Антиплагиат (1196142), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Задержка между кадрами составляет время обратного хода луча и регулируемую временнуюзадержку ([1]ручка "стабильность" на отечественных осц иллографах)запуска развертки для получения стабильной синхронизации. Это время достаточно мало по сравнению свременем развертки, и поэтому, если сигнал от кадра к кадру изменяется, это изменение немедленноотображается на экране.Тем самым, обеспечивается отображение сигнала в реальном времени.
Динамикасигнала как по вертикали, так и по горизонтали соответствует изменениям входного сигнала. За это[1]свойство многие пользователи предпочитают аналоговые осц иллографы.Рисунок 2.14 – Принц ип захвата кадра у аналоговых осц иллографовЦифровой осциллограф использует абсолютно другой принцип работы. Входной сигнал, в размере выбранногокадра, пройдя все входные усилители и аттенюаторы, поступает на АЦП, где преобразуется в цифровую форму ипоступает во внутреннюю память для дальнейшей обработки (привязки к развертке, выводу на экран, измерениепараметров и т.д.). Время этой обработки достаточно велико по сравнению с временем кадра, задержка привыводе на экран получается достаточно большая, соответственно часть информации об изменении сигнала междукадрами теряется бесследно (см.рисунок 2.15). Это и есть отображение входного сигнала в нереальноммасштабе времени - главный недостаток всех цифровых осциллографов.[1]Полностью избеж ать такой недостаток практически невозмож но:Рисунок 2.15 – Принц ип захвата кадра у ц ифровых осц иллографовВероятность пропуска нуж ного кадра мож но только снизить, используя большую длину памяти (рисунок 2.16).Рисунок 2.16 –Захват кадра с использованием длинной памятиОчевидно, что чем больше внутренняя память, тем более длинную часть входного сигнала она позволяет записатьи соответственно исследовать ее без потери полезной информации.
Следует отметить, что экран осциллографафизически не становится длиннее, его размер остается без изменения, а сигнал, отображённый на рисунке 2.16,на самом делебудет сжат по временной оси.возможность растянуть его в тысячи раз,Однако, записав сигнал во внутреннюю память, имеется[1]уменьшив горизонтальную развертку, и после э того, исследовать всеего участки, просто перемещая[9]луч по оси времени.
Чем больше[1]объём [9]внутреннейпамяти, тем болеедлинный кусок сигнала можно в него записать и соответственно исследовать без потери информации. Это и естьразъяснение термина " длина памяти".Наличие "длинной" памяти и возможность изменения ее длины, дает возможность манипуляции со скоростьюдискретизации в широких пределах, особенно при исследовании сигнала в диапазоне времени развертки до 20мкс, при уменьшении времени развертки объем памяти автоматически сокращается. Наличие большого объемавнутреннейпамятииприменениепередовых принциповобработкиэквивалентную частоту дискретизации периодических сигналов до 25сигналадаетвозможностьполучить[1]Гвыб/с.
Эквивалентная частота дискретизац ии связана с длиной памяти формулой:Fэ чд=mtразв*n ,(2.7)где tразв – время развертки;м – длина памяти;n–число делений на экран, для расчета времени длительности развертки на весь экран.В [1]случае осц иллографа GW Instek GS-2202 длина памяти составляет 500бит (это аппаратное ограничение длины памяти на развертке более 200 нс/дел при переходе на эквивалентнуюдискретизацию) а[1]минимальное время развертки - 1 нс/дел, тогда получаем Fэ чд = 25 Гвыб/с.Выясним причину, почему при низких значениях развертки производитель не обеспечивает максимальную частотудискретизац ии.
Рассмотримсигнал[2]привремени развертки 1 мкс/ дел, для осциллографа с экраном 20 делений и объемом памяти 500, тоесть время развертки от начала экрана до конца составит 20 мкс. При частоте дискретизации 1 Гвыб/с этотобъем памяти будет[1]заполненза время: 0,5[2]мкс.Тогда выходит, что на э кране будет заполнено всего 2,5 % места. Доказать э то мож но, захватив сигнал на осц иллографепри развертке 25 нс/дел (1 Гвыб/с), а затем увеличить развертку до 1 мкс/дел (рисунок 2.17).Рисунок 2.17 – Отображ ение сигнала при высокой частоте дискретизац ии и малой памятиИпри снижении скорости развертки отображаемая часть сигнала будет становить все меньше и меньше.[1]Таким осц иллографом стало бы пользоваться невозмож но.Этот эффект не секрет для разработчиков цифровых осциллографов и борьба с ним идетметодом снижениячастоты дискретизации при исследовании низкочастотных сигналов.
Для осциллографов с размером экрана nделений, частота дискретизации связывается со временем развертки формулой,[1]аналогичной формуле 2.7:Fдиск=mtразв*n.(2.8)Возвращ аясь к примеру на рисунке 2.17,не трудно определить подходящую частоту дискретизации для отображения сигнала во весь экран, это[1]будет 25 Мвыб/с.
Иными словами, намного меньше максимальной частоты дискретизац ии. Это логично - на достаточнобольшой развертке применять высокую частоту дискретизац ии не имеет смысла. Это избыточно, тем более что памятьприбора ограниченна. Для увеличения частоты дискретизац ии при низких частотах, нуж но использовать осц иллограф сбольшей памятью.Стоит заметить, что на рисунке 2.17 видно только 10 делений, так какобъем экранной памяти в два раза превышает объем информации способной выводиться на ЖКИданногоосциллографа. То есть сигнал записан в память экрана как 20 делений на экран, но на ЖК-экран размером 10делений выводится информация только о 10 клетках, причем перемещением луча по горизонтали возможнопросматривать и другие области экранной памяти.
Схематичное изображение этого процесса приведено нарисунке 2.18. Синим, красным и желтым цветом показаны перемещения физического экрана, сама же экраннаяобласть лежит в пределах от левого края синей границы, до правого края желтой границы.[1]Рисунок 2.18 – Принц ип отображ ения информац ии на Ж КИ GS-2XX22.5 Разрешение по вертикали АЦПЭффективная разрядность является характеристикой, отраж ающ ей качество сигнала (или его сниж ение) аналогоц ифровой системы в некотором диапазоне частот. Параметр э ффективное число битов (ENO) служ ит для измерениякачества аналого-ц ифрового преобразования [10].Для лучшего понимания э той конц епц ии начнем с обсуж дения некоторых основных моментов.Все системы дискретизац ии подверж ены ошибкам, которые влияют на регистрируемое значение напряж ения в данныймомент времени.Все ошибки, как амплитудные, так и временные, проявляются в отклонении ож идаемого или «идеального» напряж ения вданный момент времени.Эффективная разрядность идеального дискретизатора совпадает с разрешением АЦП (например, 8 двоичных разрядов) исохраняется неизменнойв полосеотпостоянногонапряж ения домаксимальнойрабочейчастоты прибора.
Вдействительности все приборы далеко не идеальны. Обычно ENO отличается от разрешения АЦП в меньшую сторону,причем э то отличие растет с ростом частоты.Ошибки дискретизатора, влияющ ие на ENO бывают следующ ими:Перекрестные наводки меж ду каналами;Общ ие гармонические искаж ения;Меж канальное рассогласование;Шум АЦП;Интегральная и дифференц иальная нелинейность.Эффективная разрядность является совокупным показателем качества и включает э ффекты, вызванные ошибкамидискретизац ии, показанными на рисунке 2.19.
Особенно важ но то, что она отраж ает зависимость э тих ошибок отчастоты, что позволяет оц енить ухудшение характеристик того или иного прибора в заданном диапазоне частоты.Следует отметить, что расчет ENO делается с учетом всех спектральных составляющ их, за исключением постоянногонапряж ения, поэ тому из всех ошибок, показанных на рисунке 2.19, на э ффективную разрядность не влияет толькоошибка смещ ения по постоянному току.Рисунок 2.19 – Типовые ошибки АЦП в осц иллографахЕсли разрешение системы дискретизац ии на постоянном напряж ении составляет 8 двоичных разрядов, то такая системаобеспечивает 256 уровней дискретизац ии. Это значит, что для того, чтобы на выходе АЦП произошли какие-тоизменения, входной сигнал долж ен измениться не менее чем на 0,39% от полного диапазона. Если полный диапазонвходного сигнала 8-разрядного АЦП составляет 1 В, то входное напряж ение долж но измениться более чем на 3,9 мВ,чтобы э то изменение проявилось на выходе.
Любые изменения сигнала менее чем на 3,9 мВ на выходе АЦП неотслеж иваются.Теперь посмотрим, что произойдет, если разрешение снизится. Пусть, например, разрешение упадет до 6,65 разрядов.При э том входной сигнал долж ен измениться примерно на 1%, чтобы э то изменение проявилось на выходе АЦП. Меньшиеизменения входного сигнала не скаж утся на состоянии выхода АЦП. При полном диапазоне 1 В незамеченными останутсяизменения сигнала в пределах 10 мВ.Как уж е говорилось, э ффективная разрядность характеризует шум и прочие ошибки системы дискретизац ии.
В [9]приведены формулы для расчета э ффективной разрядности. Эти стандарты связывают отношение сигнал/шум иискаж ения (SINA) с э ффективной разрядностью через уравнение:ENO=0,5log2SINA-0,5log21,5- log2AV ,(2.9)где V – предельный диапазон для испытуемого устройства;A – размах гармонического сигнала с учетом выхода;SINA – отношение сигнала к шуму и искаж ениям.Величина SINA определяется как:SINA=PSPNA ,(2.10)где PS – мощ ность сигнала, то есть мощ ность бина БПФ в соответствии с входной частотой;PNA – мощ ность шума и искаж ений, то есть сумма мощ ностей во всех остальных частотных бинах, исключая нулевой бин.Из приведенной формулы следует, что э ффективная разрядность зависит от отношения сигнал/шум, а такж е отискаж ений сигнала.Измерим ENO для осц иллографа GW Instek GS-2202.
В технических характеристиках указано типичное для ц ифровыхосц иллографов разрешение по вертикали – 8 бит. На самом деле э ффективное число бит всегда меньше чем 8. Подадимсинус с Г4-60 и настроим развертку так, чтобы сигнал занимал не менее 3 четверти э крана (рисунок 2.20).Рисунок 2.20 – Подача тестового сигнала для определения ENOЧастота тестового сигнала выбирается согласно формуле:fопт=fдискJM ,(2.11)где fопт – полезная частота измерения для вычисления ENO;fдиск – частота дискретизац ии ИУ;M – число отсчетов в тестовой последовательности;J – число периодов входного сигнала в тестовой последовательности.В нашем случае:fопт=10 Гвыб/с*5 периодов500 отсчетов=10 МГцДля точности расчета, э кспортируем осц иллограмму в среду MatLab и с помощ ью неё проведем преобразование БПФсигнала (рисунок 2.21).Рисунок 2.21 – Преобразование БПФ тестового сигналаРассчитаем SINA:SINA = -3,851 дБм/-42,763 дБм =0,000412 Вт0,0000000529 Вт = 7788,28Здесь стоит заметить, что SINA, согласно определению, является отношениями среднеквадратических величин, а неотношениями значений мощ ности, которое, например, типично для техники связи.Рассчитаем э ффективное число бит для осц иллографа:ENO=0,5*log2(7788,28)-0,5*log2(1,5)-log2(3 В/4 В)= 6,58А э то значит, что э ффективное число уровней квантования равно:N=26,58=95Одному уровню квантования соответствует изменение напряж ение на:∆U=1 В95=10,53 мВКак было показано, э ффективная разрядность является общ им показателем качества сигнала любой аналого-ц ифровойсистемы, и в том числе осц иллографов реального времени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
