Цифровой осциллограф

 

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 уста ройства 1 ил. (Л с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU „„1409946

А1 (51)4 С 01 P 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H ABTOPCHQMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4073043/24-21 (22) 03. 04. 86 (46) 15. 07.88. Бюл. К - 26 (72) А.A. Гущин и А.Г. Милехин (53) 621.317.75 (088.8) (56) Цифровая осциллография. Под ред.

А.M. Бернутова и Е.M. Прошина. М.:

Наука, 1983, с ° 296-299.

Авторское свидетельство СССР

9 1277752, кл. С 01 R 29/62, 1985. (54) ЦИФРОВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ (57) 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 и-1 ПЗС 18 и 19, коммутатор 20 аналоговых сигналов, и-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 частотои, в и раз меньшей частоты дискретизации сигнала. Использование п

ПЗС вместо одного позволяет в и раз увеличить информационную емкость уст- ройства, 1 ил.

1409946

Изобретение относится к радиоизерительной технике и предназначено ля регистрации, исследования и изме эения параметров радиотехнических сигналов разнообразных классов форм, том числе неповторяюшихся и адиночых импупьсов, в различных областях ауки и техники, использующих радиоехнические средства и методы измере- 10 ий.

Цель изобретения — повышение быстодействия цифрового осциллографа при дновременном снижении требований к

ыстродействию его основных фулкциоальных узлов.

На чертеже приведена структурная хема цифрового осциллографа.

На схеме обозначены входной блок 1, блок 2 выборки и хранения (БВХ), 20

;аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

l3 оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 4, регистр 5 памяти „(РП), блок 6 синхронизации (БС), счетчик 7 адреса (СА), блок 8 отображения (БО), 25 счетчик 9 цифровой развертки (СЦР), блок 10 управления (БУ), генератор 11 ,тактовых импульсов (Г7И), прибор 12 с зарядоцой связью (ПЗС), блок 13 формирования управляющих импульсов (БФУИ)30 генератор 14 иипульсов преобразования (ГИП), элемент 15 логического сложения (ЗЛС), счетчик 16 импульсов преобразования (СИП), блок 17 блокиров ки (ББ), ПЗС 18 и 19, коммутатор ана логовых сигналов (КАС) 20, БФУИ 2 1 и 22, генератор 23 шаз (ГФ) и логи,ческий элемент (ЛЭ) 24, 1

При этом вход входного блока 1 является измерительным входом цифрового 0 осциллографа, измерительный вход БВХ

2 соединен с выходом блока 1, цифровой вход данных ОЗУ 4 соединен с цифс ровым 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

ОЗУ 4, цифровой вход данных БО 8 соединен с цифровым выходом РП 5, цифровой выход СЦР 9 соединен с, цифровым входом адреса БО 8, первый выход БУ 10 соединен с входом запуска А1(П 3, вто 5 рой выход — с входом запуска CA 7, третий выход — с входами установки СА

7 и СЦР 9, четвертый выход — с входом управления ОЗУ 4, пятый выход — с входом управления РП 5, шестой выход— с входом запуска СЦР 9, первый выход

ГТИ 11 соединен с первым входом запуска БУ 10, а второй выхоп — с вторым входом запуска БУ 10, измерительный вход ПЗС 12 соединен с. выходом

БВХ 2, первый выход БФУИ 13 соединен с входом инжекции ПЗС 12, а второй выход — с входом переноса ПЗС 12, вход запуска ГИП 14 соединен с. выходом БС

6, а выход — с входом запуска БВХ 2, первый вход ЗЛС 15 соединен с выходом

ГИП 14, второй вход — с IIppBblM выходом БУ 10, а выход — L 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 со— единен с входом синхронизации БУ lO, измерительные входы п-1 ПЗС 18, 19,... соединены с выходом БВХ 2, а выходы п ПЗС 12, 18, 19,... подключены к п входам 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 и-1 БФУИ 21, 22,, подключены к соответствующим входам переноса п-1 ПЗГ 18, 19,..., и выходов ГФ 23 подключены к соответ— ствующим входам и БФУИ 13,21,22,..., первый вход ГФ 23 подключен к выходу

ЭЛС l5 а второй вход ГФ 23 подключен к седьмому выходу БУ 10, п управляющих входов ЛЭ 24 подключены к п выходам ГФ 23, п выходов ЛЗ 24 подключены к и управляющим входам КАС 20, а 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 и ПЗС.

При этом каждый из и ПЗС работает с тактовой частотой, в и 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, превышает предельные значения рабочей частоты дисi8, и ее первый импульс соответствует времени, занимаемому третьей и четвертой выборками БВХ 2.

Аналогично первый импульс с и-го выхода ГФ 23 поступает на вход запуска и-го БФУИ 22, где формируются две последовательности импульсов. Первая из этих последовательностей импульсов снимаемая с первого выхода n-ro БФУИ

22, используется для инжекции, и ее первый импульс совпадает по времени с и-й выборкой БВХ 2. Вторая последовательность импульсов, снимаемая с второго выхода п-го БФУИ 22, используется для переноса зарядовых пакетов в и-A ПЗС 19, и ее первый импульс соответствует времени, занимаемому (и+1)-й и (и+2)-й выборками БВХ 2.

В результате заряды, пропорциональные величине "ступенек" на дискретизированном сигнале, полученных с помощью БВХ 2, по очереди заносятся в ячейки памяти и 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 l7, который вырабатывает сигнал блокировки, блокирующий (выключающий) СИП 16. В результате все ячейки аналоговой памяти и

ПЗС 12, 18, 19,... оказываются заполненными зарядами, пропорциональными значениям выборок вхоцного сигнала.

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

Через промежуток времени С, необходимый для установления переходных процессов в блоках схемы, осуществляющих запись сигнала в ПЗС 12, 18, 19,... ББ 17 выдает импульс для сийхронизации БУ 10. С приходом. этого импульса на вход синхронизации БУ 10 в последнем последовательно вырабатываются сигнал установки СА 7 и

CLrP 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

1409946 кретизации (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. 15

Как и в известном, в предлагаемом устройстве цикл измерения сигнала начинае1ся с приходом импульса на один из входов БС 6. При этом БС 6 вырабатывает импульс синхронизации, кото- 2 рый устанавливает СИП 16 в исходное положение и запускает ГИП 14. Импульсы с выхода ГИП 14, следующие с частотой f, поступают на вход запуска

БВХ 2, в результате чего входной ис- 25 следуемый сигнал, поступающий через входной блок 1 на измерительный вход

БВУ. 2, становится дискретизированным.

Одновременно импульсы с выхода ГИП

14 проходят через ЭЛС 15 и поступают на вход запуска ГФ 23, которыи распределяет импульсы запуска íà и БФУИ.

Первый импульс с первого выхода ГФ 23 поступает на вход запуска БФУИ 13, где формируются две последовательнос35 ти импульсов, следующих с частотой

f„/и. Одна из этих последовательностей импульсов, снимаемая с первого выхода БФУИ 13, используется для инжекции, и ее первый импульс совпадает по времени с первой выборкой БВХ

2, другая последовательность, снимаемая с второго выхода БФУИ 13, используется для переноса зарядовых паке" тов 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

2i, где также формируются две последовательности импульсов. Первая .из

50 этих последовательностей импульсов, снимаемая с первого выхода БФУИ 21, используется для инжекции, и ее первый импульс сбвпадает по времени с второй выборкой БВХ 2. Вторая после55 довательность импульсов. снимаемая с второго выхода БФУИ 21, используется для переноса зарядовых пакетов в ПЗС

1409946

1О

30

5 частотой f<, с первого выхода БУ 10 начинает через ЭЛС 15 поступать на вход ГФ 23, где формируется на п выходах последовательность и положите;льных импульсов, поочередно запускаю-! щих и БФУИ 13, 21, 22,..., где, в свою очередь, формируются следующие с частотой Й /n импульсы инжекции и импульсы переноса для 6 ПЗС 12, 18

19,... Под действием этих импульсов снова начинается движение зарядовых пакетов по ячейкам и ПЗС 12, 18, 19,... С приходом первого импульса переноса заряд из последней m-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 ш-ю ячейку (m - число ячеек в одном ПЗС) перетекает заряд из предыдущей {m-1)-й ячейки, который пос-тупает на вход усилителя ПЗС 12 с приходом следующего импульса переноса. Аналогичным образом происходит преобразование зарядов в ячейках и-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 ,ГИП 14 не работает, БВХ 2 не запус1 ,кается и напряжение на его выходе

iравно нулю.

Первый импульс первой последовательности с первого выхода ГФ 23 од.,новременно поступает и на ЛЭ 24. Пе( ред приходом эroro импульса ЛЭ 24 получает разрешение с БУ 10 на пропуск последовательности положительных импульсов с ГФ 23, которые, проидя через ЛЭ 24, управляют работой КАС 20. ..Так, первьп импульс первой последовательности с первого выхода ГФ 23, пройдя через ЛЭ 24, поступает на первый управляющий вход KAC 20, Под воздействием этого импульса КАС 20 подключает выход ПЗС 12 к АЦП 13, который оцифровывает.ш-ю ячейку ПЗС 12.

Импульс запуска с второго выхода ГФ

3, в свою очередь, поступает на ЛЭ 24 и через нее воздействует на второй управляющий вход КАС 20 ° Под воздействием этого импульса КАС 20 подключает выход ПЗС 18 к АЦП 3, который оцифровывает m þ ячейку ПЗС 18. Ана6 логичным образом оцифровываются m-e ячейки остальных и-2 ПЗС. Затем так же оцифровываются последовательно (m-1)-е ячейки всех и 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 аналоговых сигналов KAC 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 CA 7 станет равным заданному числу выборок (числу ячеек в ПЗС 12, 18, 19,...), т.е.

N = ш.п, СА 7 вырабатывает сигнал переполнения, которым он самоблокируется, и переводит ОЗУ 4 в режим хранения. Одновременно блокируются первый 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, который поступает на входы установки CA 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 который поступает на вход управления ОЗУ 4, в результате ОЗУ 4 переводится в режим переписи информации; в БУ 10 вырабатывается команда на прохождение тактовых импульсов считывания.

При этом тактовые импульсы считывания, следующие непрерывно с второго выхода ГТИ 11 с частотой Р и поступающие на второй вход запуска БУ !О, 1409946 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, который с пятого выхода БУ 10 поступает на вход управления РП 5 и в интервале между дву0 мя соседними тактовыми импульсами считыван ия 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 CA 7 опрашиваются все ячейки памяти ОЗУ 4 с з."песенными в них кодами выборок И,(c„) 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 >5 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 4 выборок N, СА 7 вырабатывает сигнал переполнения и цикл считывания заканчивается.

Считывание информации из ОЗУ 4 производится без ее стирания. Поэтому З5 оно может производиться многократно, что позволяет регистрировать однократные сигналы. Обновление информации в ОЗУ 4 возможно в следующем

40 цикле записи, начинающемся с приходом очередного импульса на БС 6 ° К введенным блокам, отличающим предлагаемое устройство от известного относятся КАС 20, ГФ 23 и ЛЗ 24.

КАС 20 представляет собой устрой- 45 ство с п входами для аналоговых сигналов, и управляющими входами и одним выходом. Аналоговый сигнал с одного иэ 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 БУ

10, а на вторые входы подаются.импу льсы с соответствующих выходов ГФ 23, Таким образом, в предлагаемом техническом решении одно иэ основных функциональных преобразований исследуемого сигнала — запись его в ПЗС с целью трансформации временного масштаба в область больших времен, осуществляется с частотой, в и 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 и раз меньшим быстродействием и, соответственно, работать с меньшей в и 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 ll раз уве- личи.:ь информационную емкость предлагаемого 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 изобретения

Цифровой осциллограф, содержащий входной блок, вход которого является измерительным входом цифрового осциллографа, блок выборки хранения, измерительный вход которого соединен с выходом входного блока, аналогоцифровой преобразователь, оперативнозапоминающее устройство, цифровой вход данных которого соединен с цифровым 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 цифровым 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

1409946

Корректор В.Рсманенко

Заказ 3475/41 Тираж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, цифровым входом адреса блока отображения, блок управления, первый выход которого соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй выход — с входом запуска счетчика адреса, третий выход — с входами установки счетчика и адреса счетчика цифровой развертки, четвертый выход — с входом управления оператив-;0 ного запоминающего устройства, пятый выход — с входом управления регистра памяти, шестой выход — с входом запуска счетчика цифровой развертки, генератор тактовых импульсов, первый выход которого соединен с первым входом запуска блока управления, а второй выход соединен с вторым входом запуска блока управления, прибор с зарядовой Связью, измерительный вход 2п которого соединен с выходом блока выборки и хранения, блок формирования управляющих импульсов, первый выход которого соединен с входом инжекции

;:прибора с зарядовой связью„ а второй 25 ( выход соединен с входом переноса при, бора с зарядовой связью, генератор импульсов преобразования, вход запуска которого соединен с выходом блока синхронизации, а выход соеди- ЗО нен с входом запуска блока выборки и хранения, элемент логического сложе ния, первый вход которого соединен с (1 выходом генератора импульсов преобразования, второй вход соединен с первым выходом блока управления, а вы-. ( ход соединен с входом запуска счет чика импульсов преобразования, вход установки которого соединен с выходом ( блока синхронизации, а вход запуска О соединен с выходом элемента логического .сложения, блок блокировки, вход которого соединен с выходом переполСоставитель Л.Сорокин

Редактор А.Огap ° Техред Л. Олийнык нения счетЧика импульсов преобразования, первый выход блока блокировки соединен с входом блокировки генератора импульсов преобразования, а второй выход соединен с входом синхронизации блока управления, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены и-1 приборов с зарядовой связью, коммутатор аналоговых сигналов, п-1 блоков формирования управляющих импульсов, генератор фаз и блок логических элементов, г управляющих входов которого подключены к и выходам генератора фаэ, п,выходов блока логических элементов к и управляющим входам коммутатора аналоговых сигналов, а вход управления блока логических элементов подключен к восьмому выходу блока управления, измерительные входы n-I приборов с зарядовой связью соединены с вь1ходом блока выборки и хранения, и входов коммутатора аналоговых сигналов соединены с входами всех приборов с зарядовой связью, а выход соединен с входом аналого †цифрового преобразователя, первые вьгходы п-1 блоков формирования управляющих импульсов соединены с соответствующими входами инжекции и- 1 приборов с зарядовой связью, вторые -выходы и-1 блоков формирования управляющих импульсов соединены с соответствующими входами переноса и-1 приборов с зарядовой связью, и выходов генератора фаз соединены с соответствующими входами и блоков формирования управляющих импульсов, первый вход генератора фаз соединен с выходом элемента логического сложения, а второй вход генератора фаз соединен с седьмым выходом блока управления.