Схема. Портативный цифровой осциллограф DSS-31 (3)

Продолжение. Начало —    www.radioelectronika.ru/?mod=cxemi&sub_mod=full_cxema&id=776
www.radioelectronika.ru/?mod=cxemi&sub_mod=full_cxema&id=777

Микроконтроллер DD4 управляет работой всех составных частей прибора, выполняет измерения, обрабатывает и выводит информацию на ЖКИ. Процесс получения осциллограммы на экране осциллографа состоит из этапов, описанных ниже.
Запуск развёртки происходит либо при нажатии на кнопку SB2 «Пуск/Стоп» (в ручном режиме), либо по формируемому компаратором DA3 синхроимпульсу (в остальных режимах). При автоматической развёртке и отсутствии синхроимпульсов выдерживается пауза около 0,25 с (при скорости развёртки от 5 мкс/дел. до 20 мс/дел.) или 1 …60 с (при скорости от 50 мс/дел. до 10с/дел.), после чего развёртка начинает работать в автоколебательном режиме. На экране в этом случае видна перемещающаяся осциллограмма.

Аналого-цифровое преобразование запускается подачей микроконтроллером соответствующей команды на вывод 4 (CONV) АЦП DA5. Результат считывается с шины данных АЦП DB0— DB7 и заносится в ОЗУ микроконтроллера. Эти операции повторяются через заданные промежутки времени, зависящие от выбранной скорости развёртки. Каждой выводимой на экран точке осциллограммы соответствует один основной отсчёт исследуемого сигнала. На экране ЖКИ в одном делении умещается десять точек, поэтому частота основных отсчётов в десять раз превышает значение, обратное выбранной скорости развёртки. Например, при скорости 10 мс/дел. основные отсчёты следуют каждую миллисекунду (частота их повторения — 1 кГц). Всего на экране имеются десять делений, остальные десять не отображаются. Чтобы их увидеть, осциллограмму сдвигают по горизонтали. Вся выборка для одной осциллограммы состоит из 200 отсчётов.

Программная обработка и вывод результата на экран происходят после записи всей выборки в ОЗУ. Из сформированного в памяти массива по очереди считывается каждый отсчёт и вычисляется положение соответствующей ему точки на экране, имеющем 64 точки по вертикали. При выводе на экран осциллограмм с резкими перепадами напряжения производится дорисовывание вертикальных линий.

При коэффициентах отклонения от 10 мВ/дел. до 10 В/дел, на экране отображается лишь часть интервала значений исследуемого сигнала. При коэффициенте 10 мВ/дел. отображаются 64 из 256 возможных уровней, но эту область можно смещать по вертикали на ±9,6 дел. (±96 точек). При коэффициентах от 20 м В/дел, до 10 В/дел, значение отсчёта перед выводом на экран делится на два, поэтому с пониженным вдвое разрешением отображаются 128 из 256 возможных уровней исследуемого сигнала. Предел смещения осциллограммы по вертикали — ±3,2 дел.

Коэффициент отклонения 20 В/дел, реализован делением значений полученных отсчётов на четыре, за счёт чего одновременно отображаются все 256 уровней исследуемого сигнала. Коэффициенты передачи входного делителя и усиления ОУ DA2 при этом остаются такими же, как и при 10 В/дел.
Вычисление частоты и периода исследуемого периодического сигнала производится путём обработки всей выборки полученной осциллограммы. Находятся максимальный, минимальный и средний уровни сигнала, определяется направление первого пересечения осциллограммой среднего уровня и подсчитывается число таких пересечений. В соответствии с выбранной скоростью развёртки вычисляются среднее время между пересечениями (период сигнала) и обратная величина — его частота.

Для вычисления среднего значения сигнала за период (постоянной составляющей) из всей выборки выделяется часть, соответствующая целому числу периодов (если сигнал непериодический, используется вся выборка), суммируются содержащиеся в ней части отсчётов, в соответствии с установленным коэффициентом отклонения производится пересчёт полученной суммы в напряжение, а результат делится на число просуммированных отсчётов
Вычисление среднеквадратического значения отличается суммированием не самих отсчётов, а их квадратов, и извлечением из суммы квадратного корня в конце вычислений.

Следует отдельно остановиться на неоднократно упоминавшемся выше понятии «основной отсчёт» сигнала. Дело в том, что в описываемом осциллографе при скорости развёртки от 10 с/дел, до 10 мкс/дел. помимо основных, равномерно расположенных во времени 200 отсчётов на осциллограмму, берутся ещё и дополнительные. Такая необходимость возникла в связи с тем, что нужно устранить грубые ошибки оценки частоты исследуемого сигнала, вызываемые стробоскопическим эффектом.
Схема Портативный цифровой осциллограф DSS-31 (3) 1
Когда частота сигнала приближается к частоте следования отсчётов или к кратному ей значению, например, как показано на рис. 12,а, на экране цифрового осциллографа появляется осциллограмма, растянутая по времени во много раз, что и приводит к ошибочной оценке частоты сигнала.
«Поражённые» этим эффектом частоты найдутся для каждого значения скорости развёртки. Например, при скорости развёртки 20 мс/дел. (частота повторения отсчётов 500 Гц, их период 2 мс) эффект проявится для сигналов с частотами, близкими к 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4 кГц и так далее. При точной кратности на экране вместо, например, синусоиды будет наблюдаться прямая линия.

Для борьбы с таким нежелательным явлением предусмотрены вспомогательные отсчёты сигнала, показанные на рис. 12,6. Их берут после каждого основного отсчёта со случайной задержкой, потому что для любой фиксированной задержки найдутся свои поражённые частоты. Перед выводом осциллограммы на экран значения основного и ближайшего к нему вспомогательного отсчётов сравниваются. Если они заметно различаются, на экран вместо точки выводится вертикальная линия.

Появление таких линий служит сигналом увеличить скорость развёртки. Этим удаётся в значительной мере избавиться от последствий нежелательного проявления стробоскопического эффекта при наблюдении периодических сигналов любой формы, кроме прямоугольной. При прямоугольных импульсах с любой скоростью развёртки поражённой остаётся единственная частота, равная той, с которой следуют основные отсчёты. Вспомогательные отсчёты здесь бесполезны, так как большинство из них приходятся на один и тот же уровень сигнала.

Для оценки эффективности этого приёма в осциллографе предусмотрена возможность его включения и выключения. Для примера на рис. 13 показана осциллограмма синусоиды частотой 19,8 кГц при скорости развёртки 1 мс/дел. и выключенном подавлении стробоскопического эффекта, а на рис. 14 — при включённом. В первом случае налицо ошибочное измерение из-за проявления стробоскопического эффекта, а во втором — результат схож с показаниями обычного аналогового осциллографа.

Если выбрана скорость развёртки 5 мкс/дел. (частота отсчётов 2 МГц), быстродействия применённых микроконтроллера и АЦП не хватает, чтобы получить хотя бы один дополнительный отсчёт. Поэтому на такой скорости частоты, кратные 2 МГц, остаются поражёнными.
В интервале скорости развёртки от 0,1 мс/дел. до Юс/дел, быстродействие микроконтроллера позволяет получать на одну отображаемую ЖКИ точку более двух отсчётов. Это уменьшает вероятность пропуска коротких импульсов и приближает осциллограмму к виду, характерному для аналогового осциллографа.

Число отсчётов на точку осциллограммы при скорости развёртки от 50 мс/дел до 10 с/дел, в описываемом приборе равно 255, а на всю осциллограмму — 255×200=51000. Но с увеличением скорости развёртки это число из-за ограниченного быстродействия микроконтроллера постепенно уменьшается. При скорости 0,2 мс/дел. оно падает до шести.
Так как объём памяти микроконтроллера недостаточен для хранения большого числа отсчётов, для каждой точки в неё заносятся лишь два значения — максимальное и минимальное. В результате на хранение данных для отображения на экране одной точки расходуется два байта, а всей осциллограммы — 400 байтов.
Схема Портативный цифровой осциллограф DSS-31 (3) 2
Чтобы реализовать развёртку со скоростью 2 мкс/дел. обычным методом, пришлось бы брать отсчёты с частотой 5 МГц. А более высокая скорость требует дальнейшего повышения частоты отсчётов. Это не только превышает возможности АЦП AD7822, но и оставляет микроконтроллеру на обработку каждого отсчёта не более четырёх машинных тактов.
Для реализации развёртки с такой скоростью использован (в данном случае полезно)стробоскопический эффект, однако в этом случае корректно отображается форма лишь периодических сигналов. С приходом первого синхроимпульса АЦП запускается для получения первого отсчёта сигнала. Пока происходят преобразование и перенос значения отсчёта в ОЗУ микроконтроллера, новые синхроимпульсы игнорируются. Может быть пропущено несколько десятков или даже сотен периодов сигнала, но к потере информации это не приводит, если все его периоды одинаковы.

Завершив необходимые операции с первым отсчётом, микроконтроллер ждёт очередной синхроимпульс, а приняв его, запускает АЦП с задержкой относительно синхроимпульса, равной эквивалентному периоду повторения отсчётов. Например, для скорости развёртки 2 мкс/дел. этот период и задержка равны 200 не (четыре машинных такта по 50 нс). Третий отсчёт будет взят с удвоенной задержкой (400 не) относительно синхроимпульса. Ступенями по 200 не задержка увеличивается и далее, пока не будут получены все 200 отсчётов выборки.
При значениях скорости развёртки 0,1 и 0,2 мкс/дел. эквивалентная частота отсчётов принята одинаковой и равной 20 МГц. Однако при 0,2 мкс/дел. берётся не 10, а всего четыре отсчёта на каждое деление шкалы (80 на всю осциллограмму), а при 0,1 мкс/дел. — два (40 на осциллограмму). Значения недостающих отсчётов вычисляются методом интерполяции. В рассматриваемом осциллографе используется по выбору одна из двух интерполяционных функций — линейная и вида sin(x)/x.

При линейной интерполяции недостающие отсчёты вычисляют исходя из предположения, что имеющиеся соединены между собой отрезками прямой линии. Интерполяция функцией sin(x)/x более точна, если исследуемый сигнал не содержит спектральных составляющих с частотами выше половины частоты следования отсчётов. Согласно теореме Котельникова [4], только при этом условии и бесконечном объёме выборки возможно точное воспроизведение формы сигнала. Ограничение спектра в некоторой степени обеспечено ограниченной полосой пропускания усилителя канала Y осциллографа. Второе требование обойдено нехитрым программным приёмом (иначе в начале и конце осциллограммы наблюдаются характерные «звоны»).

Фактически интерполяция функцией sin(x)/x осуществляется пропусканием полученной последовательности отсчётов сигнала через реализованный программно цифровой фильтр. Требующиеся для этого вычисления занимают довольно много времени (около 164 мс при скорости развёртки 0,2 мкс/дел. и около 90 мс при 0,1 мкс/дел.). Поэтому на экране осциллограмма выглядит слегка заторможенной. Следует иметь в виду, что при наличии в спектре исследуемого сигнала составляющих частотой 10 МГц и выше возникают специфические искажения интерполированной осциллограммы.

Практически при развёртке со скоростью 0,2 мкс/дел. для нормального отображения периодических сигналов простой формы (синусоидальной, треугольной, пилообразной, прямоугольной) частотой до 2,5 МГц достаточно линейной интерполяции. При скорости 0,1 мкс/дел. частотная граница её применимости снижается до 1,5 МГц (число отсчётов в два раза меньше). Для сигналов более высокой частоты предпочтительна интерполяция вида sin(x)/x. Чтобы обеспечить комфортную работу, в осциллографе предусмотрен не только ручной, но и автоматический выбор вида интерполяции в зависимости от частоты исследуемого сигнала.

Чтобы уменьшить джиттер (дрожание осциллограммы из-за флюктуирующей в пределах машинного такта микроконтроллера задержки запуска развёртки относительно синхроимпульса) при скорости развёртки 0,1 и 0,2 мкс/дел. и частоте исследуемого сигнала более 1 МГц отсчёты сигнала в каждой временной позиции берутся по несколько раз с последующим усреднением.
Осциллограмма синусоидального сигнала частотой 5 МГц, снятая в стробоскопическом режиме, показана на рис. 15.

При первом включении осциллограф лучше питать, контролируя потребляемый ток, от внешнего источника напряжением 5 В (переключатель SA2 должен находиться в верхнем по схеме положении). При нажатии на кнопку SB7 «Вкл./Выкл.» осциллограф включается, подав три коротких звуковых сигнала. Напряжение на входе (выводах 7 и 8) стабилизатора DA8 должно быть около +5 В, а на выходе (выводах 1 и 2) — +4,65…4,85 В. При необходимости можно подборкой резистора R67 точно установить на его выходе напряжение +4,75 В. При уменьшении сопротивления этого резистора выходное напряжение стабилизатора также уменьшается.

Далее следует проконтролировать отрицательное напряжение на конденсаторе С59 (выход преобразователя DA9), которое должно находиться в пределах -(4…4,5) В. Если оно существенно меньше (по абсолютному значению), причину следует искать в цепях нагрузки преобразователя (замыкание, неправильная полярность оксидных конденсаторов). Необходимую контрастность ЖКИ HG1 устанавливают подстроечным резистором R53.
После появления на экране ЖКИ изображения следует проверить правильность подключения крайних выводов переменного резистора R35 — при вращении его ручки по часовой стрелке значок уровня синхронизации должен перемещаться по экрану вверх, при вращении против часовой стрелки — вниз. В противном случае провода, идущие к крайним выводам переменного резистора, следует поменять местами.

Далее регулируют входные узлы осциллографа. Прежде всего балансируют входной усилитель. Для этого замыкают вход осциллографа и подстроечным резистором R29 добиваются одинакового положения линии развёртки на экране при коэффициентах отклонения 2 В/дел, и 1 В/дел. После этого подстроечным резистором R15 устанавливают линию развёртки в нулевое положение. При этом желательно ориентироваться на выведенное на экране показание измерителя среднего значения исследуемого напряжения.

Следующий этап — регулировка коэффициента передачи усилителя на ОУ DA2 для трёх значений коэффициента отклонения: 1 В/дел., 0,5 В/дел, и 0,2 В/дел. Для этого выключателем SA1 следует перевести осциллограф в режим открытого входа, включить автоматическую развёртку и режим измерения постоянной составляющей (среднего значения) исследуемого сигнала, установить смещение изображения по вертикали на минус 3,2 дел. На вход осциллографа подать постоянное напряжение от регулируемого источника, контролируемое образцовым вольтметром.

Выбрав коэффициент отклонения 1 В/дел., подают на вход напряжение +5 В и подстроечным резистором R26 устанавливают измеренное осциллографом значение равным +5,00 В. Далее, выбрав коэффициент отклонения 0,5 В/дел., уменьшают входное напряжение до +2 В и подстроечным резистором R27 добиваются вывода на экран значения +2,00 В. И, наконец, выбрав коэффициент отклонения 0,2 В/дел., подают напряжение +1 В и подстроечным резистором R28 устанавливают показания осциллографа равными +1,00 В.
Далее следует отрегулировать переходную характеристику входного делителя. Вход осциллографа соединяют с гнездом Х2. Лучше использовать для этого покупной пробник с переключением коэффициентов деления 1:1/1:10, например, НР-2060 или аналогичный. Его переключатель должен быть переведён в положение 1:1.

Следует установить смещение по вертикали на минус 2 дел., скорость развёртки — 0,2 мс/дел., коэффициент отклонения — 2 В/дел. Подстроечным конденсатором С4 добиваются прямоугольной формы отображаемого сигнала, подобной показанной на рис. 16. После этого устанавливают коэффициент отклонения 1 В/дел, и, вращая ротор подстроечного конденсатора С5, вновь добиваются прямоугольной формы осциллограммы. Повторяют указанные операции несколько раз до получения правильной формы при обоих значениях коэффициента отклонения.

Последний шаг — получение одинаковой входной ёмкости осциллографа при коэффициентах отклонения, лежащих в интервалах 10—100 мВ/дел, и 0,2—20 В/дел. Для этого необходимо установить коэффициент отклонения 100 мВ/дел., а пробник перевести в режим 1:10. Подстроечным конденсатором пробника добиваются правильной формы прямоугольного сигнала на экране осциллографа. Далее устанавливают коэффициент отклонения 0,2 В/дел, и добиваются правильной формы прямоугольного сигнала подстроечным конденсатором С2. На этом налаживание осциллографа можно считать завершённым.

Окончание —   www.radioelectronika.ru/?mod=cxemi&sub_mod=full_cxema&id=779

ЛИТЕРАТУРА
4. Гольденберг Л. М., Матюшкин Б. Д, Поляк М. Н. Цифровая обработка сигналов. — М.: Радио и связь, 1990.

С. САМОЙЛОВ, г. Харьков, Украина
«Радио» №3 2012г.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *