Сысоев Информационные технологии в физических исследованиях Лабораторный практикум 2009

К числу возможностей осциллографа можно отнести использование встроенных различных математических операций и функциональные преобразования оцифрованных сигналов. Математические формы сигнала создаются для проведения анализа сигналов канала и опорных сигналов. С помощью комбинаций и преобразования исходных осциллограмм и других данных в математической форме можно получить данные в форме, необходимой для конкретного приложения. Можно создать до четырех математических форм сигналов. Математические формы сигналов получаются при выполнении следующих действий:

1)математические операции над одним или несколькими сигналами: усреднение, вычитание, деление, умножение, log, cos, sin и др.;

2)функциональные преобразования сигналов, например, дифференцирование, интегрирование;

3)спектральный анализ сигналов.

2.1.5. Основы работы с осциллографом

Рассмотрим органы управления и основные приемы, применяемые при регистрации и просмотре осциллограмм.

Описание органов управления TDS5034B. Внешний вид цифрового осциллографа TDS5034B с расположением основных узлов показан на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Внешний вид цифрового осциллографа TDS5034B с расположением основных узлов

50

Экран осциллографа отображает осциллограмму сигнала, масштаб времени, масштабные сетки, гистограммы и ряд экранных надписей. Масштабные сетки используются для разметки области экрана.

Все ручки управления дублируются программным обеспечением. Режимы работы и параметры отображения можно регулировать как вручную, так и программно. Панель управления показана на рис. 2.4.

Кнопки запуска и остановки регистрации, а также запуска одиночного цикла регистрации. Состояние регистрации отображается индикаторами ARM, READY и TRIG'D

Ручки и кнопки для установки параметров синхронизации.

Регулировка временных параметров (шкала “Х”): масштаба, положения, задержки и разрешения длины записи.

Многофункциональные ручки для регулировки выбранных на экране параметров.

Переключение режима работы многофункциональных ручек по горизонтали или по вертикали.

Регулировка усиления сигнала и его положения по вертикали (шкала “Y”).

Рис. 2.4. Панель управления осциллографа

51

Ручки и кнопки управления подразделены на 6 основных групп и их зоны расположения очерчены линиями.

Основные группы:

«HORIZOTAL»: горизонтальная развертка – управление шагом дискретизации и длинной записываемого сигнала:

o кнопка «DELAY» – включает «задержку» начала развертки относительно старта;

o ручка «POZITION» – устанавливает «задержку» начала развертки;

o «REZOLUTION» – ручка установки шага дискретизации,

o «SCALE» – ручка установки длины записи;

«VERTICAL» – управление входными усилителями осциллографа:

o ручка «POZITION» – регулирует вертикальное положение сигнала;

o ручка «SCALE» – регулирует коэффициент усиления входного усилителя;

o кнопки «CH1»-«CH4» – включают каналы АЦП;

o кнопка «1 Мом/50 Ом» – переключает входной сопротивление усилителя с 1 МОм на 50 Ом и обратно;

«TRIGGER» – управление синхронизацией:

o кнопка «EDGE» – выбор старта от фронта или спада синхроимпульса;

o кнопки «CH1-CH4, EXT, LINE» – выбор источника синхроимпульса;

o кнопка SLOPE «POZ» «NEG» – выбор старта от фронта или спада синхроимпульса;

o ручка «LEVEL» – установка уровня срабатывания запуска развертки. Если ручку нажать и некоторое время удерживать, то уровень установится примерно на 50% высоты синхроимпульса;

o кнопки «RUN/STOP» и «SINGLE» – управляют ре-

жимом запуска осциллограммы. При первом нажатии на

52

кнопку «RUN/STOP» устанавливается режим непрерывного запуска. При повторном нажатии устанавливается режим записи одиночных осциллограмм. Запуск новой одиночной осциллограммы осуществляется нажатием кнопки «SINGLE»;

многофункциональные ручки регулируют параметр, который отображается на экране напротив ручек. Например, если мы стали повернули ручку «SCALE» из группы «HORIZOTAL», то на служебной части экрана появятся у одной ручки надпись «SCALE» у другой – «REZOLUTION» и под надписями будет отображаться текущее значение параметра. Вращая ручки, можно плавно менять эти параметры:

o кнопка «FINE» переключает шаг изменения выбранного параметра «грубо-плавно»;

группа кнопок «MultiView» существенно ускоряет навигацию при просмотре осциллограмм. При нажатии кнопки с увеличительным стеклом, осциллограф переходит в режим увеличенного окна:

o кнопка «HORIZ» – при нажатии режим работы многофункциональных ручек переключается в масштабирование по горизонтали. Масштабируется только изображение сигнала. Шаг и длина записи не меняются;

o кнопка «VERT» – то же по вертикали.

Меню и окна управления. Чтобы получить доступ к меню и окнам управления, выполните следующие действия (рис. 2.5):

откройте меню и выберите команду;

чтобы вывести контекстное меню, щелкните правой кнопкой мыши где-либо на масштабной сетке или на объекте. Такое меню зависит от контекста, то есть в зависимости от того, где нажата правая кнопка мыши, будет выведено соответствующее меню. На рисунке справа показаны некоторые примеры выведенных на экран меню.

53

Рис. 2.5. Меню и окна управления TDS5034B

Основные операции с осциллографом при регистрации и просмотре осциллограмм.

Вызов настроек прибора (рис. 2.6).

1.Выберите команду File > Recall (Файл–Вызвать).

2.Щелкните Setup (Настройка).

3.Выберите настройку, которую вы хотите вызвать. Настройку можно вызвать из одной из десяти ячеек памяти прибора или из каталога Windows.

54

4. Нажмите кнопку Recall (Вызвать).

1

2

3

4

Рис. 2.6. Загрузка настроек

Масштабирование осциллограммы. Чтобы просмотреть в более крупном масштабе одну или несколько областей одной записи одновременно, используйте следующую процедуру (рис. 2.7).

1.Щелкните мышью и обведите рамкой область осциллограммы, которую необходимо увеличить.

2.Выберите Zoom 1 On (Лупа 1 вкл.).

3.Щелкните мышью и обведите рамкой другую область осциллограммы, которую необходимо увеличить, затем выберите пункт Zoom 2 On (Лупа 2 вкл.).

4.Чтобы отрегулировать расположение увеличенной области по горизонтали, выберите увеличиваемую область, щелкнув горизонтальный маркер под рамкой.

5.С помощью многофункциональных ручек настройте расположение по горизонтали выбранной области и степень увеличения.

55

2

1

3

4

5

Рис. 2.7. Масштабирование осциллограммы

56

2.2.СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ НА ОСНОВЕ ЦЗО

2.2.1.Функциональный состав цифрового осциллографа

Для обработки данных осциллограф содержит четыре основные функциональные подсистемы высокого уровня.

Система оцифровки сигнала. Данная система служит для преобразования аналоговых входных сигналов в цифровую форму и их регистрации (рис.2.8).

Рис.2.8. Структурная схема устройства регистрации

Система включает следующие подсистемы:

входные каналы (в осциллографе предусмотрены четыре входных канала, каждый канал представляет собой программируемый аналоговый усилитель, который предназначен для усиления/ослабления входного сигнала);

узел оцифровки (содержит АЦП и обеспечивает преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму);

систему масштаба времени (служит для выбора времен-

ного масштаба и запуска цикла преобразования; синхронизирует преобразование узла оцифровки с импульсом запуска, который генерируется системой синхронизации);

57

систему синхронизации (предназначена для согласования

выполнения разных операций во времени и обнаружения определенных событий во входном сигнале).

Система обработки и преобразования сигнала. Предназна-

чена для преобразования (трансформации) цифровых сигналов, выбранных пользователем, и их математической обработки.

Система вывода и хранения информации. Обеспечивает вы-

вод информации на постоянные запоминающие устройства, графическое представление и визуализацию.

Система отображения и взаимодействие через интерфейс пользователя. Сюда относится вывод (ввод) данных осциллографа в удобной форме и управление другими системами и операциями. Рассматриваемая система регистрации обладает хорошими характеристиками и удовлетворяет следующим важным для времяпролетной масс-спектрометрии требованиям:

высокое быстродействие, обеспечивающее запись коротких импульсов в наносекундном диапазоне,

большой динамический диапазон регистрируемых сигналов (~105) как по интенсивности, так и по времени,

низкий уровень шумов, не превышающий уровня одного бита аналогово-цифрового преобразователя,

высокая частота дискретизации (~1 ГГц).

2.2.2. Концепция регистрации сигнала

Устройства для регистрации сигнала. Прежде чем сигнал может быть отображен, он должен пройти через входной канал, в котором выполняется его масштабирование и преобразование в цифровую форму. Каждый канал оснащен специальным усилителем входного сигнала и цифровым преобразователем. Каждый канал генерирует поток цифровых данных, по которым прибор строит сигнал определенной формы и делает соответствующую запись в памяти.

Процесс оцифровки. Регистрацией сигналов называется процесс захвата аналогового сигнала, его оцифровки и последующего преобразования в осциллограмму, которая сохраняется в регистрации данных.

58

Запись осциллограммы. Прибор строит осциллограмму, используя следующие параметры (рис. 2.9):

интервал дискретизации – временной интервал между точками выборки;

длину записи (количество отсчетов, необходимых для получения полной записи сигнала);

точку запуска (нулевая опорная точка отсчета по времени в записи сигнала);

позицию по горизонтали (когда горизонтальная задержка отключена, позиция по горизонтали – это часть записи сигнала в процентах между 0 и 99 % длительности развертки. Точка запуска и опорная точка по горизонтали в записи сигнала совпадают по времени. Например, если положение опорной точки по горизонтали составляет 50 %, точка запуска будет находиться в середине записи сигнала. Когда включена задержка по горизонтали, время от точки запуска до опорной точки по горизонтали называется горизонтальной задержкой).

Рис. 2.9. Запись осциллограммы

Увеличения частоты дискретизации путем чередования ка-

налов. Прибор может чередовать каналы, чтобы добиться более высокой частоты дискретизации и большей длины записи, если

59