Поверка осциллографа

 

 

Содержание

 

Введение	9
1 Аналитический обзор средств измерений. Структурно-функциональная схема прибора	10
2 Определение и обоснование номенклатуры метрологических   характеристик, подлежащих поверке.	18
3 Определение перечня операций, проводимых при поверке	19
4 Выбор и обоснование числовых значений поверяемых точек	20
5 Выбор и обоснование эталонных и вспомогательных средств поверки	24
6 Разработка методики поверки	26
Заключение	39
Список использованной литературы	40
Приложение А	41

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.