14. Что та­кое ад­ре­са­ция при­бо­ра в коп? Как ее про­из­во­дят? Приведите примерный ал­го­ритм про­грам­ми­ро­ва­ния измерительного при­бо­ра в со­ста­ве коп.

Управление передачей осуществляет контроллер (реализующий соответствующую интерфейсную функцию С). В качестве контроллера может выступать отдельный модуль системы, компьютер или выде­ленный для этой цели прибор. Функция С может передаваться от мо­дуля к модулю. Передача осуществляется от передатчика к приемни­кам, назначаемым контроллером. Операция распределения ролей на­зывается адресацией модулей (приборов). В одно и то же время мо­жет быть адресован один передатчик и несколько приемников. Для выполнения адресации каждый прибор в системе имеет свой уникаль­ный номер, набираемый обычно на задней панели. Адресное про­странство интерфейса от 0 до 30 (то есть всего 31 прибор в системе).

Адресация производится путем передачи по шине данных ко­манды интерфейса - байта, передаваемого при установленном сигна­ле ATN =1. Линией ATN управляет только контроллер.

MLA (My Listner Adress) Команда адресации №-го приемника имеет шестнадцатеричный код 20h+№ прибора (32+№).

МТА (My Talker Adress) Команда адресации №-го передатчика имеет шестнадцатеричный код 40h+№ прибора (64+№).

Таким образом, код команды содержит и номер адресуемого прибора.

15. Опи­ши­те ком­пен­са­ци­он­ный ме­тод ос­цил­ло­гра­фи­че­ских из­ме­ре­ний на­пря­же­ния. Ка­ко­вы его пре­иму­ще­ст­ва по срав­не­нию с ме­то­дом ка­либ­ро­ван­ных шкал? Про­ве­ди­те ана­лиз по­греш­но­стей ком­пен­са­ци­он­но­го ме­то­да ос­цил­ло­гра­фи­че­ских из­ме­ре­ний на­пря­же­ния.

Для этих измерений необходим осциллограф с двумя входами - имеющий дифференциальный усилитель в канале Y или двухканальный осциллограф в режиме сложения (вычитания) входных сигналов. Структурная схема подключения сигналов представлена на рис. 3.5.

На первый вход (для дифференциального входа - неинвертирующий вход) подается исследуемый сигнал (например, импульс). Опорное напряжение, поданное на второй вход, регулируем так, чтобы пьедестал импульса совместить с выбранной заранее линией горизонтальной линией шкалы (рис.3.6 а).

Фиксируем значение опорного напряжения U₀₁. Затем устанав­ливаем такое значение опорного напряжения U₀₂. чтобы с этой же ли­нией шкалы совместить вершину импульса (рис.3.6 б) При необходи­мости надо сменить полярность опорного напряжения. Разность на­пряжений (U₀₂-U₀₁) пропорциональна амплитуде импульса. Коэффици­ент пропорциональности найдем, приравнивая размер импульса на экране Un/Koi и величину перемещения изображения (U₀₂-U₀₁)/K₀₂:

, где

где К₀₁, и К₀₂ - коэффициенты отклонения по первому и второму входам. Отсюда следует расчетная формула:

(3.1)

В отличие от метода калиброванных шкал, компенсационный метод не требует предварительной калибровки осциллографа (что исключает погрешности калибровки) и исключает погрешности, связанные с нелинейностью от­клонения по вертикали, дискретностью шкалы осциллографа. Т.о. этот метод позволяет увеличить точность измерении, по сравнению с методом калиброванных шкал.

К недостат­кам метода следует отнести необходимость в дополнительном источнике опорного напряжения с плавной перестройкой и высокой точностью установки, а также про­ведение измерения в два этапа.

Источником погрешностей данного метода является

• погрешность установки опорного напряжения (погрешность меры) и определения разницы напряжений,

• погрешность со­вмещения точек изображения с линией шкалы (погрешность сравне­ния)

• погрешность установки отношения коэффицентов отклонения (то есть погрешность дискретной шкалы аттенюаторов осциллографа).

16. Что та­кое двой­ная раз­верт­ка ос­цил­ло­гра­фа? Для ка­ких це­лей она при­ме­ня­ет­ся? Как ис­поль­зу­ет­ся двой­ная раз­верт­ка ос­цил­ло­гра­фа для из­ме­ре­ния вре­мен­ных ин­тер­ва­лов ком­пен­са­ци­он­ным ме­то­дом?

В осциллографах с двойной разверткой канал X содержит два обычно одинаковых генератора развертки А и Б. Изображение на экране может создаваться как с ис­пользованием напряжения развертки А, так и Б. Развертки могут быть использованы независимо, но наиболее полезным является режим, ко­гда развертка Б запускается от развертки А (поэтому их иногда назы­вают задерживающая и задержанная развертки). Этот режим удобен для наблюдения сигналов большой длительности. При синхронизации осциллографа по развертке А переключение на разверку Б дает возможность про­смотреть фрагменты сигнала в крупном масштабе и измерить его па­раметры.

У правление разверткой Б осуществля­ется схемой запуска: в момент равенства постоянного опорного напряжения U_o с напряжением развертки А, вырабатывается импульс запуска развертки Б. Длительность ее устанавливается произвольно, обычно меньше, чем развертки А, режим работы - ждущий. Соответственно, масштаб изображения получается крупнее.

Для такого осциллографа, в котором задержка развёртки Б калибрована (обычно в долях амплитуды развёртки А), можно использовать метод замещения (компенсационный) для измерения временных ин­тервалов. Рассмотрим метод на примере измерения длительности импуль­са. Регулировкой задержки в режиме разверки Б устанавливаем фронт импульса на выбранную вертикальную линию шкалы и фикси­руем значение задержки ti (рис. 3.8 а).

Д алее совмещаем с этой же линией срез импульса (см. рис.3.8 б) и фиксируем задержку t₂ Длительность импульса будет равна: t_И = (t₂-t₁)*Kp_A , где Кр_А - коэффициент развертки А. Данный метод обеспечивает точность выше, чем метод калиброванных шкал, т.к многие погрешности (дискретность шкалы, субъективные погреш­ности, конечная толщина луча и пр.) исключены.

Причины погрешностей

• погрешность определения интервалов задержки, вызванные неточностью совмещения сигнала и метки, погрешностями градуировки

• погрешность установки коэффициента развёртки А

17. В ка­ких еди­ни­цах гра­дуи­ру­ют шка­лу ка­либ­ро­ван­ной за­держ­ки бло­ка двой­ной раз­верт­ки ос­цил­ло­гра­фа? По­че­му это не еди­ни­цы вре­ме­ни? Про­ве­ди­те ана­лиз по­греш­но­стей ком­пен­са­ци­он­но­го ме­то­да ос­цил­ло­гра­фи­че­ских из­ме­ре­ний дли­тель­но­сти с по­мо­щью двой­ной раз­верт­ки.

18. Ка­ко­вы осо­бен­но­сти ав­то­ма­ти­зи­ро­ван­но­го ана­ло­го­во­го ос­цил­ло­гра­фа? Ка­ко­во его на­зна­че­ние и об­ласть при­ме­не­ния? Как реа­ли­зу­ют ме­тод срав­не­ния с ме­рой в ав­то­ма­ти­зи­ро­ван­ных ос­цил­ло­гра­фах (ме­тод "элек­трон­ных ме­ток")? В чем его пре­иму­ще­ст­во?

В современных осциллографах существует возможность измерений параметров сигналов с разной степенью автоматизации. Наиболее распространен метод маркеров (курсоров), основанный на использовании опорных зон, подсвечиваемых на экране курсорами, которые можно перемещать по осциллограмме. Курсоры устанавливаются на интересующих оператора участках осциллограммы, а измерения амплитудных и временных соотношений производятся автоматически и высвечиваются на экране ЭЛТ или спец.табло. Электронные метки используют в уни­версальных автоматизированных осциллографах с цифровыми изме­рительными блоками.

Рассмотрим вариант реализации метода сравнения для измере­ния напряжения, представленный на рис. 3.9 а.

Электронный коммутатор поочередно подключает к каналу Y из­меряемый сигнал и два образцовых постоянных напряжения U₀₁ и U₀₂. Значения этих напряжений могут плавно меняться; они отображаются на цифровом табло встроенного цифрового вольтметра. На экране образуется изображение сигнала и двух горизонтальных линий -уров­ней (см.рис.3.9б). Процесс измерения сводится к перемещению этих уровней к нужным точкам изображения и отсчету значения измеряе­мого интервала напряжения. При индикации учитывается установлен­ный коэффициент отклонения в канале исследуемого сигнала, что по­зволяет реализовать прямопоказывающий измерительный прибор.

Погрешность измерения включает погрешность меры - точность измерения разности эталонных напряжения и погрешность совмеще­ния линий с точками сигнала. Аналогичным способом можно измерять временные интервалы. Временные метки - маркеры - можно создать с помощью схемы, пред­ставленной на рис. 3.10 а.

На выходе компараторов образуются кратковременные импульсы, формирующие через RS триггер прямо­угольный импульс, соответствующий расстоянию между точками пе­ресечения линии развертки опорных напряжений (см. рис.3.10б). Дли­тельность импульса измеряется электронно-счетным частотомером и выводится на цифровое табло. Опорные напряжения и развертка че­рез электронный коммутатор поочередно подключаются к усилителю канала X и если при подаче напряжений по­дать меняющийся на весь экран сигнал, то в этих точках образуются две вертикальные линии. Совмещая линии с границами интересующе­го временного интервала, на табло получаем измеренное значение. Отметим, что при таком способе создания меток на результат не влияет нелинейность напряжения развертки.

Погрешности метода:

• Погрешность измерения временного интервала (погрешность частотомера);

• Неточность компараторов;

• Погрешность совмещения меток с точками изображения; Отметим, что в случае измерения длительности импульсов или их фронта и среза на погрешность измерения влияет точность отсчета уровня, по которому фиксируется временной интервал (например, уровень 0.5 или 0.1 ; 0.9 от максимального значения).

К несомненным достоинствам метода относится вывод результата измерения на индикаторы в виде числа, что устраняет субъективные погрешности измерений, а так же цифровой вывод результатов, открывающий широкие возможности для автоматизации косвенных измерений.

19. Что та­кое циф­ро­вой ос­цил­ло­граф (ЦО)? Ка­кой прин­цип ис­поль­зу­ют при по­строе­нии ЦО? Ка­кие осо­бен­но­сти име­ет ана­ло­го-циф­ро­вой пре­об­ра­зо­ва­тель (АЦП) циф­ро­во­го ос­цил­ло­гра­фа по срав­не­нию с АЦП циф­ро­во­го вольт­мет­ра?

Принцип осциллографирования, основанный на преобразовании аналоговой информации в цифровую и отображение ее на экране в виде массива светящихся точек, получил название цифровой осциллографии, а соответствую­щие ему приборы - цифровые осциллографы (ЦО). Обычно такие приборы являются микропроцессорными и управляются программно. Особенностью ЦО является то, что процессы преобразования сигнала в цифровые коды и отображение на экране разделены во времени – т.о. мы получаем прибор с памятью.

Обобщенная структурная схема цифрового осциллографа представ­лена на рис.3.11.

В ходной аналоговый блок выполняет обычные функции - регулировка чувствительности, обеспечение закрытого входа. Далее сигнал посту­пает на аналого-цифровой преобразователь, в котором производится квантование сигнала по уровню и дискретизация во времени. Мгновен­ным отсчетам сигнала присваивается цифровой код, соответст­вующий ближайшему уровню квантования Разность между ближай­шими уровнями называется интервалом квантования - она определя­ет разрешающую способность цифрового осциллографа по уровню. Интервал дискретизации определяет быстродействие осциллографа, - чем меньше этот интервал, тем более быстрые процессы можно на­блюдать на экране без искажения

В цифровых осциллографах применяют различные способы ин­дикации: ЭЛТ или различные матричные индикаторы.

Основные принципы построения ЦО, реализованные в выпус­каемых приборах:

1. Используют быстродействующие АЦП не очень высокой разрядно­сти (8-10, реже 12 бит). Частота дискретизации от 1МГц до 20 МГц. В современных приборах частота дискретизации достигает единиц ГГц. Применяют АЦП параллельного типа и АЦП поразрядного уравновешивания, а также комбинированные параллельно-последовательные схемы. Для фиксации мгновенного значения на­пряжения перед АЦП используют устройства выборки-хранения.

2. Частота дискретизации f_Д по теореме Котельникова определяет верхнюю граничную частоту сигнала f_B, который можно восстано­вить без искажения (f_Д>2 f_B). При индикации отсчетов сигнала ре­конструкция его формы происходит визуально, путем мысленного соединения ближайших точек. При этом возможен вариант, когда глаз оператора конструирует ложное изображение. Поэтому для правильного поточечного воспроизведения формы сигнала рекомендуется иметь f_Д>25 f_B, или, при использовании блоков интерполяции, достаточно вы­полнять условие f_Д>10 f_B и ниже.

3. Перед созданием изображения может производиться обработка цифрового сигнала, связанная с формированием отрезков, соединяющих имеющиеся отсчёты сигнала – интерполяция. Применяются два метода - линейная и синусоидальная интерполяция. При линейной интер­поляции на изображении добавляются точки, расположенные на прямой линии между отсчетами сигнала. При этом достаточно вы­полнять условие f_Д>10 f_B. Линейная интерполяция подходит к им­пульсным сигналам. Для гладких сигналов лучше подходит синусоидальная интерполяция, которая позволяет получить приемле­мое качество изображения при f_Д>2.5 f_B. Режим интерполяции вы­бирается оператором в зависимости от формы исследуемого сиг­нала. Однако следует иметь в виду, что точки добавленные интерполяцией не точно связаны реальной формой сигнала.

4. Узел развертки преобразует коды, вырабатываемые микропроцес­сором, в напряжение развертки (для матричных индикаторов необ­ходимо преобразование кодов в номер столбца, соответствующего отображаемой точке) Для ЦО скорость вывода устанавливается произвольно и может не совпадать со скоростью аналого-цифрового преобразования. Это позволяет легко и естественно реализовать режим растяжки изображения с сохранением его параметров (точности, яркости и пр ). Отметим, что используют и растяжку изображения по вертикали - изменение масштаба без регулировки коэффициента отклонения, что невозможно в обычном осциллографе

4. Для ОЗУ цифрового осциллографа характерно построение в виде двух блоков быстрое ОЗУ (БОЗУ) и медленное ОЗУ (МОЗУ). Бы­строе ОЗУ является буфером АЦП и осуществляет прием данных от АЦП в реальном времени. Этот буфер построен по принципу FIFO (первым вошел - первым вышел), то есть при записи нового отсчета исчезает самый «старый». Емкость БОЗУ невелика (1...8 Кслов). но скорость значительна (2.100 Мслов/с и более), что по­зволяет синхронизировать его работу с частотой дискретизации АЦП. Вторая часть - медленное ОЗУ, имеет большую емкость (на­пример, 16...128 Кслов) и предназначено для хранения данных, ре­зультатов вычислений и обработки, данных изображения (видеопа­мять). Запись и воспроизведение информации из МОЗУ производит микропроцессор при выполнении программы.

6. Режимы синхронизации и запуска: внутренняя, внешняя

• анализ содержания БОЗУ позволяет выполнить запуск по уровню, форме, логическому коду

• в ЦО возможны режимы «предзапуска» и «послезапуска». Эти режимы специфичны для ЦО и заключаются в следующем. Аналоговый осциллограф воспроизводит входной сигнал только после импульса запуска, а информация об других частях сигнала отсутствует. Цифровой осциллограф непрерывно пополняет информацию в БОЗУ, а импульс запуска является нача­лом воспроизведения кадра изображения. Если вводить сдвиг ад­ресов БОЗУ (например, считывать данные, предшествующие мо­менту запуска), то на экране воспроизводится форма сигнала с мо­мента, предшествующего запуску – режим предзапуска. Режим послезапуска обеспечивает за­держку изображения относительно момента запуска.

7. В цифровых осциллографах режим запоминания реализуется от­ключением АЦП. Весь буфер БОЗУ запоминается и доступен для просмотра в произвольном масштабе.

8. Цифровые осциллографы обычно делают многоканальными (двух-канальными). Преобразованные сигналы распределяются по имеющейся памяти и позволяют осуществить решение таких задач: поочерёдное и одновременное наблюдение, сложение и вычитание, отношение, сравнение с образцом и пр.

20. Ка­кие до­пол­ни­тель­ные функ­цио­наль­ные воз­мож­но­сти име­ет циф­ро­вой ос­цил­ло­граф по срав­не­нию с уни­вер­саль­ным ЭЛО? Ука­жи­те ме­то­ды по­вы­ше­ния точ­но­сти из­ме­ре­ний на­пря­же­ния и дли­тель­но­стей в ЦО. По­че­му при про­чих рав­ных ус­ло­ви­ях точ­ность циф­ро­во­го ос­цил­ло­гра­фа мо­жет быть вы­ше точ­но­сти из­ме­ре­ний с по­мо­щью уни­вер­саль­но­го ЭЛО?

Дополнительные возможности ЦО:

• Возможность исследования однократных и непериодических сигна­лов с теми же характеристиками. Что и для обычных сигналов

• Возможность запоминания и хранения информации о сигнале

• Реализация функций предзапуска и послезапуска

•Регулировка масштабов после окончания сигнала (растяжка по двум осям), возможность автоматического выбора масштаба

• Возможность визуального и вычислительного сравнения двух сиг­налов

•Широкие возможности анализа и обработки сигналов - функцио­нальные преобразования. Преобразование Фурье - наблюдения спектра сигнала, измерение закона распределения и пр. Сглаживание шумов и цифровая фильтрация.

• Цифровая индикация данных измерения. Оцифровка осей и пр.

Одним из основных параметров АЦП, влияющих на точность и разрешающую способность амплитудных измерений, является его разрядность. Для улучшения точности амплитудных измерений необходимо увеличивать разрядность АЦП, но эффективная разрешающая способность АЦП падает при расширении полосы пропускания. Данный факт связан с увеличением собственных шумов в широкой полосе частот и с необходимостью увеличения быстродействия АЦП для расширения полосы пропускания. Другим способом повышения эквивалентной разрешающей способности осциллографа является включение режима усреднения. Этот режим применим только для периодических сигналов, но он позволяет увеличить разрешение по вертикали до 11... 12 бит [2]. Использование методов статистической обработки данных для увеличения разрешающей способности на порядок широко применяется в измерительных приборах и легко проверяется экспериментально. Если сигнал является непериодическим или однократным, то режим усреднения не может быть использован. В этом случае увеличения вертикального разрешения добиваются с помощью математической обработки входного сигнала с помощью КИХ-фильтра, использующего избыточность цифровых отсчетов АЦП (режим «увеличение разрешения»). Фильтрация снижает полосу пропускания осциллографа до 200 ...300 МГц, но увеличивает разрешение примерно в 5 раз [3]. Данный режим полезно использовать совместно с включением встроенного низкочастотного фильтра, физически ограничивающего полосу пропускания осциллографа до 200 МГц. Это уменьшает шум осциллографа и увеличивает числа полезных бит.

Погрешность измерения временных параметров (ΔT) цифрового осциллографа определяется погрешностью опорного генератора, частотой дискретизации. Т.о. увеличивая точность опорного генератора и уменьшая частоту дискретизации можно добиться уменьшения данной погрешности.

Также к повышению точности может привести комбинирование различных режимов работы цифрового осциллографа и математические операции над сигналом.

Точность ЦО может быть выше, потому что он позволяет в достаточной мере исключить субъективные погрешности, появляющиеся при определении уровня оператором; кроме того ЦО позволяет проводить над сигналом операции, повышающие точность измерений (например усреднение за большое число периодов).

21. Как стро­ят опе­ра­тив­ное за­по­ми­наю­щее уст­рой­ст­во циф­ро­во­го ос­цил­ло­гра­фа? Ка­кие пре­иму­ще­ст­ва да­ет раз­де­ле­ние его на две час­ти? Как реа­ли­зу­ют ре­жим за­по­ми­на­ния сиг­на­ла в циф­ро­вом ос­цил­ло­гра­фе? Что та­кое ре­жи­мы "пред­за­пус­ка" и "по­сле­за­пус­ка" циф­ро­во­го ос­цил­ло­гра­фа? Ка­кие воз­мож­но­сти да­ют эти ре­жи­мы?

Для ОЗУ цифрового осциллографа характерно построение в виде двух блоков быстрое ОЗУ (БОЗУ) и медленное ОЗУ (МОЗУ). Бы­строе ОЗУ является буфером АЦП и осуществляет прием данных от АЦП в реальном времени. Этот буфер построен по принципу FIFO (первым вошел - первым вышел), то есть при записи нового отсчета исчезает самый «старый». Емкость БОЗУ невелика (1...8 Кслов). но скорость значительна (2.100 Мслов/с и более), что по­зволяет синхронизировать его работу с частотой дискретизации АЦП. Вторая часть - медленное ОЗУ, имеет большую емкость (на­пример, 16...128 Кслов) и предназначено для хранения данных, ре­зультатов вычислений и обработки, данных изображения (видеопа­мять). Запись и воспроизведение информации из МОЗУ производит микропроцессор при выполнении программы. Разделение ОЗУ на две части позволяет разделять процесс приема данных с АЦП и их хранение, преобразование и вывод на экран. Благодаря этому мы можем, например, производить сравнение текущего сигнала с полученным ранее, производить преобразование сигнала оставляя оригинал не тронутым или изменять масштаб изображения после прихода сигнала. Для реализации режима запоминания необходимый кадр может быть перенесён из БОЗУ в МОЗУ, а сохранение информации в БОЗУ осуществляется отключением АЦП.

В ЦО возможны режимы «предзапуска» и «послезапуска». Эти режимы специфичны для ЦО и заключаются в следующем. Аналоговый осциллограф воспроизводит входной сигнал только после импульса запуска, а информация об других частях сигнала отсутствует. Цифровой осциллограф непрерывно пополняет информацию в БОЗУ, а импульс запуска является нача­лом воспроизведения кадра изображения. Если вводить сдвиг ад­ресов БОЗУ (например, считывать данные, предшествующие мо­менту запуска), то на экране воспроизводится форма сигнала с мо­мента, предшествующего запуску – режим предзапуска. Режим послезапуска обеспечивает за­держку изображения относительно момента запуска.

22. Ка­кие прин­ци­пы ин­ди­ка­ции ис­поль­зу­ют при по­строе­нии циф­ро­вых ос­цил­ло­гра­фов? По­че­му в ЦО ис­поль­зу­ют раз­лич­ные ре­жи­мы ин­тер­по­ляции? Из ка­ких со­об­ра­же­ний оп­ре­де­ля­ют со­от­но­ше­ние ме­ж­ду верх­ней гра­нич­ной час­то­той сиг­на­ла и час­то­той дис­кре­ти­за­ции циф­ро­во­го ос­цил­ло­гра­фа?

В цифровых осциллографах применяют различные способы ин­дикации. Достаточно популярно использование традиционной ЭЛТ. Для этого используют обратное цифро-аналоговое преобразование поступающих кодов Y и X. На этом же экране выводят и необходимую цифровую и буквенную информации. В ряде осциллографов исполь­зуют растровые дисплеи - телевизионный принцип формирования изображения. Сигнал преобразуется в последовательность импульсов подсвета, синхронизированных с частотами развертки по вертикали и горизонтали. Более современным является использование матричных индикаторов различного принципа действия.

Частота дискретизации f_Д по теореме Котельникова определяет верхнюю граничную частоту сигнала f_B, который можно восстано­вить без искажения (f_Д>2 f_B). При индикации отсчетов сигнала ре­конструкция его формы происходит визуально, путем мысленного соединения ближайших точек. При этом возможен эффект «нало­жения», когда глаз оператора конструирует ложное изображение. Поэтому для правильного поточечного воспроизведения формы сигнала рекомендуется иметь f_Д>25 f_B, в противном случае необхо­димо использовать блоки интерполяции. Применяются два метода - линейная и синусоидальная интерполяция. При линейной интер­поляции на изображении добавляются точки, расположенные на прямой линии между отсчетами сигнала. При этом достаточно вы­полнять условие f_Д>10 f_B. Линейная интерполяция подходит к им­пульсным сигналам. Для гладких сигналов лучше подходит синусоидальная интерполяция, которая позволяет получить приемле­мое качество изображения при f_Д>2.5 f_B. Режим интерполяции вы­бирается оператором в зависимости от формы исследуемого сиг­нала.