Аналитический обзор современных цифровых осциллографов

Выпускная квалификационная работа. Часть 1.

1.1 Сравнение аналоговых и цифровых осциллографов
1.2 Согласование цифрового осциллографа-приставки с ПК
1.3 Вывод

1.1 Сравнение аналоговых и цифровых осциллографов

Осциллограф (лат. oscillo — качаюсь и graph - пишу) — прибор, предназначенный для исследования электрических сигналов во временной области путем визуального наблюдения графика сигнала на экране, а также для измерения амплитудных и временных параметров сигнала по форме графика.

Никакой другой прибор, за исключением, пожалуй, мультиметра, не распространен так, как осциллограф. Применение современных цифровых технологий привело к серьезному изменению характеристик и возможностей этих приборов. Но и традиционные аналоговые осциллографы реального времени не исчезли с рынка — их парк по-прежнему растет. Во-первых, они прочно занимают нишу простых недорогих осциллографов. Во-вторых, они пока еще незаменимы при исследовании высокочастотных сигналов. К тому же с развитием элементной базы аналоговые осциллографы приобрели ряд важных дополнительных функций и возможностей, например, чрезвычайно облегчающие работу курсоры с цифровым отсчетом величин (напряжения и времени) и очень удобное цифровое управление. С помощью входного мультиплексора для нескольких каналов можно достаточно просто организовать единую развертку на однолучевой трубке с отображением нескольких сигналов.

Наряду с аналоговыми осциллографами широко используются и цифровые. Если бы не ограничения вследствие конечного времени оцифровки сигнала и сравнительно высокая стоимость, они могли бы почти полностью вытеснить своих аналоговых собратьев. Полная оцифровка сигнала позволяет избежать отображения сигнала в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов и запись редких или медленных процессов (аналог запоминающего осциллографа), упростить масштабирование и растяжку, ввести метки.

Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает возможность для отображения любой дополнительной информации и управления прибором с помощью меню.

Более дорогие приборы имеют цветной дисплей, благодаря чему они позволяют легко различать сигналы различных каналов, метки времени и амплитуды, курсоры. Последние модели могут накапливать отображаемый в течение большого числа разверток сигнал, а также выделять цветом места с наибольшей повторяемостью сигнала.

Еще одно немаловажное преимущество — отличные массогабаритные показатели (3–5 кг) и малое энергопотребление позволяют выпускать такие приборы в носимом исполнении.

Цифровые осциллографы имеют и недостатки. Основной из них — не очень качественное отображение деталей сигнала из-за недостаточной частоты оцифровки (частоты выборки). Это объясняется тем, что сегодняшний уровень элементной базы не позволяет выполнить оцифровку сигнала со скоростями, необходимыми для исследования высокочастотных сигналов и быстрых переходных процессов. Согласно известной всем инженерам теореме Котельникова, для достоверного восстановления сигнала частота оцифровки должна быть как минимум вдвое выше максимальной из возможных в рабочей полосе частот осциллографа. Полоса частот осциллографа связана с частотой выборки, и чем выше коэффициент широкополосности осциллографа, тем выше должна быть эта частота. Причем значение имеет не просто частота выборки, а частота выборки в пересчете на один канал.

Для повышения скорости оцифровки используют специальные приемы. Один из них заключается в распараллеливании процесса оцифровки с помощью нескольких АЦП. Обычно это делается за счет использования АЦП других каналов, и, таким образом, при исследовании высокочастотных сигналов осциллограф превращается из многоканального в одноканальный. Другой метод состоит в повышении скорости за счет снижения разрешающей способности.

Тем не менее, даже при указанных ограничениях характеристики современных цифровых осциллографов впечатляют:

• высокая чувствительность (от 1 мВ/дел) и разрешение (от 8 до 14 бит);
• широкий диапазон коэффициентов разверток (от 2 нс до 50 с);
• растяжка сигнала по времени или по амплитуде в широких пределах;
• развитая логика синхронизации с любыми задержками запуска развертки.

Используемые в осциллографах процессоры цифровой обработки сигнала предоставляют возможность исследования спектра сигнала посредством анализа с применением быстрого преобразования Фурье. Цифровое представление информации обеспечивает сохранение экрана с результатами измерения в памяти компьютера или вывод непосредственно на принтер. Некоторые осциллографы даже имеют накопитель для гибких дисков для сохранения изображения в виде файлов для последующего архивирования или дальнейшей обработки. Некоторые модели осциллографов и вовсе не имеют экрана — для отображения применяется дисплей компьютера.

1.2 Согласование цифрового осциллографа-приставки с ПК

Существуют определенные проблемы при подключении цифровых осциллографов-приставок к ПК с помощью дополнительных аксессуаров. В связи с этим представляют интерес так называемые виртуальные приборы, выполненные в виде приставок к ПК. Виртуальные приборы (virtual instruments, vi) – компьютерные программы, визуализирующие сигнал, выполняющие его преобразование и анализ.Виртуальные приборы используют как для замены обычных измерительных приборов, так и для реализации уникальных измерений

Наиболее характерный представитель таких приборов – виртуальный осциллограф. В действительности подобный аппараты представляет собой микропроцессорную измерительную приставку к настольному или мобильному ПК, который позволяет наблюдать на экране монитора вполне реальные и высококачественные осциллограммы с высоким разрешением, разными цветами линий и с отсутствием геометрических искажений. С помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) устройство оцифровывает входной сигнал и коды отсчетов передает в ПК через тот или иной порт связи с внешними устройствами.

Слово «виртуальный» не должно вводить в заблуждение, поскольку приборы, реализованные по этой технологии, на самом деле являются реальными, работающие с реальными физическими входными сигналами. Виртуальность здесь понимается в смысле виртуальной имитации функций прибора математическими и программными методами. Например, виртуальный осциллограф по функциям эквивалентен реальному осциллографу, поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. Преобразование сигнала в цифровой сигнал осуществляется АЦП. Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляются программным способом. Такой осциллограф имеет виртуальный экран, виртуальные ручки управления (усиление, синхронизация, развертка и др.), графически отображаемые на экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора управляются с клавиатуры или посредством мыши.

1.3 Вывод

Применение измерительных систем, взаимодействующих с ЭВМ, дает ряд преимуществ:

• резко упрощается конструкция прибора, поскольку становятся ненужными электронно-лучевая трубка, жидкокристаллический дисплей, различные органы управления, мощный и высоковольтный источник питания и другие;
• уменьшается стоимость прибора;
• реализуется естественная стыковка с ПК, что обеспечивает легкость цифровой обработки данных;
• появляется возможность легко реализовать цифровые методы обработки сигналов, например, построение спектра методом быстрого преобразования Фурье или регистрации сигналов на протяжении длительного промежутка времени с записью сигнала в память ПК.

Возможность автоматизации процесса измерения, высокие метрологические характеристики, порой недоступные аналоговым приборам, относительно низкая стоимость, возможность цифровой обработки и сохранения результатов измерения, делают такие измерительные системы на базе технологии виртуальных приборов весьма перспективным направлением развития измерительной техники.