Цифровые запоминающие осциллографы

В последние годы большое распространение находят цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО; DSO – digital storage oscilloscope).

Цифровое преобразование принципиально изменяет сущность методов изучения сигнала. Осциллограф превращается в устройство, преобразующее сигнал в цифровую форму, удобную для дальнейшей обработки, запоминания, отображения и, при необходимости, преобразования его в аналоговую форму для индикации. Измерение любого параметра сигнала сводится к составлению программ, заложенных в вычислительное устройство (в микропроцессор осциллографа либо в процессор персонального компьютера).

Принцип работы ЦЗО

В основе принципа работы цифрового осциллографа лежит преобразование исследуемого аналогового сигнала u(t) в последовательность цифровых значений (квантованных мгновенных значений) u₁, u₂, u₃, ... сигнала в определенные моменты t₁, t₂, t₃, … (рис. 9.18).

Рис. 9.18. Дискретные выборки аналогового сигнала

Эту задачу выполняет аналого-цифровой преобразователь. Числовой код мгновенных значений сигнала передается в запоминающее устройство (ЗУ), где накапливается последовательность чисел, которые могут храниться длительное время. Цифровая форма сигнала делает возможным выполнение программной и графической обработки числовых данных и отображение сигнала на плоском матричном светодиодном или жидкокристал лическом экране, либо на экранах ЭЛТ кинескопа.

Исследуемый аналоговый сигнал u(t) подается на входное устройство (аттенюатор, усилитель), которое осуществляет согласование с рабочим диапазоном входного напряжения АЦП (рис. 9.19).

Рис. 9.19. Упрощенная схема цифрового осциллографа

Далее АЦП в дискретных точках времени (точки выборки) преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, кодирует и запоминает в дискретной памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). В канале вертикального отклонения создается цифровой код мгновенных значений сигнала. Генератор тактов временной выборки, в канале горизонтального отклонения задает моменты временной выборки, частоту и скорость выборки в соответствии с длительностью и частотой следования исследуемого сигнала. Таким образом, создается код адреса.

Данные цифрового кода мгновенных значений сигнала и код адреса записываются в ОЗУ для хранения и передачи для отображения на жидкокристаллическом дисплее. Схема синхронизации синхронизирует работу всех блоков.

Особо необходимо остановиться на правильном выборе частоты дискретизации. Этот параметр определяет, как часто АЦП производит квантование. При высокой частоте дискретизации больше частота выборки (отсчетов); это обеспечивает лучшее представление исходного измеряемого сигнала (рис. 9.20).

Рис. 9.20. Эффект достаточного (а) и малого (б) числа выборок

Согласно теореме Котельникова выбор частоты дискретизации определяется частотой высшей гармоники, содержащейся в исследуемом сигнале. Шаг дискретизации Dt = 0,5/f_m. Это означает, что частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше наибольшей частоты исследуемого сигнала. Например, звуковые сигналы, преобразованные с помощью микрофона, имеют составляющие частоты до 20 кГц. Для преобразования таких сигналов необходимы АЦП с частотой квантования более 40 кГц.

Число разрядов, используемых АЦП для представления сигнала в цифровой форме, называется разрешающей способностью, или разрядностью АЦП. Чем выше разрядность, тем больше ступеней квантования, на которые разделен измеряемый сигнал. На рис. 9.21 представлено преобразование аналогового сигнала с помощью трехразрядного идеального АЦП, который делит диапазон измеряемого сигнала на 2³, т.е. на 8 ступеней.

Рис. 9.21. Преобразование аналогового сигнала с помощью трехразрядного АЦП

Каждая ступень представляется двоичным кодом от 000 до 111. При цифровом преобразовании часть информации о сигнале теряется. При увеличении разрядности АЦП до 12 бит, т.е. до 2¹², число ступеней возрастает с 8 до 4096 и можно получить более точное изображение измеряемого аналогового сигнала. Применение современных ЦЗО и микропроцессоров позволяет осуществить самодиагностику и тестирование всех блоков измерений, автоматизировать процессы измерения, обработки сигналов и т.д. Современные ЦЗО в магистрально-модульном исполнении со встроенным микропроцессором имеют аналогичные структурные схемы и отличаются друг от друга способами регистрации отображения и обработки сигналов.