13. OSCILOSKOPY, DALŠÍ MĚŘICÍ PŘÍSTROJE A SENZORY analogový osciloskop (základní parametry, blokové schéma, spouštěná časová základna – princip synchronizace, pasivní sonda k osciloskopu, dvoukanálový osciloskop – blokové schéma, dva režimy činnosti a jejich použití) osciloskop s číslicovou pamětí – (princip, blokové schéma, způsob zobrazení, stroboskopická metoda, možnosti spouštění) Spektrální analyzátory Nízkofrekvenční generátory měřicích signálů – generátory harmonických signálů, funkční generátory, generátory programovatelných průběhů Optoelektrické senzory – inkrementální čidla, kódové kotouče, CCD a PSD snímače
A1B38EMA – P13
1
Analogový osciloskop Y
AC
u1 DC
u2
u1 VZ
PZ GND EXT.
u2
Spouštěcí úr.
INT.
EXT. TRIG. AUTO
GSP
u3
ČZ
X
Spoustěná časová základna nastavení spouštěcího bodu: - úroveň - hrana (vzestupná, sestupná) - zdroj spouštění: vnitřní, vnější, siť; - vazba spouštěcího signálu (ss, stř,)
A1B38EMA – P13
u3
u5 u4 ČZ
u4 HZ
X
x 10
u5
Režim HOLD OFF
2
Dvoukanálový analogový osciloskop
Y1
PZ1 DC
Y2
Přepínání ČZ (Alt) u2,1
AC
u1
u2,1
GND AC
u1
PZ2 DC
Alt
u3 Chop
GND EXT.
EXT. TRIG.
u2,2
VZ
u2,2
AM
u4
u6 CH1
Přepínání AM (Chop)
CH2
u2,1 u5 u2,2
GSP
u3
ČZ
u4 ČZ HZ X
AUTO
X
A1B38EMA – P13
u6
Čas. lupa x 10
3
Pasivní sonda 1:10 a) ekvivalentní obvod, b) ekvivalentní obvod překreslený jako frekvenčně kompenzovaný odporový dělič napětí SONDA
HROT SONDY
OSCILOSKOP
R1
C1
Ci
Ri
CK
R1
C1
Ri
Ci + CK
CK – kapacita kabelu
a)
b)
Kalibrace sondy (nastavení kapacity C1) pomocí periodického obdélníkového průběhu u
u t
a) R1C1 < Ri(CK+Ci)
A1B38EMA – P13
u t
b) R1C1 = Ri(CK+Ci) (správná kompenzace)
t c) R1C1 > Ri(CK+Ci)
4
Osciloskop s číslicovou pamětí (číslicový osciloskop) VSTUP (2)
KANÁL 2 (VZ, VZP, AČP, ČP) Mikropočítač
VSTUP (1)
Vstup. zesil.
Vzorkovač
AČP
RAM
FIFO Standard. rozhraní
Ext. TRIG
Gen.“spouštěcího“ pulsu
Způsob ukládání vzorků do paměti:
ČASOVAČ
HODINY
IEEE 488 RS-232 USB
Videoprocesor
Paměti v jednotlivých kanálech typu FIFO (first in first out) – po zapnutí trvale plněny vzorky signálu; Po generování „spouštěcího“ pulsu – zastavení plnění paměti a) okamžitě (záporného zpoždění – pre-trigger) b) po zpoždění, které odpovídá době naplnění paměti FIFO („normální”) c) po zpoždění delším než odpovídá době naplnění paměti FIFO (zpožděný - delay) A1B38EMA – P13
5
d) Režim „pre-trigger“ (záporné zpoždění) a režim „delay“ (zpoždění) SB – „spouštěcí“ (u číslicových osciloskopů přesněji „zastavovací“) bod FIFO paměť: šířka n bitů (obvykle 8), délka k vzorků a) „pre-trigger“ (záporné zpoždění): zobrazeno l vzorků před SB a k - l vzorků po SB (zápis do paměti se zastaví po zapsání k - l vzorků po generování „spouštěcího“ pulsu) SB
spouštěcí úroveň
k-l k b) „normální“ režim: zobrazeny vzorky následující po SB – odpovídá zobrazení analog. osc. (zápis do paměti se zastaví po zapsání k vzorků po generování „spouštěcího“ pulsu) SB
spouštěcí úroveň
k c) „delay“ (zpoždění): zobrazeny vzorky následující d vzorků po SB (zápis do paměti se zastaví po zapsání k + d vzorků po generování „spouštěcího“ pulsu) SB
. A1B38EMA – P13
d
k
spouštěcí úroveň
k+d 6
Druhy vzorkování signálu u číslicového osciloskopu 1. V REÁLNÉM ČASE 4 až 10 vzorků na periodu nejvyšší frekvenční složky umožňuje pre-trigger mode umožňuje záznam přechodných dějů 2. SEKVENČNÍ V EKVIVALENTNÍM ČASE (STROBOSKOPICKÉ) jen pro periodické průběhy v každé periodě jen jeden vzorek posunutý o t ekvivalentní vzorkovací frekvence fVZ.EKV.=1/(t)
T T+t
t T+t
3. NÁHODNÉ V EKVIVALENTNÍM ČASE jen pro periodické průběhy po spuštění se vzorkuje s maximální vzorkovací frekvencí (několik vzorků na periodu nejvyšší frekvenční složky signálu) každá sada vzorků zpožděna o náhodnou ale známou dobu rychlejší rekonstrukce než dle bodu 2) A1B38EMA – P13
7
Spektrální analyzátor Neharmonický periodický signál součet harmonických složek (Fourierova řada) Harmonické složky - posloupnost komplex. čísel frekvenční spektrum periodického signálu Amplitudové frekvenční spektrum: absolutní hodnoty harmonických Fázové frekvenční spektrum: fáze harmonických složek
MĚŘENÍ AMPLITUDOVÉHO SPEKTRA: SELEKTIVNÍ VOLTMETR (VF selektivní voltmetr - heterodynní princip) HETERODYNNÍ SPEKTRÁLNÍ ANALYZÁTOR – analogové zpracování - frekvenční pásmo desítky kHz až jednotky GHz
MĚŘENÍ OBOU SLOŽEK SPEKTRA FFT SPEKTRÁLNÍ ANALYZÁTOR - výpočet DFT (Diskrétní Fourierovy Transformace) z digitalizovaného signálu – frekvenční pásmo od velmi nízkých frekvencí až do stovek kHz
A1B38EMA – P13
8
HETERODYNNÍ SPEKTRÁLNÍ ANALYZÁTOR x(t)
VZ
fX
S
MFF
fO GP
D
Z
fM = konst.
NŘO
VZ VSTUPNÍ ZESILOVAČ, S SMĚŠOVAČ, MFF MEZIFREKVENČNÍ FILTR (pásmová propust naladěná na pevnou frekvenci fM, tzv. mezifrekvenci) D DETEKTOR (usměrňovač), Z ZESILOVAČ, GP GENERÁTOR PILOVÉHO PRŮBĚHU, NŘO NAPĚTÍM ŘÍZENÝ OSCILÁTOR
A1B38EMA – P13
9
Nízkofrekvenční generátory měřicích signálů GENERÁTORY HARMONICKÉHO SIGNÁLU (RC) RC OSCILÁTOR
ZESILOVAČ (nast. zesílení)
VÝSTUPNÍ ZESLABOVAČ
50 (600 )
MĚŘENÍ ÚROVNĚ
Výstupní napětí definováno: a) naprázdno b) při zatížení definovanou impedancí (obvykle 50 ) (Je-li v tomto případě zatěžovací impedance vysoká, je generované napětí dvakrát větší než nastavené. Toto platí obecně i u jiných typů generátorů!) Nevýhody: Nízká stabilita kmitočtu i napětí Výhody:
Malé zkreslení, malá stejnosměrná složka
A1B38EMA – P13
10
FUNKČNÍ GENERÁTORY C1 OZ1
R1
+
R
R
+ u2(t)
ZESILOVAČ
OZ2
u2(t)
VÝSTUP
VÝSTUPNÍ DĚLIČ
u1(t) TVAROVAČ
t
Generování harmonického napětí z pilového napětí pomocí tvarovače: u1 t u3 u2
u2 t
A1B38EMA – P13
u3
11
GENERÁTORY PROGRAMOVATELNÝCH PRUBĚHU (ARBITRARY GENERATORS) ČÍSLICOVÝ VSTUP (N x k bitů)
PAMĚŤ Nxk
ČAP1 (k bitů)
FILTR
ZESIL.+ DĚLIČ
UA ČÍTAČ do N
fVZ = N/T
ČAP2
ANALOG. VÝSTUP
AMPLITUDA (ČÍSL.VSTUP)
UN
V paměti generátoru N k-bitových hodnot vzorků signálu (1 perioda) Postupný cyklický výběr jednotlivých vzorků a frekvencí fVZ při N vzorcích na periodu je frekvence základní harmonické generovaného signálu fSIG = fVZ /N Nastavení amplitudy – ČAP2 (rozsah výstupního napětí - děličem na výstupu)
A1B38EMA – P13
12
Optoelektrické senzory INKREMENTÁLNÍ ČIDLA OSVĚTLENÍ
SMĚR POHYBU
u1´
FE1
POHYBLIVÁ ČÁST
FE2
u1
t u2´
PEVNÁ CLONKA
t Q
u2
t u1
+
u1´
SMĚR POHYBU D
Q
u1´
C
Q
u2´
t
U TAM
u2
+
u2´
ZPĚT
VR.ČÍTAČ
t Q t
Výhody:
- jednoduché řešení; - v podstatě nekonečný rozsah. Nevýhody: - ztráta informace v okamžiku výpadku napájení; - možnost vzniku chybného údaje vlivem rušení
A1B38EMA – P13
13
KÓDOVÉ KOTOUČE Binární kód: možnost falešného údaje 63
Kód se změnou v jednom bitu
0
Výhoda: - nedochází ke ztrátě informace v okamžiku výpadku napájení. Nevýhody: - značně složitější řešení optoelektronické soustavy (počet bitů = počet snímačů); - omezené rozlišení (obvykle 10 – 12 bitů).
A1B38EMA – P13
14
CCD SNÍMAČE (Charge-coupled device) Princip: FOTOELEMENTY
uF
VRSTVA HRADEL
uH
ND
u1
uO
TRANSPORTNÍ VRSTVA
u2
Liniový snímač – délka 4 až 60 mm, až 6000 fotoelementů, čtecí kmitočet desítky MHz Použití: ZDROJ SVĚTLA
MĚŘENÝ OBJEKT
CCD SENZOR
OPTICKÁ SOUSTAVA
Plošné snímače – maticová struktura – až 3000 x 2000 fotoelementů (čtení po řádcích) A1B38EMA – P13
15
PSD SNÍMAČE (Position sensing device) Princip (liniový snímač): L IA
SVĚTELNÝ PAPRSEK
A +
-
IO
IB
P-VRSTVA Si INTRINSICKÁ VRSTVA
L-x
x
B
I A RL x IB Rx
RL-x popř. Rx je odpor P-vrstvy mezi místem dopadu paprsku a elektrodou A popř. B
N-VRSTVA
IA L x IB x
SPOLEČNÁ ELEKTRODA (KATODA)
Použití: DIFUZNÍ POVRCH LED nebo infra dioda
MĚŘENÁ POLOHA OBJEKTU
Poznámka: Často se používají plošné PSD snímače pracující na stejném principu
PSD SNÍMAČ A1B38EMA – P13
16
