10. Сциллографы, содержащие микропроцессор

Новые возможности электронных осциллографов. Прежде все­го следует отметить, что управление осциллографом стало прог­раммным и это радикально упростило его эксплуатацию. Напри­мер, имеется осциллограф, у которого только одним переключа­телем устанавливаются необходимые значения коэффициента уси­ления канала вертикального отклонения (размер изображения по вертикали), длительности развертывающего напряжения и т. п. -Функции управления группируются по логическому принципу, и выбор желаемой функции достигается нажатием соответствующей клавиши. Это коренным образом изменило лицевую панель осцил­лографа. Управление не только упростилось, но и стало более гиб­ким. Его можно осуществить как по программе работы внутрен­него микроконтроллера, так и с помощью контроллера системно­го интерфейса (см. § 12.4), к которому подключается прибор. Со­зданы возможности полной автоматизации управления работой электронно-лучевого осциллографа (включая функции регулировки режима работы ЭЛТ, которые выполняются перед началом и в ходе исследования), пересылки результатов измерения через ин­терфейс в печатающее устройство или устройство обработки.

Вторая возможность (точнее, совокупность возможностей) ми­кропроцессорных осциллографов: упрощение измерительной про­цедуры, снижение трудоемкости измерений, повышение их точности, расширение перечня измеряемых параметров сигналов, выполне­ние математических операций. Характерным примером может служить измерение длительности фронта (или среза) прямоуголь­ного импульса. В этом случае достаточно установить на изображе­нии фронта две светящиеся метки — одну на нулевом уровне, а вторую на уровне амплитуды импульса, и нажать соответствую­щую клавишу. Результат измерения отображается на экране в ви­де десятичного числа с указанием единиц измерения. В осцилло­графах, содержащих микропроцессорную систему, понижаются тре­бования к точности установки и стабильности коэффициентов пе­редачи каналов. Возможные по этим причинам погрешности кор­ректируются по хранимым в памяти точным значениям коэффи­циентов передачи каналов вертикального и горизонтального от­клонения. Выполнение операции усреднения исследуемого сигна­ла за большое число периодов существенно ослабляет влияние помех, улучшает качество осциллограммы. Говоря об увеличении числа измеряемых параметров исследуемого сигнала, следует от­метить, что в их перечень вошли такие параметры, как частота пе­риодического сигнала, среднеквадратическое значение напряже­ния, площадь импульса, энергия и др., измерения которых выпол­няются нажатием одной клавиши и не требует вычислений.

Третья возможность заключается в повышении эффектив­ности испытаний и настройки электронных схем в процессе их раз­работки. В память микропроцессорной системы заносятся расчет­ные данные, характеризующие идеальную схему, ее реакцию в це­лом или отдельных элементарных схем на типовые испытательные сигналы. После выполнения реальной схемы полученные при ее испытании данные сопоставляются с хранимыми в памяти. Ре­зультат сравнения несет информацию, которой руководствуются при настройке и доработке схемы. Многократные испытания и со­поставления позволяют оценить роль каждого узла и компонента разрабатываемой схемы и оптимизировать ее по выбранному кри­терию.

Еще одна существенная возможность — ускорение калибровки и регулировки осциллографа. Эта процедура, проводимая пери­одически согласно установленному регламенту в условиях эксплу­атации, не требует проникновения во внутрь прибора (снятия ко­жуха): она выполняется с помощью органов управления, располо­женных на лицевой панели. По заданной программе вычисляются значения калибровочных коэффициентов, которые записываются в неразрушаемую память. В ней хранятся также указания, как проводить калибровку. Они последовательно выводятся на экран и служат пошаговыми инструкциями для лица, осуществляющего калибровку. Хотя она и требует участия человека, но в горазда меньшей степени, чем при выполнении этой процедуры с обычным осциллографом. По окончании предварительной калибровки значе­ния установленных параметров фиксируются в запоминающем уст­ройстве. В ходе измерений калибровка проводится автоматически после того, как пользователь прибора нажмет соответствующую клавишу.

Варианты построения микропроцессорных осциллографов раз­нообразны. В различных электронных осциллографах, содержа­щих микропроцессор, выполняемые им функции неодинаковы. На микропроцессор могут возлагаться только функции управления, причем в отдельных приборах — для решения сравнительной уз­кой задачи. Иногда его основное назначение — выполнение изме­рительных операций. В некоторых схемах разграничены собствен­но осциллографическая часть и микропроцессорная система, ре­шающая ряд задач управления, измерения и обработки. Имеют­ся приборы, у которых все регулировки рабочих режимов осущест­вляются программным путем, автоматизированы измерительные процедуры, включая калибровку, проводятся необходимые вычи­сления, обработка сигналов и результаты измерений. Естествен­но, что от объема и характера функций, выполняемых микропро­цессорной системой, зависит общая структура осциллографа.

Аналоговый осциллограф с встроенным микропроцессором.

Один из первых «интеллектуальных», т. е. программируемых, ос­циллографов представляет собой сочетание обычного универсаль­ного аналогового осциллографа и устройства цифровой обработ­ки, построенного на основе микропроцессорной системы. Выпол­ненный в виде единого блока этот прибор обладает многими из перечисленных новых свойств микропроцессорных осциллогра­фов [18].

На рис. 3.24 приведена упрощенная структурная схема осцил-лографа (реальный прибор — двухканальный), которую можно условно разделить на три части. Верхняя часть — собственно ана­логовый осциллограф (канал управления яркостью Z, а также средства измерения и отображения параметров сигналов не пока­заны, чтобы не усложнять рисунок). Расположенные в средней ча­сти АЦП и ЦАП, а также модули запоминающих устройств в со­четании с контроллерной функцией микропроцессорной системы позволяют использовать рассматриваемый прибор как цифровой запоминающий осциллограф, подобный описанному ранее (рис.3. 23).

Нижняя часть — микропроцессорная система — служит для программного управления и цифровой обработки. С помощью ин­терфейсной карты (ИКАР) осциллограф подключают к системному интерфейсу (см. § 12.4).

При получении изображения исследуемого сигнала в реальном масштабе времени прибор работает как обычный универсальный осциллограф. Если у экспериментатора еще не появилась необходи­мость воспользоваться возможностями программного управления и цифровой обработки, создаваемыми микропроцессорной системой, то в его распоряжении привычный аналоговый осциллограф. В та­ком приборе можно менять стандартные блоки (усилители верти­кального отклонения, генераторы развертки и т. п.), как и в неко­торых обычных осциллографах, конструкции которых рассчитаны на подобные замены или подключение новых блоков. Тенденция разделения прибора на аналоговую и цифровую части проявляют­ся и в расположении органов управления: традиционные органы управления, характерные для обычного осциллографа, занимают «свою территорию» — отделены от клавишей, с помощью которых осуществляются возможности, заложенные в цифровой части.

Микропроцессорная система придает осциллографу новые свой­ства. Она содержит все основные модули, характерные для таких систем. Основным связующим звеном между ею и аналоговой частью осциллографа служит АЦП. Рассмотрим особенности ана­лого-цифрового преобразования осциллографируемых сигналов.

Описанный микропроцессорный осциллограф [18]—широко­полосный прибор: полоса пропускания канала вертикального от­клонения 400 МГц (минимальный коэффициент развертки 0,5 нс/дел). Необходимость запоминания высокочастотных сигна­лов при сохранении высокой разрешающей способности отображе­ния исследуемого сигнала определяет специфику аналого-цифрово­го преобразования: дискретизацию аналогового сигнала с малыми интервалами (высокой частотой) и квантование по большому чис­лу уровней. В рассматриваемом осциллографе обе операции вы­полняются с относительной погрешностью, не превышающей 2^-10, т. е. наибольшая разрешающая способность и по горизонтальной и по вертикальной оси экрана составляет 1/1024 (0,1%). Для до­стижения столь высоких характеристик требуются 10 двоичных разрядов (бит) квантования и дискретизация с частотой не ниже 1 ГГц (при полосе 400 МГц). Современные АЦП не обладают таким быстродействием. Поэтому применительно к сигналам, ото­браженным на экране осциллографа, разработай метод стохасти­ческой (нерегулярной) дискретизации, который позволил реали­зовать аналого-цифровое преобразование на основе 10-бнтового АЦП (также поразрядного уравновешивания), характеризуемого временем преобразования 1 мкс.

Поясним сущность этого метода, для чего воспользуемся рис. 3.25.

Экран ЭЛТ представляется в виде совокупности п*т элемен­тарных ячеек: n=1024 — число ячеек по вертикали, т = п (или п/2, п/4, п/8) — число ячеек по горизонтали. Порядковый номер i ячейки, отсчитываемый по горизонтальной оси, указывает адрес определенной ординаты кривой отображаемого сигнала, а поряд­ковый номер k той же ячейки по вертикали соответствует числово­му значению i-й ординаты. Число i получается в результате ана­лого-цифрового преобразования развертывающего напряжения, поступающего из канала горизонтального отклонения в АЦП ка­нала X. Образующееся на выходе этого АЦП число, соответст­вующее значению резвертывающего напряжения в момент выбор­ки, поступает в шину адреса и используется для формирования адреса ячейки памяти энергонезависимого запоминающего уст­ройства. Число k представляет результат аналого-цифрового пре­образования осциллографируемого сигнала, подводимого из ка­нала вертикального отклонения к АЦП канала Υ. Полученное число передается через шину данных в ячейку памяти указанного адреса, в которой и хранится.

Моменты выборок (дискретизации) сигналов, поступающих из каналов горизонтального и вертикального отклонения на соответ­ствующие схемы выборки и запоминания, задаются импульсами, вырабатываемыми генератором синхронизирующих сигналов. Им­пульсы выборок имеют очень малую длительность (они подобны импульсам, применяемым для дискретизации сигналов в стробоско­пических осциллографах). Поэтому напряжение выборки запоми­нается конденсатором, содержащимся в схеме выборки и запоми­нания, на время, достаточное для преобразования с помощью АЦП (в данном случае за 1 мкс). Интервалы следования импульсов- выборок изменяются случайным образом и выборки оказываются нерегулярными по отношению к преобразуемому аналоговому си­гналу. Они осуществляются в разных точках периодически повто­ряющегося сигнала. После заполнения каждой ячейки ЗУ, на­ходящейся по указанному выходным числом АЦП канала X ад­ресу, выдается сигнал (флаг), индицирующий заполнение. Резуль­таты последующих выборок фиксируются в других ячейках памя­ти. Процедура взятия выборок продолжается до заполнения по крайней мере 99% общего объема ячеек, отведенного в ЗУ для цифрового представления осциллографируемого сигнала. В резуль­тате в памяти оказываются записанными значения сигнала, кото­рые необходимы для последующего его отображения на экране осциллографа. —

Заметим, что осциллограф, описанный в [18], содержит толь­ко один АЦП, подключаемый попеременно к обеим схемам вы­борки и запоминания с помощью мультиплексора. Это, естествен­но, увеличивает продолжительность преобразования.

Как видно из рис. 3.24, микропроцессорная система имеет обыч­ную структуру, однако специфика ее работы в осциллографе оп­ределяет требования к входящим в нее модулям и алгоритмам функционирования. Сказанное прежде всего относится к микро­процессору.

Использование 10-разрядного АЦП и требования к скорости об­работки и вычислительным возможностям микропроцессорной си­стемы предопределили ориентацию на 16-разрядный микропроцес­сор. Хотя принципиально и возможно сочетание 10-разрядного АЦП и 8-разрядного микропроцессора, но в данном случае оно неприемлемо. Это объясняется тем, что при такой комбинации чи­словой эквивалент, формируемый АЦП, т. е. слово данных, при­ходится разбивать на два байта, последовательно запоминаемых и обрабатываемых, что требует значительного увеличения продол­жительности всей процедуры аналого-цифрового преобразования, вычислений и отображения. Кроме того, ограничиваются возмож­ности адресации при запоминании многочисленных значений сиг­налов и программ, да и точность вычислений оказывается недо­статочно высокой.

Примененный в осциллографе микропроцессор допускает шест­надцать вектор прерываний, что важно в специфических услови­ях работы осциллографа, особенно при подключении к системному интерфейсу. Еще одна существенная особенность микропроцессо­ра заключается в том, что он содержит шестнадцать регистров об­щего назначения. Это упрощает и ускоряет обработку данных. Сле­дует также отметить, что наличие в составе шины управления ли­ний запросов и разрешений, которые можно использовать для очи­стки шин данных и адреса, создавая прямой доступ к памяти, позволяет ускорить запись и считывание текущих данных обраба­тываемого сигнала, сократить продолжительность аналого-цифро­вого преобразования и процедуры отображения.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), служащее для хранения программы управления, имеет емкость 32 Кбайт. Преду­смотрена возможность применения программируемого ПЗУ. Ос­новное ОЗУ рассчитано на 4К двухбайтовых слов. При необходи­мости емкость ОЗУ может быть удвоена.

Система (клавиатура) управления цифровой частью прибора разделена на две подсистемы. Первая представляет собой сово­купность клавиш, помещенных непосредственно на передней па­нели осциллографа и предназначенных для выполнения лишь тех функций, которые относительно близки к традиционным: измере­ния максимального и минимального значений напряжения иссле­дуемого сигнала, его размаха, среднеквадратического значения, длительностей фронта и среза прямоугольного импульса и т. п. Сюда же относятся клавиши для управления дискретизацией сиг­нала. Пользователь осциллографа имеет возможность уменьшать число выборок (вместо 1024 устанавливать 512, 256 или 128 вы­борок). Это позволяет увеличить число запоминаемых сигналов ценой ухудшения разрешающей способности.

Вторая подсистема — это выносная клавиатура, расширяющая функциональные возможности прибора и позволяющая управлять им на расстоянии. Для облегчения эксплуатации осциллографа выносная клавиатура ориентирована на язык символьных кла­виш— язык программирования, применяемый в настольных каль­куляторах. Особенность этого языка заключается в том, что кон­кретная функция задается нажатием (одним пальцем) клавиши, имеющей соответствующее мнемоническое обозначение. Каждая операция (определяемая только оператором и операндом) выпол­няется независимо от остальных и результат получается немедлен­но. Его можно отобразить совместно с названием операции на эк­ране ЭЛТ.

Одна группа клавиш служит для выбора режима осциллогра- фирования: в реальном масштабе времени или с запоминанием, а также сочетания того и другого. Другая группа клавиш, определя­ющих характер изображения на экране (точечное или непрерыв­ное), а также позволяющих получить осциллограммы в системе координат сигнал — время или сигнал — сигнал и стирать изобра­жение (полностью или частично), помогает управлять отображе­нием в режиме запоминания. Предусмотрены клавиши, с помощью которых можно изменять масштабы по вертикальной и горизон­тальной осям, а также перемещать осциллограмму по экрану. Имеются клавиши для ввода констант, выбора номера хранимого сигнала, изменяя числа и положения меток, используемых при из­мерениях. Группа клавиш служит для выполнения математических операций с числами — арифметических, вычисления логарифмов, экспоненциальных функций. Специальные клавиши дают возмож­ность выполнять такие функциональные преобразования сигналов, как дифференцирование, интегрирование, усреднение, и осущест­влять линейную интерполяцию для восстановления формы сигна­ла по отдельным точкам (эти точки соединяются отрезками пря­мых). Еще одна группа клавиш предназначена для задания прог­раммного режима работы. Предусмотрена возможность прерыва­ния программы по требованию пользователя прибора.

Кроме аналоговых микропроцессорных осциллографов, имеют­ся полностью программируемые цифровые осциллографы- (см. § 12.7).