Цифровые осциллографы

На рис. 3.9 в упрощенном виде показана структурная схема цифрового осциллографа (ЦО). Пройдя через масштабирующее устройство (МУ), входное напряжение u (t) преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в дискретную последовательность кодовых слов N_i, отображающих мгновенные значения u_i этого напряжения. Каждое новое кодовое слово записывается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). При этом все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку (регистр сдвига), а самый первый N ₁ 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 u_i впервые превысит заданный оператором уровень («запуск по уровню»). После этого содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство ЗУ, входящее в состав контроллера К. Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране, по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату – кодовое слово N_i, 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. 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 N_i. Каждое N_i – это 8-разрядный код, т. е. один байт, а «8 экранов» – это объём памяти в 2 килобайта. Можно вообразить очень широкий экран-ленту – в 8 раз шире натурального, но такой же высоты, на которой было бы записано изображение всего сигнала. Длина этой ленты около одного метра.

Рис. 3.9. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа:
МУ – масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения);
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; К – контроллер;
ЗУ – запоминающее устройство; Э – экран;
ОУ – органы управления (кнопки, ручки)

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 т. п.