Канал вертикального отклонения

адрес

т

Схема выборки и запоминания У

Канал горизонтального отклонения

АЦП канала Y

Генератор синхросигналов

Схема выборки и запоминаниях

АЦП канала x

Шина данных

и

>

Энергонезависимое ЗУ

Шина адреса \

Рис. 6.5

Моменты выборок (дискретизации) сигналов, поступающих из каналов горизонтального и вертикального отклонения на соответствующие схемы выборки и запоминания, задаются импульсами, вырабатываемыми генератором синхросигналов. Импульсы выборок имеют очень малую длительность (они подобны импульсам, применяемым для дискретизации сигналов в стробоскопических осциллографах). Поэтому напряжение выборки запоминается конденсатором, содержащимся в схеме выборки и запоминания, на время, достаточное для преобразования с помощью АЦП (в данном случае - на 1 мкс). Интервалы следования импульсов-выборок изменяются случайным образом, и выборки получаются нерегулярными по отношению к преобразуемому аналоговому сигналу. Они осуществляются в разных точках периодически повторяющегося сигнала. После заполнения каждой ячейки ЗУ, находящейся по указанному выходным числом АЦП канала X адресу, выдается сигнал (флаг), индицирующий заполнение. Результаты последующих выборок фиксируются в других ячейках памяти. Процедура взятия выборок продолжается до заполнения по крайней мере 99% общего объема ячеек, отведенного в ЗУ для цифрового представления осциллографируемого сигнала. В результате в памяти оказываются записанными значения сигнала, которые необходимы для последующего его отображения на экране осциллографа.

Заметим, что осциллограф, описанный в [7], содержит только один АЦП, подключаемый попеременно к обеим схемам выборки и запоминания с помощью мультиплексора. Это, естественно, увеличивает продолжительость преобразования.

Микропроцессор и модули памяти. Как видно из рис. 6.4, микропроцессорная система имеет обычную структуру, однако специ-

фика ее работы в осциллографе определяет требования к входящим в нее модулям и алгоритмы функционирования. Сказанное прежде всего относится микропроцессору.

Использование 10-разрядного АЦП и требования к скорости обработки и вычислительным возможностям микропроцессорной системы предопределили ориентацию на 16-разрядный микропроцессор. Хотя принципиально и возможно сочетание 10-разрядного АЦП и 8-разрядного микропроцессора, но в данном случае оно неприемлемо. Это объясняется тем, что яри такой комбинации слово данных приходится разбивать на два байта, последовательно запоминаемых и обрабатываемых, что требует значительного увеличения продолжительности всей процедуры аналого-цифрового преобразования, вычислений и отображения. Кроме того, ограничиваются возможности адресации при запоминании многочисленных значений сигналов и программ, да и точность вычислений оказывается недостаточно высокой.

Примененный в осциллографе микропроцессор допускает 16 вектор-прерываний, что важно в условиях специфики работы осциллографа, особенно при подключении к Системному интерфейсу. Еще одна существенная особенность микропроцессора заключается в том, что он содержит 16 регистров общего назначения. Это упрощает и ускоряет обработку данных. Следует также отметить, что наличие в составе шины управления линий запросов и разрешений, которые могут быть использованы для очистки шин данных и адреса, создавая прямой доступ к памяти, позволяет ускорить запись и считывание текущих данных обрабатываемого сигнала, сократить продолжительность аналого-цифрового преобразования и процедуры отображения.

Постоянное запоминающее устройство, служащее для хранения программы управления, имеет емкость 32К байт. Предусмотрена возможность применения ППЗУ. Основное ОЗУ рассчитано на 4К двухбайтовых слов. При необходимости емкость ОЗУ может быть удвоена.

Клавиатура управления цифровой частью прибора. В соответствии с принципом постепенного перехода от обычного осциллографа к программируемому построена и система управления цифровой частью прибора. Эта система разделена на две подсистемы. Первая представляет собой совокупность клавиш, помещенных непосредственно на передней панели осциллографа и предназначенных для осуществления лишь тех функций, -которые относительно близки к традиционным: измерения максимального и минимального значений напряжения исследуемого сигнала, его размаха, среднеквадратического значения, длительностей фронта и среза прямоугольного импульса и т. п. Сюда же относятся клавиши для управления дискретизацией сигнала. Пользователь осциллографа имеет возможность уменьшить число выборок (вместо 1024 устанавливать 512, 256 или 128 выборок). Это позволяет увеличивать количество запоминаемых сигналов ценой ухудшения разрешающей способности.

Вторая подсистема - это выносная клавиатура, расширяющая функциональные возможности прибора и позволяющая управлять им на расстоянии. С целью облегчения освоения осциллографа и его эксплуатации выносная клавиатура ориентирована на язык символьных клавиш - язык программирования, применяемый в настольных калькуляторах. Особенность этого языка заключается в том, что конкретная функция задается нажатием (одним пальцем) клавиши, имеющей соответствующее мнемоническое обозначение. Каждая операция (определяемая только оператором и операндом) выполняется независимо от остальных, и результат получается немедленно. Его можно отобразить совместно с названием операции на экране электронно-лучевой трубки.

Одна группа клавиш служит для выбора режима осциллографи-рования: в реальном масштабе времени или с запоминанием, а также сочетания того и другого. Управление отображением в режиме запоминания достигается с помощью других клавиш, определяющих характер изображения на экране - точечное или непрерывное, а также позволяющих получать осциллограммы в системе координат сигнал-время или сигнал-сигнал, стирать изображение (полностью или частично). Предусмотрены клавиши, с помощью которых можно изменять масштабы по вертикальной и горизонтальной осям, а также перемещать осциллограмму по экрану. Имеются клавиши для ввода констант, выбора номера хранимого сигнала, изменения числа и положения меток, используемых при измерениях. Группа клавиш служит для выполнения математических операций с числами - арифметических, вычисления логарифмов и экспоненциальных функций. Специальные клавиши позволяют выполнять такие функциональные преобразования сигналов, как дифференцирование, интегрирование, усреднение, и осуществлять линейную интерполяцию с целью восстановления формы сигнала по отдельным точкам (эти точки соединяются отрезками прямых). Еще одна группа клавиш предназначена для задания программного режима работы. Предусмотрена возможность прерывания программы по требованию пользователя прибора.

6.6. ОСЦИЛЛОГРАФ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Отличительные черты. Специально разработанный на основе микропроцессорной системы электронный осциллограф с программным управлением [27] отличается не только от традиционных приборов аналогичного назначения, но и от осциллографа, описанного в § 6.5. Его необычность проявляется и во внешнем виде, и во внутренней архитектуре, и в управлении.

Передняя панель прибора делится на две примерно равные части. Левая часть представляет большой прямоугольный экран электронно-лучевой трубки, в правой части расположены органы управления (один поворотный переключатель и набор клавиш), а также светодиодный дисплей.

Внутренняя архитектура осциллографа - машинная, она подобна архитектуре вычислительных машин, выполняемых на основе микропроцессора. Это предопределяет цифровую форму информации, поступающей в микропроцессор как с передней панели - при клавишном, управлении, так и через интерфейсную шину - при дистанционном управлении.

Наличие микропроцессорной системы дает возможность полностью автоматизировать работу осциллографа, осуществить активный обмен информацией между пользователем и системой, в ходе которого система осуществляет прием, обработку и выдачу сообщений в реальном масштабе времени (такой режим называют диалоговым).

Структурная схема. Из приведенной на рис. 6.6 схемы видно, что специфические для каждого электронно-лучевого осциллографа узлы занимают сравнительно скромное место по сравнению с модулями микропроцессорной системы. Построенния на 16-разрядном микропроцессоре, она более сложна, чем в ранее рассмотренных приборах. Это обусловлено многочисленными функциями, осуществляемыми системой, и особенностями управления. Дискретные (ступенчатые) регулировки диапазонов коэффициента отклонения и коэффициента развертки производятся с помощью цифровых устройств, управляющих аттенюатором и генератором развертки. Данные, необходимые для управления, поступают из микропроцессорной системы через интерфейсы вывода. Для плавных регули-

Клавиа-тура

Интерфейсл \ I ввода

-Го1нтерфей( W вывода

ОЗУ

Програм мируемое(!£) ПЗУ

Специаль ные ПЗУ

Модули, расширя ющие функции

4-v-

К системному интерфейсу

лоч,Интерфейс

Генератор символов

Вход y

Аттенюатор

Предуси-литель и схемы уп равления

Контроллер Ц А П

Интерфейс!. -1 -1 ввода \/ Линия обратной связи

Дешифратор и светодиодный дисплей

Вход внешнего сигнала

Линия I Щ Оконечный Д^усйлитель У

Многоканальный ЦАР

Вход внешнего сигнала 2

Усилитель сигналов подсвета Z

Микро-vvlnpoueccop

Вход 1 синхр.

Схема

Генератор ммпульсов

CHHXpe-f-ei

низации

2Е

Электронно; лучевая трубка

Сигналь! яркостных меток

Генерэ- торы раз вертки

-t нтерфейс-выводз

Оконечный уси-литель x

Вход внешнего сигнала

Схема переключения диапазонов

ровок (чувствительности канала вертикального отклонения, смещения луча, длительности развертки и т. п.) предусмотрен 14-разрядный многоканальный (16 каналов) ЦАП. Цифровые данные на его вход подаются из специального контроллера, входящего в состав микропроцессорной системы. Аналоговые напряжения, образующиеся а выходах каналов ЦАП, подводятся к предусилителю (входы 2 и 5), усилителю канала вертикального отклонения, генератору развертки (вход 2), схеме синхронизации (вход 3), усилителю сигналов подсвета (вход 3) и т. п. Отображение буквенно-цифровой информации о результатах измерений, единицах измерений, выполняемых операциях и т. п. достигается с помощью генератора символов (управляемого микропроцессором), сигналы которого поступают на вход 4 предусилителя.

Характерной особенностью рассматриваемой схемы является линия обратной связи, соединяющая генератор развертки со специальным, интерфейсом ввода микропроцессорной системы. По этой линии микропроцессор получает информацию об обнаружении входного сигнала (подробное пояснение приводится в разделе, освещающем режим автоматического осциллографирования).

Программное управление радикально упростило для пользователя процедуру калибровки и настройки осциллографа. Они, несомненно, заслун<ивают внимания, так как, не представляя их, трудно понять механизм управления в режиме автоматического осциллографирования. Говоря о калибровке, имеют в виду предварительную калибровку, а под настройкой понимают настройку, выполняемую в процессе осциллографирования.

Предварительная калибровка. Для ее осуществления нет необходимости снимать кожух осциллографа и подключать измерительные приборы к определенным точкам схемы. Все операции выполняются нажатием клавиш, расположенных на лицевой панели.

Согласно программе микропроцессор вычисляет калибровочные коэффициенты, и полученные данные передаются в ОЗУ. В памяти хранятся инструкции по проведению калибровки, которые с помощью генератора символов последовательно, шаг за шагом, отображаются на экране осциллографа. Следуя этим инструкциям, пользователь прибора вращением ручки поворотного переключателя, находящейся на передней панели, добивается того, чтобы изображение калибровочного сигнала (внутреннего или поступающего от внешнего источника) заняло определенное положение на экране. После этого пользователь нажимает клавишу, программа получает соответствующую информацию и фиксируются данные о калибровочной точке. Затем процедура многократно повторяется. Когда в память будут записаны данные о достаточном количестве калибровочных точек, микропроцессор вычислит калибровочные коэффициенты (относящиеся к конкретному виду калибровки), которые записываются в энергонезависимые ОЗУ.

Каждой функции органов управления, расположенных на передней панели прибора (и в том числе поворотного переключа-

I Данные канала j вертикального I отклонения

Увеличение/уменьшение

Настройка j Настройка

Числа, характеризующие состояние канала

Настройка

т

Коэффициент передачи: аЪс, диапазон - 3

Смещение: efh, диапазон - 3

Коэффициент преобразования ЦАП

Микропроцессорная систегЛа

Генератор импульсов

Балансировка ЦАП: 1 ps, диапазон - 3

Буферный регистр данных (СД дисплея)

Область

энергонезависимого ЗУ

Светодиодный дисплей

Контроллер ЦАП

Дешифратор

Многоканальные ЦАП

Вход Г

Поворотный, переклю чатель

Буферный регистр данных (изменения диапазонов)

Аттенюатор

Смещение луча по вертикали

L Усиление

Рис. 6.7

теля), соответствует определенная совокупность переменных, помещаемая в отведенную для нее область энергонезависимого ОЗУ. Числовые значения этих переменных определяют входные сигналы буферных регистров и многоканального ЦАП (рис. 6.7).

Настройка в процессе осциллографирования. Эта процедура проводится автоматически либо после нажатия пользователем кла-вищи вызова, либо после поступления соответствующего сигнала из контроллера системного интерфейса - в случае подключения к нему осциллографа. Управление осуществляет содержащийся внутри осциллографа микропроцессор, который руководствуется данными, хранимыми в ОЗУ.

В качестве примера рассмотрим подстройки, выполняемые в канале вертикального отклонения. Для этого воспользуемся рис. 6.7, где штриховой линией очерчена область ОЗУ, в которой' помещена информация о состоянии канала. Числа, характеризующие состояние канала, - это трехзначное число, указывающее требуемый коэффициент отклонения канала, и число, обозначающее условный номер диапазона, к которому относится этот коэффициент отклонения.

в самом начале процедуры настройки микропроцессор извлекает из ОЗУ номер диапазона (например, -3) и, автоматически заметив, какой коэффициент деления установлен на зонде осциллографа (если зонд используется), проводит необходимые вычисления, по окончании которых выдает данные в буферный регистр изменения диапазонов. Зафиксированное в регистре число определяет установку дискретных значений коэффициента передачи аттенюатора канала У и коэффициента усиления предусилителя этого канала. Затем микропроцессор определяет по номеру диапазона число, которое должно быть подано на вход ЦАП, чтобы на его соответствующем выходе могло образоваться напряжение, необходимое для балансировки предусилителя. Согласно номеру диапазона (-3) микропроцессор также считывает из ОЗУ записанные в нем во время калибровки числа (калибровочные коэффициенты); число, дающее значение коэффициента передачи канала, и число, указывающее значение начального смещения. По ним микропроцессор вычисляет данные, которые требуется подвести ко входу ЦАП для получения на его определенных выходах напряжений регулировки усиления и смещения луча. Все найденные числа посылаются в ОЗУ, откуда они могут быть вызваны контроллером. Он направляет их последовательно на вход ЦАП, предоставляя микропроцессору возможность решать другие задачи. На выходах каналов многоканального ЦАП последовательно появляются напряжения, подстраивающие узлы канала вертикального отклонения.

Информация о состоянии канала, принятая микропроцессором, направляется также в буферный регистр данных СД (светодиодного) дисплея. Оттуда они считываются контроллером ЦАП и передаются на дешифратор, управляющий светодиодным дисплеем. При этом у пользователя появляется возможность отключить генератор символов, чтобы не дублировать отображение информации на экране электронно-лучевой трубки.

Режим автоматического осциллографирования. В этом режиме, задаваемом нажатием соответствующей клавиши, управление осуществляет микропроцессор. Получив по линии обратной связи сигнал, называемый флагом запуска, микропроцессор согласно хранимой программе так регулирует значения коэффициента отклонения и коэффициента развертки, чтобы осциллограмма соответствовала определенному стандарту: размер по вертикальной оси, масштабной сетки составлял три деления, а по ее горизонтальной оси укладывались два периода исследуемого сигнала.

Флаг запуска формируется следующим образом (рис. 6.8). В. схеме синхронизации устанавливаются заданные уровень запуска (рис. 6.8,а) и скорость запуска. После поступления исследуемого сигнала из канала вертикального отклонения или внешнего синхронизирующего сигнала в этой схеме формируется в момент ti (рис. 6.8,fl) импульс / (рис. 6.8,6). Он запускает генератор основной развертки, вырабатывающий пилообразное напряжение основной развертки (рис. 6.8,е), а также генератор задерж-

5-54 129

Уровень запуска

Рис. 6.8

ки, который по истечении установленного интервала задержки запускает генератор задержанной развертки (рис. 6.8,г). Он, как и генератор основной развертки, выполнен по схеме интегратора. Выходное пилообразное напряжение генератора задержанной развертки соответствует прямоугольному стробирующему импульсу на входе интегратора (рис. 6.8,(3).

При вторичном пересечении исследуемым сигналом уровня запуска (момент 2 на рис. 6.8,а) формируется запускающий импульс 2 (рис. 6.8,6). Если он появляется в течение времени действия стробирующего импульса (рис. 6.8,6 и д), то запускающий импульс 2 перебрасывает триггер, на выходе которого образуется высокий уровень - логическая единица (рис. 6.8,е). Этот уровень служащий флагом запуска, передается из схемы развертки по линии обратной связив микропроцессор (см. рис. 6.6). Последний, таким образом, получает информацию о наличии

исследуемого сигнала на входе канала вертикального отклонения или внещнего сигнала на входе схемы синхронизации. Интервал времени, требуемый для того, чтобы определить, образовалась ли логическая единица флага запуска при конкретной совокупности условий, равен максимальному времени ожидания.

После получения микропроцессором флага запуска автоматически выполняются четыре группы операций; предварительная установка параметров, поиск по вертикали, поиск по горизонтали, окончательная установка параметров.

В процессе предварительной установки выбираются такие значения параметров каналов, что последние находятся в заведомо нормальном состоянии. При этом устраняются ошибки, которые мог сделать пользователь. Так, если он установил режим, который затрудняет или исключает возможность наблюдения осциллограммы (например, слишком большой интервал задержки, разделяющий моменты запуска основной и задержанной разверток), то восстанавливается нормальный режим. Более того, выбирается

такое состояние каналов, при котором получение высококачественного изображения исследуемого сигнала наиболее вероятно. В частности, в схеме синхронизации устанавливается номинальное значение уровня запуска основной развертки.

Поиск по вертикали предполагает получение требуемой амплитуды сигнала в канале вертикального отклонения. Эта процедура предшествует поиску по горизонтали, так как в противном случае возможна перегрузка усилителя вертикального отклонения. Сущность поиска по вертикали заключается в установке надлежащей чувствительности канала, что достигается автоматическим выбором одного из четырех возможных значений коэффициента передачи аттенюатора, т. е. поддиапазона коэффициента отклонения, и плавной регулировкой чувствительности внутри поддиапазона.

Процедура поиска такова. Первоначально устанавливается коэффициент отклонения J В/дел в поддиапазоне 1 ... 10 В/дел. Формирователь импульсов запуска основной развертки подключается к тому каналу, в котором производится поиск, - в данном случае к каналу вертикального отклонения. Уровень запуска первоначально устанавливается соответствующим 1,5 деления масштабной сетки. Если амплитуда исследуемого сигнала, поступающего в схему синхронизации, достаточно велика, чтобы сигнал пересекал установленный уровень запуска, и появляется импульс запуска развертки, то поиск продолжается в этом поддиапазоне. Указанный уровень запуска приемлем для сигналов синусоидальной формы и прямоугольных симметричных импульсов (меандра). Когде же исследуемый сигнал представляет собой периодическую последовательность импульсов, характеризуемую большой скважностью (Q>2), то производится второй цикл поиска, при котором изменяется знак уровня запуска - устанавливается уровень, соответствующий -1,5 деления масштабной сетки.

После того, как исследуемый сигнал попал в требуемый поддиапазон, фиксируется коэффициент передачи аттенюатора канала У и согласно программе контроллер ЦАП подает на его вход изменяющиеся данные. Соответственно изменяется напряжение на выходе того канала ЦАП, который управляет коэффициентом передачи усилителя вертикального отклонения. Так осуществляется плавная регулировка чувствительности канала вертикального отклонения. Поиск продолжается до тех пор, пока размах изображения синусоидального сигнала (меандра и т. п.) будет райей трем делениям масштабной сетки, а при осциллографировании импульсных последовательностей размер изображения станет -1,5 деления.

Поиск по вертикали проводится также при времени ожидания 42 мс, что необходимо для обнаружения сигналов частотой 50 Гц (период 20 мс). Так как программа поиска выполняется каждый раз заново с поступлением в микропроцессор флага запуска, то очевидно, что для высокочастотных сигналов продолжительность поиска сокращается. Флаг запуска, формируемый при обнаружении сигнала в канале, записывается в ОЗУ и используется на 5* 131

стадии окончательной установки параметров. Запоминается й знак уровня запуска.

Поиск по горизонтали, как уже отмечалось, выполняется после получения требуемой амплитуды сигнала в результате поиска по вертикали. Согласно программе формирователь импульсов запуска основной развертки подключается к каналу вертикального отклонения, в котором уже осуществлен поиск сигнала. Уровень запуска в схеме синхронизации устанавливается в три раза меньшим амплитуды отрегулированного сигнала, а знак считывается из ОЗУ. Начинается процедура автоматического поиска необходимой скорости развертки (рис. 6.9). ч

Из микропроцессорной системы передается в буферный регистр число, определяющее максимальную скорость развертки. Посредством логической схемы буферный регистр воздействует на переключатель конденсаторов генератора развертывающего напряжения, и в его схеме остается включенным конденсатор минимальной емкости. Ему соответствует коэффициент развертки 10 нс/дел. Если при этом появляется флаг запуска, то ЦАП производит плавную подстройку скорости развертывающего напряжения и на этом поиск по горизонтали заканчивается. Но такой случай встречается редко. Более вероятна ситуация, иллюстрируемая рис. 6.10, который следует рассматривать вместе с рис. 6.9. На графике (рис. 6.10,а), отмечены моменты и 2 формирования импульсов / и 2 запуска генератЬра основной развертки. График, приведенный на рис. 6.10,6, отображает стробирующий импульс на входе интегратора генератора задержанной развертки, соответствующий коэффициенту развертки 10 нс/дел. Длительность этого импульса Т(=110 НС. Сопоставление рис. 6.10,а и б приводит к заключению, что при такой длительности развертки флаг запуска не образуется, так как момент формирования импульса 2 запуска генератора

Переключатель конденсаторов

Генератор развертывающего напряжения

Логическая схема

Буферный регистр

Делитель напряжения

ЦАП

Микропроцессорная система

Рис. 6.9