3.4. Blocuri funcţionale ale osciloscopului cu …read.pudn.com/downloads214/ebook/1009939/C_3...Un exemplu este reprezentat de convertorul ultrarapid din osciloscopul numeric HP54111

MEE2 Cap3: Osciloscopul numeric

3/21 21

3.4. Blocuri funcţionale ale osciloscopului cueşantionare în timp real

3.4.1 Blocul de achiziţie a semnalului

! În figura 18 este dată schema-bloc a secţiunii de achiziţie a osciloscopului 468Tektronix.

.

CAN RT0

ACYB

ACYA PAYA

PAYAPAYA

la AS

la AS

COM ADD

POZ.Y Cy

POZ.Y Cy

COMUT

CONV

RT1 RT3

COMP

A>B

RT4RT2

74S37

COMP

RT-AFNUM.ADR

A>B

MIN

MAXAB

AB

Di Qi

BB

T1T2

T3

T4

DI

WE

RAM1

ADRi

Qi

RAM2

WE

Di

ADRi

Qi

IADR

AQC


3/2222

Fig. 18. Schema-bloc a secţiunii de achiziţie a osciloscopului 468 Tektronix.

• Acest bloc permite achiziţia a două canale, cu posibilitatea de a lucra în modul delucru NORMAL sau ANVELOPĂ.

• Pentru fiecare canal există atenuatoare calibrate şi preamplificatoare separate.Ieşirile preamplificatoarelor sunt aplicate comutatorului de canale, careîndeplineşte funcţiuni similare blocului respectiv din osciloscopul analogic.

• El permite funcţionarea cu unul sau două canale, selecţia fiind făcută cucomutatorul COM, dar şi însumarea semnalelor din cele două canale, comandatăprin semnalul ADD.

• După conversia analog-numerică, rezultatul este mai întâi memorat, pe tactulCONV în registrul RT0.

! În continuare schema prezintă două secţiuni aproape identice. Cea din parteasuperioară a schemei este destinată prelucrării :• eşantioanelor impare, în modul de lucru NORMAL, cu un singur canal;• eşantioanelor canalului A, în modul de lucru NORMAL, cu două canale;• eşantioanelor minime, în modul de lucru ANVELOPĂ

! Secţiunea din partea inferioară a schemei preia• eşantioanele pare, în modul de lucru NORMAL, cu un singur canal;• eşantioanele canalului B, în modul de lucru NORMAL, cu două canale;• eşantioanele maxime, în modul de lucru ANVELOPĂ.

! Fiecare secţiune conţine câte două registre de stocare şi câte un bloc de memorieRAM.• Cele două blocuri RAM constituie memoria de achiziţie. Divizarea memoriei de

achiziţie în două secţiuni, face ca în fiecare din ele să fie memorat un eşantion ladouă eşantioane achiziţionate, deci cu o frecvenţă de două ori mai mică, reducândastfel cerinţele privind timpii de acces.

• În exemplul considerat, fiecare din secţiuni are o capacitate de 256 cuvinte şi untimp de acces de 50 ns, iar perioada minimă de eşantionare este 40 ns.

• Adresele pentru cele două blocuri RAM sunt comune şi sunt generate de unnumărător de adrese care numără pe tactul IADR modulo 256. Ca urmare, vorexista în memorie în permanenţa, ultimele 512 eşantioane.

• După cum s-a văzut, fereastra de achiziţie include atât o zonă prettriger,conţinând −Na eşantioane, cât şi una posttrigger, de +Na eşantioane şi

+− += NaNaNa . Pentru a realiza acest lucru, din momentul în care a apărutsemnalul SY se mai achiziţionează +Na eşantioane, după care achiziţia estestopată.


3/23 23

• Sfârşitul ciclului de achiziţie e marcat de semnalul ACQ (achiziţie completă), iarultima adresă este memorată în registrul RT-AF.

! Funcţionarea diferă după cum se lucrează în :• modul de lucru NORMAL;• modul de lucru ANVELOPĂ.

Modul NORMAL

! În modul de lucru NORMAL, tactul CONV are perioada de repetiţie egală cu

s

xxs N

CNT

'= pentru xmx CC > , sau Tsm pentru xmx CC ≤ .

! Prin divizarea cu 2 a tactului SAVECONV = se formează tactele SAVE0 şi 0SAVE .În acest mod de lucru,

0SAVET,0SAVET 21 ==0SAVETT 43 ==

! Rezultă cronogramele din figura 19. Dacă se lucrează cu un sigur canal, eşantioaneleconvertite sunt stocate pe rând, primul în RT1, al doilea în RT2 ş.a.m.d.

! . Eşantioanele 1 şi 2 sunt depuse în RAM1 şi respectiv RAM2 pe aceleaşi adrese.Numărătorul de adrese este apoi incrementat, deci tactul pe care este incrementatnumărătorul de adrese poate fi tot semnalul SAVE0=IADR.

! Când se lucrează cu două canale, există două posibilităţi;• -modul COMUTAT, în care jumătate din eşantioane (de exemplu cele impare)

sunt alocate canalului A, iar cealaltă jumătate, canalului B;• -modul ALTERNAT, în care cele două canale sunt achiziţionate în două cicluri

de achiziţie consecutive, în fiecare din acestea achiziţia desfăşurându-se ca încazul unui singur canal.eşant1 eşant2

CONV

CONV=

SAVE

SAVE0

SAVE0

RT0 RT1 RT3 RAM1

RT0 RT2 RT4 RAM2

eşant1

eşant2

ADRi


3/2424

Fig. 19.

Modul anvelopă

! În modul de lucru ANVELOPĂ, tactul CONV are o frecvenţă mai mare decât 1/Ti,rezultat din relaţia xxsi NCNT =′ ; deci Ts<Ti, sau Ti=MTs. În general, poate aveavaloarea Fsmax .

! Într-un interval de timp 2Ti, se memorează două valori: valoarea maximă şi cea minimăa celor 2M=2Ti/Ts eşantioane obţinute în acest timp.

! Tactul SAVE0 se obţine prin divizarea frecvenţei tactului CONV cu 2M, având deciperioada 2Ti. Avem deci:

T(SAVE)=MTs =MT(CONV)T(SAVE0)=2T(SAVE)=2MTs=2Ti

Fig. 20! După trecerea în 1 a lui SAVE0 se generează câte un tact atât pentru T1, cât şi T2,

înregistrând astfel primul eşantion în RT1 şi RT2. Acestea sunt deci nişte tactenecondiţionate.

! Vom presupune în continuare că tactele T1 şi T2 sunt generate pe durata cât COMP=0.• Mai departe, comparatoarele digitale notate în schema din figura 18 cu COMP,

compară eşantionul curent, de la ieşirea lui RT0, cu eşantioanele de la ieşirile luiRT1 şi RT2.

• Apariţia unei valori mai mici decât cea din RT1 va conduce la un impuls MIN iaracesta va genera un impuls T1 aşa încât valoarea respectivă este stocată în RT1, înlocul celei precedente.

CONV

SAVE0T1

T2

MIN

MAX

esant

1 2 3 4


3/25 25

• Dacă, din contră, conţinutul lui RT0 este mai mare ca cel al registrului RT2, segenerează un impuls MAX, iar acesta va conduce la apariţia unui impuls T2,înregistrându-se astfel valoarea lui RT0 în RT2.

• Rezultă deci ca următoarele tacte 21,TT sunt condiţionate de ieşirile COMP,conform

MAXCONVTMINCONVT ⋅=⋅= 21 , . Şi în acest caz, T3=T4= SAVE0, iar înregistrarea în RAM-uri se face pe următorultact SAVE0, când SAVE0=0.

Blocul de conversie

! Convertorul analog numeric va trebui să fie ales dintre cele de viteză mare . Se potutiliza convertoare paralel , cu maximum 8 biţi, combinaţii paralel - serie sau structuride tip pipe-line.

! Există cazuri când nici viteza realizată de un convertor paralel nu mai este suficientă.In asemenea cazuri pot fi utilizate combinaţii de convertoare paralel lucrând în paralel,dar cu intrările decalate în timp. Un exemplu este reprezentat de convertorul ultrarapiddin osciloscopul numeric HP54111 (Hewlett-Packard), care realizează o frecvenţă deeşantionare de 1 GHz, deci un timp de conversie de 1 ns (figura 21).

! Se utilizează 4 convertoare foarte rapide paralel, cu o construcţie mai specială cu untimp de conversie de circa TCONVi= 4 ns. Ele sunt precedate de circuite de eşantionare/memorare, comandate pe rând prin semnalele S H i/ . Acestea eşantionează semnalulpe durata cât se aplică pe intrarea de comandă nivel logic “1” şi menţin la ieşirevaloarea memorată a semnalului pe durata cât semnalul de comandă este pe nivel “0”.Pentru a se obţine viteza necesară sunt realizate în tehnologia GaAs.

Fig. 21 Convertorul ultrarapid din osciloscopul numeric HP54111

! Timpul de eşantionare (starea S) s-a presupus inclus în TCONVi. În această situaţieTCONV=0,25 TCONV i.


3/2626

Fig. 22

• Cele 4 semnale S H i/ cu perioadă 4T sunt formate pornind de la un tact deperioadă T şi sunt decalate în timp, ca în figura 22.

• Rezultatele obţinute la ieşirile celor 4 convertoare sunt selectate pe rând de unmultiplexor, ale cărui semnalede selecţie sunt comutate cu perioada T şi reţinuteîntr-un registru de stocare.

• Între semnalele S H i/ şi tactul din care sunt formate acestea vor exista niştemici întârzieri datorate timpilor de propagare. În plus, aceste întârzieri pot să nufie riguros egale. Aceste variaţii ale momentelor de eşantionare pot provoca erorimari în amplitudine în cazul unor semnale cu viteză de variaţie foarte mare (defrecvenţă mare).

• Pentru a evita această sursă de erori se utilizează un circuit S/H comun, de foartemare viteză, la intrare, comandat de un singur tact (acela de perioadă T). S/Hi

eşantionează semnale reţinute la momentele corecte de S/H, astfel încâteventualele decalaje în timp ale semnalelor S/Hi nu mai contează.

! O altă variantă, ieftină şi de o viteză relativ ridicată (100 Meşant/s), combinămemorarea analogică la viteză mare, utilizând o memorie CCD (cu transfer de sarcină),urmată, de o conversie relativ lentă (convertor cu aproximări succesive) Vom avea învedere, ca exemplu, sistemul de achiziţie al osciloscopului 2430 (Tektronix).• Într-un dispozitiv CCD semnalul este memorat prin intermediul sarcinii electrice

ce poate fi transferată de la intrare în celulele respective.• Citirea se face prin transferul spre exterior a acestei sarcini. În cazul de faţă se

utilizează celule lucrând cu un tact cu 4 faze (4 porţi)/ celulă. Cu celulelerespective se constituie o arie ca în figura23.


3/27 27

Fig. 23• Semnalul este mai întâi adiţionat prin porţile din grupul A.• Acesta lucrează în 16 tacte ca un registru de deplasare.

- La fiecare tact principal, semnalul de intrare este eşantionat şi sarcinarespectivă este introdusă în prima celulă.

- Sarcina preexistentă în celula 1 trece în 2 ş.a.m.d.- După 16T informaţia din celulele A este transferată în prima linie a zonei

B.- In fine, după ce se umple şi această zonă, sarcina din linia 33 a zonei B este

transferată în C.- După umplerea memoriei informaţia din C este extrasă cu un tact mai lent şi

aplicată unui CAN cu aproximări succesive şi stocată într-o memorienumerică.

- Capacitatea totală de memorie este de 33 x 16 = 528 eşantioane. Seutilizează două asemenea dispozitive, rezultând o capacitate de 1056eşantioane (de fapt utilizaţi pentru memoria de semnal sunt numai 1028).

3.4.2 Baza de timp

! Conţine următoarele blocuri funcţionale (figura 24):A.- Oscilatorul cu cuarţ;B.- Divizoarele de frecvenţă pentru generarea semnalelor CONV, SAVE (care

generează, de fapt, frecvenţa de eşantionare);C.- Numărătoare pentru fixarea poziţiei ferestrei de achiziţie (PFA);D.- Vernierul de timp (VT).

! În funcţie de valoarea lui Cx, microcalculatorul stabileşte factorul de divizare Fd=Fq/Fs

unde Fq este frecvenţa oscilatorului pilot.• El este transmis bazei de timp prin intermediul registrului RT-FD.• Blocul de divizare generează în consecinţă tactul CONV, cu T(CONV)=Ts, şi, de

asemenea, în funcţie de modul de lucru (ANVELOPA/NORMAL), tactul SAVE.Ultimul e generat numai atâta timp cât AQ=1(pe durata achiziţiei).


3/2828

! Începerea achiziţiei este dictată de microcalculator prin semnalul 0SAQ = .Acestaconduce la AQ=1.

! Blocul PFA preia de la microcalculator prin intermediul registrelor RS-NPT,Na_(numărul de eşantioane pretrigger).• El trebuie să asigure achiziţionarea a Na_ eşantioane înainte de SY şi Na+ după

SY. Pentru ca acest lucru să fie posibil, trebuie ca între momentul începeriiachiziţiei ( 0SAQ = ) şi apariţia impulsului SY să se fi achiziţionat cel puţin Na_

impulsuri.• dacă această condiţie nu este îndeplinită (impulsul SY vine prea repede), se

ignoră acest impuls SY şi se aşteaptă următorul.• Ca urmare, din momentul aplicării 0SAQ = se numără Na_ impulsuri SAVE (se

aminteşte că la fiecare două impulsuri SAVE se memorează două eşantioane înmemoria de achiziţie). De abia după aceea se validează impulsurile SY de la CF.

• În continuare, după apariţia SY se mai achiziţionează Na+ eşantioane.• După aceea, ciclul de achiziţie se încheie, AQ=0, se generează AQC (achiziţie

completă) pentru înregistrarea adresei finale a memoriei de achiziţie în RSAF.

Fig. 24. Schema bloc a bazei de timp

AQ

Bloc de divizare programabil

CONV

SAVE

factor de divizare

nr. de eşantioane pretrigger

P F A

RS-FD

SAVE

Sy

RS-NPT

Vernier timp

AQ

AQC

DELTATSy

RS-VTSAQ


3/29 29

! Principalele funcţiuni ale bazei de timp sunt sintetizate în figura 25.• DELTAT este un impuls adus în ‘1’ de primul impuls SY valid şi resetat de

primul impuls SAVE ce urmează.• O schemă mai detaliată pentru blocul PFA este prezentată în figura 26.• Numărătoarele N1 şi N2 îndeplinesc funcţiile contorilor din organigramă şi se

încarcă ambele paralel cu Na- După Na_ tacte, B(N1)=1, VALSY=1.Bistabilul B1memorează semnalul de validare sincro (VALSY).

• Primul impuls SY după validare, aduce bistabilul B2 şi semnalul SYVAL în “1”.• Din acest moment începe să numere înainte numărătorul N2, având capacitatea

Na. După Na+=Na-Na_ tacte, CO(N2)=1, deci ieşirea sa de transport, CO,generează semnalul ce indică sfârşitul achiziţiei, AQC.


3/3030

Fig. 25. Funcţiunile bazei de timp

SAQ=0

DANU

AQ=1, N1=Na-

VALSY=0Se activează SAVE

SAVE∃

NUDA

N1-1

DANU

N1<0

Aşteaptă Na- impulsuri SAVE

VALSY=1 Validează SY

DANU

DANU

Sy∃

N2=Na -

(N2+1)mod Na

DANU N2=0

AQ=0, AQC=1

∃ SAVE

Mai achiziţionează Na + eşantioane


3/31 31

Fig. 26. Schema detaliata a blocului PFA

! Trebuie subliniat că procesul de achiziţie nu se limitează la Na eşantioane, ci continuă,dacă nu a venit impulsul SYVAL, prin eliminarea din memoria de achiziţie (decapacitate Na) a eşantioanelor mai vechi, aşa încât în fiecare moment în memorie sereţin numai ultimele Na

Vernierul de timp

! În general, nu există o relaţie de sincronism între tactul SAVE(CONV), pe care are locconversia şi semnalele SY.• Dacă poziţia pe ecran a unui eşantion ar fi definită numai prin numărul de ordine

al acestui eşantion, numărătoarea făcându-se începând de la impulsul SY, esteposibilă o eroare de poziţie cel mult egală cu Ts.

• Ca urmare, la vizualizări repetate ale aceluiaşi semnal, va apărea un joc peorizontală al imaginii (jitter), dând chiar impresia unei sincronizări incorecte.

• În situaţia când imaginea e vizualizată cu Ti=Ts, acest joc nu poate fi preasupărător.

• El devine important când imaginea este extinsă(Ti<Ts).

Q

Q

CD CU

LD LD

N1 N2

SAVESAQ

D

T

R

“1”

SAVE

AQCB CO

D

T

R

Q D

T

R

Q“1” “1”

SY

SAQ

B1 B2 B3

DELTAT

D

T

R

Q“1”

SAQ

B4

AQC Q

AQ

VALSY

SYVAL


3/3232

• Ca urmare este necesar să se măsoare cu precizie mai mare intervalul de timpdintre impulsul SY şi primul front pozitiv al impulsului CONV sau SAVE.

• Acest interval de timp este convertit într-o tensiune continuă şi adăugat lasemnalul de deflexie pe x, corectând jitterul.

! Acesta este DELTAT, care este măsurat de vernierul de timp şi citit la fiecare ciclu deachiziţie de microcalculator. Teoretic, s-ar putea utiliza o schemă simplă de măsurarenumerică a intervalului de timp (DELTAT deschide o poartă prin care trece un semnalde tact către un numărător. Numărul de impulsuri este T(DELTAT)/Ttact).

! Rezoluţia măsurătorii este Ttact, ceea ce impune o frecvenţă de tact foarte mare pentru orezoluţie bună. Metoda poate fi aplicată pe treptele cu Cx mare(Ts mic), undedispunem de ssMax FF >> .

! În rest, se pot utiliza scheme cu integrator cu dublă pantă, care prin multiplicareaintervalului de timp măsurat, permit obţinerea unei rezoluţii mai mari.

3.4.3 Cursori

! Pentru a putea citi cât mai uşor şi cât mai precis intervalele de timp sau tensiuni seutilizează cursori:

-pe orizontală (de tensiune);-pe verticală (de timp).

Fig. 27. Utilizarea cursorilor

! Poziţia lor pe ecran este specificată printr-un număr cu o rezoluţie mai bună decât cea aimaginii (de exemplu, se pot utiliza 10 biţi-1024 puncte pentru ambii cursori). Valorile

tU ∆∆ , sunt prezentate pe un afişaj numeric exterior sau pe ecran.! Va exista un singur buton pentru modificarea poziţiei celor 4 cursori. (fig. 28) Aceasta

se realizează prin divizarea variabilă a unei tensiuni VR cu ajutorul unui potenţiometru.Tensiunea respectivă este convertită într-un număr de 10 biţi în CAN. Există douăcomutatoare ce selectează cursorul reglabil:.V/T-(cursorul de tensiune sau timp), 1/2 -care selectează câte unul din cei doi cursori ai unei perechi. Cei 10 biţi daţi de CAN şi

2,1U∆

2,1t∆


3/33 33

cei doi biţi rezultaţi de la comutatoare sunt preluaţi de microprocesor şi introduşi înmemoria sa prin intermediul a două registre tampon. Acestea preiau datele pe semnalulRCRS şi sunt activate şi citite pe rând prin semnalele 21 OE,OE .

! Cunoscând Cx şi Cy, microprocesorul transformă numerele respective, NT1-NT2 şi NV1-NV2 în nivele de timp sau tensiune, conform relaţiilor:

212,1 ' TTTMax

xx NNN

CNt −=∆

unde N’TMax reprezintă numărul total de puncte ale cursorului de timp corespunzătorscării gradate. De exemplu, în cazul reprezentării pe 10 biţi,

1000',1024210 === TMaxTMax NNRezoluţia în citirea cursorului temporal este deci

TMax

xxN

CNt

'0 =∆

În mod asemănător, pentru cursorii de tensiune:

212,1 ' VVVMax

yy NNN

CNU −=∆

VMax

yy

NCN

U'0 =∆

Fig. 28. Comanda cursorilor

]

+

RT1

RT2

CNA

VR

OE1

OE2

RCRS

V/T

1/2


3/3434

3.4.4 Afişarea

! După cum s-a mai arătat, există două variante principale de realizare a blocului deafişaj:• sistemul specific osciloscopului clasic, în care semnalul ce trebuie vizualizat se

aplică plăcilor de deflexie pe verticală, iar deplasarea spotului pe orizontală esterealizată cu ajutorul unei tensiuni liniar variabile;

• sistemul “cu rastru” specific monitoarelor TV, în care fiecare imagine (cadru)este descompusă într-un număr linii, iar fiecare linie , într-un număr de puncte(pixeli). Semnalele aplicate celor două sisteme de deflexie au doar rolulacoperirii, linie după linie, a întregului ecran. Semnalul ce trebuie afişat, esteaplicat sistemului de control a strălucirii. Imaginea este una sintetizată, cumultiple posibilităţi de introducere a unor cursori şi texte.

! În cele ce urmează ne vom referi succint la unele aspecte legate de primul tip de afişaj.Blocul de afişaj poate lucra în două moduri distincte:• NORMAL - fiecare ciclu de achiziţie este urmat de un ciclu de afişare - procesul

de achiziţie este reluat ciclic şi o dată cu el şi cel de afişare; acest mod de lucrusimulează funcţionarea fără memorie, beneficiind totuşi de posibilităţile deprelucrare numerică;

• MEMORIE - se afişează o imagine stocată în memorie.

! Un ciclu de afişaj începe prin reactualizarea memoriei de afişaj. Aceasta conţine 3elemente:• memoria RAM pentru semnalul vizualizat - conţinând cele Ns eşantioane ale

acesteia, de exemplu pe 8 biţi;• -memoria RAM aferentă cursorului de timp; aceasta conţine 1024 elemente

binare(1 bit) şi va avea doar doi biţi în 1 corespunzători punctelor luminoase,reprezentând poziţiile celor doi cursori, iar restul în 0; cursorii de timp se afişeazăsimultan cu semnalul, acţionând asupra sistemului de control a strălucirii;

• memoria pentru cursorii de tensiune(verticali).

! Pentru fiecare din cei doi cursori, această memorie trebuie să conţină câte o singurăvaloare, constantă, exprimată de exemplu pe 10 biţi.• Cei doi cursori se afişează în două curse directe succesive, fiecare din ele

destinată numai cursorului respectiv.• Prin urmare, memoria va fi constituită dintr-un singur registru de memorie de 10

biţi ce conţine în binar poziţia pe ecran a unui cursor orizontal.


3/35 35

! Se afişează în mod succesiv:• un semnal video cu cursorii de timp;• un al doilea semnal video cu cursorii de timp, dacă se lucrează cu 2 canale

alternate;• o linie dreaptă reprezentând un cursor V;• a doua linie reprezentând al doilea cursor V.

! Fiecare din aceste 4 operaţii necesită o parcurgere completă a ecranului pe orizontală.• Citirea memoriei video are loc pe durata fiecărei desfăşurări, sub acţiunea unui

tact, generat de un numărător de adrese.• În exemplul nostru, numărătorul de adrese este incrementat cu un tact cu

frecvenţa de repetiţie 1/TV=125 kHz. Rezultă astfel că durata unei desfăşurări(aunei curse directe) va fi 81024 =vT ms şi este constantă, indiferent de Cx(deosebire esenţială faţă de osciloscopul analogic).

Generarea semnalelor analogice pentru deflexia pe verticală.

! Blocul acesta trebuie gândit astfel încât să permită reglajele Cx, Cy şi POZY chiarpentru o imagine memorată. Să stabilim locul unde trebuie amplasate aceste reglaje înosciloscop.• În osciloscopul analogic treptele Cy se realizează la intrare sau în unul din

primele etaje de amplificare pentru a nu fi depăşită gama dinamică aamplificatoarelor pe y.

• Osciloscopul numeric are o gamă dinamică şi mai clar limitată datorităconvertorului analog numeric (-Uref/2, Uref/2). Ca urmare, este necesar să sepăstreze reglajul de coeficientului de deflexie pe verticală înaintea convertorului.

• În acest fel se poate regla Cy pe durata achiziţiei (pentru semnalul achiziţionat),dar nu şi pe durata afişării a unui semnal memorat(aşa cum se întâmplă la unosciloscop cu memorie pe TK, unde nu se pot efectua reglaje asupra imaginiimemorate).

• În cazul osciloscopului numeric, există posibilitatea modificării în anumite limitea lui Cy pentru o imagine memorată. Aceasta se realizează prin reglareacorespunzătoare a amplificării semnalului după conversia CNA.

• Prin acest reglaj nu se modifică rezoluţia determinată de numărul de biţi ai CNA -micşorând, de exemplu Cy faţă de Cym(utilizat la achiziţia imaginii) de două ori,numărul de nivele pe verticală se înjumătăţeşte, iar diferenţa în tensiune întredouă nivele rămâne aceeaşi.

! În figura 29, sunt reprezentate gamele dinamice ale semnalului în diferite puncte aleinstrumentului. Evident, la intrare aceasta este

− yyyy CNCN

21,

21


3/3636

• S-a presupus o amplificare în tensiune a primelor două blocuri din schemă egalăcu A1 . La nivelul convertoarelor, această gamă este

− refref UU

21,

21

unde yyref CNAU 1= .

• Dacă UM/2 este tensiunea necesară pe plăcile de deflexie y pentru a deplasaspotul de la mijlocul ecranului la extremitatea superioară,

yyrefM CNAAUAU 212 ==

deci

y

My NAA

UC21

=

Fig. 29. Realizarea gamelor dinamice

! În ceea ce priveşte reglajul de POZy, plasarea sa înaintea CAN este obligatorie, pentrua aduce semnalul în domeniul de lucru al convertoarelor.• Acest reglaj este activ pe durata achiziţiei semnalului. Asupra imaginii memorate

el nu poate acţiona.• Pentru a acţiona asupra imaginii memorate, butonul POZy trebuie să adune o

componentă continuă reglabilă în ADy.• Această tensiune trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

- în modul de lucru normal (NORM) să fie nulă;- în modul de lucru MEM (reprezentarea unei imagini memorate)să fie nulă

atât timp cât nu se manevrează butonul POZy astfel încât la trecerea de peNORM pe MEM, imaginea să nu se deplaseze pe verticală.

! În schema din figura 30, convertorului CNA1 i se aplică datele video, deci ieşireaacestuia reprezintă într-o primă formă semnalul analogic pentru deflexia pe verticală(semnalul propriu-zis, cu rezoluţia de 8 biţi, sau cursorii de tensiune, cu rezoluţia de10 biţi).

! Tensiunea de decalaj pentru corecţia poziţiei se aplică după CNA1 şi trebuie săîndeplinească condiţiile amintite mai înainte.

CAN CNAACy PAy ADy

Cy POZ.Y CyM POZ.YM

yy

yy

CN

CN

2121−

yy

yy

CNA

CNA

1

1

2121 −−

ref

ref

UA

UA

2

2

2121 −−

ref

ref

U

U

2121 −−


3/37 37

• În acest scop, se utilizează un circuit de urmărire şi memorare U/M, caregenerează la ieşire o tensiune UMEM egală cu tensiunea de intrare, atâta timp câtsemnalul de comandă MU / =1.

• Din momentul când acesta devine 0, circuitul memorează şi menţine la ieşirevaloarea tensiunii de intrare din momentul tranziţiei.

• În modul de afişaj normal, UMEM urmăreşte deci tensiunea de intrare.• Când se trece în modul MEM, semnalul de comandă devine 0, astfel încât

circuitul memorează tensiunea UPOZ corespunzătoare poziţiei potenţiometrului pedurata achiziţiei.

! Considerând CNA1 cu ieşire în curent

∑=

−=n

i

iiR bII

10 2

001 =−++

RU

RU

IR

U MEMPOZ

))(( 01 MEMPOZ UURIU −+−=

Fig. 30. Etajul de ieşire pentru deflexia pe verticala

CNA1 CNA2

RT-CY

ADY_

+Uref

I

U2

UYU1

_

+

NORM-1

U/M

U/M

POZ.YA

POZ.YB

R R

A/

UMEM


3/3838

! Evident, în modul NORM, UPOZ=UMEM, deci U1=-RI0. Acelaşi lucru se întâmplă şi înmodul MEM dacă nu se acţionează potenţiometrul de poziţie.• Din momentul acţionării acestui potenţiometru, deoarece circuitul U/M nu mai

lucrează în modul urmărire, apare o tensiune de decalaj, care deplasează imagineape verticală.

• Cum am mai arătat, pentru modificarea coeficientului de deflexie pe verticalăpentru o imagine memorată, ar fi necesară modificarea corespunzătoare aamplificării amplificatorului de deflexie pe verticală, A2.

• Mai elegant, acest reglaj se poate realiza utilizând un atenuator cu atenuareprogramabilă numeric, înainte de ADY.

• Pentru aceasta se foloseşte CNA2 , care are drept tensiune de referinţă semnalulutil U1 . Prin intermediul RT-Cy i se aplică pe intrările de date un cuvânt princare se reglează semnalul de ieşire în funcţie de Cy, deci

∑∑=

−

=

− ==m

i

ii

m

i

iiref cUcUU

11

12 22

( )( )∑=

−−+−=m

i

iiMEMPOZ cUURIU

102 2

! Semnalul la ieşirea ADY este deci

( )( )∑=

−−+==m

i

iiMEMPOZddY cUURIAUAU

102 2

iar amplificarea globală

∑=

−m

i

iid cA

12

Generarea semnalului analogic pentru canalul x

! Sunt necesare 3 elemente:• circuite pentru generarea unei rampe lineare sau în trepte;• circuite pentru generarea şi memorarea unui semnal de corecţie a jitterului, ce va

fi însumat cu rampa;• circuite pentru amplificarea programată a rampei, în scopul posibilităţii reglării,

în anumite limite, a lui Cx pentru o imagine memorată.

! Generatorul de rampe poate fi realizat:• numeric (rampă în trepte), aplicând unui CNA ieşirea numărătorului de adrese

video;


3/39 39

• analogic (rampă liniară) cu un GTLV pornit simultan cu începerea numărării lanumărătorul de adrese video.

• ! Sarcina acestui GTLV este mai uşoară decât a celui dintr-un osciloscop obişnuit,

întrucât lucrează cu pantă fixă (independentă de Cx).

! După cum s-a văzut, în fiecare ciclu de achiziţie se măsoară intervalul de timpt∆ între impulsul SY şi următorul impuls SAVE.

• Acest interval diferă de la un ciclu de achiziţie la altul datorită nesincronismuluidintre tactul de eşantionare al osciloscopului şi semnalul vizualizat.

• O desfăşurare porneşte în principiu sincron cu tactul. Ca urmare, dacă s-arpoziţiona de fiecare dată eşantioanele pe ecran numai în funcţie de numărul deordine, ar putea rezulta un joc pe orizontală al imaginii(jitter), ca în figura 32,unde s-au luat doar două cicluri de achiziţie succesive.

Fig. 31. Generarea semnalului analogic pentru canalul X

Fig. 32. Aparitia jitterului pe orizontala

CNA1

CNA2

RT.CX

RT.C.J.

ADXGTLV

-UR

∑

D0-7

D0-7

POZ XUCJ

21 tt ∆∆

a b


3/4040

! Pentru ca acest fenomen să nu apară, trebuie ca, faţă de momentul de declanşare arampei, situat într-o poziţie constantă faţă de tact, să deplasăm prima formă de undă cu

1t∆ , a doua cu 2t∆ etc.! Această deplasare se realizează adăugând peste rampă o componentă continuă U∆ .

Notând cu m panta tensiunii liniar variabile, valoarea acestei tensiuni, necesară pentruobţinerea unei întârzieri t∆ rezultă din relaţia (figura 33)

M

dUT

UmUt ∆=∆=∆

! Tensiunea de corecţie este dată de CNA1 (figura 31), care are pe intrările de date unnumăr generat de microprocesor, pe baza informaţiei obţinute de la vernierul de timp.

Fig 33. Reglarea tensiunii de deflexie

! Pentru a face posibilă modificarea în anumite limite, mai ales în sensul extinderiiimaginii pe orizontală, a factorului Cx după memorarea unei imagini, se poate modificaamplificarea canalului x, ceea ce este echivalent cu mărirea pantei tensiunii liniarvariabile. În schema din figura 31 acest lucru se realizează cu ajutorul convertoruluiCNA2, care funcţionează ca atenuator programabil.

3.5. Osciloscoape cu eşantionare în timp echivalent

! Eşantioanele necesare pentru achiziţia unei imagini sunt luate în mai multe ciclurisincro succesive.

! Acest lucru este posibil numai pentru semnale repetitive. Osciloscopul numeric în timpechivalent reprezintă de fapt o îmbinare a principiului osciloscopului analogic cueşantionare cu introducerea memoriei numerice.

! Sunt posibile următoarele variante:• Eşantionare secvenţială(coerentă)

În acest caz se ia câte un eşantion la fiecare ciclu sincro. Primul eşantion se ia la untimp foarte scurt după SY. Pentru fiecare din eşantioanele următoare, intervalul detimp faţă de impulsul SY este incrementat cu o cantitate fixă.

∑=

−==∆m

i

iiRCJ cUUU

12

U∆

Tdt∆

UM

ciclul 1

ciclul 2

SY


3/41 41

Fig. 34. Eşantionarea coerenta

Deci momentele de eşantionare sunt în mod esenţial determinate deimpulsurile SY. Ca urmare, este imposibilă achiziţia şi vizualizarea semnaluluipretrigger.

• Eşantionare aleatoare- Eşantioanele sunt achiziţionate într-o ordine aleatoare în raport cu locul pe

care-l ocupă în înregistrare.- relaţia temporală exactă între aceste eşantioane şi SY se determină prin

măsurarea intervalului de timp dintre SY şi momentul de eşantionare, înfiecare ciclu sincro. Înainte de primul ciclu sincro, se şterge memoria deachiziţie.

- Eşantioanele se iau la intervale de timp egale, de exemplu Ts=25 ns, darneexistând o relaţie de sincronism faţă de impulsurile SY, momentele deeşantionare din cicluri sincro diferite apar ca aleatoare. Ca urmare,măsurarea intervalelor de timp dintre SY şi momentele de eşantionaretrebuie făcută în fiecare ciclu de achiziţie şi rezultatul memorat.

- Este foarte importantă rezoluţia cu care se face această măsurătoare. Săconsiderăm, ca exemplu, un osciloscop destinat să lucreze până la 1GHz(T=1 ns). Dacă dorim să vizualizăm o perioadă a semnalului desfăşurată peîntregul ecran, presupunând Nx=10, este necesar Cx =100ps/div. O rezoluţiede o zecime de diviziune, deci de 10 ps este de dorit.

1t∆

2t∆

ciclul 1

ciclul 2


3/4242

Fig 35. Eşantionarea aleatoare• Deci la fiecare nou ciclu de sincro se reţine un număr de eşantioane şi o

valoare t∆ . Dacă Cx este suficient de mare, există posibilitatea ca într-un singurciclu sincro să se achiziţioneze toate eşantioanele necesare construcţiei imaginii.Se obţine deci, ca un caz particular, eşantionarea în timp real.

• Dacă în fiecare ciclu de achiziţie s-ar stopa achiziţia la apariţia impulsului SY, arînsemna că vom dispune în final de o imagine achiziţionată într-un timp NaTs

pretrigger. De exemplu pentru Na=1024 şi Ts=25ns, rezultă tpt=25 sµ . În realitateexistă un numărător programabil de eşantionare pretrigger, ca şi în cazulosciloscopului în timp real, cu ajutorul căruia se poate selecta fereastra de timp cese doreşte a fi achiziţionată.

• Rezultă concluzia importantă că un osciloscop cu eşantionare aleatoare permitevizualizarea semnalului şi înainte de îndeplinirea condiţiei de trigger.

• Existenţa unui vernier de timp ce permite măsurarea intervalelor t∆ cu orezoluţie foarte bună, dă posibilitatea unei benzi foarte largi. Pentru ca acest lucrusă se poată realiza, un rol foarte important îl are circuitul de eşantionare-memorare de foarte mare viteză (cu un timp de eşantionare foarte scurt).

• Lărgimea de bandă a osciloscopului poate fi astfel mult mai mare decât frecvenţade eşantionare (spre deosebire de osciloscopul cu eşantionare în timp real). Deexemplu, cu un CAN având FSMAX=40 MHz, se poate obţine un osciloscop cu obandă de 1 GHz.

• Sistemul de eşantionare aleatoare are şi un dezavantaj. Dacă presupunemTs=25ns, există o anumită probabilitate ca într-un interval de timp, mai mic decâtTs, să se primească un eşantion de la un ciclu sincro. De exemplu, dacă aceastăfereastră este de 10 ns, probabilitatea va fi de 10/25, iar dacă e de 1 ns, de 1/25.Pentru exemplul considerat, Cxm=100 ps/div, deci pentru Nx=10 diviziuni,fereastra de timp de 1 ns reprezintă un ecran. Pentru această fereastră suntnecesare în medie 25 cicluri sincro pentru a obţine un eşantion. Dacă în plussemnalul are o frecvenţă de repetiţie mică, de exemplu 1000 Hz (perioadă multmai mare decât fereastra de timp pe care dorim să o vizualizăm), vom dispune de1000 cicluri/secundă, deci de 40 puncte achiziţionate/secundă. Rezultă că într-unasemenea caz, achiziţia unei imagini poate dura mult, mai ales dacă se doreşte unnumăr mare de puncte. Se poate recurge eventual şi la interpolare.

• Schema bloc rămâne în principiu cea prezentată la început.• Pentru realizarea unei benzi cât mai mari, esenţiale sunt blocurile preamplificator,

eşantionare-memorare şi vernierul de timp.


3/43 43

Vernierul de timp! Vom prezenta o schemă utilizată în unele osciloscoape Hewlett-Packard pentru a

obţine o rezoluţie de 10 ps (figura 36).! Se utilizează doi generatori de curent cu I1=1250I0. Aceştia încarcă pe rând, prin

intermediul unui comutator electronic, comandat de semnalul Q3, un condensator, C.! La venirea impulsului SY, 13 →Q şi condensatorul începe să se încarce sub I1.

tCItu 1)( =

tCItu ∆=∆ 1)(

COMP trece în 1 şi deschide poarta P. Când însă Q1=1, 0=CLR , şi cum aceasta esteo comandă asincronă prioritară, numărătorul NUM stă în starea 0. Când Q1 trece în 0,condensatorul se descarcă sub curentul I0.

)()()( 0 ttCI

tutu ∆−−∆=

Fig 36. Vernierul de tipm pentru osciloscopul Hewelett Packard

Q

Q

Q

Q

D

T

D

T

S

RCOMP+

_

(1)

(2)

(3)

CLRNUM

Ts

SY

40MHz

2× 80MHz

I0

I1

01

01

Q

P

SY

Ts

Q1

Q2

Q3

CLR


3/4444

Fig. 37

! Deoarece acum Q1=0, numărătorul începe să numere până în momentul când u(t)=0 şiCOMP=0. Aceasta se întâmplă când

0)( =+∆ τtu

0)( 0 =−∆ τCI

tu

deci

ttII

∆=∆= 12500

1τ

! Numărătorul numără pe durata τ un număr N de impulsuri:

ttFT

N ss

∆=∆⋅⋅⋅=== 117 10125010825,0

ττ

! Evident, rezoluţia este ps. 10s10 110 ==∆ −t Dacă s-ar fi utilizat metoda obişnuită de

măsurare numerică a intervalului de timp, ar fi fost necesară o frecvenţă de tact de 100GHz, frecvenţă la care numărarea este imposibilă.

! În concluzie, schema realizează o amplificare a intervalului de timp măsurat de 1250de ori, utilizând un integrator cu două pante.

Documents

3.4. Blocuri funcţionale ale osciloscopului cu …read.pudn.com/downloads214/ebook/1009939/C_3...Un exemplu este reprezentat de convertorul ultrarapid din osciloscopul numeric HP54111