Цифровые осциллографы.

В последнее время все большее распространение получают электронные осциллографы с цифровой обработкой сигнала. В таких приборах аналоговый блок, представляющий собой обычный (аналоговый) осциллограф, дополнен блоком дискретизации аналогового сигнала и цифровым блоком. В состав последнего входят микропроцессор, который управляет процессами преобразования сигналов и процедурой измерения, а также клавиатура, позволяющая вводить необходимые программы. Введение цифровой обработки значительно расширило возможности осциллографа. Появилась возможность автоматизации управления его работой, увеличения производительности. Измеряемая информация может быть подвергнута необходимой обработке, упорядочению и запоминанию. Параметры сигнала в цифровой форме отображаются на жидкокристаллическом дисплее. Отсутствие электронно-лучевой трубки позволяет минимизировать размеры прибора (рис. 7.14). В одном корпусе размером 250 х 146 х 60 мм помещаются четыре прибора:

• двухканальный цифровой осциллограф 20 МГц;

• частотомер 20 МГц;

• логический анализатор на 8 каналов;

• цифровой мультиметр, 3'/₂ разряда, автоматический выбор диапазонов.

Данные запоминаются и через порт RS-232 могут передаваться на принтер или компьютер для дальнейшей обработки. Работает в среде DOS и Windows.

Массивы информации могут быть представлены на экране в виде гистограмм, графиков, таблиц и т. д. По желанию оператора можно изменить масштаб, вычленить и растянуть какую-либо часть осциллограммы, наложить друг на друга или одновременно представить на экране несколько зависимостей. Автоматическая калибровка в ходе измерения, коррекция погрешностей, уменьшение влияния помех благодаря усреднению сигнала за большое число периодов приводит к существенному повышению точности измерений. Возможность вычисления и отображения на экране преобразования Фурье исследуемого сигнала, дифференцирования, интегрирования и других операций качественно меняют характер получаемой информации.

Рассмотрим типовую блок-схему двухканального цифрового осциллографа, показанную на рис. 7.15.

Существует упрощенный вариант цифрового осциллографа, называемый компьютерным осциллографом. Прибор выполнен в виде приставки к компьютеру, в нем расположены только блоки слева от штриховой линии на рис. 7.16. В таком устройстве данные из БУ через стандартный порт (LPТ или USВ) поступают в компьютер на обработку и отображение. Через этот же порт происходит управление ВУ и АЦП со стороны компьютера. Кроме аппаратной части, компьютерный осциллограф обязательно включает программное обеспечение, выводящее на монитор компьютера окошко с экраном и кнопками, напоминающее переднюю панель обычного осциллографа (рис. 7.16).

Оценим скорость поступления информации по входам цифрового осциллографа.

Пусть максимальная частота исследуемого сигнала по каждому каналу равна ƒ _mах. По теореме Котельникова выборка данных и преобразование их в цифровой код должны происходить с частотой не ниже 2ƒ _mах. Обычно используются 8... 16 битные АЦП, тогда за секунду в МП или компьютер должно поступать не менее (1б...32)ƒ _mах бит информации. Даже если ограничиться сравнительно низкой для аналоговых осциллографов частотой ƒ _mах = 10 МГц, то окажется, что с учетом двух каналов суммарная скорость поступления данных будет составлять 320...640 Мбит/с, что превышает максимальную пропускную способность быстродействующего порта USB. Таким образом передать, а тем более обработать эти громадные потоки информации стандартными вычислительными средствами в режиме реального времени практически невозможно.

Для выхода из этого затруднения в схеме цифрового осциллографа (см. рис. 7.15) после АЦП, как правило, устанавливается БУ, предназначенное для запоминания данных за сравнительно короткий интервал времени, который условно можно назвать, как у обычного осциллографа «периодом развертки». После завершения одного такого периода БУ прекращает запись данных с АЦП и начинает передавать их в МП со скоростью, на какую рассчитаны аппаратные средства. Из-за низкой скорости, время передачи может во много раз превышать время записи. После передачи всех данных в МП, происходит запись в БУ новой порции информации и т. д. Таким образом, анализ входного сигнала происходит циклически, и за сравнительно большое время между циклами программа обработки успевает выполнить все необходимые операции.

Заметим, что практически все методы измерений, доступные для аналоговых осциллографов, находят применение и дальнейшее развитие в цифровых осциллографах.

Это относится к способам получения круговой развертки, панорамным, спектральным и другим видам измерений. Только аналоговые методы преобразования сигналов, необходимые для реализации этих методов, заменены соответствующими вычислениями.