести відмітки. Використання дисплея замість осцилографічної трубки відкриває можливість для відображення будь-якої додаткової інформації та управління приладом за допомогою меню.
/
Рисунок 2.2 – Виведення на екран в цифровому осцилографі змішаних сигналів RIGOL
Завдяки чому вони дозволяють легко розрізняти сигнали різних каналів, мітки часу і амплітуди, курсори, можуть накопичувати відображення протягом великого числа розгорток сигнал, а також виділяти кольором місця з найбільшим повторенням сигнала. Характеристики сучасних цифрових осцилографів вражаючі: висока чутливість (від 1 мВ/поділку) і дозвіл (від 8 до 14 біт); широкий діапазон коефіцієнтів розгорток (від 2 нс до 50 с); розтяжка сигналу за часом або по амплітуді в широких межах; розвинена логіка синхронізації з будь-якими затримками запуску розгорнення. Крім звичайних схем запуску синхронізації запуск може вироблятися, наприклад, при настанні певної події або при її відсутності, а також при досягненні певного значення параметра сигналу. Сигнал, за яким здійснюється синхронізація, і основний сигнал можна спостерігати в момент безпосередньо перед запуском розгортки. Використання в осцилографах процесорів цифрової обробки сигналу надає можливість дослідження спектру сигналу за допомогою аналізу із застосуванням швидкого перетворення Фур'є. Цифрове представлення інформації забезпечує збереження екрану з результатами вимірювання в пам'яті комп'ютера або вивід безпосередньо на принтер. Деякі осцилографи мають накопичувач для збереження зображення у вигляді файлів для подальшого архівування або подальшої обробки[4].
Цифрові люмінофорні осцилографи – даний клас цифрових осцилографів використовує нову архітектуру побудови, яка базується на технології «цифрового люмінофора». Ця технологія в цифровій формі імітує притаманну аналоговим осціллографам реального часу зміну інтенсивності зображення. Іншими словами, цифрові люмінофорні осціллографи дозволяють розробникам бачити на екрані, наприклад, модульовані сигнали і всі їх тонкі деталі, як і аналоговий осцилограф реального часу, забезпечуючи при цьому їх зберігання, вимірювання і аналіз, як цифрові запам'ятовучі осцилографи. Як і інші сучасні цифрові осцилографи, люмінофорні осцилографи мають пам'ять, в якій, зокрема, зберігаються значення різниці часів затримок між різними пробниками.
/
Рисунок 2.3 - Оцилограмма на екрані люмінофорного осцилографа
Для прикладу, здатність цифрових люмінофорних осцилографів відображати інформацію зі змінною інтенсивністю істотним чином полегшує пошук поломок в імпульсних блоках живлення, особливо визначення надлишкової глибини модуляції сигналу в ланцюгах регулювання вихідної напруги, яка, як відомо, призводить до нестабільності роботи цих блоків. Таким чином, цифрові люмінофорні осцилографи не тільки об'єднують кращі якості аналогових і цифрових приладів, але і перевершують їх. Вони мають всі переваги цифрових запам'ятовуючих осцилографов (від зберігання даних до складних видів синхронізації), забезпечуючи в той же час особливі можливості аналогових осцилографів реального часу (миттєву реакцію на зміну сигналу і відображення сигналу зі змінною яскравістю, яка є можливою за рахунок цифрового емуляції флюоресценціі) [4].
Цифрові стробоскопічні осцилографи - у цьому класі приладів використовується принцип послідовного стробірування миттєвих значень сигналу для перетворення (стиснення) його спектра; при кожному повторенні сигналу визначається (відбирається) миттєве значення сигналу в одній точці.
/
Рисунок 2.4 – Оцилограмма на екрані стробоскопічного осцилографа
До приходу наступного сигналу точка відбору переміщується по сигналу, і так до тих пір, поки він не буде весь простробований. Перетворений сигнал, який представляє собою огинаючу миттєвих значень вхідного сигналу, повторює його форму. Загальна тривалість перетвореного сигналу у багато разів перевищує тривалість досліджуваного і, отже, має місце стиск спектру, що еквівалентно відповідного розширення смуги пропускання. Стробоскопічні осцилографи найбільш широкосмугові (значення смуги пропускання може становить 100ГГц) і дозволяють досліджувати періодичні сигнали з мінімальною тривалістю. Але слід зазначити, осцилографи цього класу є дуже дорогими, а тому використовуються, як правило, для вирішення складних технічних і виробничих проблем[4].
Віртуальні осцилографи - новий клас осцилограів, який може бути як зовнішнім приладом з USB або паралельним портом вводу-виводу даних, або ж внутрішнім додатковим приладом на основі PCI або ISA карт. Програмне забезпечення будь-якого віртуального осцилографа дає можливість повного управління приладом, а також надає ряд сервісних можливостей, наприклад, експорт/імпорт даних, математична обробка сигналів, розширені вимірювання, цифрова фільтрація і т. д.
/
Рисунок 2.5 – Осцилограф RIGOL VS8102D MIXED SIGNAL OSCILLOSCOPE
Різні серії осцилографів на базі ПК можуть використовуватися для дуже широкого спектру вимірювань, зокрема при розробці та обслуговуванні радіоелектронної апаратури, у сферах телекомунікацій та зв'язку, при виробництві комп'ютерної техніки, при діагностиці автотранспортних засобів на станціях техобслуговування та багатьох інших, в яких необхідно тестувати і оцінювати перехідні, нестійкі процеси. З огляду на ключові переваги – висока швидкодія, малі габарити, легкість у використанні та невисоку вартість, можна стверджувати, що дані прилади – гідна альтернатива традиційним цифровим запам'ятовуючим осцилографам Недоліком приладу є неможливість побачити й виміряти постійну складову сигналів[4].
Портативні осцилографи - прогрес у розвитку цифрових технологій дозволив звичайні стаціонарні цифрові осцилографи перетворити у портативні осцилографи з відмінними малогабаритними показниками і з малим енергоспоживанням.
/
Рисунок 2.6 – Портативний осцилограф Fluke 199C
Причому портативні прилади з живленням від батарей не поступаються стаціонарним осцилографам за функціональністю і мають широкі можливості застосування в різних галузях виробництва, обслуговування, досліджень. [14]
Модель осцилограф універсальний С1–65 (А) - 1 канал, 35 (40) МГЦ, Э 48х80, П 300х180х470, М 1 (рис. 2.7) [5].
/
Рисунок 2.7 – Осцилограф універсальний С1–65 (А)
Призначений для дослідження форми електричних сигналів шляхом візуального спостереження й виміру їх амплітудних (25 мВ – 300 В) і тимчасових (25 нс – 0,5 с) параметрів у цехових, лабораторних і польових умовах.
/
Рисунок 2.8 – Осцилограф С1–166
Осцилограф С1–166 (універсальний аналоговий осцилограф) призначений для дослідження електричних сигналів у смузі пропускання 0–50 МГЦ шляхом візуального спостереження форми електричних сигналів на екрані електронно-променевої трубки, виміру їх амплітудних і тимчасових параметрів по шкалі екрана. Може використовуватися для ремонту, обслуговування й діагностики неполадок радіоелектронної апаратури, у тому числі й на важкодоступних об'єктах. Прилад характеризується зручністю в роботі й при обслуговуванні, міцністю конструкції, високою часовою й температурною стабільністю, мінімальною вагою й габаритними розмірами[5].
Універсальний осцилограф ScopeMeter - двоканальний осцилограф має смугу пропускання до 40 МГц, подвійний мультиметр із розширенням дисплею 5000 відліків дозволяє вимірювати середньоквадратичні значення змінної складової сигналу, двоканальний самопис функціонує у режимі TrendPlot, повне автоматичне налаштування розгортки дозволяє розпізнавати сигнал і оптимізувати його розміщення на дисплеї. Такий синтез функцій робить прилад практично універсальним, він дозволяє забезпечувати швидкий і якісний моніторинг будь-яких електричних систем[5].
/
Рисунок 2.9 - Універсальний осцилограф ScopeMeter
Осцилограф має оптично ізольований інтерфейс RS 232, який надає можливість збереження й аналізування даних програмними методами. Зручність експлуатації забезпечується використанням тільки однієї пари вимірювальних щупів. Ними можна здійснити вимірювання як у режимі осцилографа, так і у режимі мультиметра. Самопис дозволяє виявляти справжні причини несправностей шляхом запису пікових значень й імпульсних викидів[5].
До основних функцій осцилографа належать:
двоканальний цифровий осцилограф із смугою пропускання 40 МГц та двовходовий цифровий мультиметр, що дозволяють виявляти несправності протягом від наносекунди до декількох місяців;
цифровий мультиметр діючого (true-rms) значення з розрядністю дисплея у 5000 відліків точністю 0,5 % забезпечує 26 типів вимірювань, включаючи напругу постійного струму, діюче значення напруги змінного струму, частоту у Гц, тривалість імпульсів, фазний зсув двох сигналів, струм, температуру, пік-фактор, опір, характеристики діодів, ємність тощо;
двоканальна функція TrendPlot відслідковує збої за рахунок неперервного запису показів проміжком часу від лічених хвилин до декількох діб. Записуються максимальні і мінімальні показання з позначками дати і часу зняття показників. Двоканальність забезпечує пошук за критеріями: `причина і результат; робота за технологією Connect and View («під’єднуй і переглядай») забезпечує надійне відображення сигналу на дисплеї без необхідності натискання на кнопки. Навіть для найскладніших сигналів, включаючи приводи двигунів і відеосигнали. Користувачі вимірювальних приладів знають, яким складним є процес установлення органів керування. Неправильні налаштування показують нестійкі, а іноді неправильні результати. Унікальна функція Connect-and-View, розроблена фірмою Fluke, розпізнає сигнали й автоматично задає потрібне розміщення органів керування приладом. Ця функція забезпечує стійку, достовірну і наочну індикацію практично будь-якого сигналу включаючи сигнали керування електродвигунами і сигнали керування без натискання кнопок. Будь-які зміни сигналів розпізнаються миттєво, а розміщення органів керування коригується для щоразового отримування стійкої індикації[5].
Прилад ScopeMeter дозволяє швидко і зручно вимірювати параметри почергово у багатьох точках, тому він відрізняється від звичайних вимірювальних приладів з автоматичним налаштуванням і вибором діапазонів вимірювання. Вхідний сигнал, амплітуда і синхронізація автоматично встановлюються так, щоб у результаті дати стійке відображення складних цифрових сигналів. Це зручне нововведення від Fluke заощаджує час, який затрачається на пошук несправностей, і допомагає мінімізувати час простою виробничих систем. Зміни сигналів миттєво розпізнаються, а налаштування постійно коригуються для стійкої індикації;
– прилад дозволяє швидко і зручно здійснити вимірювання параметрів почергово у багатьох точках – цим він вигідно відрізняється від звичайних індикаторних приладів з автоматичним налаштуванням і вибором діапазонів вимірювань;
– інтуїтивна легкість використання з унікальною можливістю - усі виміри за один тест. Один і той же щуп призначений для осцилографічних спостережень, вимірів на мультиметрі, вимірів опору і ємності та інших параметрів електричних кіл;
– великий і яскравий флуоресцентний дисплей з фоновою підсвіткою і холодним катодом має добрий контраст і високу видимість як у темному, так і освітленому приміщеннях;
– зручна ергономічна форма приладу і його невелика вага (1100 г) забезпечують портативність і зручність експлуатації навіть однією рукою. Ударостійка конструкція корпуса з чохлом-футляром гарантують тривалу і надійну роботу у будь-яких виробничих умовах;
– час безперервної роботи від штатних батарей – до 5 годин. В наявності є також індикатор стану заряду батареї та її швидке перезарядження;
– прилад сумісний із широким набором аксесуарів від Fluke, до них належать затискачі для вимірювання великих струмів і температурні пробники;
– крім того, осцилографи можуть постачатись з оптично ізольованим інтерфейсом RS 232 для персонального комп’ютера та принтера, а також програмним забезпечення FlukeView для роботи під операційну систему Windows, які спрощують ведення документації та обробку результатів вимірювань, розширюючи можливості осцилографа[5].
Програмне забезпечення має в наявності документацію для передавання форм сигналів та даних вимірювань з ScopeMeter на персональний комп’ютер, після того дані можуть бути надрукованими. Програма дає змогу додавати текст користувача до параметрів індивідуального налаштування осцилографа. Архівування даних створює бібліотеку форм сигналів з коментарями, створеними користувачем для подальшої обробки та порівняння. Порівняння форм сигналів дає можливість співставляти форми кривих сигналів, що містяться у базі даних, із сигналами, знятими за допомогою осцилографа[5].
3 ОПИС ТА ОБГРУНТУВАННЯ ОБРАНИХ ПРОЕКТНИХ РІШЕНЬ ТА КОНСТРУКЦІЙ
3.1 Опис структурної схеми проектуємого пристрою
Рисунок 3.1 – Цифровий осцилограф. Схема електрична структурна
Структурна схема цифрового осцилографа складається з:
блоку живлення – призначений для забезпечення живлення електроприладу електричною енергією, при відповідності вимогам її параметрів: напруги, струму, і т. д;
масштабуючого пристрою (підсилювача або дільника напруги) – підсилювач постійного струму з диференційним входом, що має високий коефіцієнт підсилення. Призначений для виконання різноманітних операцій над аналоговими сигналами, переважно, в схемах з негативним зворотним зв'язком;
мікроконтролера – виконаного у вигляді мікросхеми спеціалізованої мікропроцесорної системи, що включає мікропроцесор, блоки пам'яті для збереження коду програм і даних, порти вводу-виводу і блоки зі спеціальними функціями;
аналого-цифрового претворювача – пристрою, що перетворює вхідний аналоговий сигнал в дискретний код (цифровий сигнал), який кількісно характеризує амплітуду вхідного сигналу;
оперативно запам’ятовуючого пристрою – енергозалежної пам'яті, яка зберігає поточні дані при роботі пристрою;
запам’ятовуючого пристрою – пам'яті яка використовується для зберігання даних для подальшої обробки;
елементів управління – блоку за допомогою якого керується та налаштовується пристрій;
дисплею – який виконує роль виводу сигналу у графічній формі для більш зручної обробки[6].
Пройшовши через масштабуючий пристрій та АЦП, вхідна напруга u(t) перетворюється в дискретну послідовність кодових слів Ni, що відображають миттєві значення ui цієї напруги. Кожне нове кодове слово записується в ОЗП. При цьому всі попередні записані комірки зсуваються на одну комірку (регістр зсуву), а найперший N1 зникає, як би «виштовхується». Якщо ОЗП складається з М комірок, то в ньому, постійно оновлюючись, міститься М останніх, «свіжих», кодових слів. Так триває до тих пір, поки не буде виконано якась задана умова, наприклад, коли коливання ui вперше перевищать заданий оператором рівень («запуск за рівнем»). Після цього вміст деякої кількості комірок ОЗП переписується в пристрій, що запам'ятовує ЗП, що входить до складу контролера.
Кожній комірці ЗП відповідає точка на екрані за кольором. Її абсцису визначає номер комірки, а ординату кодове слово Ni, що знаходиться в цій комірці.
Для гарного зображення сигналу на екрані цілком достатньо 2 точки на 1 мм. Середніх розмірів екран має висоту 100 мм і ширину 120 мм. Отже, на екрані повинні розташовуватися 200 × 240 = 48000 точок або більше.
Таким чином, для формування гарного зображення АЦП повинен мати не менше 8 двійкових розрядів (256 точок по вертикалі) і ЗП повинно містити 256 комірок.
Цифровий осцилограф дозволяє запам'ятовувати в ОЗП дуже багато кодових слів, а потім «витягати» їх порціями, відповідно ширині екрану.
В аналогових осцилографах це, звичайно, неможливо. Для позначення запасу по осі часу («глибина пам'яті») іноді користуються такою оцінкою тривалості сигналу, дані про який записані в ОЗП: «число екранів». Наприклад, «8 екранів» означає, що обсяг оперативної пам'яті 256, та 2048 комірок, в яких записано 2048 кодових слів Ni. Кожне Ni - це 8-розрядний код, тобто один байт, т.ч. «8 екранів» - це обсяг пам'яті в 2 кілобайти. Можна уявити дуже широку стрічку - в 8 раз ширше натуральної, але такої ж висоти. На такій стрічці було б записано зображення всього сигналу[6].
Ще одна принципова відмінність від аналогових осцилографів полягає в тому, що в цифровому осцилографі можна бачити передісторію сигналу до появи імпульсу запуску. Це називають «перезапуском». Кодові слова перепису з ОЗП в ЗП такі, що в момент появи імпульсу запускається перша комірка з ЗП, що дає точку на вертикальній лінії, що проходить через центр екрана, наступні точки розташовуються направо від неї, попередні - наліво. Положення першої комірки можна зміщувати вліво або вправо від центру і тим самим відповідно зменшувати або збільшувати видимий інтервал передісторії.
Частоту дискретизації (частоту «вибірок») можна змінювати в широких межах, що відповідає зміні масштабу по горизонталі і аналогічно зміні швидкості розгортки в аналогових осцилографах.
В цілому цифровий осцилограф має більше схожості з комп'ютером, ніж з аналоговим осцилографом. Він дозволяє виконувати різні математичні операції: розтягувати у часі фрагменти записаного в пам'ять сигналу, додавати і віднімати сигнали в різних каналах, визначати частотний спектр сигналу шляхом застосування швидкого перетворення Фур'є та ін[6].
3.2 Опис принципової схеми проектуємого пристрою
/
Вхідний сигнал з роз’єму J1 надходить на перемикач SW1A, який перемикається на відкритий вхід, закритий вхід або корпус. Далі сигнал проходить через дільник напруги (C5, R6, C6), та потрапляє до перемикача SW2A, який встановлює ціну поділки шкали осцилографу, а саме 10 mV, 0,1 V або 1 V. Після цього сигнал потрапляє до операційного підсилювача DA3.1, потім сигнал надходить до перемикача SW3A на якому збільшується вхідний сигнал у х1, х2, х5 разів. Далі сигнал потрапляє на кінцевий каскад до операційного підсилювача DA3.2, потім сигнал з підсилювача надходить до входу АЦП мікроконтролеру, де він перетворюється і виводиться на екран дисплею LCD, далі сигнал можна зберігати або обробляти[7].
Роз’єм USB у даному програмному забезпечені не використовується, але в більш новому програмному забезпечені USB роз’єм може використовуватися для зняття сигналу з ПК, або ж для оновлення пристрою.
У даному програмному забезпечені роз’єм J5 використовується для оновлення системи пристрою.
Кнопки та перемикачі використовуються для управління режимами роботи, та зміни налаштувань.
Роз’єм J2 виконує функцію тестового сигналу, використовується для перевірки роботи осцилографа, та виводить на дисплей осцилограму з частотою 1 кГц.
Роз’єм J6 використовується для програмного тестування мікроконтролер,а саме виконує роль Debugger[7].
Живлення пристрою виконується від джерела постійної напруги 9 – 12В. Інтегральний стабілізатор DA1 стабілізує вхідну напругу до +5В, а інтегральний стабілізатор DA2 знижує і стабілізує до +3,3В.
На транзисторах VT1, VT2, діоді VD2, дроселях L2, L3 побудованe джерело від’ємної напруги -8В. Це джерело працює за принципом широтно-імпульсної модуляції.
Широтно-імпульсна модуляція - процес управління потужністю, що підводиться до навантаження, шляхом зміни скважності імпульсів, при постійній частоті. Розрізняють аналогову ШІМ і цифрову ШІМ, двійкову (дворівневу) ШІМ і трійкову (трирівневу) ШІМ[7].
Після генерації напруги -8В, інтегральний стабілізатор DA4 стабілізує напругу до -5В. Таким чином основною причиною застосування ШІМ є прагнення до підвищення ККД при побудові вторинних джерел живлення електронної апаратури і в інших вузлах, наприклад, ШІМ використовується для регулювання яскравості підсвічування LCD-дисплеїв.
Для відораження осцилограм використовується LCD-дисплей, який є кольоровим, щоб можна було розрізнити декілька сигналів за кольоровою гаммою.
Для с...
12.05.2018 17:05-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора