8.4 Настройка графиков

Все графики имеют возможность курсорных измерений. Для каждого графика в программе пользователь может выбрать наиболее удобные настройки с помощью специального диалогового окна. Здесь можно выбрать как удобные цвета для всех элементов графика, так и настроить стиль графиков, установить параметры осей (масштаб, шаг сетки, линейная или логарифмическая). Каждый график на страивается независимо с помощью окна «Настройка графиков» — рисунок 9.

Общая настройка графиков осуществляется с помощью вкладки «Общие на­стройки». На ней возможны следующие установки :

• Показывать оси — разрешает прорисовку на графике линий осей и меток,

• Показывать сетку — разрешает отображение линий сетки.

• Стиль графика — выбирает стиль линии графика: линии, отдельные точки, по­лосы (стиль гистограммы), сплайн (сглаженная кривая по указанным точкам).

• Отступ слева (снизу) — размер отступа (в пикселях), на который изображе­ние будет сдвинуто от левого (нижнего) края окна графика.

• Ширина линии — ширина (в пикселях) линии, используемой для прит­ки графика при использовании любого стиля, кроме точечного.

• Размер точки — диаметр точек (в пикселях), используемых для прорисовки графика при использовании стиля «точки».

На вкладке «Ось X» (рисунок 10) имеются установки:

• Логарифмическая шкала — включает режим логарифмической шкалы для оси ординат. Вместо оригинальных значений ординат выводятся их десятич­ные логарифмы. При использовании логарифмической шкалы не допустимы ординаты меньшие либо равные нулю.

• Автоматическое масштабирование — если эта метка установлена, то по на­жатию кнопки «ОК.» или «Применить» значения минимума, максимума и нуля для. оси ординат будут установлено программой автоматически на осно­ве текущих данных, отображаемых на графике.

• Автоматический выбор шага сетки — если эта метка установлена, то по на­жатию кнопки «ОК» или «Применить» значение шага сетки по оси ординат будет установлены программой автоматически на основе текущего масштаба этой оси.

• Минимум (Максимум, Ноль) — параметры масштаба оси ординат.

Соответственно на вкладке «Ось Y» (рисунок 11) возможны установки, аналогич­ные отмеченным на вкладке «Ось X», но, конечно, применяемые к оси Y.

Наконец на вкладке «Цветовая схема» (рисунок 12) можно задавать удобные по­льзователю цвета различных элементов графика. Щелчок левой кнопкой мыши — выбор цвета, щелчок правой кнопкой мыши устанавливает цвет по умолчанию

Рисунок 9- Окно настройки графиков Рисунок 10- Вкладка «Ось X»

Рисунок 11-. Вкладка «Ось У » Рисунок 12- Вкладка «Цветовая схема»

8.5 Просмотр табличных данных

Просмотреть в числовом виде исходные данные для построения графических характеристик можно в таблице на вкладке «Сводка» — рисунок 13. Для каждой точ­ки измерений в эту таблицу построчно заносятся: «N» — номер точки измерений, «Частота - > » — заданная частота ИС, «Амплитуда - > » — заданная пиковая амп­литуда ИС, «СКЗ - > » — измеренная среднеквадратическая амплитуда входного сигнала, «Частота < - » — измеренная частота выходного сигнала, «Фаза < - » — угол сдвига фазы выходного сиг­нала относительно входного, «СКЗ < - » — измеренная, среднеквадратическая амплитуда выходного сигнала.

Все результаты измерений, в том числе и содержимое этой таблицы, мо­гут быть сохранены в текстовый файл в формате «CSV». Этот файл может быть затем либо вновь открыт самой про­граммой измерительного комплекса, либо использован для дальнейшей об­работки данных внешними приложени­ями, такими, как Microsoft Excel или подобными. Кроме того, все графики программы также можно сохранить в файлы в виде изображений в растровой или в векторной форме. Наконец, со­держимое любой вкладки результатов измерений пользователь может снаб­дить собственным комментарием и вместе с ним отправить на печать.

Рисунок 13- Представление характеристики в форме таблицы

8.6 Применение модуля анализа формы сигналов

Для изучения переходных характеристик испытываемых устройств пользова­тель может либо просто воспользоваться курсорными измерениями на графике формы сигналов, либо дополнительно использовать возможности автоматических измерений модуля анализа формы сигнала. Этот модуль объединяет возможности спектрального анализа (разложение сигналов в гармонические ряды, изоб­ражение спектров сигналов и их пара­метров: частот и амплитуд гармоник, коэффициента нелинейных искаже­ний) и алгоритмов автоматического определения параметров импульса (ча­стоты, длины импульса, времен нарас­тания и спада, величин выброса и т. д.). Окно модуля с открытой вклад­кой «Спектральный анализ» показано на рисунок 14.

Программа имеет возможность авто­матического определения стандартных параметров импульсных сигналов — рисунок 15. При этом программа будет пытаться обнаружить в собранных осциллографом данных импульсный сигнал. В случае отсутствия подходя­щего сигнала с помощью светодиодов статуса на вкладке «Параметры импульса» панели анализа формы сигнала будет выведено сообщение о том, что параметры не определены, либо определены частично.

Рисунок 14- Представление результатов спектрального анализа модулем

анализа формы сигналов

В противном случае новые результаты вычислений будут выведены в соответствующие числовые поля панели. Поля, соответствующие неопределенным параметрам, будут отображаться «недоступными».

Полученные результаты измерений можно сохранять и затем загружать их как данные результаты измерений, так и данные, определяющие условия из­мерений. Команды записи данных в файл, вызываемые пользователем из разных рабочих панелей программы, создают файлы разных форматов дан­ных, хотя при этом используется оди­наковый формат самих файлов (формат CSV). Для того чтобы не путать файлы разных данных, мы предлагаем поме­щать их в различные подкаталоги.

Программа позволяет пользователю распечатать результаты измерений, представленные на вкладках главной панели. Для этого выведите нужную вкладку ы передний план и дайте программе команду «Печать» из меню Файл или восполь­зуйтесь кнопкой . Для предварительного просмотра результатов печати Вы может; использовать команду «Просмотр печати» или кнопку. Для переключения режи­мов черно-белой или цветной печати графиков используйте опцию Черно- бела печать на вкладке «Общие» панели настроек.

Пользователь имеет также возможность использовать для просмотра или обра­ботки данных, используемых прибором, любую удобную ему программу, способ­ную работать с текстовыми файлами в формате «CSV». Вы можете использовать для работы с этими файлами практически любой текстовый редактор или

табличный процессор, ограничения накладываются только на объем загружаемой ин­формации. В этом случае рекомендуется разбивать большой файл данных на не­сколько достаточно мелких порций.

Рисунок 15- Представление результат анализа импульсов на вкладке

«Параметры импульсов» модуля анализа формы сигналов

18-ГГц осциллографический комплекс на базе

стробоскопа С1-91/4 и приставки АСК-3106/41 Об

В ряде исследований сверхскоростных импульсных устройств на туннельных диодах, лавинных транзисторах и широкополосных операционных усилителя требуется осциллографирование быстропротекающих процессов в полосе рабочих частот до 10 ГГц и выше. К сожалению, современные цифровые осциллографы с такой полосой частот известных фирм Tektronix, Agilent и LeGroy стоят очень дорого, а старые советские стробоскопические осциллографы не позволяют качественно представлять осциллограммы и вводить их в компьютер для обработки.

Pucунок 16 - Осциллограммы коротких перепадов напряжения (сняты прямо с экране осциллографа Cl-91 /4)

На рисунке 16 показана снятая цифровым фотоаппаратом прямо с экрана стро­боскопического осциллографа С1-91/4 (более поздняя аналогичная модель С1-122/4) осциллограмма импульсов перепадов напряжения с выходов формиро­вателей на туннельных диодах, имеющих время нарастания не более 50 пс. Не­трудно заметить, что, при таких малых длительностях перепадов, отчетлива видна их сильная временная нестабильность (джиттер). Да и качество самого изображе­ния невысокое.

К счастью, у указанного осциллографа с 18-ГГц стробоскопическим преобра­зователем Я4С-100 и блоком Я4С-100 имеются выходы аналоговых сигналов с обоих каналов Y и выход пилообразного напряжения медленной развертки с бло­ка Я4С-101. Если подать их на входы любого цифрового осциллографа и (сигнал развертки) на вход синхронизации, то можно просматривать преобразованный (растянутый в сотни и тысячи раз во времени) сигнал. На основе этой идеи был создан 18-ГГц осциллографический комплекс для исследования быстропротекаю-щих процессов, показанный на рисунке 17.

В качестве узла стыковки стробоскопического осциллографа С1-91/4 с компь­ютером была применена дешевая и простая приставка к компьютеру — виртуаль- ный осциллограф АСК-3106 . Прибор обеспечивает просмотр сигналов, спектр которых находится в полосе частот до 70-100 МГц в достаточно широком диа­пазоне амплитуд. Но главное — с его помощью осциллограммы наблюдаются на экране компьютера, могут распечатываться принтером и подвергаться эффективной математической обработке. Для этого служит программы, поставляемые с виртуальным осциллографом и созданные для разработки приложений с ним.

Одной из проблем в создании комплекса является его калибровка. Помимо ка­либровки самого стробоскопического осциллографа, кстати, довольно трудоем­кой, надо тщательно учитывать коэффициенты масштабирования амплитуде и по времени. Последние сильно меняются при регулировке длительности медленной развертки и числа точек стробирования, а также при включении внутреннего сглаживания.

Было решено, что вместо этого целесообразно для калибровки применить ге­нератор наносекундных импульсов, в качестве которого был выбран генератор на- носекундных импульсов Г5-85, формирующий импульсы с длительностью от 1 не до 200 мкс с амплитудой до 2,5 В на нагрузке 50 Ом. Предусмотрен также плав­ный сдвиг импульсов от 0 до 200 мкс. Длительность фронта импульсов не более 0,25 не, что позволяет легко калибровать комплекс как по времени, так и по амп­литуде исследуемых импульсов. Максимальная частота повторения импульсов — 1000 МГц. Погрешность калибровки составляет около 10%, но в субнаносекунд-ном диапазоне времен, на которые рассчитан комплекс, это вполне приемлемо. При длительностях импульсов свыше десятков не можно использовать только приставку АСК-3106.

Разумеется, генератор после калибровки и в процессе ее может использоваться как генератор запускающих импульсов для исследования внешних устройства. Может также использоваться блок формирования перепадов с длительностью до 50 пс Я4С-89, входящий в комплект осциллографа С1-91/4. Его можно приме­нять, например, для снятия переходных характеристик сверхширокополосных усилителей, в том числе интегральных. Вместо генератора Г5-85 возможно приме­нение генератора Г5-78 с длительностью импульсов от 1 не до 500 мкс. Этот гене-

Рисунок 17- 18-ГГц осциллографический комплекс:

1 — виртуальный USB-осциллограф АКТАКОМ АСК-3106, 2 — генератор

наносекундных импульсов Г5-85, 3 — стробоскопический 18-ГГц преобразователь

Я4С-100, 4 — стробоскопический осциллограф С1-91 /4, 5 — сдвоенная линия

задержки Я4С-102

ратор формирует импульсы с амплитудой до 5 В, но длительность фронтов их около 0,5 не. Однако генератор позволяет регулировать в широких пределах дли­тельность переднего и заднего фронтов импульсов — от 0,5 не до 500 мкс. Макси­мальная частота повторения импульсов — 500 МГц.

Для работы осциллографа-приставки АСК-3106 необходимо соответствующее программное обеспечение. Оно поставляется в варианте Р01 стандартной версии и Р05 — профессиональной. Ограничимся кратким описанием применения стан­дартной версии. Окно программы представлено на рисунок 18. В центральном окне показана осциллограмма импульса с длительностью 1 не от генератора Г5-85 (это минимальная длительность, которую способен обеспечить данный генератор). Установкой длительности развертки приставки и ручки СКАН стробоскопическо­го осциллографа надо добиться, чтобы ширина импульса на осциллограмме соот­ветствовала его длительности. Для более точной калибровки можно установить длительность импульса в 3 или 10 не (желательно использовать только калибро­ванные длительности, кратные 1 и 3).

Рисунок 18- Окно программы PO1 с осциллограммой калибровочного импульса минимальной (1 нс) длительности

Нетрудно заметить, что форма импульса сильно искажена шумами и высокоча­стотными несинхронными колебаниями. Использовать для их подавление сглажи­вание в самом стробоскопическом осциллографе нежелательно, поскольку при этом сильно изменяется коэффициент преобразования по времени и нужна пере­калибровка комплекса. К тому же эффективность сглаживания на аппаратном уровне у этих, по нашим временам довольно старых, осциллографов невысока.

В связи с этим удобно использовать средства обработки осциллограмм, прису­щие приставке АСК-3106. Эти средства (в окне «Цифровая фильтрация») пред­ставлены на рисунок 19. В этом окне пока установлена опция включения полиноми­альной фильтрации с заданным порядком (в нашем случае максимальным — 50). Этот вид фильтрации является улучшенным вариантом скользящего сглаживания и не требует длительной обработки многих осциллограмм.

"Й^г ^S:g^-|..".L ... .... _ „ .... „.__. L..@L~..bfeb...J??!~JIL.

Рисунок 19 - Применение полиномиальной фильтрации

Считается, что полиномиальная фильтрация может заметно искажать осцил-лограммы с резкими углами. Однако в нашем случае (исследования импульсов с субнаносекундными фронтами) о резких углах говорить не приходится. Как не-трудно убедиться (сравнивая осциллограммы на рисунок 19 и 18) полиномиальная фильтрация в нашем случае весьма эффективна и позволяет получить стабильное слегка «дышащее» изображение осциллограммы. При этом обеспечена быстрая реакция на изменения сигнала.

На рисунке 20 показано действие, помимо полиномиальной фильтрации, нако-пительной фильтрации, основанной на обработке заданного числа осциллограмм в нашем случае 5). Отчетливо наблюдается дальнейшее улучшение фильтрации, Установив опций «Бесконечное усреднение» можно добиться самой высокой эф­фективности фильтрации, но при этом возрастает ее время — практически осцил-лограмма перестает меняться через 10—15 с. Однако при этом реакция на изменения сигнала оказывается резко замедленной.

Приставка АСК-3106 позволяет записать осциллограммы в виде файла данных и файла обычного рисунка. На рисунке 21 показан вид осциллограммы, полученной из файла рисунка. Осциллограмма представлена без «лишнего» окружения и мо­жет быть просмотрена в любом графическом редакторе, отредактирована или рас­печатана принтером.

Стробоскопический осциллограф С1-91/4 и приставка АСК-3106 имеют по два канала СН1 и СН2. Это позволяет исследовать два сигнала и судить об их взаим­ном расположении по оси времени. Такой случай иллюстрирует рисунке22, на ко­тором представлены трансформированные осциллограммы, соответствующие реа­льным осциллограммам рисунок 16. Это осциллограммы перепадов, формируемых формирователями Ф00 и Ф02 на туннельных диодах из комплекта формирователя Я4С-89. Перепады имеют длительность не более 50 пс и характеризуют вполне приличную разрешающую способность во времени данного комплекса. Их вид намного лучше и четче, чем у оригинальных осциллограмм, показанных на рисунке 16.

Рисунок 20-. Представление осциллограммы в виде рисунка

Рисунок 21- Применение полиномиальной и накопительной фильтрации

Записав осциллограммы в виде рисунка можно обработать их в любом графи-ческом редакторе. Например, можно нанести на осциллограммы масштабы по вертикали и по горизонтали, что показано на рисунке 23.

Но самое важное заключается в том, что осциллограммы, наблюдаемые на эк-ране компьютера, могут подвергаться всесторонней обработке, в том числе математической. Можно осуществить (также с преобразованием масштаба) автоматическое измерение их параметров, выполнение преобразования Фурье и все то, что предусмотрено программным обеспечением приставки АСК-3106. Разумеется, нее можно использовать любой цифровой осциллограф с узкой полосой.

В этом комплексе приставку АСК-3106 можно заменить на АСК-4106, которая помимо двухканального осциллографа содержит двухканальный функци-

ональный генератор (с частотами от 0,1 Гц до 10 МГц) и возможностью генерации

Рисунок 22-. Пример наблюдения реальных сигналов — перепадов напряжения от формирователей на туннельных диодах

Рисунок 23- Пример рисунка осциллограмм после их обработки — нанесения надписей о масштабах осциллограмм по вертикали и горизонтали

раздельно по каждому каналу произвольных, задаваемых пользователем, сигналов. Это заметно расширит функциональные возможности комплекса.

В заключении стоит отметить и недостатки такого комплекса. Во-первых, это необходимость ручной калибровки и настройки. Во-вторых — возможность на­блюдения только периодических сигналов, тогда как более сложные, современные цифровые осциллографы способны работать с произвольными сигналами в реаль­ном времени. Однако стоит не забывать, что стоимость таких осциллографов с по­лосой частот около 10 ГГц и выше в десятки раз превосходит стоимость всего описанного комплекса — вместе с компьютером, к которому он подключается. В наше время затраты на создание такого комплекса не превышают 100 тысяч рублей. И хотя эта сумма не так уж и мала, она в десятки раз меньше стоимости современного 18-ГГц цифрового осциллографа ведущих производителей осцил­лографов.