Цифровые осциллографы и анализаторы сигналов

Основной тенденцией развития современных измерительных приборов - от цифровой осциллографии к анализаторам сигналов и далее к измерительным процессорам сигналов, реализующим концепцию замкнутых измерительных систем. В последних реализуется цифровой синтез тестовых сигналов и анализ отклика. При этом с 1984 по 1990 год наблюдалась устойчивая тенденция повышения частоты дискретизации за счет сокращения точности

Цифровые осциллографы и анализаторы сигналов

Дискретизация и восстановление сигнала

Конкретное значение частоты дискретизации Fд определяется принятым в цифровом осциллографе способом восстановления аналогового сигнала (по его цифровым эквивалентам), целями и задачами восстановления и представления графической информации, структурой и погрешностями преобразования, требуемой окончательной погрешностью восстановления. Причины этого в неидеальности восстанавливающих фильтров ограниченности времени восстановления, в плохом или отсутствующем ограничении спектров исходных сигналов. Наиболее прост точечный вывод, дающий удовлетворительный результат при малом расстоянии между точками (0,5-1,0 мм). Также легко реализуется ступенчатая аппроксимация – восстанавливающий полином нулевой степени. Она дает значительные погрешности при малых разрешающих способностях по времени и амплитуде, особенно в режимах растяжки. Наиболее распространен способ линейной (векторной) интерполяции полиномом первой степени. Наиболее благоприятное и близкое к идеальному изображение при минимальной частоте дискретизации удается получить применением синусоидальной интерполяции. Этот метод реализуется с помощью цифрового фильтра нижних частот. Метод хорош при синусоидальных сигналах, но ухудшает восстановление сигналов импульсного характера. Хорошим выходом из положения является вариант двух методов с правом выбора предоставляемым оператору.

Погрешности восстановления

Чаще всего в цифровой осциллографии применяется равномерная дискретизация с шагом Tд=1/Fд. Максимальное значение погрешности восстановления для случая ступенчатой аппроксимации:

[Δст(t)]макс=[Хст(t)-Х(t)]макс= (dx/dt)макс•Tд.

Для частного случая синусоидального сигнала

Fдмин≥[Um•ω•cos ωt]макс=Um•ω/Δ=Um•2ωf/Δ=2ωf/γ,

где γ- приведенная погрешность γ=Δ/Um. Для синусоидального сигнала частотой 4 КГц при величине ошибки не более 1% требуется частота дискретизации 2,5 МГц, т.е. 600 отсчетов на один период частоты исследуемого сигнала. При линейной интерполяции:

[Δл(t)]макс=[d² x/dt² ]макс•Тд/8.

Для того же примера требуется частота дискретизации 88 КГц, т.е. 20 отсчетов на периоде сигнала. Результаты оценок показывают, что для восстановления сигналов при амплитудных измерениях с погрешностью 1-3% частота дискретизации для трех указанных методов должна превышать частоту исследуемого сигнала в 25, 15 и 2.5 раза соответственно.

Нормируемые характеристики

Чаще всего задаются следующие составляющие статической погрешности измерения амплитудных значений:

  • Мультипликативная погрешность коэффициента отклонения по оси Y в виде предельного значения относительной погрешности (δм);
  • Аддитивная погрешность квантования или разрешающая способность в виде предельного значения приведенной погрешности (γацп);
  • Аддитивная погрешность смещения в виде предельного значения приведенной или абсолютной погрешности (γсм).

Общая погрешность определяется суммой составляющих.

Используются варианты нормирования погрешностей в виде двух составляющих: относительной погрешности аналогового канала и погрешности квантования.

Динамическая погрешность зависит от соотношения скорости изменения измеряемого сигнала и времени нарастания τн измерительного канала. Длительность фронта сигнала, измеренная на экране, связана с длительностью реального сигнала и временем нарастания измерительного канала:

τфэ ≈ √τф²+τн²

Иногда задается зависимость эффективного числа бит от частоты сигнала.

Совершенствование динамических характеристик

  1. Параллельная работа нескольких АЦП со сдвигом.
  2. Стробоскопическое преобразование

Оно реализуется в двух вариантах: по методу последовательно взятых отсчетов и методу случайных выборок. Во втором случае отсчет берется по ближайшему тактовому импульсу после сигнала синхронизации формируемого обычным путем в момент перехода сигнала через нуль. Интервал до тактового импульса измеряется интерполяционным методом (в цифровой форме).

Для повышения разрешающей способности широко используется усреднение.

Библиографический список

  1. Приборы, средства автоматизации и системы управления ТС-5 «Средства электроизмерительной техники, геофизическая и гидрометеорологическая аппаратура» Выпуск 1
  2. В.А. Панфилов. Современные цифровые осциллографы и анализаторы сигналов, их применение. Москва 1991 г.