Принцип роботи та побудова цифрових осцилографів

Цифрові осцилографи більшою мірою відповідають сучасним вимогам до засобів вимірювань і реєстрації електро - і радіотехнічних сигналів, ніж аналогові. Вони володіють більш високими метрологічними характеристиками, досить високими рівнями автоматизації процесів вимірювання і реєстрації. Цифрові осцилографи універсальні, працюють у режимах самотестування і самодіагностики, зберігання і логіко-математичної обробки інформації, мають вихід через КЗК на зовнішні пристрої (вимірювальні прилади, ЕОМ, цифродруку та ін).

Принцип цифрової осцилографії ґрунтується на аналого-цифровому перетворенні миттєвих значень досліджуваного сигналу в пропорційні коди, які попередньо записуються в оперативну пам'ять, тобто запам'ятовуються, а потім уводяться в блок відображення інформації (дисплей), а також підлягають математичній і логічній обробці.

Цифровий осцилограф використовує абсолютно інший принцип роботи (рис. 2.4а). Вхідний сигнал, у розмірі вибраного кадру, пройшовши всі вхідні підсилювачі і атенюатори надходить на АЦП, де перетворюється в цифрову форму і надходить у внутрішню пам'ять для подальшої обробки,час цієї обробки досить великий в порівнянні з часом кадру, затримка при виведенні на екран виходить досить велика, частина інформації про зміну сигналу між кадрами втрачається (рис.2.4б). Це один з головних недоліків всіх цифрових осцилографів. Основний спосіб боротьби з цим недоліком - використання пам'яті більшого обсягу, щоб збільшити розмір «кадра» (рис.2.4в).
До достоїнств цифрових осцилографів відносять легкість сполучення з обчислювальною технікою, можливість запам'ятовування фрагментів сигналу, різні види автоматичних вимірювань (обробка сигналу, спектральний аналіз, різні перетворення «на льоту»).

Основним параметром будь-якого осцилографа є смуга пропускання - частота, при якій амплітуда вхідного сигналу, підтримуваної стабільною за рівнем, зменшиться на екрані осцилографа на 3 dB (або до рівня 0,7 від початкової амплітуди). Інший важливий параметр - розрядність АЦП. Найчастіше в цифрових осцилографах використовуються восьмирозрядний АЦП (256 відліків по амплітуді), що цілком достатньо для дослідження сигналу.

а)

б)

в)

Рис.2.4 Принцип роботи цифрового осцилографа

Наприклад, якщо, у даній роботі використовується цифровий осцилограф компанії Good Will (Instek) GDS-840C: смуга пропускання 250 МГц, частота дискретизації 100 Мвиб / сек, еквівалентна частота дискретизації 25 Гвиб / сек, пам'ять 128К, кольоровий LCD-дисплей 640x480, інтерфейси RS-232, USB, LPT.

Одна з найбільш використовуваних функцій цифрового осцилографа - це автоматичні вимірювання, що дозволяє одним осцилографом замінити вольтметр, частотомір і вимірювач часових інтервалів. У цьому режимі осцилографи GW Instek забезпечують вимірювання 15 параметрів вхідного сигналу: частота, період, час наростання (rise time), час спаду (fall time), шпаруватості імпульсів, тривалість імпульсу (позитивна і негативна: + Width,-Width), максиРисьне і мініРисьне значення амплітуди (Vmax, Vmin), розмах від піку до піку (Vp-p) і пр.

Рис.2.5 Основні параметри періодичного сигналу

Інша корисна особливість цього цифрового осцилографа - можливість сполучення з комп'ютером через інтерфейс RS-232 або USB.

Рис. 1.10. Узагальнена структурна схема цифрового осцилографа

Цифрові осцилографи виконуються, як правило, програмованими, що обумовлює їх широкі функціональні можливості. В найбільш загальному вигляді структурна схема такого осцилографа зображена на рис.1.10.

Центральна роль в осцилографі відводиться процесору, який здійснює математичну і логічну обробку вимірювальної інформації, аналіз одержаних результатів і керування режимами його роботи. Він виконується на мікропроцесорі або мікроЕОМ.

Одним із головних вузлів осцилографа є АЦП, який багато в чому визначає швидкодію приладу, частотний діапазон вхідного сигналу і точність вимірювання або відтворення сигналу.

Таймер може входити до складу процесора. Він являє собою пристрій, призначений для задання каліброваних міток часу, які використовуються для формування часових інтервалів, забезпечення синхронізації роботи вузлів осцилографа, задання циклічного рівномірно зростаючого в часі коду, що керує розгорткою блока відображення інформації. Таймер виконується на основі генератора імпульсів, при необхідності з кварцовою стабілізацією.

Коди миттєвих значень uq вхідного сигналу u(t) при його відтворенні і результати вимірювань у число-літерному вигляді виводяться на блок відображення інформації (дисплей), який виконується на основі або ЕПТ, або матричної індикаторної панелі. При використанні ЕПТ для одержання відтвореного сигналу коди його миттєвих значень попередньо перетворюються за допомогою першого ЦАП у пропорційну напругу, яка подається на пластини Y вертикального відхилення променя ЕПТ, а коди часової розгортки, завдяки другому ЦАП, перетворюються в напругу горизонтального відхилення променя ЕПТ.

Подання інформації в цифровому вигляді дозволило перейти до нового типу індикаторів - плоского екрана на матричних індикаторних панелях (МІП), що має низку переваг над ЕПТ. У самому загальному вигляді МІП являє собою матрицю точкових елементів індикації, конструктивно розміщених у вертикальних стовпцях та горизонтальних рядках і електрично ввімкнутих до керуючих шин вертикального та горизонтального відхилення, потенціали на які подаються від відповідних дешифраторів (рис.1.11).

Рис.1.11. Відображення сигналу на матричній індикаторній панелі цифрового осцилографу

Коди вертикального і горизонтального відхилення перетворюються в позиційну форму за допомогою дешифраторів. Тим самим на шину одного з рядків і на шину одного із стовпців МІП надходять потенціали, які викликають світіння точкового елемента матриці, що знаходиться на перехресті цих шин. Безперервна зміна кодів дешифраторів X, Y обумовлює зміщення точок світіння вздовж осей часу і рівня, а отже, на екрані МІП створюється "точкове" зображення кривої відтвореного сигналу. Відображення осцилограм на МІП у порівнянні з ЕПТ забезпечує такі важливі переваги: усунення геометричного викривлення електронного променя на кінцях трубки і зв'язаної з цим похибки, однакову яскравість осцилограми незалежно від параметрів сигналу і можливості накопичення та зберігання цифрової інформації при введенні в МІП внутрішньої пам'яті, що дозволяє ввести в зображення осцилограм третю просторову координату, наприклад номер каналу або об'єкта контролю. Ця координата на плоскому екрані виділяється модуляцією яскравості її світіння.

Якщо перші зразки цифрових осцилографів поступалися перед аналоговими за смугою пропускання (сотні кілогерц) і Риси приблизно таку саму точність (похибки до десяти відсотків), то їх сучасні моделі мають смугу пропускання до сотень мегагерц і значно менші похибки, особливо при вимірюванні частотно-часових параметрів, для яких відносна похибка складає соті частки відсотка і менше.

Цифрові осцилографи є яскравим прикладом сучасних мультиметрів, для яких характерні гнучка структура, що може змінюватися, і, як наслідок, об'єднання функціональних можливостей декількох традиційних вимірювальних приладів. При наявності добре розробленої математичної забезпеченості, відповідних АЦП, процесорів і запам'ятовуючих пристроїв цифрові осцилографи здатні виконувати функції реєстратора перехідних процесів, цифрового мультиметра, аналізатора логічних положень, сигнатурного аналізатора, аналізатора спектра та інших вимірювальних засобів.

Наявність цифрової пам'яті в цифрових осцилографах дозволяє зберігати і відображати досліджуваний сигнал протягом будь-якого заданого проміжку часу без погіршення якості у порівнянні з аналоговими запам'ятовуючими осцилографами, застосовувати математичні моделі для лінеаризації характеристик і корекції похибок окремих вузлів вимірювального тракту приладу, проводити корекцію нуля цих вузлів, зберігати і виводити на екран інструкцію користування приладом, тестову або символьну інформацію про будь-яке порушення процесу вимірювань або несправність осцилографа. Суттєво і те, що в цифровому осцилографі можна одержати кілька незалежних розгорток для кожного каналу, що дозволяє порівнювати і аналізувати сигнали з різним масштабом часу.

Особливу практичну цінність має застосування цифрових осцилографів для дослідження низько - та інфранизькочастотних процесів. При тривалій розгортці (до десятків хвилин) цифровий осцилограф дозволяє записувати й аналізувати такі сигнали, які не можуть вимірювати аналогові осцилографи, при цьому відображення інформації може проводитись не в реальному часі, а в масштабі часу, зменшеному в будь-яке число разів. На відміну від аналогових для цифрових осцилографів не є характерним мигання зображення на низьких та інфранизьких частотах, що значно підвищує зручність їх експлуатації. Вони мають інтерфейсний блок для сполучення через КЗК з іншими системними приладами.

Наведемо типові параметри сучасних осцилографів в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 Основні параметри і характеристики сучасних осцилографів

До основних параметрів осцилографів відносяться:

Значення коефіцієнтів відхилення, похибки коефіцієнта чи відхилення зв'язана з ним похибка вимірювання напруги.

Значення коефіцієнтів розгортки, похибка коефіцієнта чи розгорнення зв'язана з ним похибка виміру часових інтервалів.

Параметри перехідної характеристики (ПХ), включаючи:

час наростання; викид; нерівномірність;

час установлення.

Параметри входу каналу вертикального відхилення,

включаючи: активний вхідний опір;

вхідна ємність; КСВН;

сумарне значення постійної і, що допускається,

змінної напруги.

Параметри синхронізації, включаючи:

діапазон частот; граничні рівні; нестабільність.

До додаткових параметрів відносяться:

Параметри АЧХ, включаючи:

смуга пропускання;

норРисьний діапазон частот;

розширений діапазон частот;

опорна частота.

Коефіцієнт розв'язки між каналами.

Для цифрових осцилографів

до додаткових параметрів можна віднести:

Частоту дискретизації.

Довжину внутрішньої пам'яті.

Точність вимірювань – це характеристика її якості, що відображає близькість результату вимірювань до істинного значення вимірюваної фізичної величини. Точність виражають оберненим значенням модуля відносної похибки вимірювання

. (1.1)

Точність засобу вимірювальної техніки характеризується його класом точності – узагальненою характеристикою, що визначається границями допустимої основної та зведеної похибок, а також іншими характеристиками, що впливають на його точність, значення яких регламентується.