Типы цифровых осциллографов

Введение

История этого прибора  началась еще в 1947 году, когда американская фирма Tektronix запустила производство первой модели аналоговых осциллографов Tektronix Model 511, на основе применения катодно-лучевой трубки. А уже в 1980 годах начался принципиально новый этап развития осциллографов: американская фирма LeCroy Corporation выпускает первые цифровые запоминающие осциллографы. А широкое распространение и прогресс в развитии современных цифровых технологий привели к серьезному изменению характеристик и расширению возможностей осциллографов этого типа.

По способу обработки  входного сигнала осциллографы можно  разделить на аналоговые и цифровые, а также по количеству лучей на однолучевые, двулучевые и т.д. N-лучевой осциллограф имеет N сигнальных входов и может одновременно отображать на экране N графиков. Цифровые осциллографы в свою очередь делятся на запоминающие, люминофорные и стробоскопические.

Типы цифровых осциллографов

Цифровые запоминающие осциллографы

По сравнению с аналоговыми  предшественниками они имеют  более широкие возможности, а  благодаря снижению стоимости цифровых схем с каждым годом они становятся более доступными потенциальным  покупателям. В общем виде цифровой осциллограф состоит из входного делителя, нормализующего усилителя, аналого-цифрового преобразователя, блока памяти, устройства управления и устройства отображения. Устройство отображения обычно выполняется на основе жидкокристаллической панели.

Цифровые осциллографы владеют  значительными возможностями за счет самого принципа работы. Входной  сигнал после нормализации преобразуется  в цифровую форму и записывается в память. Скорость записи (количество выборок в секунду) задается устройством  управления, и ее верхний предел определяется быстродействием аналого-цифрового преобразователя, а нижний предел теоретически не ограничен, в отличие от аналоговых осциллографов.

Полная оцифровка сигнала  позволяет избежать отображения  сигнала в реальном масштабе времени  и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов, 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, могут  накапливать отображаемый в течение  большого числа разверток сигнал, а также выделять цветом места  с наибольшей повторяемостью сигнала.

Характеристики современных  цифровых осциллографов впечатляющие: 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.

Кроме обычных схем запуска  синхронизации запуск может производиться, например, при наступлении определенного  события или при его отсутствии, а также при достижении определенного  значения параметра сигнала. Сигнал, по которому осуществляется синхронизация, и основной сигнал можно наблюдать  в момент непосредственно перед  запуском 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 имеют накопитель для сохранения изображения в виде файлов для последующего архивирования или дальнейшей обработки. 

Цифровые люминофорные осциллографы

Этот класс цифровых осциллографов  использует новую архитектуру построения, которая базируется на технологии «цифрового люминофора». Эта технология в цифровой форме имитирует присущее аналоговым осциллографам реального времени изменение интенсивности изображения.

Иными словами, цифровые люминофорные осциллографы позволяют разработчикам видеть на экране, например, модулированные сигналы и все их тонкие детали, как и аналоговые осциллографы реального времени, обеспечивая при этом их хранение, измерение и анализ, как цифровые запоминающие осциллографы.

Как и другие современные  цифровые осциллографы, люминофорные осциллографы имеют память, в которой, в частности, хранятся значения разницы времен задержек между различными пробниками.

Для примера, способность  цифровых люминофорных осциллографов отображать информацию с переменной интенсивностью существенным образом облегчает поиск неисправностей в импульсных блоках питания, особенно определение избыточной глубины модуляции сигнала в цепях регулировки выходного напряжения, которая, как известно, приводит к нестабильности работы этих блоков.

Таким образом, цифровые люминофорные осциллографы не только объединяют лучшие качества аналоговых и цифровых приборов, но и превосходят их. Они имеют все достоинства цифровых запоминающих осциллографов (от хранения данных до сложных видов синхронизации), обеспечивая в то же время особые возможности аналоговых осциллографов реального времени (мгновенную реакцию на изменение сигнала и отображение сигнала с переменной яркостью, которая есть возможной за счет цифровой эмуляции флюоресценции).

Цифровые стробоскопические осциллографы

В этом классе приборов используется принцип последовательного стробирования  мгновенных значений сигнала для  преобразования (сжатия) его спектра; при каждом повторении сигнала определяется (отбирается) мгновенное значение сигнала  в одной точке.

К приходу следующего сигнала  точка отбора перемещается по сигналу, и так до тех пор, пока он не будет  весь простробирован. Преобразованный сигнал, представляющий собой огибающую мгновенных значений входного сигнала, повторяет его форму.

Длительность преобразованного сигнала во много раз превышает  длительность исследуемого и, следовательно, имеет место сжатие спектра, что  эквивалентно соответствующему расширению полосы пропускания. Стробоскопические  осциллографы наиболее широкополосные (значение полосы пропускания может  становить 100ГГц) и позволяют исследовать  периодические сигналы с минимальной  длительностью.

Но следует отметить, осциллографы этого класса являются очень дорогими, а поэтому используются, как правило, для решения сложных технических  и производственных проблем.

Виртуальные осциллографы

Новый класс осциллографов, который может быть как внешним  прибором с USB или параллельным портом ввода-вывода данных, или же внутренним дополнительным прибором на основе PCI или ISA карт. Программное обеспечение  любого виртуального осциллографа дает возможность полного управления прибором, а также предоставляет  ряд сервисных возможностей, например, экспорт/импорт данных, математическая обработка сигналов, расширенные  измерения, цифровая фильтрация и т. д.

Различные серии осциллографов  на базе ПК могут использоваться для  очень широкого спектра измерений, в частности при разработке и  обслуживании радиоэлектронной аппаратуры, в сферах телекоммуникаций и связи, при производстве компьютерной техники, при диагностике автотранспортных средств на станциях техобслуживания и многих других, в которых необходимо тестировать и оценивать происходящие переходные, неустойчивые процессы.

Учитывая ключевые преимущества – высокое быстродействие, малые  габариты, легкость в использовании  и невысокую стоимость, можно  утверждать, что данные приборы –  достойная альтернатива традиционным цифровым запоминающим осциллографам. Недостатком прибора является невозможность  увидеть и измерить постоянную составляющую сигналов.

Портативные осциллографы

Прогресс в развитии цифровых технологий позволил обычные стационарные цифровые осциллографы преобразовать  в портативные осциллографы с  отличными массогабаритными показателями и с малым энергопотреблением.

Причем портативные приборы  с питанием от батареек не уступают стационарным осциллографам по функциональности и имеют широкие возможности  применения в различных отраслях производства, обслуживания, исследований. 

Конструкция и особенности цифровых осциллографов.

Цифровой осциллограф  – это конструктивное объединение  аналогового осциллографа и электронно-вычислительной машины. С его помощью можно  не только отображать характеристику напряжения в реальном времени, но и  выполнять различные математические операции: складывать и вычитать сигналы  в разных каналах, растягивать во времени фрагменты записанного  в память сигнала, определять частотный  спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и  прочее.

МУ – масштабирующее устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; К – контроллер; ЗУ –  запоминающее устройство; Д – дисплей; ОУ – органы управления (кнопки, ручки)

Рисунок 1 – Внешний вид цифрового осциллографа (а) и его структурная схема (б)

Входной сигнал u(t) проходит через масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения) и попадает в аналогово-цифровой преобразователь. Задача этого звена – это заменить полученную зависимость дискретной последовательностью кодовых слов N_i (мгновенных значений u_i этого напряжения). Полученное кодовое слово записывается оперативным запоминающим устройством, при этом, все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку (регистр сдвига), а самый первый N₁ 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. После этого, содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство, где каждой ячейке соответствует точка на экране, отличающаяся от фона. Координата Х определяется номером ячейки, а координата Y кодовым словом N_i, которое находится в этой ячейке.

В отличие от аналоговых осциллографов, цифровые осциллографы, позволяют запоминать в оперативном запоминающем устройстве много кодовых слов, а потом  «вытягивать» их порциями, соответствующими ширине экрана.

Также ещё одно принципиальное отличие от аналоговых осциллографов  состоит в том, что на цифровом осциллографе можно видеть предысторию  сигнала, до появления импульса запуска, это называют «предварительным запуском». Кодовые слова переписываются из оперативного запоминающего устройство в запоминающее устройство так, что  в момент появления импульса запуска  первой ячейкой запоминающего устройства 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.

Можно выделить следующие  преимущества цифрового осциллографа:

- высокая точность измерений;

- яркий хорошо сфокусированный  экран  на любой скорости  развёртки;

- возможность отображения  сигнала до момента запуска;

- возможность остановки обновления экрана на произвольное время;

- возможность детектирования  импульсных помех;

- автоматические средства  измерения параметров сигналов;

- возможность подключения  принтера для создания отчётов  измерений;

- возможность статистической  обработки сигнала;

- средства самодиагностики  и самокалибровки;

- резко очерченные контуры  изображения сигнала;

- возможность исследовать  детально переходные процессы;

- считывание предварительно  записанных данных;

- широкие аналитические  возможности и упрощённая архивация;

- возможность сравнения  предварительно записанных данных с текущими.

Основные  рабочие характеристики осциллографов

Основными параметрами, которые  определяют возможности и степень  функциональности цифровых осциллографов, являются рабочие характеристики, понимание  которых позволяет потенциальным  пользователям при выборе прибора  оценить и сравнить между собой  разные модели из широкого ассортимента, предлагаемого современными разработчиками.

Полоса пропускания - максимальная частота пропускания прибора и равна частоте, на которой амплитуда сигнала уменьшается до 70,7% значения или на 3дБ (логарифмическая зависимость). Но для цифровых осциллографов следует различать понятия полосы пропускания для повторяющихся сигналов и полосы пропускания для однократных сигналов. Первая из них не зависит от такой характеристики как частота дискретизации, и имеет достаточно высокое значение по той причине, что осциллограф воспроизводит повторяющийся сигнал за несколько запусков. Что касается работы с однократными или с непериодическими сигналами, то в этом случае полоса пропускания зависит от частоты дискретизации, так как осциллографу необходимо захватить и оцифровать полученный сигнал за один такт.

При выборе цифрового осциллографа существует правило, что полоса пропускания  должна минимум в три раза превышать  значения основных частот исследуемых  сигналов и чем больше соотношение (может достигать 10:1), тем точнее результат выдает осциллограф.

Также следует отметить еще  одну характеристику, которая определяет требования пользователя к полосе частот, время нарастания фронта импульса. Ведь очень часто исследуемые сигналы содержат множество гармоник на частотах, отличающихся от фундаментальных значений частот тестируемого сигнала, и, например, если пользователь рассматривает прямоугольный сигнал, то на самом деле он содержит частоты, по меньшей мере, в 10 раз превышающие базовую частоту исследуемого сигнала. И если значение полосы частот осциллографа будет неудовлетворительным, то при тестировании сигналов на экране вместо чётких и ясных краёв, характеризующих высокую скорость нарастания фронта импульса, будут отображаться закруглённые углы.

Частота дискретизации – равна скорости, с которой осциллограф может оцифровывать входной сигнал. Эта характеристика, как уже отмечалось выше, при более высоких значениях отвечает за более высокие значения полосы пропускания однократных сигналов и, соответственно, дает лучшее разрешение. Следует также отметить, что указанное в инструкции значение частоты дискретизации касается только одного канала, а при работе с несколькими каналами одновременно значение этой характеристики уменьшается и приводит к появлению искаженных сигналов. Еще одним важным замечанием для пользователей служит то, что большинство осциллографов работают на максимальной частоте дискретизации только на самых быстрых скоростях развертки, а на медленных скоростях развертки частота дискретизации автоматически уменьшается.

Объем памяти – характеристика цифрового осциллографа, которая связана со значением частоты дискретизации, а также зависит от требуемого времени непрерывного анализа. Приборы с большим объемом памяти позволяют просматривать захваченные сигналы длительные периоды времени с большим разрешением между точками. Для каждого конкретного случая, принимая во внимание значения временного интервала (ВИ) и частоты дискретизации (ЧД), можно рассчитать величину объема памяти (ОП) следующим образом:

ОП=ЧД×ВИ

Поскольку глубина памяти осциллографов ограничена, то, соответственно, возникает необходимость в ограничении  частоты выборки, по той причине, что чем глубже память осциллографа, тем больше времени выделяется на захват точек данных при максимальном значении частоты дискретизации.

Из описанного выше можно  сделать два простых вывода:

Для сохранения максимальной частоты дискретизации при увеличении значений коэффициента развертки необходимо увеличивать размер внутренней памяти;

При уменьшении длинны внутренней памяти и постоянном коэффициенте развертки, частота дискретизации неизбежно  уменьшается.

Количество каналов – характеристика цифровых осциллографов, которая обеспечивает пользователю возможность одновременного исследования двух или больше сигналов. Следует отметить, что на сегодняшний день наибольшим спросом пользуются двух канальные осциллографы. Существуют также осциллографы, включающие в себя как основные, так и дополнительные каналы (см. рис.2, рис.3). В этом случае в осциллографе имеются аналогово-цифровые преобразователи для основных каналов, а дополнительные каналы используются для работы с цифровыми сигналами.

Режимы синхронизации – запуск осциллографа по фронту (перепаду) используется большинством пользователей и является достаточным для решения общих задач. Но при постановке более сложных проблем (исследование сигналов сложных форм) возникает потребность в использовании дополнительных возможностей по запуску. Современные модели осциллографов предлагают дополнительные функции запусков, например, по логическому состоянию, по импульсной помехе, по телевизионному или видеосигналу и т.д. 
В таблице 1 представлены семь возможных режимов запуска для осциллографов RIGOL серии DS1000: по фронту, длительности импульса, по скорости нарастания, по видеосигналу, чередующийся, по заданному шаблону логического состояния, а также его продолжительности (осциллографы для смешанных типов сигналов).

Таблица 1.

Режимы курсорных измерений — позволяют производить амплитудные или временные измерения путем установки вертикальных или горизонтальных курсоров в нужные точки осциллограммы. Например, при амплитудных измерениях можно определить значение размаха или разности напряжений, а при временных измерениях — разность значений по оси времени.