Тема 8. Цифровые осциллографы

8.1 Общие принципы построения цифровых осциллографов

Основной трудностью в создании аналоговых осциллографов является проек­тирование широкополосных и сверхширокополосных усилителей с высоким вы­ходным напряжением, достаточным для возбуждения отклоняющих систем ЭЛТ. Между тем, чтобы получить изображение формы сигнала вовсе не обязательно усиливать его до уровня возбуждения пластин ЭЛТ в десятки и сотни В. Одним из основных направлений совершенствования осциллографов является использование в их схемах микропроцессоров и цифровых методов обработки сигналов, что позволяет отображать информацию на плоских жидкокристаллических дисплеях.

Функциональная схема цифрового осциллографа упрощенно показана на (рис. 8.1). Исследуемый сигнал, пройдя делитель (Д) и аналоговый усилитель А с ма­лым выходным напряжением, поступает на схему выборки (СВ) и аналого-цифро­вой преобразователь (АЦП). Для этого сигнал y{t) представляется рядом равномер­но распределенных во времени выборок y₁,у₂,...y_N, которые представляются в цифровой форме и размещаются в устройстве памяти цифрового осциллографа. Это говорит о том, что такой осциллограф заодно является запоминающим. Такие приборы часто называют цифровыми запоминающими осциллографами (ЦЗО).

Рисунок 8.1 - Функциональная схема цифрового осциллографа

Новым важным параметром осциллографа является объем памяти (как общий, так и на канал или осциллограмму). Извлекаемые из памяти цифровые данные подаются на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и могут быть превращены вновь в аналоговый сигнал, но трансформированный во времени. Он отображается на ЭЛТ или ЖКИ. В случае применения цифрового ЖКИ, ЦАП может и не потребоваться. Для создания развертки обычно используется тактовый генератор и счетчик импульсов. Последний управляет адресами выборки цифровых данных из памяти.

Помимо объема памяти, другим важным параметром АЦП является частота работы или частота выборки. В случае сложных форм исследуемых сигналов она должна быть в десятки, а иногда и в сотни раз выше частоты повторения периодического сигнала. В случае регистрации однократных сигналов с длительностью t_И для его представления также надо иметь определенное число N отсчетов, так что период равномерного по времени квантования сигнала будет равен dt=t_И/N частота квантования f_K= l/dt = N/t_И . Например, если сигнал с длительностью t_И = 0,1 мкс представить 100 отсчетами, то получим dt = 1нс и f_к=1 ГГц. Чтобы иск­лючить путаницу между обычной граничной частотой и частотой выборок последнюю обычно указывают в числе выборок в секунду, например, Мвыб/с или Мв/с. Этот пример наглядно иллюстрирует основную проблему в построении цифро­вых осциллографов, работающих в реальном масштабе времени, - необходимость в быстродействующих АЦП. Частота квантования сигналов АЦП должна хотя бы на порядок превышать максимальную частоту наблюдаемого сигнала, с тем, чтобы на самый короткий сигнал пришлось бы хотя бы десять отчетов. При этом воз­можно исследование как однократных, так и периодических сигналов. В случае периодических сигналов возможна статистическая обработка отсчетов, например усреднением тем или иным способом и построение усредненной осциллограммы, Промышленность выпускает множество АЦП и наиболее скоростные из них могут использоваться для создания цифровых осциллографов с эффективной по­лосой тракта Y до 50—100 МГц. Это означает, что АЦП для таких осциллографов должны иметь частоты дискретизации до 0,5 - 1 ГГц. Однако для получения более высоких частот нужны специализированные АЦП. Бесспорным лидером в разработке скоростных АЦП для цифро­вых осциллографов является корпорация Tektronix - мировой лидер в разработке осциллографических измерительных приборов. Она имеет свои уникальные АЦП с частотой квантования до 10—20 ГГц.

Другим важным параметром АЦП является их разрядность - число уровней квантования сигнала в двоичной форме. Подавляющее большинство АЦП для стробоскопических осциллографов имеет стандартную разрядность, равную 8. Это значит, что число различимых уровней сигнала составляет 28 = 256. Однако при этом ступенчатость осциллограмм обычно заметна на глаз. Поэтому некоторые АЦП для цифровых осциллог­рафов могут иметь большую разрядность. Эту разрядность не надо путать с разрядностью встроенного в осциллограф управляющего микропроцессора - она обычно равна 16 или даже 32 битам.

В конечной разрядности квантования (как по уровню, так и по времени) кроется «ахиллесова пята» цифровой осциллографии. Например, если в осциллограмме сложного сигнала присутствуют мелкие детали, то цифровой осциллограф их может просто не заметить. Между тем аналоговый осциллограф с помощью растяжки изображения по вертикали и по горизонтали вполне в состоянии развернуть изображение детали на весь экран.

Наконец, третьим специфическим параметром цифровых осциллографов является объем памяти — общий и на одну осциллограмму. Большинство современных цифровых осциллографов способно хранить в памяти несколько осциллограмм и выводить их на экран своего дисплея.

Не следует забывать, что три перечисленные выше параметра являются хотя и важными, но дополнительными. Кроме них цифровой осциллограф характеризуется рядом тех же параметров, что и аналоговые осциллографы. Прежде всего это относится к ширине полосы частот и времени нарастания капала Y, чувствитель­ности и диапазона длительностей развертки.

Первые осциллографы с оцифровкой сигналов были построены па основе обычных аналоговых осциллографов с обычной ЭЛТ. Они обладали всеми пара­метрами, характерными для аналоговых осциллографов, Вначале цифровые мето­ды использовались лишь для измерения параметров исследуемых сигналов с выво­дом их значений на экран дисплея или на отдельный светодиодный или жидкокри­сталлический индикатор. Затем стала использоваться трансформация высокоскоростных сигналов в низкоскоростные, отображаемые обычной ЭЛТ.

Такие приборы обычно называются аналого-цифровыми осциллографами, поско­льку они содержат аналоговый тракт, задающий частотно-временные параметры осциллографа и цифровую часть. Они выпускаются и поныне, но этот выпуск по­степенно сокращается из-за дороговизны таких приборов, их больших размеров и массы. В тоже время выпуск чисто цифровых приборов постоянно растет. Это связано с применением в новых моделях цифровых осциллографов малогабарит­ных плоских ЖК-дисплеев (нередко цветных), расширенными средствами циф­ровой обработки осциллограмм и возможностью уменьшения габаритов и веса приборов. Но цифровые осциллографы среднего класса стоят намного дороже аналоговых приборов, так что к числу общедоступных их не отнесешь.

Несколько слов следует сказать о стробоскопических осциллографах. Они похожи на цифровые (наличием блока выборки с запоминанием), но для построения их трансформируемого по времени (растянутого) изображения используют от­веты от разных периодов исследуемого сигнала, со сдвигом отсчетов от периода периоду. Это означает, что такие осциллографы могут отображать только периодические сигналы с множеством повторяющихся периодов. Это крупный недостаток стробоскопических осциллографов. Исследовать однократные и редко повторяющиеся процессы они не могут. Кроме того, преобразований выборок в числа у таких осциллографов нет, так что к цифровым они не относятся. Основной областью их применения является исследование сверхскоростных процессов с частотами выше 10-20 ГГц.

Современные цифровые осциллографы в реальном масштабе времени способны отображать даже однократные сигналы с частотами их спектра до 10-20 ГГц, при этом максимальная фиксированная частота выборок достигает 50 ГГц.