Úloha 1: Spektrální analýza a frekvenční vlastnosti

Transkript

1 Úloha 1: Spektrální analýza a frekvenční vlastnosti Spektrální analyzátor DSA815 Přístroj slouží k provádění spektrální analýzy až do frekvence 1,5 GHz. Na čelním panelu má vyvedené dva konektory typu N, které jsou osazeny redukcí na BNC. Pravý konektor slouží ke vstupu signálu a může na něm být max. DC napětí P 50 V, ale střídavý výkon jen 20 dbm. Jednotka dbm je relativní jednotka definovaná vztahem p=10 log 1 mw. Pro určení max. amplitudy vstupního signálu je třeba znát ještě vstupní impedanci, která je, na rozdíl třeba od osciloskopu, 50 Ω. Druhý konektor slouží k vyvedení signálu sledovacího oscilátoru a může plnit dvě funkce: 1. slouží k proměřování frekvenčních vlastností filtrů či jiných obvodů, 2. může sloužit jako pevný generátor. Ovládání Přístroj se zapíná spodním levým tlačítkem a po naběhnutí se zobrazí úvodní obrazovka se spektrálním záznamem. K základnímu ovládání slouží šedé klávesy vpravo od obrazovky, jejich funkce závisí na konkrétní situaci a je popsána na pravém okraji obrazovky. Jedna z funkcí je vždy aktivní a je barevně zvýrazněna. Funkce může mít nastavovanou hodnotou, nebo sloužit jako přepínač. K přepínání slouží opakovaný stisk klávesy, hodnota se dá měnit třemi způsoby: zadáním čísla na klávesnici v bloku Edit, v tom případě je na konci třeba ještě zadat jednotku přes klávesy vpravo od obrazovky, změnou hodnoty pomocí otočného knoflíku vpravo uprostřed, změnou pomocí šipek nahoru a dolů pod otočným knoflíkem (velké skoky). Další funkce jsou dostupné pomocí stisku ostatních tlačítek. Nastavení k měření Před měřením je potřeba nastavit interval, ve kterém má přístroj měřit. Lze to udělat buď nastavením centrální frekvence (Center Freq) a rozsahu (Span), nebo pomocí počáteční a koncové frekvence. Centrální, počáteční a koncová frekvence jsou dostupné po zapnutí nebo po stisku tlačítka FREQ, rozsah se zobrazí po stisku tlačítka SPAN. Pomocí posledního tlačítka AMPT lze nastavit parametry zobrazení, především referenční úroveň a logaritmickou/lineární stupnici. Další parametr, který ovlivňuje výsledné měření, je šířka pásma rozlišení, která se nastavuje pomocí tlačítka BW/Det. Standardně je nastavena na určitý podíl z rozsahu a příliš velká hodnota vede k širokým píkům. Volba menší hodnoty vykreslí ostřejší píky, ale měření je pomalejší. Při vysoké hodnotě mohou zaniknout maxima s malou intenzitou. Měření hodnot K měření hodnot amplitudy daných frekvencí slouží nabídka Marker. Po zmáčknutí se objeví na pravé straně displeje nabídka, která umožňuje přepínat mezi čtyřmi různými kurzory, zapnout měření rozdílů apod. V levé části obrazovky se objeví hodnota velikosti signálu, odpovídající součané poloze kurzoru. Polohu kurzoru lze měnit otočným knoflíkem, nebo pomocí číselné klávesnice. Měření filtrů Proměřování frekvenčních vlastností obvodů lze provést tím, že se na vstup měřeného obvodu připojí výstup z konektoru GEN OUTPUT a výstup obvodu se přivede na pravý konektor. Měřením dle předchozích návodů se pak proměří přenosová charakteristika obvodu. Při jejím vyhodnocování je však třeba pamatovat, že výstup i vstup přístroje mají odpor 50 Ω. Funkční generátor DG4162 Po zapnutí pomocí levého dolního tlačítka naběhne obrazovka, rozdělená na dvě části, protože přístroj má dva nezávislé výstupy. Mezi nimi se přepíná tlačítkem CH1 a CH2. Přístroj je vybaven čtyřmi BNC konektor, kde dva slouží k výstupu generovaného signálu a zbývající dva umožňují synchronizaci. Generovaný signál se na výstupu objeví až po stisknutí tlačítka Output1 nebo Output2. Nastavení signálu Generovaný průběh se vybírá pomocí tlačítek v horní části přístroje (sinus, obdélník, šum atd.). Jednotlivé parametry průběhu se nastavují opět pomocí klávesnice, otočného knoflíku nebo šipkami pod ním. Mezi parametry se přepíná pomocí tlačítek na pravé straně od obrazovky. Typicky se nastavuje frekvence, amplituda (v jednotkách rozkmitu Vpp nebo efektivní hodnoty Vrms), ofset a fáze. Rozmítání Režim rozmítání umožňuje nastavit postupnou změnu frekvence signálu a aktivuje se tlačítkem Sweep. Nastavuje se doba jednoho rozmítání (rozmítání se nekonečněkrát opakuje), počáteční a koncová frekvence a doba návratu. Rozmítat lze pouze signál sinusový, obdélníkový, pilovitý a libovolný (Arb). Modulace Tlačítkem Mod lze aktivovat vytváření modulovaného signálu. Nosná vlna bude mít parametry

2 nastavené před stisknutím tlačítka (a lze se k ním dostat opakovaným stiskem tlačítka průběhu), parametry modulace lze volit po stisknutí. Je možno volit typ modulace (např. amplitudová, frekvenční), modulační frekvenci, modulující průběh a hloubku modulace. Zadání úloh 1. Proměřte spektrální složení sinusových signálů z následujících generátorů: generátor Rigol DG4162, osciloskop Agilent DSO-2002A, generátor Function Generator ze systému microlab, Wienova oscilátoru (obr. 1), sestaveného z diskrétních prvků. Obrázek 1: Wienův oscilátor Ve všech případech určete činitel zkreslení signálu. 2. Proměřte spektrální složení obdélníkového, pilového, šumového a libovolného (s funkcí Sinc) průběhu z generátoru Rigol a srovnejte s teoretickými hodnotami. 3. Na generátoru nastavte rozmítaný signál s pomalou změnou fekvence, zobrazte a analyzujte signál spektrálním analyzátorem. 4. Analyzujte signál amplitudově modulovaného generátoru, vyzkoušejte různé modulační frekvence, průběhy i hloubky. 5. Analyzujte spektrum vybraného napěťového průběhu v logickém obvodu. 6. Využijte výstup GEN OUTPUT, proměřte frekvenční závislosti jednoduchého odporového obvodu, sestaveného na nepájivém poli, a výsledky interpretujte. 7. Předchozí úlohu zopakujte s frekvenčním filtrem.

3 Úloha 2: Kalibrace napětí a proudů Kalibrace multimetru Proveďte kalibraci stejnosměrných napěťových a proudových rozsahů přesného multimetru Fluke 189 a jednoduchého multimetru Uni-T DT9202A, a to v souladu s doporučenými kalibračními postupy (KP 4.1.2/06/11/N). Vyhodnoďte získané hodnoty a posuďte shodu s parametry udávanými výrobci. Vyhotovte kalibrační protokoly, včetně všech nutných údajů. Kalibrace měřicích přístrojů se provádí pomocí speciálních přesných generátorů, zvaných kalibrátory. Kalibrátor se propojí s měřicím přístrojem, nastaví se na něm zvolená hodnota a odečte se údaj z dispeje měřicího přístroje. Pro správné vyhodnocení a úměrnou délku kalibrace je nutné vhodně zvolit kalibrační body, jejich počet a správně zvolit nejistotu kalibrátoru vzhledem k měřenému přístroji a také správně vyhodnotit výslednou nejistotu. Proto je potřeba mít vypracovanou metodiku kalibrace. V úloze se bude používat kalibrační postup, vytvořený Českou metrologickou společností, KP 4.1.2/06/11/N, určený pro kalibraci číslicových multimetrů. Kalibrátor Jako kalibrátor se použije kalibrátor Fluke 715, který slouží pro kalibraci stejnosměrných napětí a proudů, a to v rozsahu do 20 V a 24 ma. Kalibrátor musí být sám zkalibrován a musí mít metrologickou návaznost nutno ověřit. Obsluha je jednoduchá: tlačítkem "Input/Output" se přepne do režimu kalibrace (Output), mezi napětím a proudem se přepíná tlačítky "V" a "ma" a hodnota kalibrující veličiny se nastavuje inkrementací/dekrementací pomocí tlačítek s šipkami nahoru/dolů (malá šipka mění nejnižší řády, velká šipka nejvyšši). Při kalibraci napětí je výstupní napětí mezi dvěma pravými zdířkami, při kalibraci proudu je proud vnucován přes obě krajní zdířky (pokud je zapojena příliš velká impedance a přístroj není schopen proud dodat, displej bliká). Postup 1. Z parametrů kalibrátoru a měřeného přístroje určíme rozsahy stejnosměrného napětí a proudu, které jsme schopni kalibrovat (tj. rozsah kalibrátoru musí být větší nebo stejný jako zvolený rozsah) a s ohledem na kalibrační postup zvolíme předem kalibrační body (ty jsou v postupu uvedeny jako procenta z měřicího rozsahu, tedy např. kalibrační bod 10 % při měřicím rozsahu 2 V znamená kalibrační bod 0,2 V). 2. Propojíme kalibrátor s měřicím přístrojem pomocí krátkých a kvalitních měřicích přívodů, oba přístroje zapneme a uvedeme do přís lušných režimů/rozsahů. 3. Nastavíme první kalibrační bod, počkáme na ustálení údaje na displeji kalibrovaného přístroje a hodnotu zapíšeme. 4. Body 2 a 3 smysluplně opakujeme, až vyčerpáme všechny kalibrační body. 5. Výsledky kalibrace vyhodnotíme, stanovíme nejistotu kalibrovaného přístroje (dle KP) a vypracujeme kalibrační protokol. 6. V případě, že je dostupná informace o přesnosti přístroje od výrobce, porovnáme s ní dosažené výsledky. Vyhodnocení parametrů A/D převodníku Ověřte linearitu modulu A/D Converter ze systému microlab. Vyhodnoťte základní parametry A/D převodníku (ofset, chyba zesílení, diferenciální a integrální nelinearita). Parametry A/D převodníků Ideální A/D převodník má stupňovitou převodní charakteristiku, ve které středy stupňů leží na přímce se sklonem 45, procházející nulou. U reálného převodníku může dojít k posunutí charakteristiky (ofsetu) vlivem chyby nuly, ale také ke změně sklonu přímky vlivem chyby zesílení. Uvedené dvě chyby ale zcela nevystihují chování převodníku, protože popisují jenom globální vlastnosti. K posouzení lokálního chování je vhodnější používat integrální a diferenciální nelinearitu (obr. 2). Diferenciální nelinearita DNL i pro i-tý stupeň je charakterizována pomocí šířky i-tého stupně q i a šířky ideálního stupně q podle vztahu DNL i = q i q q Integrální nelinearita INL i se charakterizuje pomocí rozdílu mezi polohou středu i-tého stupně v reálné a ideální charakteristice. Mezi další parametry, popisující nedokonalosti A/D převodníku, patří například existence nemonotonního chování.

4 Obrázek 2: Chyby A/D převodníku Použitý převodník A/D Converter ze systému microlab je založen na integrovaném A/D převodníku WSH570A, který používá metodu postupné aproximace. Výstupy obvodu ale nejsou přímo přístupné, protože je obklopen dalšími obvody, díky kterým signál na zdířkách D0-D7 reprezentuje převáděnou hodnotu v přímém binárním kódu. Převodník lze používat v různých režimech, pro kalibraci využijeme režim vnitřních hodin, který je nejjednodušší na zapojení - stačí propojit zdířky CLKO a CLKI. K převodu dochází při sestupné hraně na vstupu WRITE, proto na něj přivedeme signál z generátoru hodin Time Base s frekvencí 1 khz. Ostatní vstupy mohou zůstat nezapojené, pokud je nebude ovlivňovat rušení, jinak je uzemníme. Převáděný signál přivedeme na vstup INPUT a rozsah A/D převodníku nastavíme pomocí posuvných voličů tak, aby levý volič byl v poloze 1, ostatní v nule; pak je napěťový rozsah 0 až 20 V. Postup 1. Zapojíme A/D převodník, ke vstupu INPUT připojíme kalibrátor zapnutý do režimu výstupních napětí, k výstupům D0-D7 připojíme vstupy Log Probe a na vstup WRITE připojíme hodinový signál. 2. K přechodu mezi úrovněmi nedochází skokově, ale údaje problikávají mezi dvěma hodnotami. Je proto nutné zvolit si pravidlo, jak budeme definovat okamžik překlopení. 3. Postupně pomocí malých šipek zvyšujeme napětí kalibrátoru a sledujeme údaje na Log Probe a vyhledáme okamžik přechodu na novou hodnotu; údaje zaznamenáme. Z časových důvodů měření provádíme pro spodních 16 úrovní, pro horních 16 úrovní a pro 16 úrovní rovnoměrně rozmístěných ve zbývajícím intervalu. 4. Z naměřených údajů vypočítáme příslušné parametry A/D převodníku. Kalibrace osciloskopu Proveďte kalibraci digitálního osciloskopu Agilent DSO 2002A, včetně měřicí sondy (s převodem 1:1 a 1:10, s ověřenou frekvenční kompenzací). Pro úplnou kalibraci osciloskopu není dostupné vybavení, lze kalibrovat pouze měření stejnosměrných napětí (pomocí vestavěných funkcí osciloskopu) a vertikální citlivost (tj. parametr V/div). Proto se nebudeme držet příslušného kalibračního postupu, ale aplikujeme, vhodně upravený, kalibrační postup pro multimetr. Sonda K osciloskopu můžeme měřené napětí přivádět buď přímo, nebo zeslabené. V první případě použijeme redukci BNC/banánky, ve druhém případě originální sondu od firmy Agilent, s koeficientem zeslabení 10. Druhá sonda má možnost korekce frekvenční kompenzace, jejíž nastavení může v principu změnit přenosové vlastnosti. Proto je nutné před kalibrací provést kompenzaci: Na sondu se přivedeme obdélníkové napětí a pozorujeme jeho zobrazený průběh. Pokud je sonda vykompenzovaná, je průběh obdélníkový. Pokud není, nese průběh známky integrování nebo derivování a průběh je deformovaný. Otáčením šroubku na sondě docílíme vykompenzování. U osciloskopu Agilent DSO 2002A je proces ověření kompenzace možno urychlit pomocí vestavěných funkcí. Sondu přichytíme na svorkou Probe Comp (dole uprostřed osciloskopu, bude na ní obdélníkový signál), uzemnění připojíme na podélný kontakt vedle a na osciloskopu stiskneme číslo kanálu/probe/probe Check. Systém v tomto případě sám ověří, je-li kompenzace dostatečná a zjistí např. i špatně nastavenou velikost zeslabení.

5 Postup 1. Při měření zohledníme postupy z předchozí kalibrace multimetru. 2. Připojíme sondu 1:1 mezi konektor kanálu 1 osciloskopu a zdířky kalibrátoru, oba přístroje zapneme a uvedeme do vhodných režimů a nastavíme vhodnou citlivost, nulovou polohu stopy a parametry sondy. 3. Ze specifikací přístrojů a kal. postupu určíme vhodné kalibrační body. 4. V menu osciloskopu zapneme měření a zvolíme měření stejnosměrného napětí. 5. Dle jednotlivých kalibračních bodů nastavujeme napětí na kalibrátoru, počkáme na ustálení a změřené hodnoty odečítáme. 6. Pro kalibraci vertikální citlivosti zvolíme kalibrační body takové, aby odpovídaly jednotlivým dílkům na obrazovce. 7. V okolí kalibračních bodů hledáme takové napětí, při kterém dojde k překrytí zobrazeného dílku a průběhu kanálu. 8. Body 3 až 7 opakujeme pro různé vertikální citlivosti a oba kanály osciloskopu. 9. Vyhotovíme kalibrační protokol. 10. Připojíme sondu 1:10, provedeme její frekvenční kompenzaci a nastavíme správné parametry osciloskopu. 11. Zopakujeme body 3 až 9.