Аналитичен преглед на съвременни цифрови осцилоскопи, Лаборатория по електронни средства за обучение

Окончателна квалификационна работа. Част 1.

1.1 Сравнение на аналогови и цифрови осцилоскопи

Осцилоскоп (лат.oscillo- люлеене иgraph- писане) е устройство, предназначено за изследване на електрически сигнали във времевата област чрез визуално наблюдение на графиката на сигнала на екрана, както и за измерване на амплитудата и времевите параметри на сигнала под формата на графика.

Никой друг инструмент, с изключение може би на мултицет, не е толкова разпространен, колкото осцилоскопа. Използването на съвременни цифрови технологии доведе до сериозна промяна в характеристиките и възможностите на тези устройства. Но традиционните аналогови осцилоскопи в реално време не са изчезнали от пазара - техният парк все още расте. Първо, те твърдо заемат нишата на прости евтини осцилоскопи. Второ, те все още са незаменими при изследването на високочестотни сигнали. В допълнение, с развитието на елементната база, аналоговите осцилоскопи са придобили редица важни допълнителни функции и възможности, например изключително улесняващи работата на курсорите с цифрово отчитане на стойности (напрежение и време) и много удобно цифрово управление. С помощта на входен мултиплексор за няколко канала е доста лесно да се организира еднократно сканиране на еднолъчева тръба, показваща няколко сигнала.

Наред с аналоговите осцилоскопи широко приложение намират и цифровите осцилоскопи. Ако не бяха ограниченията, дължащи се на крайното време за цифровизация на сигнала и относително високата цена, те биха могли почти напълно да заменят аналоговите си колеги. Пълната цифровизация на сигнала избягва показването на сигнала в реално време и следователно подобрява стабилността на изображението, организира запазванеторезултати и записване на редки или бавни процеси (подобно на осцилоскоп за съхранение), опростяване на мащабиране и разтягане, въвеждане на етикети.

Използването на дисплей вместо тръба на осцилоскоп отваря възможност за показване на допълнителна информация и управление на инструмента чрез менюто.

По-скъпите устройства имат цветен дисплей, така че те улесняват разграничаването на сигнали от различни канали, маркировки за време и амплитуда, курсори. Най-новите модели могат да акумулират сигнала, показан при голям брой завъртания, както и да маркират цветно местата с най-висока повторяемост на сигнала.

Друго важно предимство е, че отличните показатели за тегло и размери (3–5 kg) и ниската консумация на енергия позволяват производството на такива устройства във версия за носене.

Цифровите осцилоскопи също имат недостатъци. Основният е не много висококачественото показване на детайлите на сигнала поради недостатъчна честота на дискретизация (честота на дискретизация). Това се обяснява с факта, че сегашното ниво на елементната база не позволява да се дигитализира сигнала при скоростите, необходими за изследване на високочестотни сигнали и бързи преходни процеси. Според известната на всички инженери теорема на Котелников, за надеждно възстановяване на сигнала, честотата на дигитализиране трябва да бъде поне два пъти по-висока от максимално възможната в работната честотна лента на осцилоскопа. Ширината на честотната лента на осцилоскопа е свързана с честотата на дискретизация и колкото по-висока е честотната лента на осцилоскопа, толкова по-висока трябва да бъде честотата. Освен това не само честотата на дискретизация е важна, а честотата на дискретизация по отношение на един канал.

За да се увеличи скоростта на цифровизацията, се използват специални техники. Един от тях е паралелизиране на процеса на цифровизация с помощта на няколко ADC. Обикновенотова се прави чрез използване на ADC на други канали и по този начин, когато се изследват високочестотни сигнали, осцилоскопът се променя от многоканален на едноканален. Друг метод е да увеличите скоростта чрез намаляване на разделителната способност.

Независимо от това, дори и с тези ограничения, производителността на съвременните цифрови осцилоскопи е впечатляваща:

висока чувствителност (от 1 mV/div) и разделителна способност (от 8 до 14 бита);
широк диапазон от коефициенти на изместване (от 2 ns до 50 s);
разтягане на сигнала във времето или по амплитуда в широк диапазон;
усъвършенствана логика за синхронизация с всякакви закъснения на задействане на почистване.

DSP, използвани в осцилоскопите, осигуряват възможност за изследване на спектъра на сигнала чрез FFT анализ. Цифровото представяне на информацията гарантира, че екранът с резултатите от измерването се съхранява в паметта на компютъра или се извежда директно на принтера. Някои осцилоскопи дори имат флопи дисково устройство за записване на изображения като файлове за по-късно архивиране или допълнителна обработка. Някои модели осцилоскопи изобщо нямат екран - за показване се използва компютърен дисплей.

1.2 Сдвояване на цифров осцилоскоп с компютър

Има някои проблеми при свързване на цифрови осцилоскопи към компютър с помощта на допълнителни аксесоари. В тази връзка представляват интерес така наречените виртуални устройства, направени под формата на приемници за компютър. Виртуалните инструменти (virtual instruments, vi) са компютърни програми, които визуализират сигнал, извършват неговата трансформация и анализ. Виртуалните инструменти се използват както заподмяна на конвенционални измервателни уреди, както и за извършване на уникални измервания

Най-характерният представител на такива устройства е виртуален осцилоскоп. Всъщност такива устройства представляват микропроцесорна измервателна приставка за настолен или мобилен компютър, която ви позволява да наблюдавате на екрана на монитора доста реални и висококачествени осцилограми с висока разделителна способност, различни цветове на линиите и без геометрични изкривявания. С помощта на високоскоростен аналогово-цифров преобразувател (ADC) устройството дигитализира входния сигнал и прехвърля кодовете за четене към компютъра през един или друг комуникационен порт с външни устройства.

Думата "виртуален" не трябва да бъде подвеждаща, тъй като устройствата, реализирани с помощта на тази технология, всъщност са реални, работещи с реални физически входни сигнали. Виртуалността тук се разбира в смисъл на виртуална симулация на функциите на устройството чрез математически и софтуерни методи. Например, виртуален осцилоскоп е функционално еквивалентен на реален осцилоскоп, защото има физически вход за електрически сигнал. Сигналът се преобразува в цифров сигнал от ADC. По-нататъшната обработка и контрол на сигнала, извеждането му за наблюдение се извършват софтуерно. Такъв осцилоскоп има виртуален екран, виртуални копчета за управление (усилване, синхронизация, размахване и др.), Графично показани на екрана на монитора на компютъра. Копчета, превключватели, бутони на виртуалния инструмент се управляват от клавиатурата или с мишката.

1.3 Изход

Използването на измервателни системи, взаимодействащи с компютър, осигурява редица предимства:

дизайнът на устройството е драстично опростен, тъй като електронният лъчслушалка, дисплей с течни кристали, различни органи за управление, мощно и високоволтово захранване и други;
цената на устройството е намалена;
реализира се естествено скачване с компютър, което гарантира лекота на цифрова обработка на данни;
става възможно лесното прилагане на методи за цифрова обработка на сигнала, например изграждане на спектър чрез метода на бърза трансформация на Фурие или запис на сигнали за дълъг период от време със сигнала, записан в паметта на компютъра.

Възможността за автоматизиране на процеса на измерване, високи метрологични характеристики, понякога недостъпни за аналогови инструменти, сравнително ниска цена, възможност за цифрова обработка и запазване на резултатите от измерванията, правят такива измервателни системи, базирани на технологията на виртуалните инструменти, много обещаваща посока в развитието на измервателната технология.