USB-осциллограф

Министерство образования  и науки молодёжи и спорта Украины

Донбасский государственный  технический университет

(ДонГТУ)

Кафедра радиофизики

 

 

 

 

 

ОТЧЁТ:

о научно исследовательской  работе студента,

На тему: «USB-осциллограф»

 

 

 

 

Выполнил:

ст.гр. РФ - 08    С.В. Чуриков

Проверил

ас. каф.                                                                                           И. И. Антропов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алчевск 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………... 3

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ОСЦИЛЛОГРАФОВ 5

 1.1 Аналоговые осциллографы 6

 1.2 Цифровые люминофорные осциллографы 9

   1.3 Цифровые стробоскопические осциллографы 10

   1.4 Виртуальные осциллографы 11

   1.5 Портативные осциллографы 12

 2 USB-ОСЦИЛОГРАФ 14

      2.1 Типичные характеристики……………………………………...14

 3 ПРИМЕНЕНИЕ USB-ОСЦИЛЛОГРАФА………….…………………18

 ВЫВОДЫ …..21

   СПИСОК ИСТОЧНИКОВ .22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В ходе развития технологии микроэлектроники происходила  миниатюризация электронных схем, и  появились СБИС. Массовое производство СБИС привело к их удешевлению. Одним из дешёвых и миниатюрных устройств является микроконтроллер (МК). Микроконтроллер – это СБИС, содержащая на одном кристалле процессор, ПЗУ, ОЗУ, последовательный или параллельный интерфейс связи, таймеры, схему прерываний и другие периферийные устройства. Таким образом, на одной ИС можно реализовать множество различных устройств, в которых требуется управлять каким-то процессом. Причём совершенствование технологии изготовления СБИС привело к повышению их производительности, и микроконтроллеры могут достаточно быстро реагировать на событие и обрабатывать его. 

В настоящее  время бурно развиваются цифровые приборы. Причём из-за лучших характеристик  цифровые приборы вытесняют аналоговые приборы.

Можно выделить следующие преимущества цифрового  осциллографа:

- высокая точность  измерений;

- яркий хорошо  сфокусированный экран  на  любой скорости развёртки;

- возможность  отображения сигнала до момента  запуска;

- возможность  останова обновления экрана на  произвольное время;

- возможность  детектирования импульсных помех;

- автоматические  средства измерения параметров  сигналов;

- возможность  подключения принтера для создания  отчётов измерений;

- возможность  статистической обработки сигнала;

- средства самодиагностики  и самокалибровки;

- резко очерченные  контуры изображения сигнала;

- возможность  исследовать детально переходные  процессы;

- считывание  предварительно записанных данных;

- широкие аналитические  возможности и упрощённая архивация;

- возможность  сравнения предварительно записанных  данных с текущими.

Цифровые осциллографы выпускаются либо в виде самостоятельных  приборов, либо в виде приставки  к ПК. Устройства на основе ПК относятся к новому направлению в измерительной технике – виртуальные приборы. Теперь специалисту достаточно подключить к компьютеру дополнительное устройство – модуль цифрового осциллографа, для того чтобы начать измерения и анализ физической величины. При этом программная часть виртуального прибора эмулирует переднюю управляющую панель стационарного измерительного устройства. С помощью мыши и клавиатуры осуществляется управление прибором, специальными программами обработка, поступившей информации, а также её хранение на жёстком диске.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ОСЦИЛЛОГРАФОВ

 

Наряду с мультиметрами, осциллографы можно считать наиболее распространенными контрольно–измерительными приборами во многих технических отраслях производства и научных исследований, или же при решении разных задач поставленных перед пользователем.

История этого прибора  началась еще в 1947 году, когда американская фирма Tektronix запустила производство первой модели аналоговых осциллографов Tektronix Model 511, на основе применения катодно-лучевой трубки.

А уже в 1980 годах начался  принципиально новый этап развития осциллографов: американская фирма LeCroy Corporation выпускает первые цифровые запоминающие осциллографы. А широкое распространение и прогресс в развитии современных цифровых технологий привели к серьезному изменению характеристик и расширению возможностей осциллографов этого типа.

По способу обработки входного сигнала осциллографы можно разделить на аналоговые и цифровые, а также по количеству лучей на однолучевые, двулучевые и т.д. N-лучевой осциллограф имеет N сигнальных входов и может одновременно отображать на экране N графиков.

 Цифровые осциллографы в свою очередь делятся на запоминающие, люминофорные и стробоскопические. Для лучшего понимания различий и особенностей отдельных типов осциллографов, ниже представлены их краткие описания [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Аналоговые осциллографы

 

Приборы этого типа считаются классическими представителями общего понятия об осциллографе, как контрольно-измерительном приборе. В целом, любой аналоговый осциллограф состоит из следующих составляющих: входной делитель, усилитель вертикального отклонения, схема синхронизации и горизонтального отклонения, источник питания и электронно-лучевая трубка. В осциллографах применяют электронно-лучевые трубки с электростатическим отклонением, в отличие от телевизоров и мониторов, где используется магнитное отклонение. Электронно-лучевые трубки с электростатическим отклонением, хотя и более сложны в изготовлении, имеют гораздо больший частотный диапазон. В каждый конкретный момент отклонение электронного луча и светового пятна на экране, которое он образует, пропорционально напряжению, приложенному к пластинам вертикального отклонения. Напряжение на пластинах горизонтального отклонения изменяется линейно, обеспечивая горизонтальную развертку. Нижняя частота, при которой картинка еще читается, составляет в среднем 10 Гц, хотя при применении специальных электронно-лучевых трубок с большим временем послесвечения она может быть значительно ниже. Верхняя рабочая частота определяется в основном характеристиками усилителя вертикального отклонения и емкостью между отклоняющими пластинами. В последнее время цифровые осциллографы, которые имеют большой ряд преимуществ, вытесняют аналоговые приборы из мирового рынка, но все-таки традиционные аналоговые осциллографы реального времени не исчезают полностью, в первую очередь из-за низкой стоимости в сравнении с цифровыми осциллографами. Плюс к этому с развитием элементной базы аналоговые осциллографы приобрели ряд важных дополнительных функций и возможностей, например, чрезвычайно облегчающие работу курсоры с цифровым отсчетом величин (напряжения и времени) и очень удобное цифровое управление. С помощью входного мультиплексора для нескольких каналов можно достаточно просто организовать единую развертку на однолучевой трубке с отображением нескольких сигналов. Цифровые запоминающие осциллографы, по сравнению с аналоговыми предшественниками, имеют более широкие возможности, а благодаря снижению стоимости цифровых схем с каждым годом они становятся более доступными потенциальным покупателям. В общем виде цифровой осциллограф состоит из входного делителя, нормализующего усилителя, аналого-цифрового преобразователя, блока памяти, устройства управления и устройства отображения. Устройство отображения обычно выполняется на основе жидкокристаллической панели (рис.1.1). Цифровые осциллографы владеют значительными возможностями за счет самого принципа работы. Входной сигнал после нормализации преобразуется в цифровую форму и записывается в память.

 

Рисунок 1.1 – Цифровой осциллограф смешанных сигналов RIGOL DS1102CD

 

Скорость записи (количество выборок в секунду) задается устройством управления, и ее верхний предел определяется быстродействием аналого-цифрового преобразователя, а нижний предел теоретически не ограничен, в отличие от аналоговых осциллографов.

Полная оцифровка сигнала  позволяет избежать отображения сигнала в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов, упростить масштабирование и растяжку, ввести метки. Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает возможность для отображения любой дополнительной информации и управления прибором с помощью меню.

 

Рисунок 1.2 – Вывод на экран и перемещение осциллограмм в цифровом осциллографе смешанных сигналов RIGOL

 

Более дорогие приборы имеют цветной дисплей (рис. 1.2), благодаря чему они позволяют легко различать сигналы различных каналов, метки времени и амплитуды, курсоры, могут накапливать отображаемый в течение большого числа разверток сигнал, а также выделять цветом места с наибольшей повторяемостью сигнала. Характеристики современных цифровых осциллографов впечатляющие: высокая чувствительность (от 1 мВ/дел) и разрешение (от 8 до 14 бит); широкий диапазон коэффициентов разверток (от 2 нс до 50 с); растяжка сигнала по времени или по амплитуде в широких пределах; развитая логика синхронизации с любыми задержками запуска развертки. Кроме обычных схем запуска синхронизации запуск может производиться, например, при наступлении определенного события или при его отсутствии, а также при достижении определенного значения параметра сигнала. Сигнал, по которому осуществляется синхронизация, и основной сигнал можно наблюдать в момент непосредственно перед запуском развертки. Используемые в осциллографах процессоры цифровой обработки сигнала предоставляют возможность исследования спектра сигнала посредством анализа с применением быстрого преобразования Фурье (рис. 1.3). Цифровое представление информации обеспечивает сохранение экрана с результатами измерения в памяти компьютера или вывод непосредственно на принтер. Некоторые осциллографы имеют накопитель для сохранения изображения в виде файлов для последующего архивирования или дальнейшей обработки [2].

 

Рисунок 1.3 – Использование быстрого преобразования Фурье в цифровых осциллографах RIGOL серии DS1000

 

2. Цифровые люминофорные осциллографы

 

Этот класс цифровых осциллографов использует новую  архитектуру построения, которая  базируется на технологии “цифрового люминофора”. Эта технология в цифровой форме имитирует присущее аналоговым осциллографам реального времени  изменение интенсивности изображения. Иными словами, цифровые люминофорные осциллографы позволяют разработчикам видеть на экране, например, модулированные сигналы и все их тонкие детали, как и аналоговые осциллографы реального времени, обеспечивая при этом их хранение, измерение и анализ, как цифровые запоминающие осциллографы. Как и другие современные цифровые осциллографы, люминофорные осциллографы имеют память, в которой, в частности, хранятся значения разницы времен задержек между различными пробниками.

 

Рисунок 1.4 – Оциллограмма на экране люминофорного осциллографа

 

Для примера, способность  цифровых люминофорных осциллографов  отображать информацию с переменной интенсивностью существенным образом  облегчает поиск неисправностей в импульсных блоках питания, особенно определение избыточной глубины модуляции сигнала в цепях регулировки выходного напряжения, которая, как известно, приводит к нестабильности работы этих блоков. Таким образом, цифровые люминофорные осциллографы не только объединяют лучшие качества аналоговых и цифровых приборов, но и превосходят их. Они имеют все достоинства цифровых запоминающих осциллографов (от хранения данных до сложных видов синхронизации), обеспечивая в то же время особые возможности аналоговых осциллографов реального времени (мгновенную реакцию на изменение сигнала и отображение сигнала с переменной яркостью, которая есть возможной за счет цифровой эмуляции флюоресценции) [2].

 

1.3 Цифровые стробоскопические осциллографы

 

В этом классе приборов используется принцип последовательного стробирования  мгновенных значений сигнала для  преобразования (сжатия) его спектра; при каждом повторении сигнала определяется (отбирается) мгновенное значение сигнала в одной точке.

 

Рисунок 1.5 – Оциллограмма на экране стробоскопического осциллографа

 

К приходу следующего сигнала точка отбора перемещается по сигналу, и так до тех пор, пока он не будет весь простробирован. Преобразованный  сигнал, представляющий собой огибающую мгновенных значений входного сигнала, повторяет его форму. Длительность преобразованного сигнала во много раз превышает длительность исследуемого и, следовательно, имеет место сжатие спектра, что эквивалентно соответствующему расширению полосы пропускания. Стробоскопические осциллографы наиболее широкополосные (значение полосы пропускания может становить 100ГГц) и позволяют исследовать периодические сигналы с минимальной длительностью. Но следует отметить, осциллографы этого класса являются очень дорогими, а поэтому используются, как правило, для решения сложных технических и производственных проблем [2].