5.2. Цифровые осциллографы.
В настоящее время электронно-лучевые осциллографы выходят из употребления. Их заменяют цифровые осциллографы (ЦО), в которых запись сигнала ведется с помощью аналого-цифровых преобразователей и быстродействующих оперативных запоминающих устройств. Структурная схема ЦО приведена на рисунке 4.4. Здесь А - входной сигнал на аналого-цифровой преобразователь (АЦП); D0 – В8 – разряды выходного сигнала АЦП.
Во входном блоке измеряемый сигнал с помощью делителей приводится к диапазону напряжений, являющихся нормальными для АЦП (обычно +5 - -5В). Как правило, используются АЦП параллельного типа, имеющих максимальное среди других типов АЦП быстродействие (менее 10 нс). В параллельном АЦП напряжение сигнала сравнивается с набором дискретных уровней, задаваемых компараторами (схемами сравнения). Количество дискретных уровней определяемся разрядностью преобразования. Для наиболее распространенных восьмибитных преобразователей количество уровней сравнения составляет 256, что соответствует максимальному целому десятичному числу, кодируемому с помощью восьмиразрядного двоичного числа (слова). Максимальная погрешность такого преобразования составляет примерно 0,25%, что вполне достаточно для применения в высоковольтных измерениях.
Рисунок 5.4. Блок-схема цифрового осциллографа.
На выходных выводах АЦП устанавливается комбинация логических уровней 0 и 1, кодирующих в двоичной системе значение измеренной величины. С помощью стробирующих импульсов, определяющих время выборки измеряемого напряжения, происходит запись текущего отсчета в быстродействующее запоминающее устройство (ЗУ) для промежуточного хранения. Количество запоминаемых отсчетов зависит от емкости ЗУ (составляет обычно несколько тысяч). Полученная в результате полного цикла измерения информация передается для визуализации в блок индикации, который может быть встроен в осциллограф, или передается с помощью кабеля связи в персональный компьютер. В последнем случае компьютер используется для управления осциллографом.
Преимуществом цифровых осциллографов, работающих с использованием компьютера, является пользовательский интерфейс, определяемый программным обеспечением.
Преимуществом осциллографов, выполненных в виде отдельного, самостоятельного прибора, является возможность использования аккумуляторов, что повышает помехозащищенность измерительной системы. Передача информации для дальнейшей обработки может быть осуществлена с помощью переносных накопителей, например, флеш-памяти.
Получение информации в виде массива данных создает большое удобство при ее обработке (фильтрация, интегрирование, Фурье-анализ, и т. д.) с помощью компьютера. Компьютерные программы управления осциллографом поставляются в комплекте с ним.
Недостатком цифровых осциллографов в высоковольтных измерениях является низкая электрическая прочность входа осциллографа, не превышающее 100 В. Воздействие более высоких напряжений может привести к необратимому выходу из строя интегральных схем ЦО. Для защиты от повреждений высоким напряжением применяют следующие меры:
1. Применение автономных источников питания напряжением 9 – 12 В, что позволяет большинство цифровых осциллографов ведущих производителей. Применяться также источники бесперебойного питания (UPS) для компьютеров, обеспечивающих автономное питание осциллографа напряжением 220 В.
2. Для осциллографов, связанных по кабелю с компьютером, необходимо наличие цифровой оптоэлектронной развязки между компьютером и осциллографом. Ряд моделей осциллографов имеют встроенную оптоэлектронную развязку в канале связи с компьютером и автономное батарейное питание. Электрическая прочность оптоэлектронных пар может составлять несколько киловольт.
3. Входные цепи ЦО защищают ОПН, обеспечивающих срез напряжения на входе при подаче напряжения, превышающего допустимый уровень.
В настоящее время ЦО имеют собственную значительную память, или могут сохранять данные в подключенной памяти (флеш-память), цветные жидкокристаллические экраны, отображающие запоминаемое явление и высокий к.п.д. Частоты дискретизации измеряемого сигнала достигают нескольких сотен МГц, что позволяет регистрировать быстропротекающие процессы.