Поверка осциллографа

   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

Коэффициент отклонения	Значение напряжения сигнала	Погрешность	Допустимые значения
5 мВ/дел	15 мВ	4 %	от 14,4 мВ до 15,6 мВ
10 мВ/дел	30 мВ	4 %	от 28,7 мВ до 31,3 мВ
20 мВ/дел	60 мВ	4 %	от 57,5 мВ до 62,5 мВ
50 мВ/дел	150 мВ	4 %	от 144 мВ до 156 мВ
100 мВ/дел	300 мВ	4 %	от 287 мВ до 313 мВ
200 мВ/дел	600 мВ	4 %	от 575 мВ до 625 мВ
500 мВ/дел	1,5 В	4 %	от 1,44 В до 1,56 В
1 В/дел	3 В	4 %	от 2,9 В до 3,1 В
2 В/дел	6 В	4 %	от 5,7 В до 6,3 В
5 В/дел	15 В	4 %	от 14,4 В до 15,6 В
10 В/дел	30 В	4 %	от 29,46 В до 30,54 В

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

Коэффициент развертки	Временной интервал	Погрешность	Допустимый  временной интервал
500 мс/дел	2 с	2 %	от 1,96 с до 2,04 с
20 мс/дел	80 мс	2 %	от 78,4 мс до 81,6 мс
500 мкс/дел	2 мс	2 %	от 1,96 мс до 2,04 мс
2 мкс/дел	10 мкс	2 %	от 9,9 мкс до 10,1 мкс
50 нс/дел	200 нс	6 %	от 188 нс до 212 нс
20 нс/дел	50 нс	6 %	от 45,3 нс до 54,8 нс
10 нс/дел	40 нс	6 %	от 36,8 нс до 43,2 нс
100 нс/дел	400 нс	2 %	от 392 нс до 408 нс

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

Коткл., В/дел	Положительная полярность					Отрицательная полярность
	tнар	Выброс	Неравномер-ность	tуст	Неравномерность на участке установления	tнар	Выброс	Неравномер-ность	tуст	Неравномерность на участке установления
0,005
0,01
0,02
0,05
0,1
0,2
0,5
1
2

Продолжение таблицы 3

5
Допуск	3,5 нс	6 %	3 %	17,5 нс	6 %	3,5 нс	6 %	3 %	17,5 нс	6 %

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

Коэффициент отклонения	Значение напряжения сигнала	Погрешность	Допустимые значения
5 мВ/дел	15 мВ	2,6 %	от 14,6 мВ до 15,4 мВ
10 мВ/дел	30 мВ	2,6 %	от 29,2 мВ до 30,8 мВ
20 мВ/дел	60 мВ	2,6 %	от 58,4 мВ до 61,6 мВ
50 мВ/дел	150 мВ	2,6 %	от 146 мВ до 154 мВ
100 мВ/дел	300 мВ	2,6 %	от 292 мВ до 308 мВ
200 мВ/дел	600 мВ	2,6 %	от 584 мВ до 616 мВ
500 мВ/дел	1,5 В	2,6 %	от 1,46 В до 1,54 В
1 В/дел	3 В	2,6 %	от 2,92 В до 3,08 В
2 В/дел	6 В	2,6 %	от 5,84 В до 6,16 В
5 В/дел	15 В	2,6 %	от 14,6 В до 15,4 В
10 В/дел	30 В	2,6 %	от 29,2 В до 30,8 В

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.