Объект исследования

Цифровой мультиметр

Рис. 5.11

Конструктивно такой мультиметр состоит из основного прибора с клавиатурой на передней панели (как у цифрового вольтметра) и дополнительного блока - вычислительного контроллера, выполненного на основе отдельного, второго микропроцессора. В составе микроконтроллера имеются внутренняя логическая плата и внешняя клавиатура (подобная применяемой в микрокалькуляторах). С ее помощью пользователь получает доступ к управляющему микропроцессору, находящемуся внутри основного прибора. Логическая плата микроконтроллера выполняет требуемую обработку данных и дополнительных инструкций по интерпретации команд, вводимых с клавиатуры. Микропроцессор либо сразу выполняет команды, либо направляет их в модуль памяти для хранения и использования впоследствии.

Система команд, набираемых на клавиатуре, включает операции вычисления алгебраических (в том числе логарифмических) и тригонометрических функций, определяемых пользователем, а также команды, относящиеся к чисто программной процедуре: условных переходов, адресации, вывода на дисплей и т. п.

Одна из возможностей прибора - косвенное измерение мощности, рассеиваемой на резисторе сопротивления R (рис. 5.11). По программе предполагаются измерение падения напряжения U на резисторе и последующее вычисление мощности по известной формуле P = UIR. При выполнении указанной программы прибор фактически представляет собой уже не вольтметр, а измеритель мощности. Характерно то, что эта функция прибора задана программным путем, причем требуются всего 10 шагов программы.

Для набора определенной программы время затрачивается только один раз, так как ее можно записать в съемный модуль памяти программ.

Глава шестая. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

6.1. КОРОТКО ОБ ОСЦИЛЛОГРАФАХ ВООБЩЕ

Известно, что электронные осциллографы - приборы для визуального наблюдения электрических сигналов, а также измерения их параметров с использованием средства отображения формы сигналов - являются самыми распространенными измерительными приборами. Доминирующее положение занимают электронно-лучевые осциллографы, у которых средством отображения формы сигналов служит электронно-лучевая трубка.

Различают универсальные осциллографы (вид С1), стробоскопические (вид С7), запоминающие (вид С8), телевизионные (вид С9). В зависимости от количества одновременно исследуемых сигналов или, иначе, количества используемых каналов сигнала электронные осциллографы делят иа одноканальные, двухка-налыные (и двухлучевые), трехканальные, многоканальные.

На рис. 6.1 приведена упрощенная структурная схема универсального од-ноканального электронно-лучевого осциллографа (не показаны питающие устройства и схема управления лучом электронно-лучевой трубки).

Канал вертикального отклонения, нли канал сигнала, предназначен для передачи напряясения источника исследуемого сигнала, подводимого ко входу Y, на вертикально отклоняющие пластины трубки. Входной блок содержит аттенюатор (набор делителей напряжния) и предварительный усилитель с эмнттерным (истоковым) повторителем на входе. Наличие линии задержки позволяет при исследовании импульсных сигналов в режиме внутренней синхронизации ждущей развертки, т. е. синхронизации исследуемым сигналом (на рис. 6.1 переключатель П1 в положении /), запускать генератор развертки с опережением относительного момента поступления исследуемого импульса ка вертикально-отклоняющие пластины трубки. В этих условиях при благоприятных временных соотношениях удается получать неискаженные осциллограммы, наблюдать фронт импульса. Оконечный усилитель выполняет две функции: усиливает исследуемый сигнал до уровня, требуемого для получения достаточно большого размера изображения по вертикали, и преобразует несимметричное входное напряжение в два симметричных напряжения, подаваемых с выходов усилителя на вертикально-отклоняющие пластяны.

Основные характеристики канала вертикального отклонения: чувствитель-

BxoaY о---

Входной блок

Канал

Вход о-

Линия задержки Усилитель

вертикального отклонения

Выход

Вход X

Вход2 о-

Схема синхронизации

от питающей сети

Аттенюатор

Канал горизонтального отклонения

Аттенюатор

Схема изменения полярности

Усилитель

Канал управления яркостью

Средства измерения параметров

сигналов

ность или коэффициент отклонения, полоса пропускания, входное сопротивление и входная емкость.

Канал горизонтального отклонения, или каиал развертки, служит для формирования напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорциональное времени. Эту функцию выполняет генератор развертывающего напряжения, сокращенно называемый генератором развертки (переключатель П2 - в положении /). Вторая функция канала - усиление (ослабление) сигнала, передаваемого от входа X на горизонтально-отклоняющие пластины трубки (переключатель П2 -в положении 2). Роль усилителя в этом канале аналогична роли усилителя канала вертикального отклонения. Схема синхронизации передает и формирует поступающие на ее вход сигналы, синхронизирующие работу генератора развертки. В зависимости от положения переключателя П1 возможны три вида синхронизации: внутренняя - исследуемым сигналом (положение /), внешняя - сигналом, поступающим от внешнего источника на гнездо Вход синхр. (положение 2), и напряжением питающей сети (поло-жени 3).

В режиме формирования развертывающего напряжения канал горизонтального отклонения характеризуют параметрами сигналов, вырабатываемых генератором развертки: длительностью, амплитудой, скоростью изменения или коэффициентом развертки, а также коэффициентом нелинейности. При выполнении функции усиления основные характеристики канала аналогичны характеристикам канала вертикального отклонения.

Во многих осциллографах предусмотрены две развертки. Первая - развертка, создаваемая обычным генератором пилообразного напряжения, - называется основной. Вторая, формируемая с помощью второго генератора, аналогичного первому и работающему в ждущем режиме, называется задержанной разверткой, так как второй генератор запускается импульсом, задержанным на некоторое время относительно начала основной развертки. Для получения задержанного импульса в обычных (не управляемых микропроцессором) осциллографах предусматривают компаратор, на один вход которого подано образцовое напряжение постоянного тока, а на второй вход - пилообразное напряжение основной развертки. Изменяя значение образцового напряжения с помощью потенциометра, ручка которого расположена на передней панели осциллографа, можно перемещать момент начала задержанной развертки вдоль всей длительности основной развертки. Обычно предусматривают возможность устанавливать скорость задержанной развертки в два, пять или десять раз выше скорости основной развертки. Таким образом, получаются две оси времени с различными масштабами. Это позволяет наблюдать с помощью развертки растянутые участки осциллограммы, получаемой при основной развертке ( электронная лупа ). Для увеличения яркости этой осциллограммы с генератора задержанной развертки может быть снят импульс подсвета. Наличие двух разверток также дает возможность повысить точность измерения интервалов времени при непосредственном отсчете.

Канал управления яркостью предназначен для передачи со входа Z иа управляющий электрод электронно-лучевой трубки напряжения сигналов, модулирующих яркость свечения.

Средства измерения параметров исследуемых сигналов служат для измерения чаще всего напряжений (преимущественно пиковых значений) и интервалов времени: периода периодического сигнала, длительности импульса, дли-

тельностей его фронта и среза и т. п. Электронно-лучевые трубки современных осциллографов имеют внутреннюю масштабную сетку, расположенную в плоскости экрана. Эта сетка используется при измерениях параметров сигнала. Осциллографы более старых выпусков содержат калибраторы чувствительности и длительности - средства измерения (меры), с помощью которых градуируют или проверяют градуировочные характеристики осей экрана (масштабной сетки) осциллографа: вертикальной - в единицах напряжения, горизонтальной - в единицах времени. В новых осциллографах применяются встроенные цифровые измерители, причем результаты измерения отображаются на экране электронно-лучевой трубки в цифровой форме - число и единицы измерения.

6.2. НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ ОСЦИЛЛОГРАФОВ,

СОЗДАВАЕМЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРАМИ

После ознакомления с микропроцессорными приборами, рассмотренными в предыдущих главах, может появиться резонный вопрос: К чему привело вторжение микропроцессора в осциллограф, какие возможности появились у этого прибора? Познакомимся с новыми свойствами, которые характерны для электронного осциллографа, содержащего микропроцессорную систему [7, 27].

Прежде всего следует отметить, что управление осциллографом стало программным, и это радикально упростило его эксплуатацию. Так, например, имеется осциллограф, у которого только одним переключателем устанавливаются необходимые значения коэффициента усиления канала вертикального отклонения (разхмер изображения по вертикали), длительности развертывающего напряжения и т. п. Функции управления группируются по логическому принципу, и выбор желаемой функции достигается нажатием соответствующей клавиши. Это коренным образом изменило переднюю панель осциллографа. Управление не только упростилось, но и стало более гибким. Его можно осуществить как по программе работы внутреннего микроконтроллера, так и с помощью контроллера системного интерфейса, к которому подключается прибор. Созданы возможности полной автоматизации управления работой электронно-лучевого осциллографа (не считая функций регулировки режима работы электронно-лучевой трубки, которые выполняются перед началом исследования вручную), пересылки результатов измерения через интерфейс в печатающее устройство или устройство обработки.

Вторая возмолность (точнее, совокупность возможностей) микропроцессорных осциллографов - упрощение измерительной процедуры, снижение трудоемкости измерений, повышение их точности, расширение перечня измеряемых параметров сигналов, выполнение математических операций. Характерным примером может служить измерение длительности фронта (или среза) прямоугольного импульса. Чтобы осуществить это измерение, достаточно установить на изображении фронта две светящиеся метки - одну на нулевом уровне, а вторую - на уровне, соответствующем

амплитуре импульса, - и нажать соответствующую клавишу. Результат измерения отображается а экране в виде десятичного числа с указанием единиц измерения. Для осциллографов, содержащих микропроцессорную систему, снижаются требования к точности установки и стабильности коэффициентов передачи каналов. Возможные по этим причины погрешности корректируются по хранимым в памяти точным значениям коэффициентов передачи каналов вертикального и горизонтального отклонения. Выполнение операции усреднения исследуемого сигнала за большое число периодов существенно ослабляет влияние помех, улучшает качество осциллограммы. Говоря о расширении перечня измеряемых параметров исследуемого сигнала, следует отметить, что в этот перечень вошли такие параметры, как частота периодического сигнала, среднеквадратическое значение напряжения, площадь импульса, энергия и другие параметры, измерения которых выполняются нажатием одной клавиши и не требуют вычислений.

Третья новая возможность заключается в повышении эффективности испытаний и настройки электронных схем в процессе их разработки. В память микропроцессорной системы заносятся расчетные данные, характеризующие идеальную схему, ее реакцию в целом или отдельных элементарных схем на типовые испытательные сигналы. После выполнения реальной схемы полученные при ее испытании данные сопоставляются с хранимыми в памяти. Результат- сравнения несет информацию, которой руководствуются при настройке и доработке схемы. Многократные испытания и сопоставления позволяют оценить роль каждого узла и компонента разрабатываемой схемы и оптимизировать ее по выбранному критерию.

Еще одна существенная возможность - ускорение калибровки и регулировки осциллографа. Эта процедура, проводимая периодически согласно установленному регламенту в условиях эксплуатации, не требует проникновения внутрь прибора (снятия кожуха): она выполняется с помощью органов управления, расположенных на передней панели. По заданной программе вычисляются значения калибровочных коэффициентов, которые записываются в неразрушаемую память. В ней хранятся также указания по проведению калибровки. Они последовательно выводятся на экран электронно-лучевой трубки и служат пошаговыми инструкциями для лица, осуществляющего калибровку. Хотя она и требует участия человека, но в гораздо меньшей степени, чем при выполнении этой процедуры с обычным осциллографом. По окончании предварительной калибровки значения установленных параметров фиксируются в запоминающем устройстве. В ходе измерений калибровка проводится автоматически после того, как пользователь прибора нажмет соответствующую клавишу.

6.3. ВАРИАНТЫ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ

ОСЦИЛЛОГРАФОВ

В различных электронных осциллографах, содержащих микропроцессор, выполняемые им функции неодинаковы. На микропроцессор могут возлагаться только функции управления, причем в отдельных приборах - для решения сравнительно узкой задачи. Иногда его основное назначение - выполнение измерительных операций. В некоторых схемах разграничены собственно осцилло-графическая часть и микропроцессорная система, решающая ряд задач управления, измерения и обработки. Имеются приборы, у которых все регулировки рабочих режимов осуществляются про-граммцым путем, автоматизированы измерительные процедуры, включая калибровку, проводятся необходимые вычисления, обработка сигналов и результатов измерений. Естественно, что от объема и характера функций, выполняемых микропроцессорной системой, зависит общая структура осциллографа. В последующих параграфах освещается несколько разновидностей электроннолучевых осциллографов, в состав которых входят микропроцессоры. Рассмотрение проводится в порядке возрастания удельного веса функций, осуществляемых с помощью микропроцессорной системы.

6.4. ЦИФРОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Применение запоминающих осциллографов существенно повысило эффективность экспериментального исследования многих процессов. Эти приборы могут быть аналоговыми - со специальными запоминающими электронно-лучевыми трубками - и цифровыми, выполняемыми на обычных электронно-лучевых трубках.

Достоинством аналоговых приборов является очень широкий частотный диапазон исследуемых сигналов. Однако у цифровых запоминающих осциллографов имеются свои несомненные преимущества: практически неограниченная продолжительность хранения запомненной иформации, широкие пределы изменения скорости считывания, возможность замедленного воспроизведения отдельных участков запомненной осциллограммы (например, один из осциллографов позволяет устанавливать коэффициент развертки 1 ч/см), яркие и четкие осциллограммы, намного более контрастные, чем в аналоговых запоминающих осциллографах, простота управления, вывод информации в цифровой форме на ЭВМ или обработка ее внутри осциллографа.

Структурная схема цифрового запоминающего осциллографа приведена на рис. 6.2. Особенность этого прибора в том, что он может работать в двух режимах. Когда переключатели П находятся в положении / (оба переключателя управляются одним органом), схема представляет собой обычный универсальный осциллограф и работает в нормальном режиме. После перевода переключателей в положение 2, соответствующее режиму запоминания

Контроллер

1 п

Рис. 6.2

И воспроизведения, получается схема цифрового запоминающего осциллографа. Его работа заключается в следующем.

Напряжение u{t) исследуемого сигнала поступает через входной блок на информационный вход АЦП. Из контроллера в момент ti подается на управляющий вход АЦП сигнал начала преобразования, по которому напряжение u{ti) преобразуется в числовой эквивалент. По окончании преобразования контроллер получает от АЦП соответствующий сигнал. Образующееся на выходе АЦП число передается в определенную ячейку запоминающего устройства. В последнем за интервал исследования накапливается совокупность чисел, которая может храниться сколь угодно долго, так как запоминающее устройство - энергонезависимое. При необходимости воспроизведения хранимой информации по команде контроллера из памяти выбираются в требуемой последовательности числа и подаются на цифровой вход ЦАП, который преобразует числа в напряжения. Их значения в каждый момент соответствуют числу, поступившему на вход ЦАП. Напряжения передаются через оконечный усилитель канала Y на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Осциллограмма представляет собой совокупность светящихся точек. Для получения непрерывного изображения кривой (такое изображение называют векторным) между выходом ЦАП и входом усилителя включают блок интерполяции (сглаживания).

Наиболее существенный недостаток осциллографов описанного вида - ограниченная полоса пропускания в режиме запоминания, обусловленная относительно невысоким быстродействием АЦП. Так у большинства находящихся в эксплуатации цифровых запоминающих осциллографов полоса пропускания при исследовании непериодических сигналов составляет 1 или 10 МГц. В последнее время решена задача построения цифровых широкополосных осциллографов в результате повышения быстродействия АЦП, а также разработки новых методов дискретизации, интерполяции и отображения сигналов [7, 12].

Иной вариант структурной схемы цифрового запоминающего осциллографа представлен на рис. 6.3. Ее основное отличие от уже рассмотренной схемы (см. рис. 6.2) в том, что функции гене-

Вход y

Входной блок

Внутр. ~

АЦП

Схема синхронизации

-N Запоминающее \ устройство

ЦАП канала У

2. П

Оконечный усилитель У

Микроконтроллер

от питающей сети

Рис. 6.3

ратора развертывающего напряжения выполняет ЦАП, управляемый данными, поступающими на его цифровой вход из микроконтроллера. На выходе ЦАП образуется ступенчато-изменяющееся напряжение. Чтобы оно мало отклонялось от линейно-изменяющегося напряжения, вырабатываемого аналоговым генератором развертки (интегратором), применяется 10-битовый ЦАП. Так как 2io=1024, то при подаче на цифровой вход ЦАП чисел, изменяющихся от О до 1023 с дискретностью 1, напряжение на его выходе растет, принимая 1023 значения. Следовательно, весь диапазон выходного напряжения разбивается на 1023 одинаковые ступеньки и горизонтальное перемещение луча практически получается пропорциональным времени. Максимальная скорость развертки определяется быстродействием ЦАП и микроконтроллера. Регулируется скорость понижением или повыщением частоты изменения чисел на цифровом входе ЦАП.

Следует заметить, что система АЦП - запоминающее устройство - ЦАП канала Y позволяет осуществить регулируемую в широких пределах задержку исследуемого сигнала в канале вертикального отклонения, что в сочетании с ЦАП канала X, служащего генератором развертывающего напряжения, гарантирует высококачественную синхронизацию.

6.5. обычный аналоговый осциллограф плюс микропроцессорная система

Мотивы схемного решения. Один из первых интеллектуальных , т. е. программируемых, осциллографов представляет собой сочетание обычного универсального аналогового осциллографа и устройства цифровой обработки, построенного на основе микропроцессорной системы. Выполненный конструктивно в виде единого блока, этот прибор обладает многими новыми возможностями микропроцессорных осциллографов, изложенными в § 6.2. Такое схемное решение продиктовано стремланием разработчиков помочь пользователю преодолеть психологический барьер на пути перехода от привычных осциллографов с ручным управлением к программно-управляемым приборам, сделать этот переход постепенным [7].

Клавиатура

Ж

Интерфейс ввода

Канал вертикального отклонения

j Оконечный I усилитель y

Оконечный

Канал горизонтального отклонения j yjnnTenb x

Блок АЦП

Интерфейс ввода

Интерфейс вывода

Микропроцессор

Шины микропроцессорной системы

ОЗУ

ПЗУ

Генератор синхросигналов

Электроннолучевая трубка

Блок ЦАП

Интерфейс вывода

И

Формиро-ватеЛь меток

К системному ИКАР <Zl/ интерфейсу

Рис. 6.4

Структурная схема. На рис. 6.4 приведена упрощенная структурная схема осциллографа (реальный прибор - двухканальный). В верхней части рисунка изображен аналоговый осциллограф (канал управления яркостью Z, а также средства измерения и отображения параметров сигналов не показаны, чтобы не усложнять рисунок). Расположенные в средней части АЦП и ЦАП, а также модули запоминающих устройств в сочетании с контроллерной функцией микропроцессорной системы позволяют использовать рассматриваемый прибор как цифровой запоминающий осциллограф, подобный описанному ранее (см. рис. 6.2). Находящаяся в нижней части рисунка микропроцессорная система - это система программного управления и цифровой обработки.

При получении изображения исследуемого сигнала в реальном масштабе времени прибор работает как обычный универсальный осциллограф. Если у экспериментатора еще не появилась необходимость воспользоваться возможностями программного управления и цифровой обработки, создаваемыми микропроцессорной системой, то в его распоряжении привычный аналоговый осциллограф. В таком приборе можно менять стандартные блоки (усилители вертикального отклонения, генераторы развертки и т. п.), как это делается в случае применения обычного осциллографа, конструкция которого рассчитана на подобные замены или подключение новых блоков. Тенденция разделения прибора на аналоговую и цифровую части проявляется и в расположении органов управления: традиционные органы управления, характерные для

обычного осциллографа, занимают свою территорию - отделены от клавиш, с помощью которых осуществляются возможности, заложенные в цифровой части.

Микропроцессорная система придает осциллографу новые свойства. Она содержит все основные модули, характерные для таких систем. Основным связующим звеном между ею и аналоговой частью осциллографа служит АЦП. Рассмотрим особенности аналого-цифрового цреобразования осциллографируемых сигналов. Аналого-цифровое преобразование. Описанный в [7] микропро-

): полоса про-ц (минималь-

цессорный осциллограф - широкополосный прибо пускания канала вертикального отклонения 400 М ный коэффициент развертки 0,5 нс/дел). Необходимость запоминания высокочастотных сигналов при сохранении высокой разрешающей способности отображения исследуемого сигнала определяет специфику аналого-цифрового преобразования: дискретизацию аналогового сигнала с малыми интервалами (высокой частотой) и квантование по большому числу уровней. В рассматриваемом осциллографе обе операции выполняются с относительной погрешностью, не превышающей 21 , т. е. наибольшая разрешающая способность и по горизонтальной, и по вертикальной осям экрана составляет 1/1024 (0,17о). Для достижения столь высоких характеристик требуются 10 двоичный разрядов (бит) квантования и дискретизация с частотой не ниже 1 ГГц (при полосе 400 МГц). Современные АЦП не обладают таким быстродействием. Поэтому применительно к сигналам, отображаемым на экране осциллографа, разработан метод стохастической (нерегулярной) дискретизации, который позволил решить задачу аналого-цифрового преобразования на основе 10-битового АЦП (типа поразрядного уравновешивания), характеризуемого временем преоб-разования 1 мкс. Поясним сущность этого метода, для чего воспользуемся рис. 6.5.

Экран электронно-лучевой трубки представляется в виде сово купности Х?я элементарных ячеек: =1024 - число ячеек по вертикали, т = п (или /2, /4, /8) - число ячеек по горизонтали. Порядковый номер i ячейки, отсчитываемый по горизонтальной оси, указывает адрес определенной ординаты кривой отображаемого сигнала, а порядковый номер k той же ячейки по вертикали соответствует числовому значению t-й ординаты. Число I получается в результате аналого-цифрового преобразования развертывающего напряжения, поступающего из канала горизонтального отклонения в АЦП канала X. Образующееся на выходе этого АЦП число, соответствующее значению развертывающего напряжения в момент выборки, поступает в шину адреса и используется для формирования адреса ячейки памяти энергонезависимого ЗУ. Число k представляет результат аналого-цифрового преобразования осциллографируемого сигнала, подводимого из канала вертикального отклонения к АЦП канала Y. Полученное число передается через шину данных в ячейку памяти указанного адреса, в которой и хранится.