Цифровые люминофорные осциллографы

Бурное развитие Интернета и использование сетевых технологий требует передачи больших объемов информации. В результате полоса рабочих и тактовых частот современных электронных приборов увеличивается до сотен мегагерц (гигагерц). Из-за сложных форм сигналов существенно возросли требования к контрольно-измерительной аппаратуре, используемой при проектировании и отладке микропроцессорных схем, при измерении выходных сигналов быстродействующих переключающих транзисторов, характеристик мгновенных мощностей в импульсных источниках питания и т. д.

Традиционные осциллографы – аналоговые осциллографы реального времени (АОРВ) и цифровые запоминающие (ЦЗО) не отвечают современным требованиям. Первые отображают мельчайшие детали сложного сигнала, мгновенно реагируют на изменение его амплитуды и изменяют яркость изображения, однако не обеспечивают точность измерений и сохранение информации. Вторые не могут точно воспроизводить сложные сигналы, часть информации пропускают и отображают ее с некоторым запаздыванием.

Разработанная недавно технология быстрого цифрового сбора данных, хранения и трехмерной обработки информации открыла новую эру в измерительной технике. Созданный класс новых осциллографов получил название «цифровой люминофорный осциллограф» (ЦЛО) или осциллограф с технологией «цифровой фосфор» (DPO – Digital Phosphor Oscilloscope). Люминофор позволяет реализовать цифровым способом эффект флюоресценции в электронно-лучевой трубке АОРВ (digital emulation – эмуляция в цифровом виде эффекта флюоресценции, т.е. испускание лучей под действием освещения). Следовательно, ЦЛО в цифровой форме имитирует присущее АОРВ изменение интенсивности изображения сигнала в зависимости от скорости изменения амплитуды, что позволяет видеть на экране модулированные сигналы, мелкие детали сложного сигнала с переменной яркостью. ЦЛО, так же как ЦЗО, обеспечивает хранение, точность измерений, анализ сигнала, возможность реализации сложных видов синхронизации.

ЦЛО предоставляет в реальном времени трехмерную информацию о сигнале: его амплитуде, времени, распределении амплитуды во времени (интенсивность изображения). Использование третьего измерения позволяет исследовать динамику сигнала, включая моментальные изменения сигнала, и частоту появления события, а также выявлять редко возникающие искажения, немедленно реагировать на изменения сигнала, отображая их настолько быстро, насколько человеческий глаз способен их заметить. Параллельная архитектура ЦЛО и аппаратная технология параллельной обработки (одновременно могут фиксироваться до 256 последовательностей) позволяют хранить данные, объем которых в 1000 раз больше, чем в ЦЗО, и производить сложный анализ отображаемых сигналов.

Упрощенная архитектура ЦЛО представлена на рис. 9.28.

Рис. 9.28. Упрощенная схема цифрового люминофорного осциллографа

Исследуемый сигнал u(t) после аттенюатора и усилителя приводится к уровню рабочего диапазона входного напряжения АЦП, где преобразуется в цифровую форму.

Цифровой люминофор (как и обычный люминофор в ЗЛТ АОРВ) захватывает и запоминает информацию тысяч миллионов выборок для воссоздания формы сигнала, затем представляет растровую форму исследуемого сигнала в трехмерном массиве точек, упорядоченных в ряды и столбцы. Для каждой точки растра в зависимости от скорости изменения амплитуды во времени указывается яркость и цвет. Затем происходит запись этих точек в соответствующие ячейки растрового дисплея памяти (ОЗУ). Последний связан с микропроцессором, который обрабатывает содержимое ячеек памяти и выдает на экран дисплея исследуемый сигнал (например, в формате изображения 200 ´ 500 точек, градация яркости 4 бита на точку, каждой точке соответствует пиксель дисплея отображения в соответствующем цвете). На одной осциллограмме могут быть отображены точки разного цвета, соответствующие различным градациям яркости в зависимости от скорости изменения амплитуды во времени. На экране указываются коэффициенты отклонения и развертки.

Обновленный моментальный снимок цифрового люминофора посылается на дисплей каждую 1/30 долю секунды (примерно 100000 осциллограмм в секунду), создавая изображение, отвечающее форме сигнала в реальном времени. Даже в тот момент, когда информация на дисплее обновляется, цифровой люминофор продолжает принимать новые выборки. Все выборки сигнала участвуют в формировании изображения.

ЦЛО выполняются двух- и четырехканальными с полосой пропускания до 4 ГГц. Цветной жидкокристаллический экран дисплея удобен для одновременного отображения нескольких сигналов, например напряжения, тока, мощности, имеющих разные цвета и градации яркости (каждая градация яркости имеет свой цвет). Обеспечивается измерение мгновенных значений мощности (путем умножения «точка за точкой» текущего значения напряжения на соответствующее значение тока), включая отображение ее изменений разным цветом в реальном масштабе времени. Осциллограф обладает расширенными возможностями по синхронизации (с опережением, с запаздыванием и др.). Интеллектуальный интерфейс RS-232, GPIB позволяет работать с широким спектром пробников (пассивных, активных, токовых, дифференциальных). Некоторые ЦЛО имеют модуль быстрого преобразования Фурье (БПФ), который позволяет проводить гармонический анализ сложного сигнала. Все модели ЦЛО снабжены портом для подключения принтера, а также встроенным дисководом, позволяющим записывать и воспроизводить осциллограммы, переносить данные на компьютер для последующей обработки.

Пользователь с помощью программных средств управляет осциллографом с персонального компьютера. ЦЛО могут работать и от аккумулятора (примерно 2 ч), имеют небольшие размеры и вес.

Сравнение работы аналоговых, цифровых и люминофорных осциллографов представлены в табл. 9.4.

На базе осциллографа созданы приборы для исследования переходных, частотных и амплитудных характеристик различных электро- и радиотехнических устройств.