Układy elektroniczne i technika pomiarowa/Moduł 13: Różnice pomiędzy wersjami
Z Studia Informatyczne
Przejdź do nawigacjiPrzejdź do wyszukiwania
Nie podano opisu zmian |
|||
(Nie pokazano 8 pośrednich wersji utworzonych przez tego samego użytkownika) | |||
Linia 2: | Linia 2: | ||
<hr width="100%"> | <hr width="100%"> | ||
=''' | = '''<font color="brown"><font size="5">Metody i przyrządy do analizy sygnałów</font></font>''' = | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
Linia 13: | Linia 12: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd01.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd01.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|Celem wykłady jest przedstawienie podstawowych przyrządów umożliwiających zobrazowanie sygnału w dziedzinie czasu i częstotliwości. Większość współczesnych oscyloskopów cyfrowych ma wbudowaną funkcję analizatora widma realizowaną numerycznie przy wykorzystaniu Szybkiego Przekształcenia Fouriera (FFT). | ||
|} | |} | ||
<hr width="100%"> | <hr width="100%"> | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd02.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd02.png]] | ||
Linia 24: | Linia 25: | ||
analogowe, | analogowe, | ||
cyfrowe. | cyfrowe. | ||
Podstawową różnicą pomiędzy tymi oscyloskopami jest sposób utrwalania przebiegu wejściowego. W oscyloskopie analogowym obraz jest bezpośrednio prezentowany na ekranie lampy i tym samym może być obserwowany tylko przez czas ekspozycji, natomiast w oscyloskopie cyfrowym próbki przebiegu są zapamiętywane w pamięci półprzewodnikowej, zatem mogą być przekazane do układu wyświetlania niezależnie od czasu akwizycji sygnału. Oczywiście w podstawowym trybie pracy oscyloskopu cyfrowego (tzw. pracy ciągłej) przebieg jest prezentowany bezpośrednio po zebraniu takiej liczby próbek, żeby zapełnić jeden ekran (dokładniej chodzi tu o zebranie liczby próbek odpowiadającej rozmiarowi rekordu zobrazowania, zazwyczaj mniejszego od rozmiaru całej pamięci). Wzgląd na przyzwyczajenia użytkowników powoduje, że panel czołowy oscyloskopu cyfrowego często przypomina odpowiedni panel oscyloskopu analogowego. Wiele elementów regulacyjnych na panelu czołowym spełnia analogiczne funkcję w obu oscyloskopach pomimo, że są realizowane w technice analogowej lub cyfrowej. Stąd, z punktu widzenia użytkownika, obsługa oscyloskopu (rozumiana jako funkcje przycisków i pokręteł na panelu czołowym) jest podobna dla oscyloskopu cyfrowego i analogowego. Wrażenie łatwiejszej obsługi oscyloskopu cyfrowego powstaje dzięki zobrazowaniu znaczenia funkcji na ekranie i możliwości automatycznego doboru ustawień oscyloskopu do charakteru przebiegu wejściowego ( | Podstawową różnicą pomiędzy tymi oscyloskopami jest sposób utrwalania przebiegu wejściowego. W oscyloskopie analogowym obraz jest bezpośrednio prezentowany na ekranie lampy i tym samym może być obserwowany tylko przez czas ekspozycji, natomiast w oscyloskopie cyfrowym próbki przebiegu są zapamiętywane w pamięci półprzewodnikowej, zatem mogą być przekazane do układu wyświetlania niezależnie od czasu akwizycji sygnału. Oczywiście w podstawowym trybie pracy oscyloskopu cyfrowego (tzw. pracy ciągłej) przebieg jest prezentowany bezpośrednio po zebraniu takiej liczby próbek, żeby zapełnić jeden ekran (dokładniej chodzi tu o zebranie liczby próbek odpowiadającej rozmiarowi rekordu zobrazowania, zazwyczaj mniejszego od rozmiaru całej pamięci). Wzgląd na przyzwyczajenia użytkowników powoduje, że panel czołowy oscyloskopu cyfrowego często przypomina odpowiedni panel oscyloskopu analogowego. Wiele elementów regulacyjnych na panelu czołowym spełnia analogiczne funkcję w obu oscyloskopach pomimo, że są realizowane w technice analogowej lub cyfrowej. Stąd, z punktu widzenia użytkownika, obsługa oscyloskopu (rozumiana jako funkcje przycisków i pokręteł na panelu czołowym) jest podobna dla oscyloskopu cyfrowego i analogowego. Wrażenie łatwiejszej obsługi oscyloskopu cyfrowego powstaje dzięki zobrazowaniu znaczenia funkcji na ekranie i możliwości automatycznego doboru ustawień oscyloskopu do charakteru przebiegu wejściowego (funkcje Autoscala i AutoLevel). Należy jednak podkreślić, że stosowanie takich funkcji ma sens w przypadku standardowych sygnałów. Badanie przebiegów o złożonych kształtach wymaga znajomości działania zaawansowanych funkcji regulacyjnych i pomiarowych oscyloskopu cyfrowego. | ||
|} | |} | ||
Linia 30: | Linia 31: | ||
<hr width="100%"> | <hr width="100%"> | ||
== Oscyloskopy == | == '''<font color="brown"><font size="4">Oscyloskopy analogowe'''</font></font>''' == | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
Linia 57: | Linia 58: | ||
<hr width="100%"> | <hr width="100%"> | ||
== '''<font color="brown"><font size="4">Oscyloskopy cyfrowe</font></font>''' == | |||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd05.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd05.png]] | ||
Linia 69: | Linia 73: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd06.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd06.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|W dokumentacji oscyloskopów jako podstawowy parametr podaje się jego pasmo. Użytkując przyrząd niezbędna jest prawidłowa interpretacja tego określenia i zrozumienie jakie sygnały mogą być mogą być obserwowane bez zniekształceń na ekranie oscyloskopu. Pasmo analogowe (podawane zazwyczaj na płycie czołowej oscyloskopu) dotyczy właściwości układów wejściowych przyrządu i wyznacza granicę pasma 3-decybelowego. Producent gwarantuje, że dla częstotliwości zawartej w paśmie analogowym sygnał nie ulegnie tłumieniu o więcej niż 3dB. Pasmo dla przebiegów jednokrotnych jest określone przez właściwości przetwornika a/c, a dokładnie układu próbkująco-pamiętającego. To pasmo jest zazwyczaj nieco węższe niż pasmo analogowe i wielokrotnie węższe niż pasmo dla przebiegów powtarzalnych. Stosując techniki próbkowania sekwencyjnego można obserwować przebiegi o częstotliwościach wielokrotnie przekraczających maksymalne częstotliwości pracy przetworników a/c. | ||
|} | |} | ||
Linia 75: | Linia 79: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd07.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd07.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|W przyrządach do analizy sygnałów typu oscyloskopy czy analizatory stanów logicznych często spotykamy się z określeniami pre- i posttrigger, oznaczają one możliwość obserwacji sygnału przed pojawieniem się impulsu wyzwalającego. Zauważmy, że takiej funkcjonalności nie miały oscyloskopy analogowe, w których generator podstawy czasu startował w chwili pojawienia się wyzwalania. Oscyloskop cyfrowy może pracować (tzn. pobierać próbki i zapisywać do pamięci) w sposób ciągły – to dopiero sygnał triggera określa kiedy i w jakim zakresie odtworzyć próbki z pamięci. Pamięć jest z reguły znacznie pojemniejsza niż rekord zobrazowania (liczba próbek na ekranie) i punkt wyzwalania może wcale nie być widoczny na ekranie oscyloskopu. | ||
|} | |} | ||
Linia 81: | Linia 85: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd08.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd08.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|Technika próbkowania w czasie rzeczywistym polega na pobieraniu próbek z maksymalną częstotliwością pracy przetwornika a/c. Oscyloskop pracuje w sposób ciągły, a chwila zakończenia akwizycji danych jest określona przez wystąpienie impulsu wyzwalającego. | ||
|} | |} | ||
Linia 87: | Linia 91: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd09.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd09.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|W trybie próbkowania sekwencyjnego próbki sygnału są pobierane po jednej z każdego okresu sygnału wejściowego. Warunkiem zastosowania tego trybu oprócz okresowości sygnału jest stabilność punktu wyzwalania (triggera), bowiem chwila pobrania próbki jest określana bardzo precyzyjnie, ale względem punktu wyzwalania. Z każdego okresu jest zatem pobierana jedna próbka – za każdym razem w innej chwili czasowej. | ||
|} | |} | ||
Linia 93: | Linia 97: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd10.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd10.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|Podstawowym trybem próbkowania w oscyloskopach cyfrowych jest próbkowanie pseudoprzypadkowe polegające na tym, że próbki pobierane są w sposób ciągły, ale w przypadkowych chwilach czasowym względem punktu wyzwalania. Ten tryb wymaga oprócz przetworzenia amplitudy sygnału także precyzyjnego pomiaru odstępu czasu pomiędzy impulsem wyzwalającym, a chwilą pobrania próbki, co z kolei umożliwia usytuowania próbki w odpowiednim miejscu na osi czasu. | ||
|} | |} | ||
Linia 99: | Linia 103: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd11.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd11.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|We wcześniejszych uwagach pojawiło się sformułowanie o ciągłej pracy oscyloskopu, co wymaga ciągłego zapisu do pamięci - może poza trybem próbkowania w czasie rzeczywistym, kiedy to próbki mogą być bezpośrednio przesyłane na ekran oscyloskopu. Zazwyczaj pamięć w oscyloskopie zorganizowana jest cyrkularnie tzn. w postaci bufora kołowego. Zapełnienie całej pamięci powoduje rozpoczęcie zapisu od początku, a zadaniem mikroprocesorowego układu sterującego jest prawidłowe usytuowanie próbek na osi czasu. | ||
|} | |} | ||
Linia 105: | Linia 109: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd12.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd12.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|Bezpośrednie przesyłanie próbek na ekran oscyloskopu polega na zapalaniu odpowiednich punktów na ekranie. Jeżeli jednak przebieg jest szybkozmienny to może powstać ciekawe zjawisko aliasingu percepcyjnego, wynikające z bezwładności ludzkiego wzroku, a spowodowane mimowolnym łączeniem punków znajdujących się blisko siebie na ekranie. Przyjmuje się, że aby można było prawidłowo zinterpretować obraz złożony z punktów częstotliwość próbkowania musi być większa od częstotliwości sygnału 25 razy, tzn. znacznie więcej niż wynika z twierdzenia o próbkowaniu. W rzeczywistości oscyloskop przed wyprowadzeniem próbek na ekran dokonuje interpolacji i wypełnia przestrzeń między nimi. Na rysunku pokazano pewien problem związany z interpolacją, polegający na odkształceniu sygnału. Ogólnie przyjmuje się, że dla przebiegów o charakterze sinusoidalnym adekwatna jest właśnie interpolacja sinusoidalna, a dla przebiegów o charakterze impulsowym interpolacja linowa. | ||
|} | |} | ||
Linia 111: | Linia 115: | ||
<hr width="100%"> | <hr width="100%"> | ||
== Analizatory widma == | == '''<font color="brown"><font size="4">Analizatory widma</font></font>''' == | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
Linia 138: | Linia 142: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd16.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd16.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|Wejściowy filtr analogowy spełnia funkcje filtru antyaliasingowego, ograniczającego pasmo sygnału wejściowego do wartości pozwalających na spełnienie twierdzenia o próbkowaniu. | ||
|} | |} | ||
Linia 144: | Linia 148: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd17.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd17.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"|Analiza fourierowska sygnału ma istotną niedogodność polegającą na ograniczeniu rozdzielczości po stronie częstotliwości. Realizując transformatę FFT wyznaczymy próbki (prążki) w dziedzinie częstotliwości, ale w punktach odległych od siebie o fs/N. Z tej banalnej zależności wynika, że poprawa rozdzielczości (czyli dokładniejsze wyznaczenia prążków) wymaga zwiększenia długości transformaty (co jest niecelowe) lub zmniejszenia częstotliwości próbkowania (co może prowadzić do aliasingu). Metodą umożliwiającą zmniejszenie częstotliwości próbkowania po stronie cyfrowej jest decymacja polegająca na wyzerowaniu części próbek i uwzględnieniu w analizie co n-tej próbki. Żeby jednak otrzymać zadawalającą rozdzielczość w całym paśmie analizy należy przesunąć pasmo sygnału, co robi się poprzez mnożenie (cyfrowe) sygnału wejściowego z sygnałem z lokalnego generatora. | ||
|} | |} | ||
Linia 158: | Linia 162: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd19.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd19.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"| | ||
|} | |} | ||
Linia 164: | Linia 168: | ||
{| border="0" cellpadding="4" width="100%" | {| border="0" cellpadding="4" width="100%" | ||
|valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd20.png]] | |valign="top" width="500px"|[[Grafika:UETP_M13_Slajd20.png]] | ||
|valign="top"| | |valign="top"| | ||
|} | |} | ||
<hr width="100%"> | |||
= '''<font color="brown"><font size="5">Przykłady pytań kontrolnych</font></font>''' = | |||
#Przedstaw strukturę oscyloskopu elektronicznego. | |||
#Wyjaśnij zasadę powstawania nieruchomego obrazu na ekranie lampy oscyloskopowej. | |||
#Jakie są podstawowe różnice funkcjonalne pomiędzy oscyloskopem analogowym a cyfrowym ? | |||
#Co to jest praca pre- i posttrigger ? | |||
#Jakie znasz techniki próbkowania w oscyloskopach cyfrowych ? | |||
#Przedstaw strukturę analizatora widma ? | |||
#Jaki algorytm jest stosowany do wyznaczania próbek sygnału w dziedzinie częstotliwości ? | |||
#Co to jest aliasing i jak można mu zapobiec ? | |||
#Jaki jest sens stosowania okien czasowych ? | |||
<hr width="100%"> | |||
= '''<font color="brown"><font size="5">Słowa kluczowe</font></font>''' = | |||
*oscyloskop analogowy | |||
*oscyloskop cyfrowy | |||
*pasmo analogowe | |||
*pasmo dla przebiegów jednokrotnych | |||
*pasmo dla przebiegów powtarzalnych | |||
*próbkowanie w czasie rzeczywistym | |||
*próbkowanie w czasie ekwiwalentnym | |||
*utożsamianie – alising | |||
*przeciek | |||
*okna czasowe | |||
*algorytm FFT | |||
<hr width="100%"> | |||
= '''<font color="brown"><font size="5">Bibliografia</font></font>''' = | |||
<hr width="100%"> |
Aktualna wersja na dzień 02:19, 4 paź 2006
wersja beta
Metody i przyrządy do analizy sygnałów
![]() |
Oscyloskopy analogowe
![]() |
Oscyloskopy cyfrowe
Analizatory widma
![]() |
Wejściowy filtr analogowy spełnia funkcje filtru antyaliasingowego, ograniczającego pasmo sygnału wejściowego do wartości pozwalających na spełnienie twierdzenia o próbkowaniu. |
![]() |
![]() |
Przykłady pytań kontrolnych
- Przedstaw strukturę oscyloskopu elektronicznego.
- Wyjaśnij zasadę powstawania nieruchomego obrazu na ekranie lampy oscyloskopowej.
- Jakie są podstawowe różnice funkcjonalne pomiędzy oscyloskopem analogowym a cyfrowym ?
- Co to jest praca pre- i posttrigger ?
- Jakie znasz techniki próbkowania w oscyloskopach cyfrowych ?
- Przedstaw strukturę analizatora widma ?
- Jaki algorytm jest stosowany do wyznaczania próbek sygnału w dziedzinie częstotliwości ?
- Co to jest aliasing i jak można mu zapobiec ?
- Jaki jest sens stosowania okien czasowych ?
Słowa kluczowe
- oscyloskop analogowy
- oscyloskop cyfrowy
- pasmo analogowe
- pasmo dla przebiegów jednokrotnych
- pasmo dla przebiegów powtarzalnych
- próbkowanie w czasie rzeczywistym
- próbkowanie w czasie ekwiwalentnym
- utożsamianie – alising
- przeciek
- okna czasowe
- algorytm FFT