Thread Content
Осциллограф — это электронный измерительный прибор с очень широким спектром применений. Как говорится, электричество — это то, что невозможно увидеть и потрогать. Но осциллограф позволяет нам «видеть» электрические сигналы, что облегчает изучение процессов изменения различных электрических явлений. Следовательно, основная функция осциллографа, как и следует из его названия, заключается в отображении формы электрического сигнала — это инструмент, который помогает инженерам находить причины неисправностей или оценивать производительность системы и так далее. У формы волны также существует множество определений, например, форма волны в временной или частотной области. Для осциллографа в большинстве случаев измеряется изменение напряжения со временем, то есть форма волны в временной области. Таким образом, осциллограф может анализировать изменения напряжения в исследуемой точке, что позволяет ему находить широкое применение в различных отраслях и сферах электроники. В нашей отрасли осциллографы обычно делятся на аналоговые и цифровые. Однако некоторые производители могут придавать своим осциллографам другие названия, чтобы подчеркнуть какую-либо их особенность, например, цифровой флуоресцентный осциллограф и т. д. Но их основные принципы по-прежнему не выходят за рамки этих двух категорий осциллографов. Аналоговый осциллограф относится к ранним типам осциллографов; он работает на основе катодно-лучевой трубки (также называемой трубкой отображения, которая широко использовалась в ранних телевизорах и мониторах). Электронный луч, излучаемый этой трубкой, с помощью систем горизонтальной и вертикальной фокусировки падает на флуоресцентный слой экрана, что позволяет отобразить форму волны. Однако сейчас единственным преимуществом имитационных осциллографов, по-видимому, остается их цена. У него нет возможности хранения данных и анализа форм сигналов; функции триггеринга также ограничены. Он не может захватывать однократные или случайные сигналы. Кроме того, из-за использования большого количества аналоговых компонентов внутри устройства, эти компоненты могут изменяться под воздействием температурных колебаний, поэтому производительность устройства также является нестабильной. В современных электронных измерениях аналоговые осциллографы практически вышли из употребления, поэтому сегодня мы будем говорить в основном о цифровых осциллографах. В ранних цифровых осциллографах из-за ограничений технологий отображения продолжали использоваться экраны на основе КТП (катодно-лучевая трубка), как в аналоговых осциллографах. Главное отличие цифрового осциллографа от аналогового заключается в том, что входной сигнал уже не отображается непосредственно на экране. Вместо этого он сначала обрабатывается с помощью ADC (аналого-цифрового преобразователя) — происходит его дискретизация и преобразование в цифровой формат, после чего данные сохраняются в кэше. Затем с помощью схем обработки сигналов эти данные извлекаются. Поскольку ранние цифровые осциллографы использовали ЖК-мониторы, необходимо было с помощью преобразователя цифро-аналогового формата преобразовывать цифровые данные в аналоговые, чтобы отобразить их на экране ЖК-монитора. Современные цифровые осциллографы в большинстве случаев уже не используют ЖК-дисплеи; вместо них применяются дисплеи на жидких кристаллах. Благодаря этому габариты устройств значительно сокращаются. Кроме того, некоторые из таких осциллографов оборудованы сенсорными экранами, что облегчает их использование. Также больше нет необходимости преобразовывать цифровые данные в аналоговые сигналы. Поскольку между этими двумя моделями нет существенных различий в функциональной структуре, в промышленности обычно не используются термины «Осциллограф CRT» и «Осциллограф LCD». Цифровые осциллографы часто называют цифровыми осциллографами с запоминанием, поскольку важной частью работы цифрового осциллографа является хранение данных, собранных с помощью АЦП. Основные этапы сбора данных современными цифровыми осциллографами мы можем наглядно понять, изучив плату управления этого интеллектуального осциллографа Micronix STO1104C: ① Сигнал снижается в амплитуде с помощью пробойника до подходящего уровня, после чего поступает на входное устройство осциллографа. То, какое напряжение может измерять осциллограф, в основном зависит от пробки: благодаря эффекту затухания пробка способна преобразовывать сигналы напряжения в десятках тысяч вольт в значения в несколько десятков вольт. ②Сигнал поступает через схему копирования к предварительному усилителю и усилителю; в программе осциллографа это проявляется в регулировке вертикального масштаба таким образом, чтобы форма волны максимально заполняла весь экран. Это позволяет повысить вертикальную точность и сделать измерения более точными. Фронтальная часть во многом определяет первый показатель осциллографа: полосу пропускания. ③Процессор ARM управляет FPGA, которое в свою очередь регулирует частоту дискретизации АЦП. На программном обеспечении осциллографа это проявляется в изменении временной шкалы. Поскольку глубина запоминания данных является постоянной величиной, частота дискретизации равна глубине запоминания деленной на продолжительность записи сигнала. Обычно изменение временной шкалы осуществляется путем изменения частоты дискретизации. Поэтому частота дискретизации, указанная производителем, обычно справедлива только при определенном временном масштабе; при более большом временном масштабе из-за ограничений по глубине запоминания частоту дискретизации приходится снижать. ЦАП и высокоскоростная память RAM влияют на два других ключевых показателя осциллографа: частоту дискретизации и глубину запоминания. ④Далее FPGA управляет синхронным считыванием данных с ADC, который преобразует собранные данные в двоичный формат и записывает их в кэш-память. Кэш памяти — это глубина хранения; обычно размер памяти в четыре раза превышает указанную осциллографом глубину хранения. Поскольку FPGA не может управлять процессом триггеринга осциллографа, собираемый сигнал сначала составляет в два раза больше указанной глубины хранения, а затем на основе параметров триггеринга выбирается определенный участок формы волны. Таким образом, осциллограф может отображать форму волны, предшествующую моменту триггеринга. Кроме того, поскольку осциллограф должен непрерывно собирать сигналы во время их фильтрации, иначе вероятность правильного захвата сигнала будет слишком низкой, необходимо продолжать сбор данных в том же объеме. Таким образом, количество собранных данных увеличивается в четыре раза. ⑤После получения команды на запуск память передает данные процессору ARM для обработки⑥. Процессор ARM обрабатывает данные, а затем через интерфейс отображения выводит их на экран для просмотра пользователем. Благодаря вычислениям осциллограф также может имитировать многоступенчатую интенсивность отображения, характерную для аналоговых осциллографов, а также эффект цветовой температуры и эффект послесвечения, присущие цифровым осциллографам. ⑦После обработки данных осциллограф может сохранить текущий график сигнала или данные в памяти. Следует иметь в виду, что здесь речь идет о хранении данных, которое сильно отличается от высокоскоростного кэширования. Большинство осциллографов используют внешнюю память, такую как флеш-накопители, карты SD, компьютеры и т. д. В некоторых современных осциллографах имеется встроенная большая память, что позволяет сохранять данные прямо в самом устройстве. В этом процессе ②③④ обрабатываются параллельно. Из-за ограничений скорости обработки у цифровых осциллографов невозможно обеспечить непрерывное отображение формы сигнала в реальном времени на экране. Между двумя отображаемыми формами сигнала происходит потеря данных, что и является так называемым периодом бездействия. Это является самым серьезным недостатком цифровых осциллографов по сравнению с аналоговыми. Однако по мере улучшения вычислительных возможностей осциллографов и повышения скорости захвата сигналов, этот недостаток постепенно устраняется.