CAPITOLUL 7 MĂSURAREA UNOR PARAMETRI DE SEMNALiota.ee.tuiasi.ro/~evremera/Prezcap7.pdf ·...

CAPITOLUL 7 MĂSURAREA UNOR PARAMETRI DE SEMNAL

7.1 MĂSURAREA FRECVENŢEI ŞI PERIOADEI

)()()( tUxnTtUxTtUx =+=+ (7.1) TfTf /11 =⇒=⋅ (7.2)

Tm

Condiţionorde semnal

Generator deinterval de timp

Numărător Afişaj

Tx

fxNx

fx

Figura 7.1 Principiul măsurării numerice a frecvenţei

7.1.1 MĂSURAREA NUMERICĂ A FRECVENŢEI

a)

UADUa+

Ua-

NIVEL

Condiţionor de semnal

Oscilatorde

referinţă

Divizorde

frecvenţă

÷K

UCL

Numărător

Ck

Ck EnableR

Memorie

Ck

D1 - DnQ1 - Qn

Decodor

AfişajUifx

A AD TS

V+ V-

Generatorimpulspoartă

UTS

UBT Tm

Circuitde

protecţie

b)

-2,5-1,5

-0,50,5

1,52,5

t

Ua+ U a-

-1

0

1

2

3

4

t

UAD

-1,5

-0,5

0,5

1,5

t

Ui

02

4

t

UTS

NIVEL

NIVEL

Figura 7.2 a) Schema bloc simplificată a frecvenţmetrului digital; b) Formele de undă

corespunzătoare condiţionării semnalului de intrare.

Capitolul 7: MĂSURAREA UNOR PARAMETRI DE SEMNAL 7-2

s][10 T -mm = , m = -1 … +3 NTNfTNT m

mxmx 10/ ==⇒= (7.3)

NNff

NTT

ff

REFOSC

OSC

m

m

x

x 111+=+

∆=+

∆=

∆ ε (7.4)

fxTmN

N REFREFREF εε

ε 111>⇒>⇒< (7.5)

Oscilatorde

referinţă

Divizorde

frecvenţă

÷K

UCL

Numărător

Ck

Ck EnableR

Memorie

Ck

D1 - DnQ1 - Qn

Decodor

Afişaj

Uifx

TS


Prescaler

÷M

Prescaler

÷MCondiţionor

desemnal

Figura 7.3 Schema bloc simplificată a frecvenţmetrului digital de înaltă frecvenţă cu prescaler.

Schimbător de frecvenţă

M

fx+kf0fx-kf0 fx-kf0

Oscilatorde

referinţă

Divizorde

frecvenţă

÷K

UCL

Numărător

Ck

Ck EnableR

Memorie

Ck

D1 - DnQ1 - Qn

Decodor

AfişajUifx

TS


UTS

UBT Tm

FTJ

f3dB<fogl.

Multiplicatorde

frecvenţă

×k

kf0 A

Figura 7.4 Schema bloc simplificată a frecvenţmetrului digital de înaltă frecvenţă

( ) …,4,3,2,;; 100

10 =+=⇒==∆∆+= −− kNmkffmTTNTffkff xmmx (7.6)

Nmkff

ff

x

x

++

∆=

∆ 1

0

0 (7.7)


7.1.2 MĂSURAREA NUMERICĂ A PERIOADEI

Oscilatorde

referinţă

Numărde

perioade

÷M UCL

Numărător

Ck

Ck EnableR

Memorie

Ck

D1 - Dn

Q1 - Qn

Afişaj

UiTx

TS Generatorimpuls de

poartă

UBT

UTS

Tm

Divizorde

frecvenţă

÷N

Decodor

nT0

T0nT0

Figura 7.5 Schema bloc simplificată a periodmetrului digital.

…100,10,1,)(10 =≅= × nnTN

fT x

xx (7.8)

)/(111

NSNNTT

xREFTg

xREF

x

x

πεεε ++=++=

∆ (7.9)

…100,10,1;100,10,0 ==≅ nmm

nTNT xx (7.10)

)/(111

NSmNmNTT

xREF

Tg

xREF

x

x

πε

εε ++=++=

∆ (7.11)

mcr

crmcrTf

Tf nTff

nTTTfNN

NN0

0

11=⇒=⇒=⇒= (7.12)


7.2 MĂSURAREA DEFAZAJULUI

a)

b) UCL

Numărător

Ck

Ck EnableR

Memorie

Ck

D1 - DnQ1 - Qn

Decodor

Afişaj

Oscilatorde

referinţă

Divizorde

frecvenţă

÷N1

CBB

U3

Tm

NIVEL Condiţionor de semnal

CN Aca

P3

NIVEL Condiţionor de semnalU1 f

CN Aca

P1

P2

U2

f, ϕ

U1a

U2a

U0

U1b

U2b

U1a; U2a

U1b

U2b

T0t

t

t

tU3

∆t

n n

Figura 7.6 a) Formele de undă pentru definirea defazajului; b) Fazmetrul digital: schema

bloc.

ϕππ 180

222 1101

0

01 NT

tNTTN

Tt

TTNnN =

∆=

∆== (7.13)

NNN ii −=⇒== 1010180

1 ϕϕϕ , i > 0 (7.14)

ϕεϕϕϕ

===∆

∆=

∆==

∆fTmNf

ft

TTt

Tt

Nn

ii

5,02

13601010

1

1

0

00

(7.15)

admadm f

fNNf

fε

ε 122

1

min

01

1

0 ≥⇒≤ sau adm

m fT

εmin21

≥ (7.16)


7.3 MĂSURĂRI ASUPRA SEMNALELOR CU OSCILOSCOPUL

7.3.1 GENERALITĂŢI DESPRE OSCILOSCOP

Axa Z

P

GK A o A 1 A 2 y

1y

2

x

x

1

2

EP

RA

E2

R2R F+

R1+ --

R I

AP

EE1

F

Figura 7.7 Tubul catodic standard: schema bloc simplificată.

Lf = v mmsm π (7.17)

ET EC

K T C

IP ISa)

δ

ET1

50 2000b) [V]

ET

EC

K T C

IP ISc)

δ

ET1

d) [V]

AB

C

EC

ET

EC

K T C

ISe)S

Figura 7.8 Principiul de funcţionare al tubului catodic cu memorie.


TP

y

y x

x

TS

TS

E

1

2

1

2

1

2

GC GS

M

CL Figura 7.9 Tubul catodic cu memorie: schema bloc simplificată.

7.3.2 OSCILOSCOPUL STANDARD CU UN CANAL Y FĂRĂ MEMORIE

ATY PAY AY

BA

BS GB

ATX PAX AX

Uy

EXT

Ux

K3

K1

K4

LI1

2

3

1

2

1

2

x1x2

y1

y2

DEPLASAREV/div

NIV.POL.

S/div

DEPLASAREV/div

Figura 7.10 Osciloscopul catodic standard: schema bloc simplificată.

A

B

BS

CS

K1

K3

K4

K2

LI

Y

A

B

A,B

ALT

CH

A+B+ -

ATY PAY

MC CE AY

ATY PAY

+ -

PLACI

Figura 7.11 Osciloscopul catodic cu două canale: amplificatorul Y.


7.3.3 OSCILOSCOPUL HIBRID

CE

ADC

Frecvenţmetru

Fazmetru

Generator

de

caractere

GP-IB

X

YZ

Elemente decomandă şi

reglaj Figura 7.12 Multiscopul: schema bloc simplificată a părţii specifice osciloscopului hibrid.

7.3.4 OSCILOSCOPUL CU MEMORIE DIGITALĂ

UY CS TCS/T-H ADC MD DAC

Figura 7.13 Osciloscopul catodic cu memorie digitală: schema bloc simplificată.

CS = condiţionor de semnal; S/T-H = circuit de eşantionare – memorare; ADC = convertor analogic – digital; MD = memorie digitală; DAC = convertor digital – analogic; TC = tub catodic.

V

T2

T3T4

SiO2

4321

Transfer

Separare

Separare

Sin

Electrozi

T1

Sarcină electr. Figura 7.14 P2CCD: principiul de funcţionare a memoriei cu transfer de sarcină.

DACX

UY CS

ADC MD DACYS/T-H MA

UNITATE DE TACTŞI DE COMANDĂ AFX

AFY

TC

Figura 7.15 Osciloscop catodic cu memorie digitală: schema bloc simplificată.

CS = condiţionor de semnal; S/T-H = circuit de eşantionare – memorare; ADC = convertor A/D; MA = memorie analogică; MD = memorie digitală; DAC = convertor D/A; AF = amplificator final; TC = tub catodic.


7.3.5 OSCILOSCOPUL CU MICROPROCESOR

Sistem de operare cumicroprocesor

AFX

AFY

TCMem.

formă

de undă

Modul

canal

suplim.

ROM IB

Tast

atură

DAC Buffere Gen. caractere LED

-uriMăsurare analogică

aa

a a

a = semnal analogic

Figura 7.16 Osciloscop cu microprocesor: schema bloc simplificată.

Ck

M

Controlul

BT şi M

S/T-H CSYA

MS/T-H CSYB

ADC

IB-PDMA

IB-PAdaptarearatei S/H

Selecţie

trigger~Ext

D. Tg.

D. Tg.

ADC DateI/O

CPUController

(MC68000)

Mem.dinamică

afişaj

Afişaj(2k × 2k pcs)

Tast

atură

INREGISTRATOR FORMĂ DE UNDĂ ANALIZĂ, AFIŞARE ŞI I/O

Figura 7.17 Osciloscopul digital de precizie: schema bloc simplificată. CS = condiţionor de semnal; S/T-H = circuit de eşantionare – memorare; ADC = convertor A/D; M = memorie digitală; BT = bază de timp; IB = magistrală de interfaţă; D. Tg. = trigger digital.

a) b) c)

d) Figura 7.18 Osciloscopul digital de precizie: exemplificări ale facilităţilor bazei de timp.


Analiză C-dăDisc

C-dă măsurare

Citire (RD)

C-dă circuite deprelucrare f.u.

Scriere (WR)

Afişaj

UnitateDisc

C-dăAfişaj

Plotter

C-dăPlotter

I/OContr. Ext.

IEEE 488

IEEE 488 Inreg. formă de undă (f.u.)

f.u. cerutăRezultatf.u. externă

Operanzif.u. de memorat

f.u. de tipărit

f.u. de afişatf.u. de transmis

Figura 7.19 Osciloscopul digital de precizie: schema de lucru a unităţii de afişare, analiză şi I/O.

7.3.6 UTILIZAREA OSCILOSCOPULUI ÎN MĂSURĂRI

A. Utilizarea osciloscopului la măsurări de tensiunii

∫=+=T

cacc dttuT

UUUU )(1; 222 (7.18)

(b))(1;(a))(1 dttuT

UUdttuT

UT

medccT

∫∫ === (7.19)

Um-

UccUmed

U

Um+ Uvv

Figura 7.20 Formele de undă pentru definirea valorilor tensiunii unui semnal periodic.

Pentru orice formă de undă sunt valabile relaţiile:

vvmmed UUUUU ≤≤≤≤ (7.20) Din aceste inegalităţi rezultă că:

- factorul de formă nu poate fi subunitar: 1≥=med

f UUK (7.21);

- factorul de amplitudine nu poate fi subunitar: 1≥=U

UK ma (7.22);

- Ka ≥ Kf : 1)(1

)(1

//

22 ≥===

∫

∫

dttuT

dttuUT

UUU

UUUU

KK

T

Tm

medm

med

m

f

a (7.23).

YnYmY KLU =v)-vsau( (7.24) Um = UYm = UYvv/2 (7.25) fa

m

fmed KK

UKUU == (7.26)


11,122

;414,12 ====πKfKa

2;2 π

== KfKa

11,122

;414,12 ====πKfKa

a) b) c)

21

22;

2/1

122

2

mKfm

mKa +=+

+=

π

2/;2 2π== KfKa

3/2;3 == KfKa

d) e) f)

3/2;3 == KfKa

3/2;3 == KfKa

3/2;3 == KfKa

g) h) i)

25/8;2 == KfKa

25/8;2 == KfKa

1== KfKa

j) k) l)

1== KfKa

TKfKa /;/1 τηη ===

T τ

TKfKa /;/1 τηη ===

T τ

m) n) o)

Figura 7.21 Forme de undă mai frecvent întâlnite şi factorii lor de amplitudine şi de formă. a) Undă sinusoidală; b) Undă sinusoidală redresată monoalternanţă; c) Undă sinusoidală redresată bialternanţă; d) Undă sinusoidală modulată în amplitudine; e) Semnal de bătăi între două unde sinusoidale de amplitudini egale; f) Undă triunghiulară; g) Undă triunghiulară redresată; h) Undă în dinte de fierăstrău; i) Undă în dinte de fierăstrău redresat; j) Undă trapezoidală; k) Undă trapezoidală redresată; l) Undă dreptunghiulară; m) Undă dreptunghiulară cu factor de umplere variabil; n) Impulsuri simetrice; o) Impulsuri unipolare.


B. Măsurarea frecvenţei, defazajului şi gradului de modulaţie

Măsurarea frecvenţei (b)/1;(a) xxXbx TfLKT == (7.27)

Măsurarea defazajului

y

x

b'

a

b

a'

o

cd

a) b) Figura 7.22 Măsurarea defazajului cu osciloscopul: a) cu un canal Y; b) cu două canale Y.

aa

bb ′

±=′

±= arcsinarcsinϕ (7.28)

dcπ =

dKcKπ =

Tτπ = ωt + = Ut + τωu =U

b

b 222)sin()(sin =⇒ ωτϕϕ (7.29)

Măsurarea gradului de modulaţie

+ tm +U = u pmm )sin()sin1( ϕωω⋅ (7.30)

unde: - ωm este pulsaţia semnalului modulator;

- ωp este pulsaţia semnalului purtător;

a) b)

Figura 7.23 Măsurarea gradului de modulaţiei cu osciloscopul prin metoda: a) directă; b) trapezului.

b +a b -a = m m - K U= b mK U=a vvMvv ⇒=+= )1(;)1( min (7.31)

unde: - UMvv este valoarea vârf-vârf la maximul undei modulate;

- Uminvv este valoarea vârf-vârf la minimul undei modulate;


7.4 MĂSURĂRI ASUPRA FORMEI SEMNALELOR

Amplitudine

Timp

Frecvenţă

Figura 7.24 Domeniile de analiză pentru semnale.

U i

U o

U i

U o

U i

U o

a) b) c)

U i

U o

f

|A|

f

ϕ

d) e) f)

Figura 7.25 Caracteristici de transfer cu abateri de liniaritate: a) de zero; b) de saturaţie; c) de zero şi de saturaţie; d) polinomială (parabolică); d) în amplificare, la capete de bandă; e) în caracteristica fază-frecvenţă.


7.4.1 MĂSURAREA DISTORSIUNILOR ARMONICE

A. Măsurarea distorsiunilor armonice cu distorsiometrul

)sin()sin()(2

110 nnn =

t nU + ωt + U + U = tu ϕωϕ +∑∞

(7.32)

[%]10010022

1

222

U + ... + UU+ ... + U =

UU = d

n

na sau [%]1001001

222

1 UU+ ... + U =

UU = naδ (7.33)

F R F V

P1

Sw1 Sw2 Sw4

Sw3

UUa

ui

REGLAJE IN TREPTE

REGLAJE CONTINUI

P3P2

DTI DTO

Osc.

Figura 7.26 Distorsiometrul: schema bloc simplificată.

DTI = condiţionor de semnal de intrare; FRF = filtru pentru rejectarea fundamentalei; DTO = condiţionor de semnal de ieşire; Sw1 = selectare gamă de măsură; Sw2 = selectare bandă de frecvenţă; Sw3 = selectare mod de lucru; Sw4 = selectare gamă grad de distorsiune; P1 =reglaj de etalonare 100%; P2, P3 = acord FRF; Osc. = ieşire reziduu deformant.

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

f

a

f A1

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

f

a

f A1 f A2

a) b)

Figura 7.27 Caracteristica filtrului de rejectare a fundamentalei în cazul: a) FOB; b) FTS

B. Măsurarea distorsiunilor armonice cu voltmetrul selectiv

C. Măsurarea distorsiunilor armonice cu analizorul de spectru

0

)()( 0ffdf

fdPfS=

= (7.34); ∫∞→=

T

BTf dttxT

BfPf

0

2

0 )(1lim),( (7.35)

∫=T

FTBATrATxMDPFTJ dtUxUrKKKKKT

U 20 )(1

…… ++=+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= −− ][13][12 )(1,0)(1,0

2

1

3

2

1

2 1010100100 dBdB AAAA

AA

AAδ (7.36)


a)

Timp

Am

plitu

dine

b)

10

20

30

Frecvenţă

Am

plitu

dine

[dB

]

Figura 7.28 Reprezentarea unui semnal distorsionat în domeniul: a) timp; b) frecvenţă.

Atenuatorsemnal

referinţă

ATr

Ux fx

Generatorde

baleiaj

Filtru FI

FTB

Condiţionorde semnal

ATx

Detectorpătratic

DP

Oscilatorcomandatîn tensiune

Filtru video

FTJ

AmplificatorLin/Log

AL/L

AFX

AFY

TCOC

MixerM

fOL

fx fOL-fxfOL+fx

fFI

UM

Figura 7.29 Analizorul de spectru superheterodină cu simplă schimbare de frecvenţă.

7.4.2 MĂSURAREA DISTORSIUNILOR DE INTERMODULAŢIE

a)

Am

plitu

dine

Timp

b)-20

-10

0

10

20

30

Frecvenţa

Am

plitu

dine

[dB

]

Figura 7.30 Semnal de test pt. distorsiuni de intermodulaţie vizualizat cu: a) osciloscopul; b) analizorul de spectru.

U UUUUU= D

U UUU

D ffff-ff-ffic

ff-ffic

21

2121222121223

21

2112[%]2 100;100

[%] ++++

++

= +++ (7.37)

- de ordinul 2: 400 şi 2200 Hz; - de ordinul 3: 500, 1700, 3100 şi 3500 Hz; - de ordinul 4: 800, 1400, 3000, 4000, 4400, 4800 Hz; - de ordinul 5:100, 2100, 2300, 4300, 4900, 5300, 5700, 6100 Hz.


Figura 7.31 Imaginea rezultată pe ecranul analizorului de spectru la testarea liniarităţii unui diport cu două tonuri de f1= 900 şi f2 = 1300 Hz.

7.4.3 MĂSURAREA GRADULUI DE MODULAŢIE

Frecvenţă

Am

plitu

dine

[dB

]

Purtătoare

AcBLI

Asb

BLS

Asb∆f = fmod

fc

( ) ( )

%62

31,01010

[%]

2010

20

c

sbdBcdBsb

=

===−−

mAA

AA

Figura 7.32 Imagine pe ecranul analizorului de spectru la măsurarea gradului de modulaţie în amplitudine (m = 60%): BLI = banda laterală inferioară: BLS = banda laterală superioară.

1002

c

sb[%] ×

AA = m (7.38)

CAPITOLUL 7 MĂSURAREA UNOR PARAMETRI DE SEMNALiota.ee.tuiasi.ro/~evremera/Prezcap7.pdf ·...

Documents

Transcript of CAPITOLUL 7 MĂSURAREA UNOR PARAMETRI DE SEMNALiota.ee.tuiasi.ro/~evremera/Prezcap7.pdf ·...