Электронные осциллографы с цифровой обработкой сигнала

Появление микро-ЭВМ создало предпосылки для создания новых типов осциллографов. Измерительные приборы, которые были созданы на основе микро-ЭВМ, получили название осциллографов с цифровой обработкой сигнала; их чаще называют вычислительными осциллографами, в которых осуществляется помимо аналоговой также и цифровая, более сложная алгоритмическая обработка сигналов, информация же отображается как в аналоговой, так и в цифровой форме. Задачи, решаемые при помощи цифровых осциллографов: определение площади сигнала; длительностей фронтов; пиковых, среднеквадратических, средневыпрямленных значений сигнала; временных задержек ит.д. в цифровой форме; усреднение сигнала для выделения его из шума; наблюдение сигнала, прошедшего через произвольный цифровой фильтр, в том числе через такой, какой невозможно осуществить с помощью обычных схем; отображения сигнала в частотную область путем вычисления преобразования Фурье; внесение корректирующих поправок в сигналы, искаженные несовершенством измерительной аппаратуры; выполнение дифференцирования, интегрирования, вычисление логарифмов и экспонент, извлечение корней и т. п.

Развитию вычислительных осциллографов серьезно способство­вала разработка универсальных программируемых БИС - микропроцессоров.

Структурная схема и принципдействия осциллографа с цифровой обработкой сигнала. На рисунке 4.3 приведена упрощенная структурная схема осциллографа с цифровой обработкой сигнала.

Функционально структурную схему можно разделить на три основных блока: аналоговый блок, блок дискретизации аналоговых сигналов, цифровой блок.

Аналоговый блок представляет собой аналоговый осциллограф, который может независимо работать как обычный осциллограф. Аналоговые сигналы каналов вертикального и горизонтального отклонения непосредственно перед входом соответствующих усилителей ответвляются на вход блока дискретизации, где преобразуются с помощью АЦП в цифровой код, запоминаются в запоминающем устройстве и через ЦАП поступают на экран осциллографа. Управление АЦП производится микропроцессором. С аналого-цифровым преобразователем связано «трехкоординатное» стробирующее устройство.

Рисунок 4.3 – Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа

Чтобы запомнить поступивший на вход сигнал, управляемое микропроцессором стробирующее устройство 10 мкс стробирует сигнал вертикального отклонения осциллографа. На 100 нс позже стробируются сигналы двух других осей (Х—горизонтального отклонения и Z— гашения луча). Эта задержка нужна вследствие запаздывания запуска схемы развертки, так как без нее не удалось бы запомнить передние фронты сигналов с быстрым нарастанием. Существенно, что частота стробирования не накладывает ограничений на частотную характеристику цепей, поскольку необязательно, чтобы все выборки данного сигнала были получены за одно прохождение развертки. Естественно, чем больше скорость развертки, необходимая для наблюдения сигнала, тем меньше число выборок, получаемых за время развертки и тем больше потребуется периодов развертки для преобразова­ния входного сигнала.

Стробирующее устройство работает несинхронно с разверткой, чтобы предотвратить попадание выборок в одни и те же точки. Выборки напряжения исследуемого сигнала преобразуются обычно 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем в один из возможных кодов, соответствующих тому или иному уровню сигнала. Аналогично АЦП преобразует выборку сигнала горизонтального отклонения в цифровой код одной из позиций памяти. Однако, если выборка сигнала гашения луча указывает, что в момент взятия вертикальной или горизонтальной выборки луч ЭЛТ был заперт, например, на время обратного хода или переключения каналов, то результат преобразования отбрасывается. Если же ЭЛТ не была заперта, то вырабатывается адрес памяти, и двоичный код вертикального напряжения запоминается в ячейке памяти с этим адресом. Таким образом, выходной код АЦП канала горизонтального отклонения используется как адрес запоминающей «ячейки», в которой хранится соответствующий данному моменту времени результат преобразования сигнала в канале вертикального отклонения, что соответствует мгновенному значению уровня выходного сигнала. Имеется еще один режим приема данных. В микропроцессор может поступить в любой момент величина последней вертикальной выборки непосредственно с выхода аналого-цифрового преобразователя, что позволяет одной операцией вводить неизменяющиеся данные или создавать массивы данных для медленно изменяющихся данных.

Основными узлами цифровового блока прибора являются ми­кропроцессор и устройство синхронизации. Микропроцессор имеет следующую структуру: арифметически-логическое устройство — АЛУ, устройство управления — УУ, устройство ввода-вывода — УВВ, генератор тактовых импульсов (таймер), рабочие регистры. Для запоминания сигналов и программ используется постоянное запоминающее устройство - ПЗУ. Постоянное запоминающее устройство используется также для хранения всех подпрограмм выполнения функций, заложенных на встроенной и выносной клавиатурах. Стандартный интерфейс обеспечивает связь осциллографа с внешними приборами и устройствами, что позволяет значительно расширить его функциональные возможности (например, путем использования внешнего запоминающего устройства большой емкости) и применять его в составе больших информационно-измерительных систем различного назначения, управляемых универсальными ЭВМ.

Встроенная клавиатура позволяет производить непосредственное считывание сигнала на экране осциллографа, причем предусмотрена возможность формирования средних значений исследуемого сигнала, вследствие чего значительно увеличивается отношение сигнал-шум, а следовательно, и качество изображения. Могут измеряться десятки параметров входного сигнала при нажа­тии соответствующих клавиш. Длительность вычислений не превышает нескольких миллисекунд. Для измерения параметров сигнала в заданные моменты времени на экране имеются две специальные метки, перемещение которых вдоль изображения сигнала обеспечивает эту возможность.

Для ввода числовых данных, команд, запоминания данных, выполнения математических операций, обработки случайных сигналов служит выносная клавиатура. Запоминающее устройство предназначено исключительно для хранения информации о входном сигнале. Наличие меток на экране позволяет производить вычисления параметров мгновенных значений сигнала.

Как правило, алгоритм работы цифрового блока представляет собой последовательность стандартных подпрограмм, вызов которых производится путем опроса определенной последовательно­сти клавиш. Программирование производится путем нажатия соответствующих клавиш на встроенной или выносной клавиатуре. Таким образом, осциллограф с цифровой обработкой сигнала позволяет помимо исследования сигналов традиционными методами с помощью широкополосного осциллографа произвести следующие операции:

- запоминание сигнала и дополнительной информации в цифровой форме;

- одновременное представление на экране 7—8 исследуемых сигналов, которые находятся в памяти ЗУ;

- измерение и индикация на экране в цифровой форме напряжения и временных интервалов сигналов;

- вычисление различных параметров сигналов, представление сигналов в различных масштабах;

- наглядное представление на экране больших массивов данных (например, в виде гистограмм).

Одной из наиболее привлекательных особенностей осциллографа с цифровой обработкой является его способность вычислять и отображать на экране преобразование Фурье любого входного сигнала.

Осциллографы с цифровой обработкой позволяют просто, как указывалось, осуществить извлечение повторяющегося сигнала из шумов.

В качестве примера осциллографа с цифровой обработкой сигнала можно указать С1-108, имеющий встроенный микропроцессор, с помощью которого усредняются сигналы, складывают и вычитают, умножают и делят, выполняют коррекцию погрешностей и преобразования Фурье. Полоса пропускания –
350 МГц, время нарастания переходной характеристики - 1 нс, коэффициент отклонения – 10 Мв/см.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: