ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Διδακτικής της Τεχνολογίας & Ψηφιακών Συστημάτων Εργαστηριακή Άσκηση για το Μάθημα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Άσκηση η Εξοικείωση με τα Μετρητικά Όργανα Διδάσκων : Αθανάσιος Κανάτας Καθηγητής Πανεπιστημίου Πειραιά ΠΕΙΡΑΙΑΣ 06
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. Τροφοδοτικό (DC Power Supply)... 4. Γεννήτρια Σημάτων (Function Generator)... 4.3 Παλμογράφος (Oscilloscope)... 7.3. Τυπικές Μετρήσεις στον Παλμογράφο... 9.3. Βασικές ρυθμίσεις του παλμογράφου....3.3 Σύνδεση του παλμογράφου σε κύκλωμα... 3.4 Αναλυτής Φάσματος (Spectrum Analyzer)... 4.4. Εισαγωγή... 4.4. Είδη Αναλυτών Φάσματος... 4 Αναλυτές Φάσματος FFT... 4 Αναλυτές Φάσματος Σάρωσης... 5.4.3 Απόκριση Σε Παλμικά Σήματα... 8.4.4 Ευαισθησία....4.5 Τύποι Μετρήσεων....4.6 Αναλυτής Εργαστηρίου... ΑΣΚΗΣΕΙΣ... 3
Λίστα Σχημάτων Σχήμα : Τροφοδοτικό Extech 3870 Quad Output... 4 Σχήμα : Εμπρόσθια όψη Γεννήτριας Σημάτων Rigol DG0A function/arbitrary waveform generator... 4 Σχήμα 3: Το ισοδύναμο κύκλωμα εξόδου της γεννήτριας σημάτων... 5 Σχήμα 4: Παράλληλη σύνδεση μετρητικών οργάνων... 6 Σχήμα 5: Απλοποιημένη αναπαράσταση λειτουργίας παλμογράφου... 7 Σχήμα 6: Απεικόνιση σημάτων σε παλμογράφο... 7 Σχήμα 7: Λειτουργικό διάγραμμα παλμογράφου... 8 Σχήμα 8: Εικόνες Lissajous... Σχήμα 9: Ορισμός τάσεων κυματομορφής... Σχήμα 0: Παλμογράφος Keysight DSOX 00A... Σχήμα : Ακίδα (probe) και αντιστάθμιση... 3 Σχήμα : Απόκριση Αναλυτή Φάσματος βασισμένου σε FFT... 5 Σχήμα 3 : Διάγραμμα Αναλυτή Φάσματος Συντονισμένης Σάρωσης... 6 Σχήμα 4 : Σχέση συχνοτήτων εισόδων και εξόδου του μίκτη... 7 Σχήμα 5 : Διαδικασία Φασματικής Ανάλυσης... 7 Σχήμα 6: Γινόμενο τετραγωνικού παλμού με συνημίτονο... 8 Σχήμα 7: Το πλάτος του φάσματος του RF παλμού... 9 Σχήμα 8: Περιοδική παλμοσειρά RF... 9 Σχήμα 9: Φάσμα Περιοδικής παλμοσειράς... 0 Σχήμα 0: Αναλυτικό Διάγραμμα Λειτουργίας Αναλυτή Φάσματος... Σχήμα : Αναλυτής φάσματος Rigol DSA030... 3
. Τροφοδοτικό (DC Power Supply) Το τροφοδοτικό είναι μία συσκευή, η οποία παρέχει διάφορα επίπεδα συνεχούς ηλεκτρικής τάσης (DC), με σκοπό την τροφοδοσία ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Το μοντέλο τροφοδοτικού, που διαθέτει το Εργαστήριο Ασυρμάτων Επικοινωνιών, είναι το Extech 3879 Quad Output και απεικονίζεται στην παρακάτω φωτογραφία. Σχήμα : Τροφοδοτικό Extech 3870 Quad Output. Γεννήτρια Σημάτων (Function Generator) Η γεννήτρια σημάτων είναι μία συσκευή που μπορεί να παράξει ημιτονικά, τριγωνικά και τετραγωνικά σήματα μεταβλητού πλάτους και συχνότητας. Η γεννήτρια σημάτων που διαθέτει το Εργαστήριο Ασυρμάτων Επικοινωνιών είναι η Rigol DG0A function/arbitrary waveform generator, η οποία απεικονίζεται ακολούθως. Σχήμα : Εμπρόσθια όψη Γεννήτριας Σημάτων Rigol DG0A function/arbitrary waveform generator 4
Το ισοδύναμο κύκλωμα εξόδου της γεννήτριας απεικονίζεται στο Σχήμα 3. Η αντίσταση εξόδου της πηγής του εργαστηρίου είναι R 50Ohm. Αν η έξοδος της πηγής συνδεθεί source σε παλμογράφο του οποίου η τυπική τιμή αντίστασης είναι Rload MOhm, τότε ουσιαστικά η αντίσταση ισοδυναμεί με ανοικτοκύκλωμα, το άθροισμα των δύο αντιστάσεων σε σειρά είναι περίπου ίσο με την πολύ μεγάλη αντίσταση, και η τάση στα άκρα της συνολικής αντίστασης είναι ίση με την τάση της πηγής, δηλαδή VLoad VSource. Αν όμως η έξοδος της πηγής συνδεθεί σε όργανο, π.χ. αναλυτή φάσματος, με αντίσταση φορτίου Rload 50Ohm, τότε V Load V Source R load V Rload Rsource Source Συνεπώς στον αναλυτή θα διαβάζουμε ως μέτρηση το μισό πλάτος από τη μέτρηση ενός παλμογράφου. Να σημειωθεί ότι η σχέση πλάτους (τάσης) και ισχύος που μπορεί να δίνεται ως μέτρηση στον αναλυτή είναι η Vrms Volt PWatt 50 Ohm P dbw Vrms 0log 50 30 PdBW P dbm Σχήμα 3: Το ισοδύναμο κύκλωμα εξόδου της γεννήτριας σημάτων Άρα αν διαβάζουμε το μισό πλάτος τάσης ισοδυναμεί με 6dB μικρότερη ισχύ. Θα πρέπει επίσης να σημειώσουμε ότι υπάρχουν γεννήτριες (σαν αυτή του Εργαστηρίου) που δίνουν ως ένδειξη το παρεχόμενο πλάτος της τάσης εξόδου και επίσης παρέχουν και επιλογή ανάμεσα σε δύο τιμές της αντίστασης πηγής, είτε R 50Ohm, είτε Rsource High Z. Όταν επιθυμούμε να μετρήσουμε με ένα παλμογράφο που παρουσιάζει υψηλή αντίσταση φορτίου, επιλέγουμε τη η τιμή και τότε η ένδειξη του πλάτους της παρεχόμενης τάσης στη γεννήτρια διπλασιάζεται ώστε να συμφωνεί η μέτρηση στον παλμογράφο με την ένδειξη αυτή. Δεν αλλάζει δηλαδή η αντίσταση της πηγής αλλά μόνο η ένδειξη της γεννήτριας. Όταν επιθυμούμε τη μέτρηση με όργανο αντίστασης φορτίου source 5
Rload 50Ohm, τότε επιλέγουμε την πρώτη τιμή Rsource 50Ohm και η μέτρηση του οργάνου συμφωνεί με την ένδειξη της γεννήτριας. Αν όμως ενώ έχουμε επιλέξει Rload 50Ohm και συνδέσουμε όργανο υψηλής αντίστασης φορτίου, τότε η ένδειξη στο όργανο θα είναι διπλάσια της ένδειξης της γεννήτριας. Αν θελήσουμε να μετρήσουμε ταυτόχρονα την έξοδο της γεννήτριας με παλμογράφο και με αναλυτή φάσματος, τότε το ισοδύναμο κύκλωμα είναι αυτό που απεικονίζεται στο Σχήμα 4. Η μέτρηση είναι βέβαια κοινή και στα δύο όργανα, και μισή της μέτρησης που θα έδινε αν συνδέονταν μόνο ο παλμογράφος. Θυμίζουμε ότι η παραλληλία των αντιστάσεων υπολογίζεται ως εξής RSpAn ROsc 50.000.000 RTotal 50Ohm R R R.000.050 SpAn Osc SpAn Σχήμα 4: : Παράλληλη σύνδεση μετρητικών οργάνων 6
.3 Παλμογράφος (Oscilloscope) Ο παλμογράφος είναι ένα όργανο απεικόνισης σημάτων στο πεδίο του χρόνου. Η απεικόνιση των σημάτων γίνεται με τη βοήθεια μιας ηλεκτρονικής δέσμης, η οποία μετακινείται χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία. Η δέσμη γίνεται ορατή όταν προσπίπτει σε μια φωσφορίζουσα οθόνη. Πάντα στην οθόνη του παλμογράφου απεικονίζεται μια μετατόπιση συναρτήσει του χρόνου, δηλαδή αλλαγές στη μετατόπιση περιγράφουν τη χρονική μεταβολή μιας παραμέτρου. Μια απλοποιημένη αναπαράσταση της λειτουργίας του παλμογράφου φαίνεται στο Σχήμα 5. Σχήμα 5: Απλοποιημένη αναπαράσταση λειτουργίας παλμογράφου Η απεικόνιση γίνεται σε δύο άξονες. Θεωρούμε ένα τρισδιάστατο σύστημα συντεταγμένων όπου ο άξονας των Y αντιστοιχεί στην τάση ενώ αυτός των X αντιστοιχεί στον χρόνο. Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ο τρίτος άξονας, ο Ζ, αντιστοιχεί στην φωτεινότητα. Υποθέτοντας ότι έχουμε την δυνατότητα να παρατηρήσουμε μια κυματομορφή όπως αυτή στο Σχήμα 6, τότε θα μπορούσαμε να βγάλουμε από αυτή αρκετά συμπεράσματα: Σχήμα 6: Απεικόνιση σημάτων σε παλμογράφο. Να παρατηρήσουμε το σχήμα μιας κυματομορφής και να μετρήσουμε την τιμή της τάσης ενός σήματος κατά την διάρκεια του χρόνου. Καθώς ο χρόνος εξελίσσεται να παρατηρήσουμε το πώς μεταβάλλεται το πλάτος ενός σήματος.. Να μετρήσουμε την περίοδο ενός σήματος και από αυτήν να υπολογίσουμε την συχνότητά του. 3. Να δούμε και να μετρήσουμε σε ένα σήμα το ποσό της DC και της AC τάσης την οποία μεταφέρει. 7
4. Να δούμε και να μετρήσουμε σε ένα σήμα το ποσό του θορύβου και πως ο θόρυβος αυτός μεταβάλλεται κατά την διάρκεια του χρόνου. 5. Να δούμε και να μετρήσουμε την διαφορά φάσης μεταξύ δύο κυματομορφών 6. Να ανιχνεύσουμε εάν κάποιο στοιχείο ενός κυκλώματος υπολειτουργεί ή δεν λειτουργεί καθόλου. Υπάρχουν αναλογικοί και ψηφιακοί παλμογράφοι. Ο αναλογικός παλμογράφος λειτουργεί με την απ ευθείας εφαρμογή της προς μέτρηση τάσης πάνω στην δέσμη η οποία κινείται σαρώνοντας την οθόνη του παλμογράφου. Η προς μέτρηση τάση προκαλεί την απόκλιση της δέσμης ανάλογα με το σχήμα που αυτή έχει. Η εκτροπή της δέσμης σάρωσης με ρυθμό αντίστοιχο του σχήματος της μετρούμενης κυματομορφής δίνει την δυνατότητα της ακαριαίας απεικόνισής της στην οθόνη του παλμογράφου. Σε αντίθεση με τον αναλογικό παλμογράφο, ένας ψηφιακός παλμογράφος, δειγματοληπτεί την προς μέτρηση κυματομορφή και στην συνέχεια χρησιμοποιεί μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Analog to Digital Converter για να μετατρέψει την προς μέτρηση ποσότητα σε ψηφιακή πληροφορία. Το Σχήμα 7 που ακολουθεί, παρουσιάζει ένα γενικευμένο block διάγραμμα ενός παλμογράφου. Σχήμα 7: Λειτουργικό διάγραμμα παλμογράφου Η σύλληψη και μεταφορά ενός ηλεκτρικού σήματος από ένα κύκλωμα στον παλμογράφο γίνεται με ειδική συσκευή η οποία ονομάζεται ακίδα επαφής probe. Ακουμπώντας το probe του παλμογράφου σε ένα σημείο του κυκλώματος το σήμα ρέει από το probe στην είσοδο του παλμογράφου και από εκεί στο κύκλωμα της οριζόντιας απόκλισης της οθόνης. 8
Κάθε παλμογράφος έχει τρεις δυνατότητες ελέγχου της απόκλισης της δέσμης του σήματος που μετράται. Την κατακόρυφη απόκλιση Vertical, την οριζόντια απόκλιση Horizontal και τον σκανδαλισμό Triggering. Η ρύθμιση της κλίμακας οριζόντιας απόκλισης vertical scale (volts/div control) στην πρόσοψη του παλμογράφου, δίνει την δυνατότητα σε έναν εσωτερικό εξασθενητή να μειώσει την στάθμη του σήματος ή αντίθετα σε έναν εσωτερικό ενισχυτή να αυξήσει την στάθμη του σήματος εισόδου έτσι ώστε αυτή να απεικονίζεται όσο το δυνατό καλύτερα στην οθόνη. Μετά τον εξασθενητή ή τον ενισχυτή, το σήμα ταξιδεύει απευθείας στα πλακίδια απόκλισης του καθοδικού σωλήνα της οθόνης. Η τάση που εφαρμόζεται σε αυτά τα πλακίδια προκαλεί την κίνηση της φωτεινής κηλίδας της οθόνης. Υπόψη ότι μια ηλεκτρονική δέσμη η οποία χτυπά εσωτερικά την φωσφορίζουσα οθόνη ενός καθοδικού σωλήνα δημιουργεί μια φωτεινή κηλίδα. Μια θετική τάση αποκλίνει την κηλίδα προς τα πάνω, ενώ αντίστοιχα μια αρνητική τάση προκαλεί την απόκλιση της κηλίδας προς τα κάτω. Το σήμα από το probe οδηγείται ταυτόχρονα και στα κυκλώματα σκανδαλισμού για να ξεκινήσει ο σκανδαλισμός της οριζόντιας σάρωσης. Με τον όρο οριζόντια σάρωση εννοούμε την μετακίνηση της δέσμης κατά μήκος του οριζόντιου άξονα της οθόνης του παλμογράφου. Με τον σκανδαλισμό του συστήματος της οριζόντιας σάρωσης της οθόνης προκαλούμε και θέτουμε μια βάση χρόνου (time base) μέσα στην οποία η δέσμη υποχρεώνεται να κινηθεί από το αριστερό έως το δεξιό άκρο της οθόνης και ξανά πάλι από την αρχή μέσα σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Συνολικά, με τον ταυτόχρονο συνδυασμό τόσο της οριζόντιας σάρωσης, όσο και της κατακόρυφης απόκλισης της δέσμης, έχουμε την δυνατότητα να απεικονίσουμε στην οθόνη την προς μέτρηση κυματομορφή. Ο σκανδαλισμός είναι απαραίτητος για την σταθεροποίηση του επαναλαμβανόμενου σήματος γιατί κάνει σίγουρο το γεγονός ότι μια σάρωση ξεκινά από το ίδιο σημείο από το οποίο ξεκινά και το επαναλαμβανόμενο σήμα έτσι ώστε η απεικόνιση στην οθόνη του παλμογράφου να είναι ένα καθαρό σήμα χωρίς θόρυβο. Έτσι, για να πάρουμε μια σωστή η κυματομορφή στην οθόνη του παλμογράφου, πρέπει να ρυθμίσουμε:. Την εξασθένηση ή την ενίσχυση του σήματος με την χρήση του volts/div δηλαδή την ποσότητα του πλάτους ανά υποδιαίρεση κατά την κατακόρυφη απόκλιση.. Την βάση χρόνου με την χρήση του time/div δηλαδή το ποσό του χρόνου ανά υποδιαίρεση κατά την οριζόντια σάρωση. 3. Τον σκανδαλισμό triggering δηλαδή την σταθεροποίηση της κυματομορφής στην οθόνη..3. Τυπικές Μετρήσεις στον Παλμογράφο A. Μέτρηση του πλάτους μιας AC κυματομορφής. Ακολουθούμε τα εξής βήματα:. Εφαρμόζουμε την κυματομορφή που θέλουμε να μετρήσουμε στην είσοδο του παλμογράφου με το probe ή με το καλώδιο BNC.. Τοποθετούμε τον διακόπτη AC -DC στη θέση ΑC (Label /, AC Coupling ). 3. Μετράμε τα τετραγωνάκια που αντιστοιχούν στην τιμή «από κορυφή σε κορυφή» της κυματομορφής. 4. Πολλαπλασιάζουμε τον αριθμό των τετραγώνων με την ένδειξη του διακόπτη volts/div. Έτσι έχουμε την τιμή «από κορυφή σε κορυφή» της κυματομορφής. 9
Για παράδειγμα, έστω ότι ο παλμογράφος έχει τεθεί στα 0 volts/div και το σήμα από τη μια κορυφή του ως την άλλη καταλαμβάνει τρία τετράγωνα. Η τιμή V pp του σήματος τότε είναι: 0x3=60 Volts peak to peak. B. Μέτρηση της συχνότητας μιας κυματομορφής Όπως είναι γνωστό η περίοδος Τ είναι το αντίστροφο της συχνότητας. Έτσι εάν γνωρίζουμε την περίοδο μιας κυματομορφής μπορούμε να υπολογίσουμε τη συχνότητα. Για να μετρήσουμε την περίοδο μιας AC κυματομορφής ακολουθούμε τα παρακάτω βήματα:. Μετράμε τον αριθμό των τετραγώνων από την αρχή μέχρι το τέλος μιας περιόδου της κυματομορφής, κατά την οριζόντια κατεύθυνση.. Πολλαπλασιάζουμε τον αριθμό των τετραγώνων με την ένδειξη time/div και έτσι έχουμε την περίοδο της κυματομορφής 3. Για την μέτρηση της συχνότητας απλά αντιστρέφουμε το αποτέλεσμα της μέτρησης της περιόδου της κυματομορφής και κάνουμε τον κατάλληλο υπολογισμό. Γ. Μέτρηση συνεχούς τάσης DC.. Φέρνουμε τη γείωση στο μέσον της οθόνης ή και σε άλλη θέση αν επιθυμούμε και σημειώνουμε τη θέση αυτή.. Τοποθετούμε τον διακόπτη AC -DC στη θέση DC (Label /, DC Coupling ). 3. Μετράμε τον αριθμό των τετραγώνων που είναι πάνω (θετική τάση) ή κάτω (αρνητική τάση) από τη θέση GND που είχαμε σημειώσει στο βήμα. 4. Πολλαπλασιάζουμε τον αριθμό των τετραγώνων με την ένδειξη του διακόπτη volts/div. Έτσι έχουμε την τιμή της τάσης που θέλουμε να μετρήσουμε. Δ. Μέτρηση της διαφοράς φάσης μεταξύ δύο κυματομορφών που έχουν την ίδια συχνότητα.. Βάζουμε και τα δύο κανάλια του παλμογράφου στην θέση μέτρησης AC. Συνδέουμε τις δύο κυματομορφές στα κανάλια Α, Β. Ρυθμίζουμε τα πλάτη των κυματομορφών που απεικονίζονται στην οθόνη είτε χονδρομετρικά είτε μικρομετρικά έτσι ώστε οι δύο κυματομορφές να έχουν το ίδιο ακριβώς πλάτος και να ισομοιράζονται στα θετικά και αρνητικά πάνω και κάτω από τον άξονα των Χ.. Μετράμε την περίοδο των κυματομορφών και την ονομάζουμε Τ. Στην συνέχεια μετράμε πάνω στον άξονα των Χ την διαφορά σε χρόνο που προηγείται η μια κυματομορφή σε σχέση με την άλλη και ονομάζουμε το αποτέλεσμα Δt. Τέλος υπολογίζουμε την διαφορά φάσης Δφ από την σχέση Δφ= π(δt/τ) Ε. Μέτρηση της Μετατόπισης Φάσης. Μια εναλλακτική μέθοδος για να μετρήσουμε την φασική σχέση που έχουν μεταξύ τους δύο ημιτονικά σήματα, είναι να χρησιμοποιήσουμε την δυνατότητα XY του παλμογράφου. Η μέθοδος ονομάζεται και Lissajous, επειδή στην οθόνη του παλμογράφου εμφανίζονται οι καμπύλες Lissajous, δηλαδή οι παραμετρικές εξισώσεις sin x t A t sin y y y t A t Συνδέουμε τα σήματα στις εισόδους του παλμογράφου και ενεργοποιούμε την δυνατότητα ΧΥ του παλμογράφου. Τότε, το ένα σήμα ενεργοποιεί την οριζόντια απόκλιση και το άλλο σήμα την κατακόρυφη. Η μέθοδος εφαρμόζεται μόνο για ημιτονικά σήματα. Η φασική x x 0
σχέση μεταξύ των δύο σημάτων αποκαλύπτεται από την εικόνα που βλέπουμε στην οθόνη του παλμογράφου και που φαίνεται στο Σχήμα 8. Σχήμα 8: Εικόνες Lissajous Στο Σχήμα 9 παρατηρούμε μερικές βασικές μετρήσεις κυματομορφής με την χρήση παλμογράφου. Την τάση κορυφής V, την τάση από κορυφή σε κορυφή V, την στάθμη p του μηδενός και την τάση RMS η οποία δίνεται από την σχέση V 0.707* V rms pp p Σχήμα 9: Ορισμός τάσεων κυματομορφής Ο παλμογράφος που θα βρείτε στο Εργαστήριο είναι ο Keysight DSOX 00A, που απεικονίζεται στο Σχήμα 0
Σχήμα 0: Παλμογράφος Keysight DSOX 00A.3. Βασικές ρυθμίσεις του παλμογράφου Διακόπτης Volts/Div Ανάλογα με τη θέση που θα τεθεί προσδιορίζει την τάση που θα αντιστοιχεί σε κάθε τετραγωνάκι στον κατακόρυφο άξονα της οθόνης του παλμογράφου. Menou AC-GND-DC Coupling Η θέση AC είναι για να παρατηρούμε εναλλασσόμενης τάσης σήματα. Η θέση GND δείχνει τη στάθμη του μηδενός Η θέση DC είναι για να παρατηρούμε συνεχή τάσεως σήματα 0BΔιακόπτης Time/Div Ανάλογα σε ποια θέση έχει τεθεί προσδιορίζει τον χρόνο που χρειάζεται η δέσμη για να κινηθεί οριζόντια κατά μήκος ενός τετραγώνου της οθόνης. BΈλεγχος triggering Με τον ρυθμιστή αυτόν κανονίζουμε τον τρόπο με τον οποίο ένας παλμός ενεργοποιεί τη γεννήτρια σάρωσης του παλμογράφου ώστε να παραμείνει ακίνητη η κυματομορφή στην οθόνη του. BIntensity Μεταβάλλει την ένταση της δέσμης πάνω στην οθόνη. 3BFocus Ελέγχει την αποσαφήνιση της μορφής στην οθόνη.
.3.3 Σύνδεση του παλμογράφου σε κύκλωμα Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι με τους οποίους μπορεί να συνδεθεί ο παλμογράφος σε ένα κύκλωμα:. BNC to dual banana cable. Oμοαξονικό καλώδιο με BNC υποδοχή στο ένα άκρο του και δύο ακροδέκτες μπανάνες στο άλλο, μια μαύρη και μια κόκκινη. Η BNC υποδοχή συνδέεται στον παλμογράφο. Ο μαύρος ακροδέκτης μπανάνα συνδέεται πάντα στη γη (κοινό σημείο) του κυκλώματος. Ο κόκκινος συνδέεται στο σημείο που θέλουμε να πάρουμε την κυματομορφή. Προσοχή στη σύνδεση του παλμογράφου. Εάν η σύνδεση γίνει λάθος πχ ο κόκκινος ακροδέκτης συνδεθεί στη γη (κοινό σημείο) του κυκλώματος δεν θα μπορέσετε να δείτε το σήμα στην οθόνη του παλμογράφου.. BNC to BNC cable. Ομοαξονικό καλώδιο τύπου BNC to BNC. Ένας εναλλακτικός τρόπος για την σύνδεση του παλμογράφου με γεννήτρια είναι η χρήση καλωδίου BNC to BNC διότι οι έξοδοι των γεννητριών είναι τύπου BNC. 3. Μέσω probe. Χρήση ακίδας η οποία μπορεί να έχει μύτη, άγκιστρο ή γάντζο στην μια άκρη για την σύλληψη και μεταφορά του σήματος (+) στον παλμογράφο, ενώ διαθέτει επίσης ακροδέκτη για την μεταφορά της γείωσης (-) του κυκλώματος που μετράται προς τον παλμογράφο. ΠΡΟΣΟΧΗ : )Η ακίδα του Εργαστηρίου είναι 0:, δηλαδή εξασθενεί το πλάτος του σήματος εισόδου με λόγο 0:. Συνεπώς αν διαβάζεται στον παλμογράφο τιμή mvolt, η πραγματική τιμή του πλάτους είναι δεκαπλάσια, δηλαδή 0 mvolt. Μπορείτε βέβαια να το δηλώσετε στον παλμογράφο και να αναιρέσετε την υποβάθμιση αυτή ώστε να διαβάζετε στην οθόνη του παλμογράφου τη σωστή ένδειξη. )Πριν από οποιαδήποτε μέτρηση η ακίδα πρέπει να αντισταθμιστεί κατάλληλα. Τοποθετούμε την ακίδα στην εξοχή prob comp και μεταβάλουμε τον ρυθμιστή αντιστάθμισης πάνω στην ακίδα, έτσι ώστε να ο τετραγωνικός παλμός που εμφανίζεται να είναι όσο το δυνατόν πιο ομαλός. Σχήμα : Ακίδα (probe) και αντιστάθμιση 3
.4 Αναλυτής Φάσματος (Spectrum Analyzer).4. Εισαγωγή Όπως όλα τα φυσικά φαινόμενα έτσι και όλα τα ηλεκτρικά σήματα μπορούν να περιγραφούν είτε ως συναρτήσεις του χρόνου είτε ως συναρτήσεις της συχνότητας. Όπως με έναν παλμογράφο απεικονίζουμε τα χρονικά χαρακτηριστικά ενός σήματος, έτσι και με τον αναλυτή φάσματος απεικονίζουμε τα φασματικά (συχνοτικά) χαρακτηριστικά του σήματος. Οι δύο περιγραφές του ίδιου σήματος στα δύο πεδία, του χρόνου και της συχνότητας, δεν είναι βέβαια ανεξάρτητες. Αν γνωρίζουμε τη μία εκ των δύο, μπορούμε χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα μαθηματικά εργαλεία να οδηγηθούμε στην άλλη. Αν και δεν μπορούμε να δεχθούμε ότι κάποια από τις δύο περιγραφές είναι πλέον βασική, θα υποθέσουμε ότι το πεδίο του χρόνου είναι η βάση μας και η συχνότητα προκύπτει από το χρόνο. Ο λόγος είναι ότι οι παλμογράφοι φτιάχνονται για να απεικονίσουν μια βελτιωμένη (ενισχυμένη και/ή δειγματοληπτημένη) έκδοση του εισερχόμενου σήματος, ενώ οι αναλυτές φάσματος φτιάχνονται ώστε να καταγράψουμε τα φασματικά χαρακτηριστικά του εισερχόμενου σήματος μέσω υπολογισμών ή άλλων διεργασιών που υφίσταται το σήμα εισόδου στο πεδίο του χρόνου. Να σημειωθεί ότι είναι πολλές φορές πολύ πιο εύκολος ο χαρακτηρισμός κάποιων ηλεκτρονικών συσκευών στο πεδίο της συχνότητας, παρά στο πεδίο του χρόνου. Επιπλέον, δεν αρκούν οι πληροφορίες στο πεδίο του χρόνου για να χαρακτηρίσουμε τις συσκευές αυτές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιων συσκευών είναι οι ενισχυτές, οι ταλαντωτές, οι μίκτες, οι διαμορφωτές, οι ανιχνευτές, και τα διάφορα φίλτρα. Η φασματική απόκριση των συσκευών αυτών είναι κρίσιμη και μπορεί να μετρηθεί με τη χρήση αναλυτών φάσματος..4. Είδη Αναλυτών Φάσματος Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι για την απεικόνιση ενός σήματος στο πεδίο της συχνότητας, δηλαδή για να επιτύχουμε τη λεγόμενη φασματική ανάλυση ) Η χρήση υπολογιστών και τεχνικών Ταχέως Μετασχηματισμού Fourier (Fast Fourier Transform- FFT). ) Η χρήση συστημάτων σάρωσης σήματος. Αναλυτές Φάσματος FFT Η μεν πρώτη τεχνική είναι εξαιρετικά αποδοτική και με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα, αλλά είναι περιορισμένη ως τεχνική από τις συχνότητες των σημάτων που επιθυμούμε να αναλύσουμε. Όσο αυξάνεται η συχνότητα των σημάτων και πλησιάζουμε σε ραδιοσυχνότητες (RF), τόσο πιο δύσκολη είναι η εφαρμογή τέτοιων ψηφιακών τεχνικών επεξεργασίας σήματος. Ένας αναλυτής βασισμένος σε FFT, παίρνει το σήμα στο πεδίο του χρόνου, το ψηφιοποιεί και στη συνέχεια εκτελεί FFT ώστε να απεικονίσει το σήμα στο πεδίο της συχνότητας. Όλη αυτή η λειτουργία φαντάζει σαν ο αναλυτής να εξετάζει ταυτόχρονα όλο το συχνοτικό εύρος (εύρος ζώνης) του σήματος, την ίδια χρονική στιγμή, 4
χρησιμοποιώντας παράλληλα φίλτρα (τόσα όσα και το μέγεθος του FFT), τα οποία μπορούν να πάρουν παράλληλες στιγμιαίες μετρήσεις, όπως φαίνεται και στο Σχήμα Σχήμα : Απόκριση Αναλυτή Φάσματος βασισμένου σε FFT Οι αναλυτές αυτοί χαρακτηρίζονται από την ευκολία επεξεργασίας οποιουδήποτε τύπου σήματος, είτε περιοδικού είτε σήματος με φαινόμενα μετάβασης (transient). Η ταχύτητά τους είναι πολύ καλή, πιο μεγάλη από εκείνη των υπερετερόδυνων αναλυτών, και μπορούν να υπολογίσουν τόσο το πλάτος όσο και τη φάση των φασματικών συνιστωσών του εισερχόμενου σήματος. Βέβαια οι αναλυτές αυτοί είναι περιορισμένοι ως προς το εύρος ζώνης, την ευαισθησία και τη δυναμική περιοχή λειτουργίας. Συνήθως η χρήση τους περιορίζεται σε εφαρμογές ανάλυσης σημάτων βασικής ζώνης μέχρι 40MHz. Αναλυτές Φάσματος Σάρωσης Η δεύτερη τεχνική είναι αυτή που έχει επικρατήσει σε αναλυτές φάσματος με μεγάλο εύρος ζώνης. Ας δούμε όμως τη λογική στην οποία στηρίζονται οι αναλυτές αυτοί. Συγκεκριμένα θα μελετήσουμε τις βασικές αρχές λειτουργίας των αναλυτών που αποκαλούνται και υπερετερόδυνοι (superheterodyne). Η λέξη ετεροδύνωση σημαίνει μίξη, ενώ το πρόθεμα υπέρ, προκύπτει από τη χρήση συχνοτήτων μεγαλύτερων των ακουστικών. Η αρχή λειτουργίας των αναλυτών αυτών στηρίζεται στη σχετική μετακίνηση στη συχνότητα μεταξύ του σήματος εισόδου και ενός φίλτρου. Δεν έχει σημασία αν το σήμα είναι στατικό ως προς τη συχνότητα και το φίλτρο μεταβάλει τη συχνότητά του ή το αντίθετο. Μια απλή εφαρμογή είναι αυτή όπου γίνεται χρήση ενός μίκτη (mixer), ο οποίος μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι ένα τρίθυρο. Στη μία θύρα του συνδέουμε την έξοδο ενός τοπικού ταλαντωτή, μιας δηλαδή γεννήτριας συχνοτήτων, στην άλλη συνδέουμε το σήμα εισόδου που θα αναλύσουμε και από την τρίτη θύρα παίρνουμε την έξοδο σε IF συχνότητες. Για έναν εξιδανικευμένο μίκτη η IF έξοδος έχει πλάτος ίδιο με εκείνο του σήματος εισόδου και φασματικά χαρακτηριστικά που αποτελούνται από έναν αλγεβρικό συνδυασμό (άθροισμα ή διαφορά) της συχνότητας του τοπικού ταλαντωτή και των συχνοτήτων που περιέχονται στο σήμα εισόδου. Αν η συχνότητα του σήματος που παράγει ο τοπικός ταλαντωτής δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται, σαρώνοντας μια φασματική περιοχή, τότε η συχνότητα της IF εξόδου δεν είναι σταθερή, αλλά σαρώνει μια φασματική περιοχή. 5
Στο Σχήμα 3 απεικονίζεται η αρχή λειτουργίας του αναλυτή δίνοντας βάρος στη συχνότητα της IF εξόδου, η οποία μπορεί να είναι μία από τις εναλλακτικές f f f IF LO RF f f f IF LO RF f f f IF RF LO Στο παράδειγμα, το ρόλο του σήματος παίζει ένα RF σήμα με δύο διακριτές συχνότητες f και f. Ο ενισχυτής IF στενής ζώνης, ενισχύει αλλά και φιλτράρει το IF σήμα. Σχήμα 3 : Διάγραμμα Αναλυτή Φάσματος Συντονισμένης Σάρωσης Στην έξοδο του μίκτη και για το παράδειγμα που παρουσιάζουμε, παίρνουμε τις εξής συχνότητες f LO f RF f f LO LO f f Κατά τη διέλευση του σήματος από το ζωνοπερατό φίλτρο με κεντρική συχνότητα f 0, ένας παλμός με εύρος, απεικονίζεται στον αναλυτή φάσματος. Για κάθε συχνότητα RF που υπάρχει στο σήμα εισόδου, θα εμφανιστεί και ένας παλμός στην οθόνη του αναλυτή (Σχήμα 5). Το πλάτος του παλμού εξαρτάται από το πλάτος του σήματος εισόδου. Το εύρος, εξαρτάται αποκλειστικά από τις ρυθμίσεις του αναλυτή φάσματος και είναι ο χρόνος που το σήμα σάρωσης που έχουμε στην έξοδο του μίκτη, βρίσκεται εντός του εύρους ζώνης B, του IF φίλτρου. Υπολογίζεται δε ως εξής BT BT S f f 4 3 όπου υπενθυμίζουμε ότι με B συμβολίζουμε το εύρος ζώνης του IF φίλτρου, δηλαδή ενός ζωνοπερατού φίλτρου, και το ονομάζουμε εύρος ζώνης διακριτικότητας (Resolution Bandwidth-RBW), ενώ με S συμβολίζουμε το συνολικό εύρος ζώνης απεικόνισης στην οθόνη του αναλυτή, το οποίο καλείται Span. Επιπλέον ο χρόνος σάρωσης (sweep time) T, 6
είναι ο χρόνος που απαιτείται ώστε η ηλεκτρονική δέσμη που προσπίπτει στην οθόνη του αναλυτή φάσματος να σαρώσει όλο το οριζόντιο εύρος της οθόνης CRT. Σε όλους τους αναλυτές φάσματος η σχέση μεταξύ των παραμέτρων S, B, T, διατηρείται αυτόματα ώστε να διατηρηθεί η βαθμονόμηση του οργάνου. Θεωρητικά υπάρχει μια βέλτιστη τιμή για το εύρος ζώνης διακριτικότητας B B o.7 S T Σχήμα 4 : Σχέση συχνοτήτων εισόδων και εξόδου του μίκτη Σχήμα 5 : Διαδικασία Φασματικής Ανάλυσης Μέχρι το σημείο αυτό υποθέσαμε ότι το σήμα εισόδου μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από πολλά ημίτονα και το συνολικό σήμα είναι υπέρθεση αυτών. Πολλές φορές όμως το σήμα εισόδου δεν είναι συνεχής κυματομορφή (Continuous Wave - CW), αλλά είναι παλμικά σήματα, π.χ. παλμοί RF. Στην περίπτωση αυτή, δεν μπορούμε να πάρουμε τους παλμούς που απεικονίσαμε στο σχήμα, ιδιαίτερα αν η διάρκεια των παλμών εισόδου είναι 7
μικρότερη του εύρους, δηλαδή αν το εύρος ζώνης του σήματος είναι πολύ μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης διακριτικότητας. Σε τέτοιες περιπτώσεις η έξοδος είναι πιο περίπλοκη..4.3 Απόκριση Σε Παλμικά Σήματα Έχουμε το σήμα cos x t A t f t a c Σχήμα 6: Γινόμενο τετραγωνικού παλμού με συνημίτονο Το σήμα αυτό είναι ημιτονοειδές με πλάτος A και διάρκεια a t a. Πολλές φορές το αποκαλούμε RF παλμό για συχνότητες f c στη ζώνη των ραδιοσυχνοτήτων. Το φάσμα του σήματος υπολογίζεται με τον μετασχηματισμό Fourier ως εξής F cos X f A a t fct j fct j fct e e F Aa t A j fct j fct F ate ate F Όμως Άρα t a sinc af F a X f Aa sinc a f f sinc a f f c c Αν θεωρήσουμε ότι af c, τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την προσέγγιση X f Aasinc a f fc f 0 Aasinc a f fc f 0 8
Έχουμε απεικονίσει το πλάτος του φάσματος στο Σχήμα 7., όπου παρατηρούμε ότι το φάσμα του τετραγωνικού παλμού έχει ολισθήσει στη συχνότητα ως αποτέλεσμα της διαμόρφωσης με το ημιτονοειδές. Σχήμα 7: Το πλάτος του φάσματος του RF παλμού Το φάσμα βέβαια είναι συνεχές και έχει τη μορφή του sin x x. Αν αντί του ενός παλμού είχαμε περιοδική παλμοσειρά της ίδιας μορφής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8 τότε το φάσμα του σήματος θα ήταν διακριτό και η περιβάλλουσα των φασματικών γραμμών θα ήταν πάλι η ίδια. Σχήμα 8: Περιοδική παλμοσειρά RF Αν το σήμα αυτό το θέταμε ως είσοδο στον αναλυτή φάσματος και επιπλέον θέταμε το Span τόσο μικρό ώστε μόνο μια φασματική γραμμή διέρχονταν και απεικονίζονταν στην οθόνη, τότε θα ήταν πολύ δύσκολο αν όχι αδύνατο να διακρίνουμε ότι το σήμα είναι μια περιοδική παλμοσειρά. Στην πράξη θα συμπεραίναμε ότι πρόκειται για ένα ημιτονοειδές CW σήμα. Αν το Span ήταν αρκετά μεγάλο, και θέταμε το εύρος ζώνης διακριτικότητας (RBW) 9
μεγαλύτερο από το ρυθμό επανάληψης των παλμών T, τότε η απόκριση σε κάθε παλμό p είναι ανεξάρτητη από τις αποκρίσεις στους υπόλοιπους παλμούς που ακολουθούν στην παλμοσειρά και η απεικόνιση στην οθόνη του αναλυτή θα μοιάζει με εκείνη στο Σχήμα 9. (συνεχές φάσμα). Επιπλέον να σημειωθεί ότι υπάρχει ένας ακόμη περιορισμός που αφορά στη σχέση εύρους ζώνης διακριτικότητας και χρονικού εύρους παλμού a. Για να έχω συνεχές φάσμα στην οθόνη του αναλυτή θα πρέπει ab. Πειραματικά έχει δειχθεί ότι μια πολύ καλή αναλογία είναι η ab 0., δηλαδή το γινόμενο του εύρους του παλμού με το εύρος διακριτικότητας πρέπει να είναι μικρότερο ή ίσο του /0. Συμπερασματικά να πούμε ότι ανάλογα με τις ρυθμίσεις του εύρους διακριτικότητας του αναλυτή φάσματος, το φάσμα ενός παλμικού σήματος μπορεί να εμφανιστεί στην οθόνη είτε ως φάσμα τύπου CW, είτε ως συνεχούς τύπου φάσμα. Σχήμα 9: Φάσμα Περιοδικής παλμοσειράς Μια πιο λεπτομερής ακριβής περιγραφή της λειτουργίας ενός αναλυτή φάσματος, δίνεται στο Σχήμα 0.. Ο εξασθενητής στην είσοδο έχει σκοπό να προστατέψει το μετρητικό όργανο από υπερβολική ισχύ εισόδου. Συνήθως ρυθμίζουμε την εισαγόμενη εξασθένιση, ανάλογα με το αναμενόμενο σήμα εισόδου. Το βαθυπερατό φίλτρο στην είσοδο του αναλυτή, το οποίο καλείται και pre-selector, έχει σκοπό να περιορίσει το εύρος ζώνης του σήματος εισόδου ώστε να αποφευχθούν προβλήματα παρουσίας ανεπιθύμητων σημάτων στην έξοδο του μίκτη που ακολουθεί. Το IF φίλτρο είναι ένα ζωνοπερατό φίλτρο το οποίο χρησιμοποιείται ως παράθυρο για την ανίχνευση των σημάτων. Το εύρος του φίλτρου είναι πολύ σημαντική παράμετρος και καλείται εύρος ζώνης διακριτικότητας (Resolution Bandwidth-RBW). Επίσης παρατηρήστε τον φωρατή (detector), που χρησιμοποιείται για την μετατροπή του σήματος ενδιάμεσης συχνότητας IF σε σήμα βασικής ζώνης ή σήμα video. Η διαδικασία περιλαμβάνει την φώραση η οποία γίνεται με φωρατή περιβάλλουσας (envelope detector), συνήθως την ψηφιοποίηση του σήματος με την χρήση μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό και τελικά την παραγωγή ενός σήματος το οποίο θα εικονίζεται στον άξονα Υ του αναλυτή. Στη συνέχεια ακολουθεί ένα φίλτρο video, δηλαδή ένα 0
βαθυπερατό φίλτρο το οποίο τοποθετείται μεταξύ φωρατή και μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό και σκοπό έχει να ομαλοποιήσει την κυματομορφή που απεικονίζεται παρέχοντας μια εξομάλυνση του θορύβου έτσι ώστε να αυξηθεί η ανιχνευσιμότητα των μικρής στάθμης σημάτων. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση-ρύθμιση του Video Bandwidth VBW. Το VBW δεν έχει καμία απολύτως επίδραση πάνω στην διακριτικότητα του Αναλυτή Φάσματος, επίδραση την οποία ουσιαστικά έχει το Resolution Bandwidth RBW και έτσι, ρυθμίζονταςαλλάζοντας το VBW δεν προκαλούμε καμιά απολύτως βελτίωση στην ευαισθησία του οργάνου. Βελτιώνουμε όμως την απεικόνιση σημάτων τα οποία έχουν χαμηλό λόγο σήματος προς θόρυβο SNR. Να σημειωθεί ότι η γεννήτρια σάρωσης (sweep generator) χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό μεταξύ οριζόντιου άξονα απεικόνισης και τοπικού ταλαντωτή. Σχήμα 0: Αναλυτικό Διάγραμμα Λειτουργίας Αναλυτή Φάσματος.4.4 Ευαισθησία Η ευαισθησία του Αναλυτή Φάσματος εξαρτάται άμεσα από το εύρος ζώνης διακριτικότητας. Ο λόγος είναι ότι η ευαισθησία ορίζεται ως η ελάχιστη ισχύς ενός σήματος που μπορεί να αναγνωρίσει ο αναλυτής, και αυτή η ισχύς είναι ίση με την ισχύ θερμικού θορύβου του αναλυτή, δηλαδή χρησιμοποιούμε τη λεγόμενη μέθοδο «σήμα και θόρυβος ισούται με δύο φορές το θόρυβο». Επειδή η ισχύς θορύβου είναι N ktb 3 όπου k.379*0 8.6 dbw / Hz K, η σταθερά του Boltzmann, και T η θερμοκρασία μετρούμενη σε Kelvin, είναι προφανής η εξάρτηση της ισχύος από το εύρος
ζώνης διακριτικότητας. Όσο αυξάνεται το εύρος RBW, τόσο αυξάνει ο θόρυβος και άρα τόσο μειώνεται η ευαισθησία του αναλυτή. Είναι συνεπώς επιθυμητή η λειτουργία του αναλυτή με όσο το δυνατόν μικρότερο RBW. Βέβαια να σημειώσουμε ότι αυτή η διαπίστωση είναι σωστή για CW σήματα, ενώ δεν είναι απόλυτα σωστή για παλμικά σήματα. Πράγματι, για παλμικά σήματα θα έπρεπε να έχουμε αυξημένο εύρος ζώνης διακριτικότητας ώστε να περιλάβουμε όλο το εύρος του φάσματος που καταλαμβάνει το σήμα. Όμως λόγω της σχέσης ab 0., υπάρχουν κάποιες απώλειες στην ευαισθησία, οι οποίες υπολογίζονται ως εξής: 3 loss ab 3 ab db 0 log 3aB loss 0.4.5 Τύποι Μετρήσεων Ο Αναλυτής Φάσματος είναι ένα πολύ απλό μετρητικό όργανο. Μόνο δύο μεγέθη μπορούν στην πράξη να μετρηθούν, το πλάτος και η συχνότητα. Αυτά τα μεγέθη μπορούν να μετρηθούν είτε ανεξάρτητα με απόλυτους όρους, είτε ως μέρη μιας ομάδας μετρήσεων με σχετικούς όρους. Δηλαδή ο Αναλυτής Φάσματος μπορεί να εκτελέσει τέσσερις (4) βασικές μετρήσεις, απόλυτο πλάτος και απόλυτη συχνότητα ενός σήματος και σχετικό πλάτος και συχνότητα μεταξύ διαφορετικών φασματικών συνιστωσών ενός σήματος. Για να επιτύχουμε ακρίβεια μέτρησης έχουμε την δυνατότητα της χρήσης δεικτών (markers), με δυνατότητα να τοποθετούμε τους δείκτες είτε χειροκίνητα στην περιοχή του ενδιαφέροντός μας, είτε αυτόματα, να τοποθετούνται μόνοι τους στην αρχή, στην κορυφή ή στο τέλος μιας κυματομορφής. Έτσι έχουμε δυνατότητα για απόλυτη μέτρηση με την χρήση ενός δείκτη, ή για σχετική μέτρηση με τρόπο λειτουργίας relative ή διαφοράς delta με την οποία μελετούμε τις διαφορές που υπάρχουν μεταξύ των σημείων στα οποία έχουμε τοποθετήσει χειροκίνητα τους δείκτες. Στην διάθεσή μας υπάρχουν επίσης και οι γραμμές (limited lines) οι οποίες επιτρέπουν την σύγκριση κυματομορφών βάζοντας παραμέτρους συχνότητας και πλάτους ενώ ο αναλυτής σαρώνει την μετρούμενη περιοχή..4.6 Αναλυτής Εργαστηρίου Ο Αναλυτής Φάσματος που θα χρησιμοποιήσετε στο Εργαστήριο είναι ο DSA030 της εταιρείας Rigol, που φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα : Αναλυτής φάσματος Rigol DSA030
Ασκήσεις Προετοιμασία στο σπίτι :. Διαβάστε πολύ καλά τις δυνατότητες των μετρητικών οργάνων που θα χρησιμοποιήσετε. Διαβάστε πολύ καλά τις ρυθμίσεις που σας ζητά κάθε άσκηση και βεβαιωθείτε ότι γνωρίζετε πως θα τις κάνετε. 3. Διαβάστε πολύ καλά τις μετρήσεις που σας ζητά κάθε άσκηση και υπολογίστε και καταγράψτε σε ένα τετράδιο τις τιμές που αναμένετε να δείτε ως ενδείξεις στα όργανα.. Άσκηση. Βάλτε σε λειτουργία το τροφοδοτικό και ρυθμίστε την τάση εξόδου του για 5 Volt DC. Σκεφτείτε εάν μπορείτε να συνδέσετε το (+) του τροφοδοτικού στη γη της εισόδου του παλμογράφου.. Βάλτε σε λειτουργία τον παλμογράφο. Ρυθμίστε το probe του παλμογράφου κατάλληλα ώστε να λαμβάνετε το μικρότερο δυνατό σφάλμα. Ρυθμίστε έτσι ώστε τα 0 Volts για το κανάλι CH να φαίνονται στην μέση της οθόνης. Καταγράψτε την ένδειξη Volt/div για την είσοδο του CH. 3. Συνδέστε την έξοδο του τροφοδοτικού στην είσοδο CH του παλμογράφου. Στην οθόνη του παλμογράφου η δέσμη πρέπει να είναι μια ευθεία γραμμή η οποία να εμφανίζεται πιο ψηλά από την μέση της οθόνης. Πόσες υποδιαιρέσεις πιο ψηλά βρίσκεται; 4. Περιγράψτε πως μετράτε την τάση εξόδου του τροφοδοτικού με τον παλμογράφο και πόσο την βρίσκετε. Με ποιο τρόπο μπορείτε να επιτύχετε μέγιστη διακριτική ικανότητα στην μέτρηση που κάνετε; 5. Βάζουμε τον παλμογράφο στην θέση μέτρησης AC. Τι συμβαίνει στην στάθμη του σήματος των 5 Volt DC που βλέπαμε στην οθόνη του παλμογράφου; 6. Αλλάζουμε λίγο την τάση εξόδου του τροφοδοτικού. Μεταβάλλεται καθόλου η στάθμη του σήματος που βλέπουμε στην οθόνη του παλμογράφου και γιατί; 7. Αποσυνδέστε το τροφοδοτικό από την είσοδο του παλμογράφου, βάλτε σε λειτουργία την γεννήτρια συχνοτήτων και συνδέστε την έξοδό της στην είσοδο CH του παλμογράφου. 8. Ρυθμίστε την γεννήτρια έτσι ώστε στην έξοδό της να δίνει ένα ημιτονικό σήμα πλάτους 3 Vp-p και συχνότητας 00 ΚHz. 9. Αλλάξτε την ρύθμιση του διακόπτη TIME/DIV έτσι ώστε μια περίοδος του σήματος της γεννήτριας να περιλαμβάνεται σε δύο οριζόντιες υποδιαιρέσεις της κλίμακας της οθόνης του παλμογράφου. Πόση πρέπει να είναι η τιμή της ρύθμισης του διακόπτη TIME/DIV για να συμβαίνει αυτό; 3
0. Μετρώντας την περίοδο της κυματομορφής και χρησιμοποιώντας τον τρόπο υπολογισμού που περιγράφτηκε στο θεωρητικό μέρος, υπολογίστε την συχνότητα του σήματος που βλέπετε στην οθόνη και επιβεβαιώστε τους υπολογισμούς σας με βάση αυτό που βλέπετε στην οθόνη της γεννήτριας.. Διπλασιάστε την συχνότητα του σήματος της γεννήτριας και καταγράψτε το πόσες οριζόντιες υποδιαιρέσεις καταλαμβάνει το σήμα στην οθόνη του παλμογράφου.. Επαναλάβατε το βήμα 0.. Άσκηση. Ρυθμίστε την γεννήτρια έτσι ώστε στην έξοδό της να δίνει παλμοσειρά (Pulse) πλάτους 3 Vp-p και συχνότητας 50 ΚHz.. Ρυθμίστε με τέτοιο τρόπο τον παλμογράφο έτσι ώστε να βλέπετε την παλμοσειρά όσο πιο αναλυτικά χρειάζεται έτσι ώστε να μετρήσετε περίοδο, συχνότητα, χρόνο ανόδου και χρόνο πτώσης του παλμού. 3. Ρυθμίστε το duty cycle σε 70% και επιβεβαιώστε την αλλαγή με τη βοήθεια του παλμογράφου. 4. Ποια είναι η ενεργός τιμή (rms) της παλμοσειράς; 5.Αλλάζοντας το duty cycle, αναμένουμε αλλαγή της ενεργού τιμής (rms); Αιτιολογείστε..3 Άσκηση 3. Ρυθμίστε τη γεννήτρια συχνοτήτων ώστε να παράγει σήμα ημιτονοειδές συχνότητας ίσης με 00 ΚHz και πλάτους Vp-p και στα δύο κανάλια. Οι τιμές συχνότητας και πλάτους να εξακριβωθούν με τη βοήθεια του Παλμογράφου. Συγχρονίστε τις δύο εξόδους της γεννήτριας, έτσι ώστε τα δύο σήματα εξόδου να έχουν μηδενική διαφορά φάσης. Επιβεβαιώστε με τη βοήθεια του Παλμογράφου 3. Εισάγετε διαφορά φάσης στο CH της γεννήτριας ίση με 80 μοίρες. Επιβεβαιώστε το αποτέλεσμα με τη βοήθεια του παλμογράφου. 4. Βρείτε την καθυστέρηση μεταξύ του CH και CH, και έπειτα μεταξύ CH και CH. Υπάρχει διαφορά μεταξύ των δύο μετρήσεων; Αν αλλάξουμε τη διαφορά φάσης θα μεταβληθεί η καθυστέρηση; 5. Απεικονίστε τη διαφορά φάσης με τη βοήθεια των διαγραμμάτων Lissajous. 4
6. Διπλασιάστε την συχνότητα του CH και αλλάξτε τη φάσης του CH σε 75 μοίρες και του CH σε 5 μοίρες. Είναι το αποτέλεσμα αναμενόμενο; 7.Αλλάξτε τη φάση του CH σε 35 μοίρες και του CH σε 0 μοίρες και επιβεβαιώστε ότι το αποτέλεσμα είναι το αναμενόμενο..4 Άσκηση 4. Ρυθμίστε το κανάλι της γεννήτριας συχνοτήτων ώστε να παράγει σήμα ημιτονοειδές συχνότητας ίσης με MHz και πλάτους 500 mvolt. Οι τιμές συχνότητας και πλάτους να εξακριβωθούν με τη βοήθεια του Παλμογράφου (Λάβετε υπόψη Εισαγωγή στις τα περί σύνδεσης παλμογράφου σε γεννήτρια που αναφέρονται στην αρχή του φυλλαδίου).. Αποσυνδέστε τη γεννήτρια από τον παλμογράφο και συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας στην είσοδο του αναλυτή φάσματος. 3. Προβείτε στις κατάλληλες ρυθμίσεις Κεντρικής Συχνότητας (Center Frequency), Εύρους Συχνοτήτων απεικόνισης (Span), Εύρους Διακριτικότητας (RBW) και Επιπέδου Αναφοράς (REF LVL), έτσι ώστε να έχετε την καλύτερη δυνατή απεικόνιση στον αναλυτή φάσματος. 4. Χρησιμοποιείστε τους δείκτες (markers) έτσι ώστε να δείτε και να διασταυρώσετε τα αποτελέσματα για το πλάτος και την συχνότητα της κυματομορφής την οποία βλέπετε. 5. Ρυθμίστε τη γεννήτρια συχνοτήτων ώστε να παράγει περιοδική παλμοσειρά βασικής συχνότητας ίσης με 00 ΚHz και πλάτους από κορυφή σε κορυφή 00mV. Οι τιμές συχνότητας και πλάτους να εξακριβωθούν με τη βοήθεια του Παλμογράφου. 6. Συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας στην είσοδο του αναλυτή φάσματος, παράλληλα με τον παλμογράφο. (Λάβετε υπόψη τα περί παράλληλης σύνδεσης παλμογράφου και αναλυτή φάσματος σε γεννήτρια, που αναφέρονται στην αρχή του φυλλαδίου). 7. Τι παρατηρείτε στις ενδείξεις του παλμογράφου για το πλάτος από κορυφή σε κορυφή και την ενεργό τιμή? 8. Προβείτε στις εξής ρυθμίσεις του αναλυτή φάσματος a. Center Frequency :.0 MHz b. Span : 00KHz/div c. RBW : 30KHz 9. Παρατηρήστε τις αρμονικές της βασικής συχνότητας και μετρήστε το πλάτος της ης, της 3 ης και της 5 ης αρμονικής. Τι παρατηρείτε? 0. Ρυθμίστε την παλμοσειρά έτσι ώστε να έχει duty cycle 40%. Επιβεβαιώστε με τη βοήθεια του Παλμογράφου. 5
. Εξηγείστε τι παρατηρείτε στον αναλυτή φάσματος και να το επιβεβαιώσετε θεωρητικά.. Να γίνουν μετρήσεις της ισχύος των αρμονικών συνιστωσών της περιοδικής παλμοσειράς, (μέχρι και της 5 ης ), με τη χρήση των markers του αναλυτή φάσματος. 3. Επαναλάβετε τα προηγούμενα βήματα για duty cycle 5%. Στο τεχνικό φυλλάδιο (τεχνική αναφορά) το οποίο θα παραδώσετε φροντίστε να συμπεριλάβετε ) Αναλυτική περιγραφή της πορείας της εργασίας σας ) Την αναγκαία θεωρητική προετοιμασία που κάνατε και τα αποτελέσματα που αναμένατε 3) Τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας 6