Осциллограф - наиболее распространенный измерительный прибор. Удобство его применения заключается в том, что можно не только визуально рассмотреть форму измеряемого процесса, но и измерить каждую его деталь как по времени, так и по амплитуде. Косвенными методами можно измерить и другие параметры сигнала: частоту, фазу, коэффициент модуляции, скважность и многие другие.
Практически вся история радиотехники была связана с аналоговыми осциллографами, появившимися еще в 20-е годы. Принцип работы аналогового осциллографа следующий. Сфокусированный поток электронов в электроннолучевой трубке отклоняется пропорционально воздействующему сигналу. Если по оси X луч отклонять периодическим линейно-изменяющимся напряжением, а по оси Y - измеряемым сигналом, то на экране возникнет изображение сигнала, изменяющегося во времени.
Упрощенная функциональная схема аналогового осциллографа показана на рис.1. Во входном блоке входной сигнал усиливается и масштабируется. Блок запуска осуществляет синхронизацию сигнала (запуск развертки по оси X в зависимости от особенностей сигнала - фронтов, выбросов и др.). Блок разверток вырабатывает линейно-изменяющееся напряжение с различным временным масштабом. Отклоняющие усилители по осям X и Y вырабатывают сигналы управления лучом электронно-лучевой трубки. Блок управления осуществляет сдвиг изображения по обеим осям и другие сервисные операции.
Основное достоинство аналогового осциллографа - высокая точность отображения сигнала. Это связано с особенностями электронно-лучевой трубки: высокой линейностью системы отклонения и ее практической безынерционностью, благодаря чему можно отображать сигналы в диапазоне частот от долей герца до многих сотен мегагерц. Управление изображением постепенно было доведено до высокого совершенства: сигнал на экране можно как угодно перемещать, растягивать, или сжимать, совмещать два, и более сигналов. Современные аналоговые осциллографы оснащают микроконтроллерами, цифровыми мультиметрами, благодаря чему они становятся поистине универсальными и удобными в использовании измерительными приборами.
Основной недостаток аналогового осциллографа - возможность наблюдения только за периодически повторяющимися процессами, причем сам процесс должен повторяться идеально. В противном случае изображение на экране электронно-лучевой трубки "размазывается" и рассмотреть его становится трудно. А если процесс происходит однократно, его рассмотреть становится невозможно, поскольку послесвечение экрана обычной осциллографической электронно-лучевой трубки мало. В таких случаях прибегают к фотографированию процесса, а это технически непросто и, кроме того, необходимо знать заранее момент появления сигнала.
Для устранения этого недостатка в 60-е годы был разработан так называемый запоминающий осциллограф.
Основу его составляла запоминающая электронно-лучевая трубка, в которой однократно записанное изображение могло храниться в течение долгого времени. Однако такое изображение невозможно сдвинуть, сжать, растянуть, можно только стереть и записать заново. Запоминающие осциллографы были громоздкими и дорогими. Кроме того, в них существовало ограничение по скорости записи изображения, из-за чего частотные свойства прибора были ограниченными.
Появление цифровых осциллографов связано с появлением микросхем запоминающих устройств большой емкости. Однократный сигнал можно было записать в запоминающее устройство и затем многократно воспроизводить на экране электронно-лучевой трубки. Благодаря этому устранялся основной недостаток аналогового осциллографа. Функциональная схема цифрового осциллографа показана на рис.2. Входной блок и блок запуска осуществляют те же функции, что и в аналоговом осциллографе. Выход входного блока подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), преобразующему аналоговый сигнал в периодическую последовательность многоразрядных цифровых кодов. Период квантования входного сигнала определяется синхронизатором. Цифровые коды сигнала через блок управления поступают на запоминающее устройство. Сигналы с запоминающего устройства и блока разверток поступают на драйвер монитора, а с него - на дисплей.
Основное достоинство цифрового осциллографа очевидно: он дает возможность записывать и воспроизводить однократные процессы. Сложный процесс можно разбивать на фрагменты и воспроизводить последовательно на нескольких строках изображения. В цифровом осциллографе путем математической обработки сигнала можно выделять и воспроизводить на экране огибающую сигнала, его среднее значение и другие параметры.
Основной недостаток цифрового осциллографа вытекает из необходимости дискретизации сигнала во времени (рис.3). Вместо непрерывного сигнала запоминаются и воспроизводятся только его значения через интервалы времени dt. Поэтому происходит потеря информации о тех значениях сигнала, которые оказались между точками дискретизации. Еще одна потеря информации имеет место в АЦП: количество уровней сигнала, которые, передает АЦП, конечное (например, в восьмиразрядном АЦП - 256 уровней).
Из-за конечного числа уровней сигнала, передаваемых АЦП, возникают шумы, называемые шумами квантования. Шумы квантования сказываются тем больше, чем меньше абсолютный уровень сигнала. Микросхемы АЦП обычно имеют диапазон преобразования входного сигнала в пределах ±10 В. При восьмиразрядном выполнении АЦП одна градация уровня составит 10/256 = 40 мВ. Если на вход АЦП подать сигнал, например, 100 мВ, то он передается всего двумя градациями уровня. Разумеется, такой сигнал перед подачей на АЦП нужно усилить. На рис.4,а показано многократное воспроизведение синусоидального сигнала аналоговым осциллографом, на рис.4,6 - цифровым. Шумы квантования приводят к появлению засвеченной полосы. На рис.5 показано примерно то же изображение, но при однократном воспроизведении сигнала. Следует обратить внимание на искажение формы синусоиды на экране цифрового осциллографа из-за конечного числа уровней квантования.
Борьбу с шумами квантования можно вести двумя путями. Первый - увеличение разрядности АЦП. Однако тем, кто практически разрабатывал АЦП, известно, что чем больше разрядность, тем больше время преобразования, а значит, ниже быстродействие. Например, мировой лидер в области микросхем АЦП фирма Analog Devices выпускает микросхему АЦП AD9002, у которой разрядность равна восьми, частота преобразования -125 МГц, и микросхему AD9060, у которой разрядность 10 бит, а частота преобразования гораздо ниже -75 МГц. Второй путь - тщательное согласование уровней сигнала (путем надлежащего усиления) и диапазона преобразования АЦП. Задача усложняется тем, что автоматическая регулировка усиления (как это делается в радиоприемниках) здесь недопустима, она искажает форму измеряемого сигнала.
Дискретизация по времени также усложняет представление сигнала в цифровых осциллографах. На рис.6,а показано изображение синусоидального сигнала в аналоговом осциллографе, на рис.6,6 - того же сигнала в цифровом осциллографе при частоте дискретизации в несколько раз выше частоты сигнала. На этом изображении четко просматривается сетка, называемая "муаром", причем при малейшем сдвиге частоты сигнала вид "муара" изменяется. Но если при непрерывном сигнале с "муаром" еще можно как-то мириться, то при импульсном сигнале конечное значение частоты дискретизации по времени может привести к значительному искажению изображения, как это можно видеть на рис.7, где слева -представление сигнала на аналоговом осциллографе, справа - на цифровом.
Выход из положения только один - делать частоту дискретизации как можно выше. Однако все упирается в быстродействие АЦП, причем уменьшение дискрета по времени автоматически увеличивает дискрет по амплитуде. Тем не менее, в современных цифровых осциллографах путем различных усовершенствований удалось довести частоту дискретизации до 8 ГГц.
|