Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №2

Осциллографы фирмы Tektronix открытой архитектуры

Дьяконов Владимир


Современный цифровой осциллограф имеет много общих с компьютером узлов — от систем электропитания и памяти до средств отображения информации. Поэтому одним из важных направлений развития осциллографов является их построение на основе платформы персональных компьютеров [1–5]. Фактически речь идет об интеграции цифрового осциллографа с компьютером. И те и другие принято называть приборами с открытой архитектурой. В статье представлен этот класс цифровых осциллографов фирмы Tektronix. Основное внимание уделено практике работы с осциллографами и выявлению особенностей их работы и применения.

В состав рассматриваемых осциллографов входит жесткий диск, на который наряду с фирменными программами обслуживания могут быть установлены программы сторонних разработчиков, например программы компьютерной математики, математического моделирования исследуемых осциллографом процессов и устройств, программы обработки реальных сигналов и осциллограмм и т. д. и т. п.

Термин «открытая архитектура» правомерен и в отношении широкого применения в таких осциллографах фирменных опций, в том числе и аппаратных, например плат с интерфейсами GPIB, LAN, USB, дополнительных модулей памяти, усилителей и т. д. Набор таких опций у приборов с открытой архитектурой весьма широк, и производит их обычно фирма — производитель осциллографа.

Архитектура цифровых осциллографов с цифровым фосфором

В настоящее время все цифровые осциллографы открытой архитектуры, выпускаемые компанией Tektronix, относятся к осциллографам с цифровым фосфором или люминофором (DPO). Укрупненная функциональная схема такого прибора показана на рис. 1.

Рис. 1. Укрупненная функциональная схема ЦЗО с цифровым фосфором

В ЦЗО сигнал с выхода аналогового блока осциллографа подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), квантуется им, преобразуется в поток цифровых данных и запоминается в специальном 3D-блоке памяти в виде страниц с оцифрованными осциллограммами. Он и называется цифровым фосфором. В многоканальных осциллографах встроено до четырех аналоговых блоков и АЦП.

Эти предварительные операции именуются сбором данных — режим Acquire. Полученные данные обрабатываются, формируются записи и кадры осциллограмм, и они отображаются на экране жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) дисплея. Важным параметром цифрового осциллографа является скорость или частота обновления осциллограмм на экране. Она составляет от нескольких тысяч герц у дешевых приборов до сотен кгерц у дорогих. Для повышения скорости обновления осциллограмм сбор данных проводится параллельно с выводом осциллограмм на экран ЖКИ, при этом используется быстродействующая память большого объема — до десятков и даже сотен мегабайт (или осциллограмм) на каждый канал. Естественно, что такая память дорога и ее объем ограничен.

Управление работой узлов осциллографа осуществляется от встроенной в осциллограф системной платы персонального компьютера (ПК). Она же используется для управления видеосистемой компьютера, отображением осциллограмм на экране ЖКИ-дисплея, организации графического интерфейса пользователя (GUI), интерфейса связи с внешними устройствами (в том числе с внешним ПК) и т. д.

На рис. 2 показана типичная функциональная схема аналогового блока для одного канала. Она содержит внешний пробник, входной разъем, переключатель вида входа (открытый, закрытый, заземленный), подключаемый 50-омный согласующий резистор, входной делитель (аттенюатор), усилитель и фильтр низкой частоты. Параметры аналогового блока во многом определяют обычные параметры цифрового осциллографа: полосу исследуемых частот, дрейф нуля, смещение и чувствительность по вертикали.

Рис. 2. Типичная функциональная схема аналоговой входной части цифрового осциллографа серии Tektronix TDS5000

Развертка цифрового осциллографа чаще всего построена на основе счетчика тактовых импульсов. Деление их частоты обеспечивает масштабирование развертки. Разумеется, в состав осциллографа входят блоки синхронизации и запуска развертки, тестирующие устройства и устройства самоконтроля и самокалибровки.

Выбор числа отсчетов, восстановление и интерполяция сигналов

Принципиально важен вопрос о выборе числа отсчетов сигнала для его преобразования в цифровую форму и дальнейшего восстановления сигнала по его отсчетам. Как часто надо делать равномерные выборки произвольного сигнала, чтобы после преобразования в цифровую форму, а затем снова в аналоговую была сохранена форма сигнала? Ответ на этот важный вопрос дает теорема об отсчетах, или теорема Котельникова (за рубежом именуемая также теоремой Найквиста): «Если спектр сигнала e(t) ограничен высшей частотой fB, то он без потери информации может быть представлен дискретными отсчетами с числом, равным или большим 2fB». При этом сигнал восстанавливается по его отсчетам e (kxdt), следующим с интервалом времени dt = 1/fB, с помощью фильтра, реализующего восстановление, по формуле:

Простейшей является линейная интерполяция, которая сводится к соединению узловых точек отрезками прямых. Она легко реализуется математически и программно и потому часто применяется как в системах компьютерной математики, так и в программах для цифровых осциллографов, рисующих осциллограммы на экране осциллографа. Однако при отображении даже простых плавных процессов, например синусоидальных, получаемая из отрезков прямых осциллограмма выглядит очень грубой, если число отсчетов порядка 10-20 и менее. В осциллографах это имеет место при работе с малой длительностью развертки.

Зачастую было бы желательно применять более тонкую интерполяцию, обеспечивающую плавность осциллограмм. Наиболее распространенной стала интерполяция вида sin(t)/t. Именно эта интерполяция является базисом Котельникова и, согласно его теореме (1), обеспечивает точное восстановление сигнала в узловых точках. Есть, правда, небольшая проблема — суммирование в (1) от -∞ до +∞. Однако если спектр сигнала ограничен частотой fmax, то можно использовать приближенную формулу интерполяции:

Обычно линейная интерполяция предпочтительна при отображении импульсных сигналов с разрывами, например прямоугольных или пилообразных, а интерполяция вида (2) предпочтительна для отображения плавно изменяющихся сигналов.

Наивысшими частотами, реализующими сбор данных в режиме реального времени, обладают осциллографы фирмы Tektronix, имеющие наиболее скоростные АЦП. В некоторых осциллографах применяется дискретизация со случайным изменением положения отсчетов. В этом случае возрастает вероятность попадания отсчетов на тонкие детали сигнала, например на его короткие выбросы. При этом можно говорить о некоторой эквивалентной частоте дискретизации, которая может многократно превосходить среднюю частоту, если конечная временная зависимость строится по множеству осциллограмм.

Большинство цифровых осциллографов имеет кнопку Autoset для автоматической установки параметров, обеспечивающей возможность правильного (но не самого лучшего!) наблюдения сигнала. Получив отчетливую осциллограмму сигнала, можно обычными установками масштаба по вертикали и горизонтали и смещения получить наиболее приемлемый вариант изображения на экране. Многие приборы имеют и средства автоматической калибровки и настройки для устранения их ухода в процессе длительной эксплуатации и в зависимости от температуры окружающей среды.

Осциллографы фирмы Tektronix серии 5000

Осциллографы с цифровым люминофором серии TDS5000B были первыми осциллографами фирмы Tektronix рассматриваемого класса приборов (рис. 3). По функциональным возможностям они заметно превосходят новейшие разработки серий 1000/2000/3000 и даже 4000 с закрытой архитектурой. К 2008 г. выпуск TDS5000B был прекращен, но затем возобновился, поскольку эти приборы оказались очень востребованными и недорогими.

Рис. 3. Внешний вид осциллографа с цифровым люминофором Tektronix TDS5104B

В состав серии входит пять приборов, основные параметры которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры осциллографов серии TDS5000B

Модель Число каналов Полоса пропускания, МГц Максимальная частота дискретизации, Гвыб/c объем памяти, Мбайт
TDS5032B 2 350 5 8
TDS5034B 4 350 5 8
TDS5052B 2 500 5 8
TDS5054B 4 500 5 8
TDS5104B 4 1000 5 8

Масштаб по вертикали у всех приборов от 1 мВ/дел до 10 В/дел, по горизонтали — от 200 пс/дел до 40 с/дел. Приборы обеспечивают 13 видов синхронизации и 53 вида автоматических измерений (амплитудных, частотно-временных, статистических и др.). Частота дискретизации в 5 ГГц обеспечивает не менее 5 отсчетов на минимальной длительности перепадов или фронтов наблюдаемых импульсных сигналов. Цветной жидкостно-кристаллический дисплей (опционально сенсорный) имеет размер по диагонали 26,4 см и разрешение 640x480 точек.

Сразу обращаешь внимание, что меню на экране осциллографа (рис. 4) соответствует операционной системе Microsoft Windows 2000 Professional или Windows ME. Оно выполнено в лучших традициях этих операционных систем и управляется обычной компьютерной мышью, клавиатурой или с использованием сенсорных свойств экрана.

Рис. 4. Окно осциллографа с меню операций в верхней части

Здесь показано подменю операций с файлами File, которое есть практически в любом приложении к этой операционной системе. Оригинальным является полупрозрачность меню — через него отчетливо видны заслоненные осциллограммы, и это очень удобно при работе с прибором.

Если исполнить команду Minimize, то наличие внутри осциллографа компьютера станет уже бесспорно очевидным — окно осциллографа сменится окном операционной системы, показанным на рис. 5. Подключив к осциллографу клавиатуру и мышь, с ним можно работать как с обычным компьютером. Осциллограф имеет накопители на жестком и гибком диске, а также записывающий CD-ROM. В характерном вырезе в левой задней части корпуса осциллографа можно найти обычные для компьютера порты, в том числе USB для подключения модуля флэш-памяти и разъем GPIB. На жесткий диск осциллографа возможна инсталляция многих Windows-приложений, например систем компьютерной математики Excell, MATLAB, Mathcad и др., и даже проигрывателей и рекордеров звуковых и видеофайлов. По сути это означает безграничное расширение возможностей осциллографа.

Рис. 5. Окно операционной системы Windows 2000 Professional

Работа с TDS5000

Как и при работе со всяким осциллографом, перед использованием TDS5000 надо подготовить его к работе, включить в сеть и откалибровать пробники. Поскольку это хорошо известно пользователю любого осциллографа, описывать начальную подготовку прибора подробно не будем. Отметим лишь, что рекомендуется при просмотре сигналов включить только нужный вход (или входы) и нажать кнопку Autoset. Это приведет к автоматической установке осциллографа на показ осциллограммы. Нужные настройки затем можно уточнить вручную. Кнопка Default setup позволяет задать исходные заводские установки осциллографа.

Учитывая довольно широкую полосу частот приборов данной серии, внимательно отнеситесь к выбору параметров входов осциллографа и применяемых пробников. Он детально описан в [8, 9]. Органы управления входами содержат ручки изменения масштаба осциллограмм по вертикали Scale, изменения позиции осциллограмм Position, кнопки включения каналов CH1-CH4 и кнопки задания высокоомного (1 МОм) и низкоомного (50 Ом) входов. Низкоомный вход используется при отладке широкополосных согласованных трактов с волновым сопротивлением 50 Ом.

Работа с аналоговыми блоками TDS5000

Управление состоянием входов может устанавливаться с помощью меню, вызываемого из позиции Vertical главного меню. На рис. 6 показан вид экрана с панелью этого меню. Сверху видна осциллограмма прямоугольного импульса от генератора AFG3252 с малой длительностью фронтов (2,5 нс), поданного прямо на вход. Хорошо видно, что при установленном входном сопротивлении в 1 МОм форма импульсов сильно искажена из-за отражений в несогласованном коаксиальном кабеле. Наблюдение отражений в сигнальных трактах — одно из важных предназначений осциллографа, например, в качестве рефлектометра.

Рис. 6. Пример просмотра импульса при сопротивлении входа 1 МОм (отсутствие согласования)

Теперь изменим входное сопротивление на 50 Ом, активизируя соответствующую кнопку в нижнем меню или на передней панели осциллографа. Вид осциллограммы тут же изменится — амплитуда импульса заметно упадет, а форма станет почти идеально прямоугольной (рис. 7). Этот случай демонстрирует работу с осциллографом в режиме согласования — когда выходное и входное сопротивления равны волновому сопротивлению коаксиального кабеля. Амплитуда импульса при этом падает вдвое.

Рис. 7. Пример просмотра импульса при сопротивлении входа 50 Ом (режим согласования)

В меню можно сменить позицию и масштаб осциллограмм, задать вход по постоянному (DC) или переменному (AC) току, заземлить вход (GROUND) для уточнения положения нулевой линии, ограничить полосу частот 150 или 20 МГц и др. Ограничение полосы снижает чувствительность осциллографа к шумам и высокочастотным наводкам и позволяет получить более четкие осциллограммы. Кнопка Close нижнего меню закрывает его и позволяет наблюдать осциллограммы, развернутые на весь экран.

Установки системы сбора и отображения осциллограмм

Осциллограммы на экране часто искажены шумами (например, рис. 4). Отчасти это вызвано широкой полосой частот тракта вертикального отклонения, но чаще шумами квантования, присущими преобразованию аналоговых сигналов в цифровые. Однако с помощью специальной математической обработки осциллограмм их шумы можно резко уменьшить и практически устранить. Это делается в меню Acquare (режимы сбора), вводимом из позиции Horiz/Acq основного меню (рис. 8). Режим усреднения заданного числа осциллограмм является наиболее мощным средством уменьшения шума. Но он ведет к заметной инерционности в выводе осциллограмм, поскольку каждая осциллограмма выводится путем усреднения заданного числа осциллограмм.

Рис. 8. Пример вывода меню Horiz/Acq и просмотра трех осциллограмм в режиме усреднения

В большинстве случаев хорошие результаты по очищению осциллограмм от шума дает и режим высокого разрешения Hi Rez. При нем статистическая обработка данных для построения осциллограмм идет внутри пакетов данных для одной осциллограммы. Напротив, режимы пикового детектора, обычного сбора Sample и огибающей Envelope выделяют и подчеркивают шумы и выбросы. Особо следует отметить режим WfmDb, в котором отчетливо проявляется действие цифрового фосфора, — редко повторяющиеся фрагменты осциллограмм окрашиваются светлыми тонами, а часто повторяющиеся — светлыми. У TDS5000 такие фрагменты имеют заметно отличающиеся цвета (рис. 9). Красным цветом выделяются наиболее часто повторяющиеся фрагменты осциллограмм в их центральной части.

Рис. 9. Пример вывода трех осциллограмм в режиме применения цифрового фосфора

Установки развертки и запуска (синхронизации)

Осциллографы серии TDS5000 дают расширенные возможности запуска развертки (13 видов запуска и синхронизации). Меню запуска и синхронизации развертки показано на рис. 10 снизу. Из него видно, что наряду с обычным запуском по фронту импульсов (перепаду) имеется множество других видов запуска, в частности по состояниям сигналов, по телевизионному (видео) сигналу и т. д. Это способствует выявлению различных особенностей и аномалий сигналов — например, в импульсных источниках питания, телевизионных или телекоммуникационных устройствах.

Рис. 10. Работа с меню запуска и синхронизации развертки

Математические операции

С сигналами одного или двух каналов могут осуществляться различные математические операции — начиная от суммирования, вычитания, умножения и деления сигналов каналов и кончая вычислениями тригонометрических и иных функций (рис. 11). Активизируя кнопку More в меню математических операций, можно вызвать функции дифференцирования, интегрирования, логарифмирования сигналов и т. д. На рис. 11 также проиллюстрировано применение редактора математических выражений (его панель показана внизу экрана).

Рис. 11. Применение математических операций с сигналами каналов

Курсорные и автоматические измерения

Помимо измерений по откалиброванной масштабной сетке (ее вид, кстати, можно менять), осциллограф реализует курсорные и автоматические измерения. Курсоры выводятся активизацией кнопки Cursors или использованием команд позиции Cursors основного меню. Применение горизонтальных курсоров для измерения двойного пикового значения уровня пачки синусоидальных сигналов показано на рис. 12. Для плавного перемещения курсоров используются поворотные многофункциональные ручки. Обратите внимание на возможность вывода результатов курсорных измерений в правую часть экрана.

Рис. 12. Пример применения горизонтальных курсоров

Разумеется, возможно применение одновременно и горизонтальных, и вертикальных курсоров (рис. 13). Помимо описанного выше применения горизонтальных курсоров, здесь используются вертикальные. С их помощью измеряется длительность пачки синусоидальных колебаний. Положения курсоров и измеренные параметры в цифровой форме выводятся в правой части экрана в области экранного меню.

Рис. 13. Пример применения горизонтальных и вертикальных курсоров одновременно

Курсорные измерения незаменимы, когда требуется измерить параметры особых точек сигнала, например длительность пачки колебаний, как в случае, показанном на рис. 13. Однако 53 различных параметра сигналов осциллографы серии TDS5000 могут измерять автоматически. Их список дан в [2]. Для задания автоматических измерений надо вызвать меню Measure с помощью аналогичной по имени позиции главного меню. На рис. 14 это меню показано в нижней части экрана с открытой вкладкой Ampl, в которой задаются амплитудные измерения.

Рис. 14. Пример задания амплитудных автоматических измерений

С помощью других вкладок можно задать временные (Time), статистические (Histog), коммуникационные (Comm) и прочие (More) измерения. В панели Source можно выбрать источник сигналов — канал Ch, сигнал после математической операции Math или опорную осциллограмму Ref. Для них выполняются заданные автоматические измерения. На рис. 15 показан экран осциллографа после задания восьми автоматических измерений. Последние из них заданы с вкладки Time.

Рис. 15. Экран с осциллограммами и результатами автоматических измерений

Можно закрыть меню Measure (с помощью кнопки Close в нижнем правом углу панели меню) и наблюдать только осциллограммы с результатами автоматических вычислений. При этом благодаря полупрозрачности последние не мешают наблюдать осциллограммы.

Окончание статьи

Литература

  1. Дьяконов В. П. Современная осциллография и осциллографы. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.
  2. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения / Под ред. проф. В. П. Дьяконова. М.: СОЛОН-Пресс, 2007.
  3. Дьяконов В. Цифровые запоминающие осциллографы среднего класса / Ремонт и сервис, 2006.
  4. Шумский И. А. Основные направления развития современной осциллографии: гонка новых технологий на гигагерцевой дистанции // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2003. № 5.
  5. Шумский И. А. 7 ГГц в реальном времени — новый рекорд в обновленной версии TDS7000B // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2004. № 1.
  6. Афонский А. А. Осциллограф на вырост // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2009. № 1.
  7. XYZs of Oscilloscopes. www.tektronix.com
  8. ABCs of Probes. Tektronix. www.tektronix.com
  9. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Современные осциллографические пробники и их грамотное применение // Контрольно-измерительные системы и приборы. 2007. № 5, 6. 2008. № 2.
  10. Дьяконов В. П. Современные методы Фурье- и вейвлет-анализа и синтеза сигналов // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2009. № 2.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке