1 Структура и принцип действия цифрового осциллографа

На рис. 1 в предельно упрощенном виде показана структурная схема цифрового осциллографа (ЦО).

Рис. 1. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа (ЦО)

МУ – масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения); АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; МК – микроконтроллер;

ЗУ – запоминающее устройство; Э – экран; ОУ – органы управления ( кнопки, ручки).

Пройдя через МУ, входное напряжение u(t) преобразуется АЦП в дискретную последовательность кодовых слов N_i , отображающих мгновенные значения u_i этого напряжения. Каждое новое кодовое слово записывается в ОЗУ. 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 («запуск по уровню»). После этого содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство ЗУ, входящее в состав микроконтроллера МК.

Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату кодовое слово N_i, находящееся в этой ячейке. Для хорошего изображения сигнала на экране вполне достаточно 2 точки на 1 мм. Средних размеров экран имеет высоту 100 мм и ширину 120 мм. Следовательно, на экране должны располагаться 200 × 240 = 48 000 точек или более.

Таким образом, для формирования хорошего изображения АЦП должен иметь не менее 8 двоичных разрядов (256 точек по вертикали) и ЗУ должно содержать 256 ячеек.

Но количество ячеек ОЗУ может быть гораздо больше. Зачем?

ЦО позволяет делать замечательную вещь – запоминать в ОЗУ изображение всего сигнала. В ЦО можно видеть предысторию сигнала до появления импульса запуска. Это называют «предзапуском». 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.

ЦО позволяет: растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, складывать и вычитать сигналы в разных каналах, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и проч.

13. Характеристики и функциональные возможности цифровых осциллографов.

Частота дискретизации сигналов для цифровых осциллографов. Качество изображения зависит от частоты дискретизации. Частота дискретизации характеризует число отсчетов сигнала, которое берется за 1 секунду. Для ЦО максимальная частота выборки значений сигнала достигает 100Мв/с (мега выборок в сек) на однократной развертке и 25 Гв/с (гигавыборок в сек-25 миллиардов выборок в сек). Это означает, что отсчеты сигнала берутся с шагом дискретизации 0.04 нс. Столь высокая частота недостижима простыми аппаратными средствами и является в какой-то мере виртуальной величиной. Сверхвысокая частота дискретизации обеспечивается только для периодических сигналов путем накопления числа отсчетов.

Для отображения одного периода синусоиды, как отмечалось выше, достаточно 20 точек. На рис 3 для примера представлено отображение сигнала частотой 30 МГц при частоте дискретизации 100 Мв/c. При этом на один период синусоиды приходится 3 выборки, в результате отчетливо видны существенные искажения сигнала. На рис 4 сигнал частотой 5 МГц, на период приходится 20 выборок и искажения отсутствуют. Частоту дискретизации можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.

Рис. 3

Рис. 4

Коэффициент развертки К_р. Диапазон изменения К_р характеризует возможности ЦО по отображению сигналов различной длительности и равен отношению длительности сигнала, отображаемого на экране, к длине экрана по горизонтали в делениях. При частоте дискретизации F_д = 1/ То, (Tо – шаг дискретизации сигнала) К_р =(MТо)/Lx = M/(LxF_д), где M – объем памяти ОЗУ для хранения массива выборок сигнала равный числу точек по ширине экрана (обычно256); Lx – ширина экрана делений.

Чем выше F_д, тем короче временные интервалы сигнала, отображаемые на экране, т.е. более быстроменяющиеся сигналы можно отображать на экране ЦО. Обычно M = 2⁸. За счет изменения F_д можно изменять К_р в широких пределах, обычно для ЦО К_р меняется от 1нс/дел до 50с/дел.

Коэффициент отклонения Ко. Диапазон изменения Ко характеризует возможности отображения сигналов различной амплитуды. Коэффициента отклонения Ко равен отношению полного размаха амплитуды сигнала, отображаемого на экране, к длине экрана по вертикали в делениях. Величина Ко зависит от коэффициента усиления или деления масштабирующего устройства МУ (см. рис.2) и лежит в диапазоне 0.1мВ/дел до 10 В/дел.

Длина памяти. Чем больше внутренняя память ЦО, тем более "длинную" часть входного сигнала она позволяет записать и соответственно исследовать ее без потери полезной информации. При записи отсчетов сигнала во внутреннюю память его можно как бы растянуть в тысячи раз и после исследовать его участки просто перемещая по оси времени. ЦО используют длину памяти от 2.5К до 125К. Наличие большого объема внутренней памяти и применение передовых принципов обработки сигнала позволяет получить эквивалентную частоту дискретизации периодических сигналов до 25 Гв/c.

Функциональные возможности цифровых осциллографов

Запись двух осциллограмм во внутреннюю память. Эта возможность является в настоящий момент стандартной для всех ЦО и позволяет записывать в память до двух осциллограмм и впоследствии выводить их на экран.

Математические функции с входными сигналами. Помимо стандартных для двухканального осциллографа режимов сложения и вычитания сигналов, ЦО могут производить усреднение входного сигнала за количество периодов 2,4,8…256, что позволяет исследовать сигналы искаженные шумом.

Автоматические и маркерные измерения. Одна из наиболее используемых функций ЦО - это автоматические измерения (вид экрана ЦО показан на рис. 5), что позволяет одним ЦО заменить вольтметр, частотомер, измеритель временных интервалов и измерить до 15 параметров сигнала. Это:

• Временные параметры -частоту (F), период (Т), время нарастания, время спада, скважность импульсов, длительность импульса.

• Амплитудные параметры - максимальное и минимальное значение; размах от пика до пика; средневыпрямленное, среднеквадратичное, амплитудное значения. Одновременно возможно выводить до 5 измеряемых параметров по обоим каналам, т. е. одновременно выводятся 10 результатов измерений.

Маркерные (курсорные) измерения. Эти измерения проводятся с помощью специального режима, позволяющего проводить измерения с помощью наведения курсоров на определенные места изображения сигнала на экране. Маркерные измерения (вид экрана ЦО показан на рис. 6) позволяют проводить Δ-измерения (измерение разности значений), измерение пиковых значений, определять экстремумы, проводить точные амплитудные и частотные измерения.

Быстрое преобразование Фурье (БПФ). Применение встроенного микропроцессора с высоким быстродействием позволяет реализовать БПФ ( рис.7) и позволяет оперативно отобразить спектр сигнала присутствующего в настоящий момент на экране осциллографа, измерить параметры всех его гармоник.

Рис.5

Рис.6

Рис.7

14. Технологии информационного обеспечения жизненного цикла изделий приборостроения (CALS-технологии): назначение, виды обеспечения.

CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделий (маркетинга, проектирования, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), подготовки производства, производства (изготовления), реализации, эксплуатации, утилизации)).Цель применения CALS - повышение эффективности взаимодействия участников создания, производства и дальнейшего использования продукта.

ИПИ (информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий) — русскоязычный аналог понятия CALS. На рис. 1 показано аппаратно-программное и информационное обеспечениеCALS.

Рис.1. Информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий приборостроения на основе CALS.

CALS– это автоматизированная система управления, интегрирующая информационные процессы и ресурсы между участниками жизненного цикла изделий в едином информационном пространстве, и управляющая их интегрированным информационным обеспечением.

Использование сетевых технологий позволяет организовать процессы проектирования изделий, разработки технологических процессов производства путем взаимодействия распределенных в пространстве аппаратно-программных средств, что можно рассматривать как виртуальное производство при участии организаций различных стран и регионов.

Для эффективного взаимодействия участников жизненного цикла изделий на основе CALS структура проектной, технологической, эксплуатационной документации, понятийный аппарат и языки представления данных должны быть стандартизованы. В Россииведется работа по созданию национальных CALS-стандартов - разработан ряд стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303, являющихся аутентичными переводами соответствующих международных стандартовSTEP (Standard for Exchange of Product Data - стандарт для обмена данными о промышленной продукции).