Поверка осциллографа

Содержание

Введение

Поверка средств измерений (СИ) –  совокупность операций, выполняемых  органами государственной метрологической  службы и субъектами хозяйствования с целью определения и подтверждения  соответствия СИ установленным требованиям.[1,5]

Цель поверки - установить:

- находятся ли метрологические  характеристики (МХ) поверяемого СИ  в заданных пределах;

- нет ли в поверяемом СИ  неисправных или недостаточно  надежных деталей, узлов или  блоков, которые могут стать причиной  недопустимых изменений МХ или  выхода СИ из строя.

Таким образом, суть поверки:

- поверка – это одна из  форм государственного или ведомственного  метрологического контроля;

- цель поверки – установить  соответствие СИ метрологическим  и техническим требованиям, установленным  в нормативных документах (НД) и  признание СИ годным к применению;

- поверка проводится опытным  путем по официально утвержденным  методикам поверки;

- поверку проводят лица, аттестованные  в качестве поверителей в порядке,  установленном ГосСтандартом;

- если результаты поверки положительные,  то на СИ и/или НД наносится  оттиск поверительного клейма  и/или выдается свидетельство  о поверке, а если результаты  отрицательные – СИ бракуется  и выдается извещение о его  непригодности с указанием причин.

В зависимости от целей и назначения результатов виды поверки классифицируются по следующим признакам:

1. В зависимости от того, какой метрологической службой она проводиться: государственная и просто «поверка»;
2. В зависимости от этапа работы СИ поверка может быть: первичная, периодическая и внеочередная;
3. В зависимости от характера проведения поверка подразделяется на инспекционную и экспертную.

Особенностью же разработки методик  поверки для цифровых осциллографов  является, во-первых – принадлежность данных приборов к цифровым, что вносит свои специфические особенности, во-вторых – универсальность осциллографа, то есть его способность к измерению достаточно большого количества параметров электрического сигнала, каждый из которых должен быть подвержен проверке.

1 Аналитический обзор  средств измерений.                       Структурно-функциональная схема  прибора

Развитие техники точного осциллографирования  привело к созданию универсального осциллографа нового типа – цифрового  осциллографа (ЦО), являющегося еще  одним примером ЦИП. Исследуемый  аналоговый сигнал преобразуется с  помощью АЦП в коды, которые  далее запоминаются в дискретной памяти, реализуемой с помощью  оперативного запоминающего устройства (ЗУ). Благодаря этому значительно  упрощается задача измерения и обработки  параметров сигнала, обеспечивается осциллографирование  однократных сигналов и появляется возможность полностью автоматизировать процесс исследования формы сигналов и измерения их параметров. В самом  общем виде структурная схема ЦО показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема ЦО

Как видно  из рисунка  1, управление работой ЦО осуществляется тактовыми импульсами УУ. В АЦП реализуется кодоимпульсный метод преобразования при развертывающем уравновешивании с равномерно ступенчатым изменением компенсирующего напряжения. Благодаря этому имитируется временная развертка осциллографа.

Оперативное ЗУ позволяет запомнить весь массив мгновенных значений U(t), поступающих в виде кодов с АЦП, а также необходимую служебную информацию. Скорость записи в ЗУ и его емкость оказывают существенное влияние на быстродействие и метрологические характеристики ЦО.

Особо следует  остановиться на видах визуальных индикаторов (ВИ), применяемых в ЦО. Они подразделяются на две группы: ЭЛТ и матричные индикаторные панели (МИП). При использовании ЭЛТ необходимы дополнительные ЦАП, преобразующие коды ЗУ в напряжение сигнала U(t), поступающее на пластины Y, и напряжение развертки, подаваемое на пластины X ЭЛТ. Необходимость в ЦАП отпадает, если перейти к МИП – плоским матричным экранам, дискретность которых естественным образом согласуется с дискретной формой представленной информации. Кроме того, применение МИП снижает габариты и массу ЦО, устраняет источники высокого напряжения и резко сокращает число органов управления экраном. В настоящее время также широко применяются жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) и их сенсорные разновидности, позволяющие сократить количество органов управления на передней панели приборов.

В последнее  время на практике успешно применяются  цифровые осциллографы [7], в которых входные аналоговые сигналы преобразуются с помощью параллельного или параллельно-последовательного (смешанного) АЦП в коды, записываемые в цифровое запоминающее устройство, где они хранятся необходимое для исследования время. Для получения изображения на экране осциллографа коды считываются с запоминающего устройства. При этом исследуемый сигнал может отображаться как на экране электронно-лучевой трубки, так и на плоском матричном экране, выполненном на жидких кристаллах или светодиодах.

Простейшая  структурная схема цифрового  осциллографа представлена на рисунке  2. Мгновенные значения исследуемого сигнала, поступающего со входа Y через входное устройство ВУ на АЦП, в определенные моменты времени, задаваемые тактовым генератором ТГ, преобразуются в цифровые коды и запоминаются в цифровом запоминающем устройстве ЗУ. Далее эти коды поступают в отображающее устройство ОУ, где на их основе вырабатываются сигналы, управляющие вертикальным перемещением световой точки на экране.

Рисунок 2 – Простейшая структурная схема цифрового осциллографа

В те же моменты времени формирователем нарастающего кода ФНК вырабатывается код, равномерно нарастающий по времени. Он также поступает в отображающее устройство, где преобразуется в  сигнал, управляющий горизонтальным перемещением световой точки на экране. Этот процесс имитирует временную  развертку осциллографа.

Источник  опорного напряжения ИОН вырабатывает определенные значения напряжений, которые  поступают на входы компараторов АЦП, задавая их уровни срабатывания, соответствующие уровням квантования.

Если  в качестве дисплея используется экран электронно-лучевой трубки, то коды, соответствующие мгновенным значениям исследуемого сигнала  и временной развертке, преобразуются  в цифроаналоговых преобразователях в напряжения, подаваемые, соответственно, на вертикальные и горизонтальные отклоняющие  пластины трубки. Если дисплеем является матричный экран, то указанные коды преобразуются в позиционные, которые  выбирают одну из строк и один из столбцов матричной панели, на пересечении  которых возникает светящаяся точка.

Функциональные  возможности цифровых осциллографов  значительно шире, чем возможности  аналоговых. Они позволяют получать в цифровой форме многие параметры  исследуемого сигнала, реализовывать  его дифференциальную, интегральную или спектральную характеристики и  т.п., автоматизировать процесс измерения, управлять им дистанционно и т.д. На экране помимо осциллограмм в цифровой форме отображаются коэффициент  отклонения (чувствительность по вертикали) и длительность развертки. Кроме  того, применение матричных экранов  уменьшает габариты цифровых осциллографов  и делает их более безопасными  с точки зрения охраны труда, поскольку  в этом случае отпадает необходимость  в использовании источников питания  высокого напряжения.

Так, портативный  цифровой осциллограф «Север-1» с  цветным экраном на жидких кристаллах имеет размеры 156х257х256 мм и предназначен для наблюдения, запоминания в  цифровой форме и измерения амплитудно-временных  параметров двух электрических сигналов в диапазоне частот 0-50 МГц. При  этом обеспечивается высокая точность измерений (погрешность измерения  мгновенных значений напряжения не более 2 %)  и автоматическое измерение  основных параметров сигнала: амплитуды, размаха, периода сигнала, параметров переходной характеристики. Кроме того, в осциллографе предусмотрены режим  самописца с длиной записи 20 000 точек  и режим усреднения.

Современная микропроцессорная техника благодаря  включению ее в цифровой осциллограф  позволяет решать практически любые  функциональные задачи, возникающие  при исследовании электрических  сигналов. В качестве примера приведем осциллограф ОЦСЗ-01С. Этот запоминающий осциллограф, сочетающий в себе измерительное  устройство и вычислительную машину, обеспечивает визуальное наблюдение, запоминание в цифровой форме, измерение  и математическую обработку амплитудно-временных  параметров периодических и непериодических  сигналов в динамическом диапазоне  от 4 мВ до 50 В и полосе частот от 0,1 до 50 МГц. В качестве портативной  ЭВМ используется IBM PC/AT/ATX – совместимый компьютер (процессор типа Intel 486 и выше).

1.1 Цифровой запоминающий осциллограф

   Одно из основных направлений  совершенствования осциллографов  основано на широком использовании  в их схемах цифровых методов  обработки сигналов и микропроцессоров [6]. Структура построения современного цифрового осциллографа зависит от объема и характера функций, возложенных на используемую микропроцессорную систему.

   Сравнительно простая схема цифрового  осциллографа представлена на  рисунке 3. Это цифровой запоминающий осциллограф (ЦЗО).

Рисунок 3 – Структурная схема цифрового запоминающего осциллографа

   В момент t_i по команде микроконтроллера (МК) в АЦП начинается преобразование поступающего на его вход напряжения U(t). В результате напряжения U(t_i) преобразуется в числовой код и записывается в ячейку запоминающего устройства ЗУ. Процесс запоминания значений U(t_i) продолжается до заполнения предназначенных для этого ячеек памяти ЗУ. При необходимости по команде МК из памяти ЗУ в определенной последовательности выбираются числа и подаются на ЦАП, где преобразуются в соответствующие напряжения U(t_i). Далее эти напряжения через оконечный усилитель подаются на вертикально отклоняющие пластины. В результате при наличии разверток на экране отображается последовательность светящихся точек, а при наличии блока интерполяции - развернутая осциллограмма.

   Функции генератора развертки  в данной схеме может выполнять  ЦАП, управляемый сигналами, поступающими  на его вход от микроконтроллера. На выходе ЦАП образуется ступенчато  изменяющееся напряжение, близкое  к линейно изменяющемуся. Скорость  развертки при этом определяется  быстродействием ЦАП и микроконтроллера.

   Современные ЦЗО обеспечивают  практически неограниченное время  хранения информации, возможность  воспроизведения участков запоминаемого  сигнала. Вместе с тем невысокое  быстродействие АЦП ограничивает максимальную частоту исследуемых сигналов(40 МГц).

1.2 Цифровой осциллограф с программным  управлением

   Более широкие возможности имеют  цифровые осциллографы с программным  управлением на основе микропроцессорных  систем [5]. Структура таких осциллографов подобна структуре вычислительных машин (рисунок 4).

Рисунок 4 – Обобщенная структурная схема цифрового осциллографа с программным управлением

   Исследуемый аналоговый сигнал U(t) поступает на входное устройство, где осуществляется согласование  его параметров с АЦП, а также  автоматическое переключение каналов  при многоканальном осциллографировании.  Кроме того, здесь с помощью  встроенных измерителей могут определяться амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала.

   После АЦП последовательность  кодов информативных параметров  сигнала через внутриприборный  интерфейс подается в ЗУ, которое,  как правило, включает в свой  состав:

     - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), обладающее высокой скоростью записи сигналов, следующих с частотой дискретизации;

     - запоминающее устройство программ  управления (ЗУПУ), обеспечивающее хранение  программ математической и логической обработки результатов измерений и программ управления осциллографом;

     - запоминающее устройство служебной  информации (ЗУСИ), предназначенное  для хранения выводимой на экран численно - буквенной и другой знаковой информации.

   Из ЗУ сигналы поступают в процессор П, отображающее устройство или через внешний интерфейс на внешние устройства и ЭВМ.

   В качестве процессора в цифровом  осциллографе могут использоваться  микропроцессорные комплекты, а  также микро- и мини ЭВМ.  Наличие микропроцессорной системы  позволяет полностью автоматизировать  работу осциллографа. Процессор  осуществляет выбор и задание  режимов работы осциллографа, обработку результатов измерений, связь осциллографа с оператором и внешними устройствами и другие операции.

   На отображающих устройствах  цифровых осциллографов можно  наблюдать не только осциллограммы  сигналов, но и численные значения  ряда его параметров. Т.к. в  рассматриваемом осциллографе имеется  возможность измерять параметры  сигналов на его входе, а  не на выходе канала горизонтального  или вертикального отклонения, как  в обычных аналоговых осциллографах,  то численные значения исследуемых  параметров измеряются с более  высокой точностью

1.3 Приставки к персональному компьютеру

Анализатор сигналов предназначен для работы с персональным компьютером (ПК). Все индикаторы и органы управления отображаются на мониторе ПК. Питание  осуществляется от шины USB. В совокупности с персональным компьютером или  ноутбуком устройство представляет собой многофункциональный аппаратно-программный  измерительный комплекс. Возможности  комплекса позволяют использовать его в учебных лабораториях.

Особенность анализатора сигналов LESO4:

• 4 независимых канала.
• Функциональность осциллографа.
• Полоса пропускания 5 МГц.
• Частота дискретизации в реальном времени до 50 МГц.
• Диапазон входных напряжений до 20 В.
• Длина памяти до 16к отсчетов на каждый канал.
• Анализатор спектра.
• Режим цифрого вольтметра.
• Интерфейс USB, ПО под ОС Windows XP и старше.
• Возможность оперативной модернизации ПО.
• Универсальная система сохранения результатов.
• Питание и управление по USB.

Программное обеспечение, выполняемое  на компьютере, разработано в программной  среде LabVIEW. Пакет LabVIEW является одним из лучших средств для инструментального управления и сбора цифровых данных или представления их на мониторе ПК. С общей точки зрения графическая среда LabVIEW проста для сборки и понимания. Программное обеспечение анализатора сигналов разработано в двух видах – как отдельная библиотека готовых модулей (виртуальных приборов) с открытым кодом для самостоятельной работы с прибором в среде LabVIEW, и готовой многофункциональной программы, позволяющей максимально раскрыть потенциал измерительного устройства. Структурная схема анализатора сигналов LESO4 изображена на рисунке 5. Устройство имеет четыре симметричных канала аналогового ввода. Измеряемый сигнал поступает на управляемый аттенюатор, обеспечивающий высокое входное сопротивление (1МОм). Аттенюатор реализует переключение пределов измерения, а также закрытый и открытый вход, имеет четыре дискретных откалиброванных значения ослабления.

Рисунок 5

Для устранения эффекта наложения (aliasing) спектров, который возникает при дискретизации сигнала, используется специальный фильтр низких частот. Такой фильтр должен обладать линейной фазовой характеристикой в полосе пропускания. Для таких целей подходит фильтр Бесселя. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики скомпенсирована цифровым фильтром.

В анализаторе сигналов используются 8-битные АЦП фирмы Analog Devices, частота дискретизации которых равна 50 МГц. АЦП имеют параллельный цифровой выход. Работой АЦП управляет программируемая логическая интегральная схема структуры FPGA (field-programmable gate array) (ПЛИС). Задача ПЛИС – одновременный опрос всех АЦП на рабочей частоте 50 МГц, фильтрация и децимация сигнала, результат предварительной цифровой обработки храниться в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и в дальнейшем через интерфейс FIFO (first-in, first-out) передается в USB компьютер.

На основании рассмотренных  вариантов построения структурно-функциональных схем цифровых осциллографов можно  построить схему, удовлетворяющую поставленному техническому заданию. Принцип ее работы описан в п.1.1, структурно-функциональная схема приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Структурная схема  поверяемого цифрового осциллографа

2 Определение и обоснование номенклатуры метрологических   характеристик, подлежащих поверке.

Исходя из рассмотренных литературных источников по методам поверки аналогичных  СИ и анализа приведенных в  них метрологических характеристик, согласно заданию к курсовому  проектированию, определим следующие  метрологические характеристики, подлежащие поверке:

1. Проверка диапазона коэффициентов отклонения;
2. Проверка диапазона коэффициентов развертки;
3. Параметры переходной характеристики (ПХ);
4. Параметры сигнала калибратора;
5. Основная погрешность измерения напряжения;
6. Основная погрешность измерения временных интервалов;
7. Основная погрешность измерения размаха сигнала.

Данный перечень характеристик  установлен на основе следующих нормативных  документов: ГОСТ 8.311 – 78 «ГСИ. Осциллографы электронно-лучевые универсальные. Методы и средства поверки»;           МРБ МП.1686 – 2007 «Методы и средства первичной (после ремонта) и периодической поверок осциллографа – мультиметра Fluke серии 12Х»; методика поверки цифрового осциллографа GoodWill Instek GDS2000.[2,3,4]

3 Определение перечня операций, проводимых при поверке

При проведении поверки цифровых осциллографов  согласно РД РБ 50.8103 – 93 «СОЕИ РБ. Методики поверки средств измерений. Построение и содержание» и ГОСТ 8.311-78 и техническим характеристикам, приведенным в приложении к заданию по курсовой работе, выполняются следующие операции:[2,4]

▪ внешний  осмотр;

▪ опробование;

▪ определение  метрологических параметров:

– проверка диапазона коэффициентов отклонения;

– проверка диапазона коэффициентов развертки;

– определение  основной погрешности цифрового измерения напряжения между двумя маркерами;

– определение  основной погрешности автоматического  измерения размаха сигнала;

– определение  основной погрешности цифрового измерения временных интервалов между двумя маркерами;

– определение  основной погрешности при автоматическом измерении периода;

– определение  параметров переходной характеристики;

– определение  параметров сигнала калибратора.

4 Выбор и обоснование числовых значений поверяемых точек

Выбор количества поверяемых точек, в которых определяются метрологические характеристики, зависит от свойств конкретного СИ и указываются в НД по поверке на данное СИ и в технических данных рассматриваемого СИ.[3,4]

Все выбранные точки для операций поверки приведены в пунктах 

4.1.-4.5.

4.1 Проверка диапазона коэффициентов отклонения и определение основной погрешности цифрового измерения напряжения между двумя маркерами

Так как  совместно с определением основной погрешности измерения напряжения производится проверка диапазона коэффициентов  отклонения, то в качестве поверяемых точек выберем диапазон значений коэффициентов отклонения и значения напряжения сигнала эквивалентное трем делениям на экране осциллографа. Выбранные точки, значения напряжения сигнала, погрешность и допустимые значения приведены в таблице 1.

Таблица 1

4.2 Проверка диапазона коэффициентов развертки, определение основной погрешности цифрового измерения временных интервалов между двумя маркерами

В качестве числовых значений поверяемых точек для данной операции выберем  диапазон значений коэффициентов развертки, величина временного интервала для каждого значения коэффициента развертки выбирается из того соображения, что осциллограмма сигнала должна занимать четное число делений по горизонтали на экране осциллографа.

Таблица 2

4.3 Определение параметров сигнала калибратора

Задание требуемых параметров калибратора  основано на технических данных рассматриваемого СИ, которые нормируют основную погрешность установки амплитуды импульсов калибратора, равную ±0,6%.

4.4 Определение параметров переходной характеристики

Выбранные на основании технических  данных поверяемые точки и параметры  переходной характеристики приведены в таблице 3.

Таблица  3

Продолжение таблицы 3

4.5 Определение основной погрешности автоматического измерения размаха сигнала

Данная операция практически аналогична п. 4.1., за исключением того, что используется иная формула для расчета искомой погрешности.

Таблица 4

4.6 Определение основной погрешности при автоматическом измерении периода

Данная таблица отличается от таблицы  п. 4.2 тем, что для всех значений коэффициента развертки погрешность определяется по одной и той же формуле, приведенной  в приложении к заданию.