Одним из направлений развития современного приборостроения является создание технических средств на основе объединения достижений современной микроэлектроники и информационных технологий. Особенное развитие получило создание интеллектуальных (программируемых) средств измерений на основе современных аппаратно-программные средств.
Указанные средства обладают следующими преимуществами:
· возможность обработки результатов измерений;
· отображение результатов измерения с использованием возможностей современных графических редакторов;
· повышение точности и быстродействия.
В качестве примера рассмотрим цифровые осциллографы (ЦО) – представляющие собой аппаратно-программные средства с очень высокими техническими характеристиками.
По возможностям обработки сигналов и быстродействию ЦО приближаются к специализированным сигнальным процессорам, а по возможностям отображения результатов обработки превосходят их.
Внешний вид осциллографа компании RIGOL:
1 Структура и принцип действия цифрового осциллографа
На рис. 1 в предельно упрощенном виде показана структурная схема цифрового осциллографа (ЦО).
Рис. 1. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа (ЦО)
МУ – масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения); АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; МК – микроконтроллер;
ЗУ – запоминающее устройство; Э – экран; ОУ – органы управления (кнопки, ручки).
Пройдя через МУ, входное напряжение u(t) преобразуется АЦП в дискретную последовательность кодовых слов Ni, отображающих мгновенные значения ui этого напряжения. Каждое новое кодовое слово записывается в ОЗУ. При этом все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку (регистр сдвига), а самый первый N1 исчезает, как бы «выталкивается». Если ОЗУ состоит из М ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится М последних, «свежих», кодовых слов. Так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено некое заданное условие, например, когда какое-либо ui впервые превысит заданный оператором уровень («запуск по уровню»). После этого содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство ЗУ, входящее в состав микроконтроллера МК.
Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату кодовое слово Ni, находящееся в этой ячейке.
Для хорошего изображения сигнала на экране вполне достаточно 2 точки на 1 мм. Средних размеров экран имеет высоту 100 мм и ширину 120 мм. Следовательно, на экране должны располагаться 200 × 240 = 48 000 точек или более.
Таким образом, для формирования хорошего изображения ацп должен иметь не менее 8 двоичных разрядов (256 точек по вертикали) и зу должно содержать 256 ячеек.
Но количество ячеек ОЗУ может быть гораздо больше. Зачем?
ЦО позволяет делать замечательную вещь – запоминать в ОЗУ очень много кодовых слов, а потом «вытягивать» их порциями, соответствующими ширине экрана. В аналоговых осциллографах это, конечно, невозможно. Для обозначения запаса по оси времени («глубина памяти») иногда пользуются такой оценкой длительности сигнала, данные о котором записаны в ОЗУ: «число экранов». Например, «8 экранов» означает, что объём памяти ОЗУ не 256, а 2048 ячеек, в которых записано 2048 кодовых слов Ni. Каждое Ni – это 8-разрядный код, т.е. один байт, т.ч. «8 экранов» – это объём памяти в 2 килобайта. Можно вообразить очень широкий экран-ленту – в 8 раз шире натурального, но такой же высоты. На такой ленте было бы записано изображение всего сигнала. Длина этой ленты около одного метра.
Ещё одно принципиальное отличие от аналоговых осциллографов состоит в том, что в ЦО можно видеть предысторию сигнала до появления импульса запуска. Это называют «предзапуском». Кодовые слова переписываются из ОЗУ в ЗУ так, что в момент появления импульса запуска первой ячейкой ЗУ будет та, что даёт точку на вертикальной линии, проходящей через центр экрана, последующие точки располагаются направо от неё, предыдущие – налево. Положение первой ячейки можно смещать влево или вправо от центра и тем самым соответственно уменьшать или увеличивать видимый интервал предыстории.
Частоту дискретизации (частоту «выборок») можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.
Для изменения масштаба по вертикали, как и в аналоговых осциллографах, можно изменять коэффициенты усиления или деления соответственно входного усилителя или делителя напряжения.
В целом ЦО имеет больше сходства с компьютером, чем с аналоговым осциллографом. Он позволяет выполнять различные математические операции: растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, складывать и вычитать сигналы в разных каналах, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и проч.
2. Отображение сигнала на экране осциллографа
Основным недостатком всех цифровых осциллографов является, то, что они работают не в реальном масштабе времени. Что это означает?
На рис. 2 приведен схематический рисунок отображения сигнала аналоговым осциллографом, цветное поле обозначает область рисунка, отображаемую на экране (кадр). Задержка между кадрами составляет время обратного хода луча и регулируемую временную задержку (именуемую в России "стабильность" за рубежом "HOLD") запуска развертки для получения стабильной синхронизации. Это время достаточно мало по сравнению с временем развертки и поэтому если сигнал от кадра к кадру изменяется, это изменение немедленно отображается на экране, это и есть отображение сигнала в реальном времени. Динамика сигнала как по вертикали, так и по -горизонтали соответствует изменениям входного сигнала.
|
| рис. 2 |
Цифровой осциллограф использует абсолютно другой принцип работы. Входной сигнал, в размере выбранного кадра, пройдя все входные усилители и аттенюаторы поступает на АЦП, где преобразуется в цифровую форму и поступает во внутреннюю память для дальнейшей обработки (привязки к развертке, выводу на экран, измерение параметров и т.д.), время этой обработки достаточно велико по сравнению с временем кадра, задержка при выводе на экран получается достаточно большая, часть информации об изменении сигнала между кадрами теряется бесследно (см. рис. 3). Это и есть отображение входного сигнала в нереальном масштабе времени - главный недостаток всех цифровых осциллографов. Его можно попытаться сгладить, но избежать нельзя!
|
| рис. 3 |
Итак, первое искажение сигнала возникает при дискретизации входного сигнала в АЦП. Чаще всего в цифровых осциллографах используются 8-и разрядные АЦП - это 256 отсчетов по амплитуде, что вполне достаточно для исследования сигнала.
Но как входной сигнал записывается в АЦП? Тут пути разных производителей расходятся. Самый простой способ - выбрать как можно большую частоту дискретизации (исходя из соображений целесообразности и полосы пропускания) и записать их в память. Такая дискретизация, с жестко установленным временем между точками дискретизации, называется периодической (или регулярной) и используется в осциллографах Tektronix.
При этом способе дискретизации генератор, задающий шаг дискретизации запускается однократно, его сигнал показан в виде импульсной последовательности на рис. 4.
Шаг дискретизации Тд задается периодом импульсов, показанных на рис. 4, частота дискретизации равна
Fд = 1/Тд
Недостатком такого способа является то, что информация между точками дискретизации (красные точки, наложенные на сигнал) теряется безвозвратно, не смотря на высокую скорость дискретизации (см. рис 4 и 5) и объем внутренней памяти, в которой происходит дальнейшая обработка ограничен. Достоинством - простота и самое главное возможность исследовать однократные сигналы с той же достоверностью, что и периодические.
|
| рис. 4 |
|
| рис. 5 |
Естественно, изменения сигнала между точками дискретизации не отображаются на экране, поэтому отображение сигнала на экране искажается, как показано справа на рис.5, этот "дефект заложен конструктивно".
В некоторых моделях ЦО использует другой способ дискретизации входного сигнала - нерегулярной дискретизации. Например, дискретизация входного сигнала происходит с частотой 100 Мв/c (Меговыборок в секунду), при этом осуществляется несколько циклов развертки (дискретизации) N, сдвинутых относительно друг друга во времени на величину ΔTi (см. рис. 6). Этот способ дискретизации требует большого объема памяти ОЗУ и последующей обработки.
Сдвиги каждого периода развертки выбираются случайно и повторные попадания в ранее выбранные точки исключаются, при этом точки дискретизации на сигнал накладываются в N раз чаще. Если частота дискретизации в цикле Fд, то при нерегулярной дискретизации частота дискретизации равна NFд, а шаг дискретизации 1/ NFд, т.е. в N раз меньше.
За количество N периодов развертки на периодическом сигнале не остается точек, не подвергшихся дискретизации, включая мелкие детали (см. рис.6 и 7). Достоинством такого способа является возможность использовать "длинную" память и большая достоверность воспроизведения периодических сигналов.
|
| рис. 6 |
рис. 7
|
Для непериодических (однократных) сигналов указанный способ дискретизации неприменим.
Демонстрируя возможность измерения однократных сигналов, обратимся к рис 8. и 9. Для отображения одного периода синусоиды достаточно 20 точек. Рис 8 представляет собой сигнал частотой 30 МГц на однократной развертке при частоте дискретизации 100 Мв/c. При этом на один период синусоиды приходится 3 точки, в результате отчетливо видны существенные искажения сигнала. На рис 9 сигнал частотой 5 МГц, на период приходится 20 точек и существенные искажения, как видно отсутствуют.
| 
|
| рис. 8 | рис. 9 |
Картина для осциллографов Tektronix с частотой дискретизации 1 Гв/c (Гиговыборок/с) совсем иная, за счет высокой частоты дискретизации однократные сигналы передаются практически без искажения, так на рис 10 и 11 изображены сигналы частотой 100 МГц и 70 МГц, соответственно на однократной развертке.
| 
|
| рис. 10 | рис. 11 |