7.3 Цифровые осциллографы
Существенным шагом вперед по пути автоматизации изменений является создание цифровых осциллографов, в которых аналоговый исследуемый сигнал сразу же во входном блоке преобразуется в цифровую форму и запоминается в блоке памяти. Зафиксированный в памяти сигнал может быть использован для отображения его на экране ЭЛТ, на плоском экране или любым другим способом.
Наряду с повышением точности осциллоградирования, цифровые осциллографы позволяют полностью автоматизировать процесс измерения, осуществлять дистанционное управление режимом работы, производить математическую и логическую обработку информации. Использование матричных экранов (ЖКИ) снижает габариты и массу цифровых осциллографов и устраняет необходимость применения источников питания высокого напряжения.
Упрощённая структурная схема цифрового осциллографа представлена на рисунке 7.8. Выходной исследуемый сигнал U(t) подается на входное устройство, которое осуществляет усиление и согласование амплитудных и мощностных характеристик с входными параметрами аналого-цифрового преобразователя АЦП. Таким образом усиленный до необходимого уровняUн(t) сигнал поступает на АЦП. Мгновенное значение нормированного сигналаUн(t)
В моменты времени tk, задаваемы генератором Г, преобразуются в цифровые эквивалентыN(tk) и запоминаются в регистре памяти Р. Синхронно с моментом взятия цифровых отсчётовN(tk) импульсыtkпоступают на счётчик См, где появляется код, равномерно нарастающий во времени. КодыN(tk) в отражающем устройстве ОУ преобразуются в управляющие сигналыN, Вызывающие вертикальное перемещение светящейся точки экрана ОУ, а кодыM(tk) преобразуются в управляющие сигналыM, вызывающие горизонтальное перемещение светящейся точки экрана ОУ. При переполнении счётчика См, последний занимаемый исходное положение, при котором светящаяся точка также возвращается в исходное положение на экране, подготавливая новый цикл получения изображения осциллограммы.
Рисунок 7.8 Структурная схема цифрового осциллографа.
Процесс равномерного набора кода счетчиком Сми сброса его в исходное положение имитирует временную развёртку осциллографа аналогично линейно – изменяющемуся напряжению в электроннолучевом осциллографе.
При отображении сигнала в ЭЛТ, коды, соответствующие цифровым отсчётам, преобразуются в ЦАП в напряжение, которое поступает на вертикально отклоняющую систему трубки, а коды, соответствующие временной развёртке, через ЦАП подаются на горизонтально отклоняющую систему трубки.
Если ОУ построено на матричной индикаторной панели, то коды вертикального и горизонтального отклонения преобразуются в позиционную форму и выбирают одну из строк и один из столбцов матричной панели, в перекрестии которых возникает светящееся точка. ОУ индуцирует осциллограммы (одну или несколько) измерительных сигналов, выводящий знакографическую информацию, полученную в результате измерительных и вычислительных процедур, метки и маркеры.
Блок управления осциллографом включает микропроцессор, который управляет работой блоков, осуществляет синхронизацию, задаёт режимы работы прибора, производит логико-математическую обработку сигналов, осуществляет связь цифрового осциллографа с внешними устройствами и оператором.
Современная микропроцессорная техника позволяет путём включения ее в цифровой осциллограф решать практически все функциональные задачи, возникающие при исследовании сигналов, улучшать метрологические и массогабаритные характеристики.
В настоящее время основными производителями цифровых осциллографов являются такие фирмы, как “Tektronix”, “GOOGWILLInstek”, “Kreatek” и др .В основу цифровых осциллографов, разрабатываемых этими фирмами положен принцип многофункциональности, эргономичности и компактности, что в свою очередь позволяет накапливать и проводить точный анализ в реальном масштабе времени параметров сигналов во всей полосе пропускания. Все модели приборов имеют развитую систему синхронизации, обеспечивающую, например, запуск развёртки ТВ сигнала, и режим автоматических измерений 15 стандартных параметров. Функция быстрого преобразования Фурье (БПФ) позволяет проводить тестирование и поиск неисправностей путём анализа частоты и уровня гармоник на входе схемы. Автоустановка параметров усиления, развёртки и синхронизации для сигналов синусоидальной, прямоугольной формы и ТВ сигналов, позволяет проводить автоматические измерения основных амплитудно-временных параметров. Эта же функция дополнительно позволяет наблюдать фронты сигналов (нарастания и срез), просматривать ТВ сигнал по кадрам и по строкам, анализировать составляющие БПФ. Мастер – контроль подключаемых делителей обеспечивает установку требуемого коэффициента деления и своевременную калибровку пробника делителя. Информация о состоянии органов управления, параметрах текущей конфигурации и др. выводиться на экран с помощью контекстного меню подсказок. Цветной (ч/б) жидкокристаллический дисплей дифференцирует режим наблюдения сигналов по каждому каналу и комплексного сигнала, предусмотрен вывод измерительной информации с осциллографа через коммутационный модульTDS2CMAна печать и др. внешние устройства.
Основные технические характеристики ЦО.
- Дисплей - ч/б или цветной;
- Полоса пропускания - до 350 МГц;
- Количество каналов - 2 – 4;
- Синхронизация -внутренняя, внешняя;
- Частоты дискретизации - до 2 Гвыб/с ;
- Объём памяти - 2.5 Кбайт, 125 Кбайт;
- Разрешение по вертикали - 8 бит;
- Коэффициент отклонения -дискретно
от 2мВ/дел – 5В/дел- плавная
регулировка;
- Измерительный вход - открытый(DC),закрытый(АС
- Входной импеданс - 1Мом, 20 пФ;
- Коэффициент развёртки -1нс/дел – 50с/дел;
Некоторые пояснения по работе цифрового осциллографа проведены ниже.
Запись осциллограмм во внутреннюю память:
Эта возможность является в настоящий момент стандартной для всех цифровых осциллографов и позволяет записывать в память до двух осциллограмм и в последствии выводить их на экран для сравнения с осциллограммой текущего времени. Одновременно на экран выводиться данные о состоянии органов управления, при которых была произведена запись осциллограммы.
Автоматические и маркерные измерения:
Одна из наиболее используемых функций цифрового осциллографа – это автоматические измерения. Она позволяет одним осциллографам заменить такие приборы как – вольтметр, частотомер, анализатор спектра сигнала, измеритель временных интервалов. В этом режиме прибор обеспечивает измерение 15 параметров входного сигнала. Временные параметры – частоты (F), период (Т), время нарастания, время спада, скважность импульсов, длительность импульса (положительную и отрицательную). Амплитудные параметры – максимальное и минимальное значение (Vmax,Vmin), размах от пика до пика (Vp-p), средневыпрямленное, среднеквадратичное, средне амплитудное значения.; среднее из минимального (VIo) и максимального значения (Vhi). Одновременно на экран можно выводить до 5 измеряемых параметров по каждому каналу, плюс результат измерения частоты 6-ти разрядным частотомером. Если же возникает необходимость проведения измерений отличных от стандартных – в распоряжении пользователя маркерные измерения по горизонтали о по вертикали, обеспечивающее как абсолютные измерения по отношению к началу осей времени и амплитуды, так и измерения между курсорами.
Режим работы схемы синхронизации:
Помимо традиционных, для большинства осциллографов, режимов запуска развёртки, таких как автоматический, ждущий и однократный запуск развёртки, цифровые осциллографы обладают уникальным режимом запуска развёртки – это: запуск развёртки по длительности импульса, задержка запуска развёртки по времени, задержка запуска развёртки по событию и выделению телевизионных строк.
Запуск развёртки по длительности импульса:
В этом режиме запуск развёртки происходит при длительности импульса соответствующим определённым условиям. Эти условия могут быть: длительность импульса равна заданному значению, длительность импульса не равна заданному значению, длительность импульса больше заданного значения и длительность импульса меньше заданного значения. При совпадении заданных условий для длительности импульса, происходит запуск развёртки.
Задержка запуска развёртки по времени:
Пользователь может задать время задержки от момента появления импульса синхронизации до момента запуска линии развёртки. Эту задержку возможно регулировать в пределах 100 нсек – 1.3 мсек.
Задержка запуска развёртки по событию:
Пользователь может задать количество событий (импульсов) от момента появления импульса синхронизации до момента запуска линии развёртки. Пользователь может регулировать количество импульсов в пределах 2…6500.
Выделение телевизионных строк:
В этом режиме представляется возможным выделение ТВ строк в системах телевидения PAL,SECAM,NTSCпо заданному номеру строки и поля, причём в отличие от аналоговых осциллографов яркость свечения луча в этом режиме не зависит от выбранного режима.
Быстрое преобразование Фурье:
БПФ стало возможным благодаря применению в осциллографе микропроцессора с высоким быстродействием. Это по сути цифровой программный анализатор спектра с неплохим динамическим диапазоном, он позволяет оперативно отобразить спектр сигнала, присутствующего в настоящий момент на экране осциллографа и измерить параметры всех его гармоник.
Режим обучения:
Это режим работы прибора позволяет во внутреннюю память записать состояние всех органов управления, включая не только положение переключателей В/дел и Время/дел, но уровня и режимов синхронизации, режимов работы каналов, режимов измерения и т.д. Вызов этих профилей из памяти достаточно прост и существенно сокращает время установки органов управления при проведении большого числа однотипных операций (измерений), при которых необходимо периодически устанавливать разные режимы работы осциллографа.
Режим допускового контроля:
В этом режиме осциллограф по одному из портов с компьютера или в ручном режиме с передней панели осциллографа записывается маска. Это некий шаблон, в пределах которого должен находиться сигнал. Если входной находиться в пределах этого шаблона – осциллограф индицирует режим «годен», если какая-нибудь часть входного сигнала выходит за пределы маски – осциллограф индицирует режим «не годен». Гнездо выхода «годен, не годен» находиться на задней панели. Этот режим может быть применен в системах телекоммуникации для постоянного контроля за формой сигнала, или при наладке и регулировки различного оборудования, когда есть необходимость подстройки сигнала по определенному шаблону.
Цифровой осциллограф немыслим без возможности подключения к компьютеру. Поэтому в моделях цифровых осциллографов изменяются: интерфейс USB– обеспечивающий высокую скорость передачи; интерфейсRS232 портGPIB– для работы осциллографа в системе КОП. Некоторые модели цифровых осциллографов фирмы «GOODWILLInstek» включает русскоязычную поддержку как в пользовательский интерес, так и в программное обеспечение.