Cómo funciona un osciloscopio
El osciloscopio es un instrumento de medida electrónico muy versátil. Como dice el refrán, la electricidad no se puede ver ni tocar. Pero un osciloscopio puede ayudarnos a "ver" señales eléctricas, facilitando a las personas el estudio de los procesos cambiantes de diversos fenómenos eléctricos. Por lo tanto, la función principal de un osciloscopio, tal como su nombre, es un instrumento que muestra formas de onda de señales eléctricas para que los ingenieros encuentren problemas de ubicación o evalúen el rendimiento del sistema, etc.
Las formas de onda también tienen muchas definiciones, como formas de onda en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia. Para los osciloscopios, la mayoría de las veces lo que se mide es el cambio de voltaje a lo largo del tiempo, que es la forma de onda en el dominio del tiempo. Por lo tanto, el osciloscopio puede analizar los cambios de voltaje en el punto medido y se usa ampliamente en diversas industrias y campos electrónicos.
Generalmente, los osciloscopios en nuestra industria solo se clasifican en osciloscopios analógicos y osciloscopios digitales. Algunos fabricantes pueden nombrarlos con otros nombres para resaltar una determinada función de sus osciloscopios, como osciloscopios digitales fluorescentes. Pero sus principios esenciales aún no pueden escapar a estas dos categorías principales de osciloscopios.
Los osciloscopios analógicos son los primeros osciloscopios, basados principalmente en el haz de electrones emitido por tubos de rayos catódicos (también llamados tubos de imagen, que se usaban ampliamente en los primeros televisores y monitores) a través de sistemas de deflexión horizontal y deflexión vertical de la forma de onda. se muestra en la pantalla de fósforo.
Sin embargo, ahora, la única ventaja que queda de los osciloscopios analógicos parece ser el precio. No tiene la capacidad de almacenar datos y analizar formas de onda, y su función de disparo también es limitada, ni tiene la capacidad de capturar señales únicas y ocasionales. Además, debido a que utiliza una gran cantidad de dispositivos analógicos en su interior, estos dispositivos sí lo harán. También cambia a medida que cambian el tiempo y la temperatura, por lo que el rendimiento también es limitado. Los osciloscopios analógicos casi han sido eliminados de las mediciones electrónicas modernas, por lo que hoy en día hablamos principalmente de osciloscopios digitales.
Debido a las limitaciones de la tecnología de visualización, los primeros osciloscopios digitales todavía utilizaban la pantalla de visualización CRT (tubo de rayos catódicos, tubo de rayos catódicos) en el osciloscopio analógico. La mayor diferencia entre los osciloscopios digitales y los osciloscopios analógicos es que la señal de entrada ya no se muestra directamente en la pantalla, sino que se muestrea y digitaliza a través de un ADC (convertidor analógico a digital) y se almacena en un caché. Aquí se leen los datos. a través del circuito de procesamiento de señal.
Dado que los primeros osciloscopios digitales usaban pantallas CRT, también necesitaban usar un convertidor digital a analógico DAC para convertir cantidades digitales en cantidades analógicas y mostrarlas en la pantalla CRT. La mayoría de los osciloscopios digitales modernos ya no usan pantallas CRT, sino que usan pantallas LCD. No solo son mucho más pequeños, algunos también brindan funciones táctiles más convenientes y ya no necesitan convertir puntos de muestreo digitales en una señal analógica. Dado que no existe una diferencia esencial entre los dos en términos de estructura funcional, la industria generalmente no los llama osciloscopios CRT ni osciloscopios LCD.
Los osciloscopios digitales a menudo se denominan osciloscopios de almacenamiento digital, porque una parte importante de los osciloscopios digitales es almacenar los datos recopilados por el ADC. Podemos comprender intuitivamente el proceso principal de adquisición de datos mediante un osciloscopio digital moderno a través de la placa base del osciloscopio inteligente McCoxon STO1104C:
① La sonda atenúa la señal en una proporción adecuada y la envía al extremo frontal. del osciloscopio. La cantidad de voltaje que puede medir un osciloscopio generalmente depende de la sonda. La sonda puede convertir una señal de voltaje de decenas de miles de voltios en docenas de voltios mediante atenuación.
② La señal llega al atenuador y amplificador frontal a través del circuito de acoplamiento. El software del osciloscopio muestra que el engranaje vertical se ajusta para que la forma de onda llene toda la pantalla tanto como sea posible, mejorando así la vertical. Precisión y haciendo la medición más precisa. La parte frontal determina en gran medida el primer indicador del osciloscopio: el ancho de banda.
③El procesador ARM controla la FPGA para ajustar la frecuencia de muestreo del convertidor analógico a digital ADC. El software del osciloscopio parece ajustar la base de tiempo. Dado que la profundidad de almacenamiento es un valor fijo, la frecuencia de muestreo = almacenamiento. profundidad ÷ duración de grabación de forma de onda, generalmente la base de tiempo La configuración se cambia cambiando la frecuencia de muestreo. Por lo tanto, la tasa de muestreo marcada por el fabricante a menudo solo es efectiva bajo una configuración de base de tiempo específica. En una base de tiempo grande, la tasa de muestreo debe reducirse debido a la influencia de la profundidad de almacenamiento. El convertidor analógico a digital ADC y la memoria RAM de alta velocidad afectan los otros dos indicadores principales del osciloscopio: frecuencia de muestreo y profundidad de almacenamiento.
④A continuación, la FPGA controla el ADC para el muestreo sincrónico, y el ADC convierte los datos recopilados en datos binarios y los escribe en la memoria caché.
La memoria caché es la profundidad de almacenamiento. Generalmente, el tamaño de la memoria es cuatro veces la profundidad de almacenamiento del logotipo del osciloscopio. Debido a que la FPGA no puede controlar el disparador del osciloscopio, la señal recopilada primero debe ser el doble de la profundidad de almacenamiento del logotipo. y luego filtrar una sección de la forma de onda según el disparador, para que el osciloscopio pueda ver la forma de onda antes de la posición del disparador. Y debido a que el osciloscopio no puede detener la adquisición al filtrar las formas de onda recopiladas previamente, de lo contrario la tasa de captura de formas de onda será demasiado baja. Por lo tanto, es necesario continuar recopilando puntos de muestreo de la misma longitud, y así sucesivamente, que es cuatro veces.
⑤Después de recibir el comando de activación, la memoria entrega los datos al procesador ARM para su procesamiento.
⑥El procesador ARM procesa los datos y los envía a la pantalla a través de la interfaz de visualización. para mostrar a los usuarios que. A través del cálculo, el osciloscopio también puede imitar la visualización de brillo multinivel similar al osciloscopio analógico, así como el efecto único de visualización de la temperatura de color y el efecto de visualización de resplandor del osciloscopio digital.
⑦ Después de que el osciloscopio procesa los datos, puede guardar la imagen de forma de onda actual o los datos en la memoria. Cabe señalar que el almacenamiento aquí es completamente diferente de la profundidad de caché que utilizan la mayoría de los osciloscopios. memoria externa como disco U, tarjeta SD, computadora, etc. Ahora, algunos osciloscopios modernos tienen un gran almacenamiento incorporado que se puede guardar directamente en el osciloscopio.
En este proceso, ②③④ se procesan todos en paralelo.
Debido a la limitación de la velocidad de procesamiento del osciloscopio digital, no se puede garantizar que la forma de onda de la señal medida se pueda mostrar continuamente en la pantalla en tiempo real. Habrá pérdida de datos de forma de onda entre los dos. formas de onda mostradas, es decir, el llamado tiempo muerto es también la mayor desventaja de los osciloscopios digitales en comparación con los osciloscopios analógicos. Sin embargo, a medida que aumenta la potencia de cálculo de los osciloscopios y la tasa de captura de formas de onda sigue aumentando, esta deficiencia se está compensando poco a poco.