Цифровой осциллограф Советский патент 1988 года по МПК G01R13/02 

4 О СО

4;

Од

Изобретение относится к радиоиз- У1ерительной технике и предназначено |цля регистрации, исследования и изме- параметров радиотехнических |сигналов разнообразных классов форм, том числе неповторяюшихся и одиночных импупьсов, в различных областях науки и техники, использующих радиодом управления- РП 5, шестой-выход - с входом запуска СЦР 9, первый выход ГТИ 11 соединен с первым входом запуска БУ 10, а второй выход - с вторым входом запуска БУ 10, измерительный вход ПЗС 12-соединен с выходом БВХ 2, первый вьпкод БФУИ 13 соединен с входом инжекции ПЗС 12, а второй вы

Изобретение предназначено для регистрации, исследования параметров, радиотехнических сигналов и одиночных импульсов. Цель изобретения - повышение быстродействия устройства при одновременном снижении требований к быстродействию его основных функциональных узлов. Осциллограф содержит входной блок 1, блок 2 выборки и хранения,аналого-пифровой преобразователь 3, оперативно-запоминающее устройство 4, регистр памяти 5, блок 6 синхронизации, блок 8 отображения, блок 10 управления, счетчик адреса 7, генератор 11 тактовых импульсов, блок 13 формирования управляющих импульсов, блок 17 блокировки, генератор 14 импульсов преобразования элемент 15 логического сложения и прибор 12 с зарядовой связью (ПЗС). В устройство введены п-1 ПЗС 18 и 19, коммутатор 20 аналоговых сигналов, п-1 блоков 21 и 22 формирования управляющих импульсов, генератор 23 фаз и логический элемент 24. Запись исследуемого сигнала в ПЗС 18, 19 с зарядовой связью осуществляется с частотой, в п раз меньшей частоты дискретизации сигнала. Использование п ПЗС вместо одного позволяет в п раз увеличить информационную емкость уст- а ройства 1 ил. (Л с

технические средства и методы измере- Q ход - с входом переноса ПЗС 12, вход

НЙЙ.

Цель изобретения - повышение быстродействия цифрового осциллографа при одновременном снижении требований к быстродействию его основных фулкцио- нальных узлов.

На чертеже приведена структурная схема цифрового осциллографа.

На схеме обозначены входной блок 1, блок 2 выборки и хранения (БВХ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 4, регистр 5 памяти.(РП), блок 6 синхронизации (БС), счетчик 7

запуска ГИП 14 соединен с выходом БС 6, а выход - с входом запуска БВХ 2, первый вход ЭЛС 15 соединен с выходом ГИП 14, второй вход - с первым выхо15 дом БУ 10, а выход - с входом запуска СИП 16, вход установки которого соединен с выходом БС 6, а вход запуска - с выходом ЭЛС 15, вход ББ 17 соединен с выходом переполнения СИП 16,

20 первый выход ББ 17 соединен с входом блокировки ГИП 14, а второй выход соединен с входом синхронизации БУ 10, измерительные входы п-1 ПЗС 18, 19,... соединены с выходом БВХ 2, а выходы

адреса (СА), блок 8 отображения (БО), 2:5 п ПЗС 12, 18, 19,... подключены к п

1

счетчик 9 цифровой развертки (СЦР), блок 10 управления (БУ), генератор тактовых импульсов (ГТИ), прибор 12

I с зарядовой связью (ПЗС), блок 13 формирования управляющих импульсов (БФУИ)ЗО генератор 14 нмпульсов преобразования (ГИП), элемент 15 логического сложения (ЭЛС), счетчик 16 импульсов преобразования (СИП) , блок 17 блокиров|ки (ББ), ПЗС

логовых сигналрв (КАС) 20, БФУИ 21

|и 22, генератор 23 фаз (ГФ) и логиjческий элемент (ЛЭ) 24.

При этом вход входного блока 1 яввходам КАС 20, выход которого подключен к входу АЦП 3, первые выходы п-1 БФУИ 21, 22,... подключены к соответствующим входам инжекции п-1 ПЗС 18, 19,..., вторые выходы п-1 БФУИ 21, 22,.., подключены к соответствующим входам переноса п-1 ПЗр 18, 19,..., п выходов ГФ 23 подключены к соответствующим входам п БФУИ 13,21,22,...,

18 и 19, коммутатор ана- первый вход ГФ 23 подключен к выходу

ЭЛС 15, а второй вход ГФ 23 подключен к седьмому выходу БУ 10, п управляющих входов ЛЭ 24 подключены к п выходам ГФ 23, П выходов ЛЭ 24 подключеляется измерительным входом цифрового Q ны к п управляющим входам КАС 20, а

I осциллографа, измерительный вход БВХ

; 2 соединен с выходом блока 1, цифровой вход данных-ОЗУ 4 соединен с цифровым выходом АЦП 3, цифровой вход РП 5 соединен с цифровым выходом ОЗУ 4, первый вход БС 6 является входом синхронизации цифрового осциллографа, а второй вход соединен с выходом входного блока 1, цифровой выход СА 7

соединен с цифровым входом адреса

3- 50

ОЗУ 4, цифровой вход данных БО 8 сое динен с цифровым выходом РП 5, цифровой выход СЦР 9 соединен с цифровым входом адреса БО 8, первый выход БУ 10 соединен с входом запуска АЦП 3, второй выход - с входом запуска СА 7, третий выход - с входами установки СА 7 и СЦР 9, четвертьтй выход - с входом управления ОЗУ 4, пятый выход - с вхо

55

выход управления ЛЭ 24 подключен к восьмому выходу БУ 10.

Сущность технического решения состоит в использовании конвейерного (поочередного) режима работы нескольких ПЗС, при котором выборки сигнала с выхода БВХ 2 последовательно распределяются для записи между п ПЗС. При этом каждьй из п ПЗС работает с тактовой частотой, в п раз меньшей (в режиме записи сигнала), чем частота дискретизации сигнала в БФХ 2. В результате максимальная частота дискретизации исследуемого сигнала в предлагаемом устройстве ограничена той максимальной частотой, на которой способен работать БВХ. Последняя же, как указывалось выше, превьш1ает предельные значения рабочей частоты дисзапуска ГИП 14 соединен с выходом БС 6, а выход - с входом запуска БВХ 2, первый вход ЭЛС 15 соединен с выходом ГИП 14, второй вход - с первым выходом БУ 10, а выход - с входом запуска СИП 16, вход установки которого соединен с выходом БС 6, а вход запуска - с выходом ЭЛС 15, вход ББ 17 соединен с выходом переполнения СИП 16,

первый выход ББ 17 соединен с входом блокировки ГИП 14, а второй выход соединен с входом синхронизации БУ 10, измерительные входы п-1 ПЗС 18, 19,... соединены с выходом БВХ 2, а выходы

0

5

выход управления ЛЭ 24 подключен к восьмому выходу БУ 10.

Сущность технического решения состоит в использовании конвейерного (поочередного) режима работы нескольких ПЗС, при котором выборки сигнала с выхода БВХ 2 последовательно распределяются для записи между п ПЗС. При этом каждьй из п ПЗС работает с тактовой частотой, в п раз меньшей (в режиме записи сигнала), чем частота дискретизации сигнала в БФХ 2. В результате максимальная частота дискретизации исследуемого сигнала в предлагаемом устройстве ограничена той максимальной частотой, на которой способен работать БВХ. Последняя же, как указывалось выше, превьш1ает предельные значения рабочей частоты дискретизации (ограниченные устройством формирования управляющих импульсов для ПЗС), характерные для известного устройства.

Кроме того, при достаточно большом п значительно снижаются требования к быстродействию и выходной мощности устройств формирования управляющих импульсов, что существенно упрощает эти устройства и обеспечивает возможность их конструктивного исполнения в виде гибридных интегральных схем.

Устройство работает следующим образом.

Как и в известном, в предлагаемом устройстве цикл измерения сигнала начинается с приходом импульса на один из входов БС 6. При этом БС 6 вырабатывает импульс синхронизации, который устанавливает СИП 16 в исходное положение и запускает ГИП 14. Импульсы с выхода ГИП 14, следуюп1ие с частотой f;, , поступают на вход запуска БВХ 2, в результате чего входной исследуемый сигнал, поступающий через входной блок 1 на измерительный вход БВХ 2, становится дискретизированным. Одновременно импульсы с выхода ГИП 14 проходят через ЭЛС 15 и поступают на вход запуска ГФ 23, который распределяет импульсы запуска на п БФУИ. Первый импульс с первого выхода ГФ 23 поступает на вход запуска БФУИ 13, где формируются две последовательности импульсов, следующих с частотой ,,/п. Одна из этих последовательностей импульсов, снимаемая с первого выхода БФУИ 13, используется для ин- жекции, и ее первый импульс совпадает по времени с первой выборкой БВХ 2, другая последовательность, снимаемая с второго выхода БФУИ 13, используется для переноса зарядовых пакетов в ПЗС 12, и ее первый импульс соответствует .времени, занимаемому второй и третьей выборками БВХ.

Первый импульс с второго выхода ГФ 23 поступает на вход запуска БФУИ 2Т, где также формируются две последовательности импульсов. Первая-ИЗ этих последовательно.стей импульсов, снимаемая с первого выхода БФУИ 21, используется для инжекции, и ее первый импульс совпадает по времени с второй выборкой БВХ 2, Вторая последовательность импульсов, снимаемая с второго выхода БФУИ 21, используется для переноса зарядовых пакетов в ПЗС

0

18, и ее первый импульс соответствует времени, занимаемому третьей и четвертой выборками БВХ 2.

Аналогично первый импульс с п-го выхода ГФ 23 поступает на вход запуска п-го БФУИ 22, где формируются две последовательности импульсов. Первая из этих последовательностей импульсов снимаемая с первого выхода п-го БФУИ 22, используется для инжекции, и ее первый импульс совпадает по времени с п-й выборкой БВХ 2. Вторая последовательность импульсов, снимаемая с 5 второго выхода п-го БФУИ 22, используется для переноса зарядовых пакетов в п-й ПЗС 19, и ее первый импульс соответствует времени, занимаемому (п+1)-й и (п+2)-й выборками БВХ 2.

В результате заряды, пропорциональ0

5

0

5

0

5

0

5

ные величине ступенек на дискрети- зированном сигнале, полученных с помощью БВХ 2, по очереди заносятся в ячейки памяти п ПЗС 12, 18, 19,...

При этом СИП 16, вход запуска которого подсоединен к выходу ЭЛС 15, считает импульсы, идущие на запуск ГФ 23. Как только их число станет равным числу ячеек МОП-конденсаторов в п ПЗС 12, 18, 19,..., счетчик СИП 16 вырабатывает сигнал переполнения, воздействующий на ББ 17, которьй вьфа- , батывает сигнал блокировки, блокирующий (выключающий) СИП 16. В результате все ячейки аналоговой памяти п ПЗС 12, 18, 19,... оказываются заполненными зарядами, пропорциональными значениям выборок входного сигнала.

После блокировки ГИП 14 процесс регистрации входного сигнала U(t) предлагаемым устройством производится следующим образом.

Через промежуток времени Z,, необходимый для установления переходных процессов в блоках схемы, осуществляющих запись сигнала в ПЗС 12, 18, 19,... ББ 17 выдает импульс для синхронизации БУ 10. С приходом, этого импульса на вход синхронизации БУ 10, в последнем последовательно вырабатываются сигнал установки СА 7 и СЦР 9 в исходное состояние; команда на прохождение тактовых импульсов записи с ГТИ 11 на первый и второй выходы БУ 10; сигнал установки ГФ 23 в исходное состояние; сигнал разрешения на ЛЭ 24.

После этого последовательность тактовых импульсов записи, следующих с

частотой f, с первого выхода БУ 10 начинает через ЭЛС 15 поступать на вход ГФ 23, где формируется на п выходах последовательность п положите- |Льных импульсов, поочередно запускаю |щих п БФУИ 13, 21, 22,..., где, в I свою очередь, формирзпотся следующие с частотой импульсы инжекции и импульсы переноса для ii ПЗС 12, 18, 19,... Под действием этих импульсов снова начинается движение зарядовых пакетов по ячейкам п ПЗС 12, 18, 19,... С приходом первого импульса переноса заряд из последней т-й ячейки ПЗС 12 заряжает входную емкость выходного усилителя ПЗС 12, обладающего большим входным сопротивлением,, В результате напряжение на выходе ПЗС 12 становится пропорциональным этому заряду. При этом в освободившуюся т-ю, ячейку (т - число ячеек в одном ПЗС) перетекает заряд из предыдущей (т-1)-й ячейки, который поступает на вход усилителя ПЗС 12 с приходом следующего импульса переноса. Аналогичным, образом происходит преобразование зарядов в ячейках п-1 ПЗС в пропорциональное им выходное Напряжение. При выводе информации из ПЗС 12, 18, 19,... записи новой информации не происходит, несмотря на наличие импульсов инжекции на входах инжекции ПЗС 12, 18, 19,..., так как IГИП 14 не работает, БВХ 2 не запус- I кается и напряжение на его выходе I равно нулю.

Первый импульс первой последовательности с первого выхода ГФ 23 одновременно поступает и на ЛЭ 24. Пе- ; ред приходом э гого импульса ЛЭ 24 по |лучаел разрешение с БУ 10 на пропуск последовательности положительных им- ;пульсов с ГФ 23, которые, пройдя че- :рез ЛЭ 24, управляют работой КАС 20. :-Так, первы, импульс первой последова тельности с первого выхода ГФ 23, пройдя через ЛЭ 24, поступает на пер вьй управляющий вход КАС 20, Под воздействием этого импульса КАС 20 подключает выход ПЗС 12 к АЦП 13, который оцифровывает-т-ю ячейку ПЗС 12. Импульс запуска с второго выхода ГФ 3, в свою очередь, поступает на ЛЭ 2 и через нее воздействует на второй управляющий вход КАС 20. Под воздействием этого импульса КАС 20 подключает выход ПЗС 18 к АЦП 3, которьй оцифровывает га-ю ячейку ПЗС 18. Ана

0

5

логичным образом оцифровываются та-е ячейки остальных п-2 II jC. Затем так же оцифровываются последовательно (т-1)е ячейки всех п ПЗС 12. 18, 19,... и т.д. до тех пор, пока не произойдет оцифровка всех зарядовых пакетов всех п ПЗС 12, 18, 19,....

Тактовые импульсы записи запускают АЦП 3, который осуществляет квантование по уровню соответствующих значений дискретизированного сигнала, поступающего последовательно с выходов ПЗС 12, 18, 19,... через коммутатор 5 аналоговых сигналов КАС 20. Получаемые коды последовательно заносятся в ячейки памяти ОЗУ 4, причем номер ячейки определяется кодом числа с выхода СА 7, который ведет счет числа тактовых импульсов записи с момента их поступления на вход запуска АЦП 3 и на второй вход ЭЛС 15. Запуск СА 7 осуществляется тактовыми импульсами записи с второго выхода БУ 10.

Как только число N в СА 7 станет равным заданному числу выборок (числу ячеек в ПЗС 12, 18, 19,...), т.е. N тгп, СА 7 вырабатывает сигнал переполнения, которым он самоблокируется, и переводит ОЗУ 4 в режим хранения. Одновременно блокируются первьй и второй выходы БУ 10 и тактовые им-. пульсы записи перестают поступать на ЭЛС 15 и СА 7. Цикл аналого-цифрового преобразования сигналов и запись его в ОЗУ 4 закончен.

Через некоторое время, определяемое программой работы устройства, БУ 10, вырабатывает команду начала считывания. При этом последовательно производятся следующие операции: на третьем выходе БУ 10 появляется сигнал установки счетчиков в исходное положение, которьй поступает на входы установки СА 7 и СЦР 9, в результате чего последние устанавливаются в нуль; на четвертом выходе БУ 10 появляется сигнал перевода ОЗУ 4 из режима хранения в режим переписи информации в РП , которьй поступает на вход управления ОЗУ 4, в результате ОЗУ 4 переводится в режим переписи информации; в БУ 10 вьфабатывается команда на прохождение тактовых импульсов считы- , вания.

При этом тактовые импульсы считывания, следующие непрерывно с второго выхода ГТИ 11 с частотой F и поступающие на второй вход запуска БУ 10,

0

5

0

5

0

5

начинают проходить на второй и шестой выходы БУ и соответственно поступать на входы запуска СА 7 и СЦР 9. СА 7 и СЦР 9 начинают считать тактовые импульсы считывания. Одновременно БУ 10 начинает формировать сигнал управления работой РП 5, которьй с пятого вькода БУ 10 поступает на вход управления РП 5 ив интервале между двумя соседними тактовыми импульсами считывания последовательно переводит РП 5 из режима приема кодов чисел из ОЗУ 4 в режим передачи их в БО 8.

В результате последовательно в соответствии с монотонно нарастающим кодом на выходе СА 7 опрашиваются все ячейки памяти ОЗУ 4 с згпесенными в них кодами выборок ) и эти коды через РП 5 переносятся в БО 8, где преобразуются в сигналы, определяющие положение светящейся точки на экране индикатора БО 8 по вертикали.

Одновременно тактовые импульсы

считывания считываются СЦР 9, который 35 гаемого устройства по сравнению с известным. Предлагаемое выполнение цифрового осциллографа обеспечивает возможность повышения его быстродействия до тех значений, которые характеризуют предельное быстродействие устройств выборки и хранения.

Формула изобре1ения Цифровой осциллограф, содержащий

30

также формирует последовательно нарастающий код, преобразуемый в БО 8 в сигнал, определяющий положение светящейся точки на экране индикатора БО 8 по горизонтали. Как только число в СА 7 станет равным числу помещенных в ОЗУ А выборок N, СА 7 вырабатывает сигнал переполнения и цикл считывания заканчивается.

Считывание информации из ОЗУ 4

производится без ее стирания. Поэтому 35 входной блок, вход которого является оно может производиться многократно, измерительным входом цифрового осчто позволяет регистрировать однократные сигналы. Обновление информации в ОЗУ 4 возможно в следующем цикле записи, начинающемся с приходом очередного импульса на БС 6. К введенным блокам, отличающим предлагаемое устройство от известного относятся КАС 20, ГФ 23 и ЛЭ 24. КАС 20 представляет собой устройство с п входами для аналоговых сигналов, п управляющими входами и рдним выходом. Аналоговый сигнал с одного из входов проходит на выход, если на управляющий вход с тем же порядковым номером поступает разрешающее напряжение .

ЛЭ 24 выполнено в виде логических элементов 2И-НЕ,первые входы которых объединены и на них подается сигнал разрешения (логическая единица) с БУТС, а на вторые входы подаются. i-мпу - льсы с соответствующих выходов ГФ 23.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении одно из основных функциональных преобразований исследуемого сигнала - запись его в ПЗС с целью трансформации временного масштаба в область больших времен, - осуществляется с частотой, в п раз меньшей частоты дискретизации сигнала. Это снижает требования к быстродействию схем ПЗС и устройств формирования управляющих импульсов, которые при прочих равных условиях могут обладать в п раз меньшим быстро- 5 действием и, соответственно, работать с меньшей в п раз тактовой частотой чем в прототипе.

Снижение рабочей тактовой частоты улучшает точностные характеристики процесса записи сигнала в ПЗС, уменьшает среднюю мощность управляющих импульсов. Использование N ПЗС вместо одного позволяет в п раз увеличить информационную емкость предла

35

30

0

5

0

5

циллографа, блок выборки хранения, измерительньй вход которого соединен с выходом входного блока, аналого- цифровой преобразователь, оперативно- запоминающее устройство, цифровой вход данных которого соединен с циф- poBbij выходом аналого-цифрового преобразователя, регистр памяти, цифровой вход которого соединен с цифровым выходом оперативного запоминающего устройства, блок синхронизации, первый вход которого является входом синхронизации цифрового осциллографа, а второй вход соединен с выходом входного блока, счетчик адреса, цифровой выход которого соединен с циф- входом адреса оперативного запоминающего устройства, блок отображения, цифровой вход данных которого соединен с цифровым выходом регистра памяти, счетчик цифровой развертки, цифровой выход которого соединен с

у 1409946 ,0

цифровым входот адреса блока отобра-нения счетчика импульсов преобразоважения, блок управления, первый выходния, первый выход блекл блокировки

которого соединен с входом запускасоединен с входом блокировки генерааналого-цифрового преобразователя,. тора импульсов преобразования, а втовторой выход - с входом запуска счет- РОЙ выход соединен с входом синхрочика адреса, третий зыход - с входа-низации блока управления, о т л и ми установки счетчика и адреса счет-чающийся тем, что, с целью

чика цифровой развертки, четвертыйповышения быстродействия, в него ввевьтод - с входом управления оператив-ю дены п-1 приборов с зарядовой связью,

ного запоминающего устройства, пятьпдкоммутатор аналоговых сигналов, п-1

выход - с входом управления регистра, блоков формирования управляющих импамяти, шестой выход - с входом за-пульсов, генератор фаз и блок логипуска счетчика цифровой развертки,. ческих элементов, п управляющих вхогенератор тактовых импульсов, первый15 Д°в которого подключены к п выходам

выход которого соединен с первым вхо-генератора фаз, п,выходов блока логидом запуска блока управления, а вто-ческих.элементов к п управляющим вхорой выход соединен с вторым входомдам коммутатора аналоговых сигналов,

запуска блока управления, прибор са вход управления блока логических

зарядовой Связью, измерительный вход20 элементов подключен к восьмому выхокоторого соединен с выходом блокаДУ блока управления, измерительные

выборки и хранения, блок формированиявходы п-1 приборов с зарядовой связью

управляклцих импульсов, первый выходсоединены с выходом блока выборки и

которого соединен с входом инжекциихранения, п входов кoм fyтaтopa анаприбора с зарядовой связью, а второй25 логовых сигналов соединены с входами выход соединен с входом переноса при- всех приборов с зарядовой связью, а

бора с зарядовой связью, генератор.выход соединен с входом аналого-цифимпульсов преобразования, вход за-рового преобразователя, первые выхопуска которого соединен с выходомды п-1 блоков формирования управляблока синхронизации, а выход соеди-зо «цих импульсов соединены с соответстнен с входом запуска блока выборки ивующими входами инжекции п-1 приборов

хранения, элемент логического сложе-с зарядовой связью, вторые -выходы п-1

ния, первый вход которого соединен сблоков формирования управляющих импу- выходом генератора импульсов преобра- льсов соединены с соответствуюищми

зования, второй вход соединен с пер-„ входами переноса п-1 приборов с зарявым выходом блока управления, а вы-.довой связью, п выходов генератора

ход соединен с входом запуска счет-фаз соединены с соответствующими вхочика импульсов преобразования, входдами п блоков формирования управляю- установки которого соединен с выходом щих импульсов, первый вход генератора

блока синхронизации, а вход запускадо соединен с выходом элемента лосоединен с выходом элемента логичес-гического сложения, а BTopoi i вход гекого -сложения, блок блокировки, входнератора фаз соединен с седьмым выкоторого соединен с выходом перепол-ходом блока управления.