Thread Content
Первым шагом при измерении аналоговых сигналов с помощью цифрового осциллографа является преобразование аналогового сигнала, получаемого датчиком, в цифровой сигнал с помощью ADC (преобразователя аналог-цифра). Разрешение такого преобразователя напрямую определяет точность дискретизации сигнала в вертикальном направлении у осциллографа. Например, если ADC имеет 8 бит, то сигнал в вертикальном направлении может быть разделен на 2^8, то есть на 256 отрезков, от 00000000 до 11111111. Вертикальная разрешающая способность конвертера модулей соответствует вертикальной разрешающей способности цифрового осциллографа; она показывает степень точности преобразования входного напряжения в цифровые значения. Что определяет вертикальную разрешающую способность цифрового осциллографа? В порядке убывания приоритета: 1. Разрешающая способность АЦП на входе; 2. Разрешающая способность дисплея: она определяет, какую часть обработанного сигнала можно отобразить на экране. Например, хотя ADC может отображать 256 уровней яркости в вертикальном направлении, разрешение дисплея в этом направлении может составлять всего 240 пикселей; в таком случае некоторые из этих пикселей объединяются в один. 3. Алгоритм интерполяции: на реальном осциллографе пиксели, отображаемые на экране, не всегда являются результатом фактической сэмплирования; часть из них — это виртуальные точки, рассчитанные с помощью алгоритма интерполяции. Хороший алгоритм интерполяции обеспечивает небольшую разницу между интерполированными точками и фактическими точками. Перпендикулярная точность: когда мы используем один и тот же осциллограф для измерения одного и того же сигнала на разных перпендикулярных режимах, получаемые результаты измерений часто бывают разными. Например, если мы измеряем сигнал квадратичной волны с напряжением 2 В, то при вертикальном положении на уровне 2 В амплитуда может составлять 1,960 В. https://pic1.zhimg.com/80/v2-c2ca68a39b3dc49b0d846b2499e4c084_720w.jpg При вертикальном положении 500 мВ была измерена амплитуда в 1,980 В. https://pic2.zhimg.com/80/v2-4fb1606003ba7c3657366ad7718f6989_720w.jpg Почему так происходит? Поскольку речь идет о проблеме вертикальной разрешающей способности, предположим, что при вертикальном делении 500 мВ/деление на оси вертикали имеется 10 сегментов. Тогда вертикальная разрешающая способность определяется разрешающей способностью ADC, а именно: (500 мВ * 10) / 256 = 19,531 мВ. Это означает, что ADC не может различать напряженные сигналы, меньшие по величине чем 19,531 мВ. При измерении одного и того же сигнала при вертикальном делении 2 В/деление ADC способен различать сигналы с амплитудой (2000 мВ * 10) / 256 = 78,125 мВ. Сигналы с меньшей амплитудой не могут быть измерены. У всех цифровых измерительных устройств существует ошибка квантования при сборе данных. Чем выше количество бит в ADC, тем меньше становится ошибка квантования, но её невозможно устранить полностью — её можно только снижать до бесконечности. Поэтому при измерении формы волны мы стараемся, чтобы она заполняла весь экран осциллографа; это делается для повышения вертикальной точности и получения более точных результатов измерений. https://pic1.zhimg.com/80/v2-ee2f37c4fc842d5f21b600c24f94753c_720w.jpg Чтобы повысить разрешение, изменяют алгоритмы. Чем больше количество бит в ADC цифрового осциллографа, тем выше вертикальное разрешение; это разрешение определяется аппаратурой и не может быть изменено после его установки. Однако разрешение, обусловленное количеством значащих цифр в всей системе осциллографа, отличается от предыдущего; мы можем повысить разрешение с помощью программного обеспечения. https://pic2.zhimg.com/80/v2-9f6926ed3b6a2580a91e9f60a2a2d3fd_720w.jpg В настоящее время наиболее распространенным способом повышения разрешения после сэмплирования с помощью АЦП в большинстве осциллографов является использование метода «среднего значения». https://pic4.zhimg.com/80/v2-9d71cf8afabbe680a900c9c0e22722d7_720w.jpg При среднем способе выборки сначала можно установить количество итераций средневзвешивания N. Затем осциллограф сопоставляет N захваченных форм волн по моментам триггера, выполняет операцию среднего арифметического над ними, в результате чего получается одна средняя форма волны. https://pic1.zhimg.com/80/v2-bad51e62c119a27c28699819256d313c_720w.jpg Такой способ сэмплирования снижает уровень случайного шума, при этом не сокращается пропускная способность. В результате резолюция осциллографической системы повышается. Однако в режиме среднего значения требуется больше времени для обработки изменяющихся форм сигнала. Это позволяет добиться более высокой резолюции, но ценой снижения скорости работы осциллографа. Кроме того, из-за особенностей способа обработки подходят только периодические сигналы. Подводя итог, можно сказать, что разрешение экрана осциллографа в вертикальном направлении само по себе ограничено. Кроме того, при измерении высокочастотных сигналов величина амплитуды также не является точной; на максимальной частоте допускается ошибка в 30%. Более высокое вертикальное разрешение увеличивает время преобразования аналоговых данных в цифровые, что в свою очередь влияет на скорость дискретизации и, как следствие, на полосу пропускания. Это не оправдывает таких потерь. Обычно вертикальная разрешающая способность осциллографа составляет 8 бит, а у осциллографов с высокой разрешающей способностью — до 12 бит. Если точность самой аналого-цифровой преобразовательной схемы осциллографа не улучшается, то стремление к повышению разрешающей способности ADC бессмысленно. Если необходима высокая точность измерения напряжения, следует использовать мультиметр. Основная функция осциллографа — отображение формы сигнала; точность его измерений обычно составляет не более 2%. Такой уровень точности вполне достаточен для подавляющего большинства задач.