Цифровой осциллограф

)4 С 01 Р, 13/О СУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕ делАм изОБРетений и О ССРЫТИЙ САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ(57) Изобретение предназначено длярегистрации, исследования параметроврадиотехнических сигналов и одиночных импульсов. Цель изобретения - повышение быстродействия устройствапри одновременном снижении требований к быстродействию ено основныхфункциональных узлов. Осциллограф содержит входной блок 1, блок 2 выборки и хранения, аналого-пифровой преобразователь 3, оперативно-заломи щее устроиство 4, регистр памятиблок 6 синхронизации, блок 8 отображения, блок 10 управления, счетчикадреса 7, генератор 11 тактовых импульсов, блок 13 формирования управляющих импульсов, блок 17 блокировки,генератор 14 импульсов преобразованияэлемент 15 логического сложения иприбор 12 с зарядовой связью (ПЗС).В устройство введены иПЗС 18 и 19,коммутатор 20 аналоговых сигналов,иблоков 21 и 22 формирования управляющих импульсов, генератор 23фаз и логический элемент 24. Записьисследуемого сигнала в ПЗС 18, 19 сзарядовой связью осуществляется с частотои, в и раз меньшей частоты дискретизации сигнала. Использование пПЗС вместо одного позволяет в иразувеличить информационную емкость уст-ройства, 1 ил.Изобретение относится к радиоизерительной технике и предназначеноля регистрации, исследования и измеэения параметров радиотехническихсигналов разнообразных классов форм,том числе неповторяюшихся и адиночых импупьсов, в различных областяхауки и техники, использующих радиоехнические средства и методы измереий,Цель изобретения - повышение быстодействия цифрового осциллографа придновременном снижении требований кыстродействию его основных фулкциоальных узлов.На чертеже приведена структурнаяхема цифрового осциллографа,На схеме обозначены входной блок1, блок 2 выборки и хранения (БВХ), 20аналого-цифровой преобразователь (АЦП)3, оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 4, регистр 5 памяти (РП),блок 6 синхронизации (БС), счетчик 7адреса (СА), блок 8 отображения (БО), 25счетчик 9 цифровой развертки (СЦР),блок 10 управления (БУ), генератор 11;тактовых импульсов (ГТИ), прибор 12с зарядоцой связью (ПЗС), блок 13 формирования управляющих импульсов (БФУИ)30генератор 14 иипульсов преобразования(ГИП), элемент 15 логического сложения (ЗЛС), счетчик 16 импульсов преобразования (СИП), блок 17 блокировки (ББ), ПЗС 18 и 19, коммутатор аналоговых сигналов (КАС) 20, БФУИ 2 1и 22, генератор 23 фаз (Гф) и логи,ческий элемент (ЛЭ) 24,При этом вход входного блока 1 является измерительным входом цифрового 0осциллографа, измерительный вход БВХ2 соединен с выходом блока 1, цифровой вход данных ОЗУ 4 соединен с цифсровым выходом АЦП 3, цифровой входРП 5 соединен с цифровым выходом ОЗУ4, первый вход БС 6 является входомсинхронизации цифрового осциллографа,а второй вход соединен с выходомвходного блока 1, цифровой выход СА 7соединен с цифровым входом адресаОЗУ 4, цифровой вход данных БО 8 соединен с цифровым выходом РП 5, цифровой выход СЦР 9 соединен с цифровымвходом адреса БО 8, первый выход БУ 10соединен с входом запуска А 1 П 3, вто 55рой выход - с входом запуска СА 7,третий выход - с входами установки СА7 и СЦР 9, четвертый выход - с входомуправления 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 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 пПЗС 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 БФУИ 21, 22, подключены к соответствующим входам инжекции пПЗС 18, 19.вторые выходы иБФУИ 21, 22, , подключены к соответствующим входам переноса пПЗ 1". 18, 19 и выходов ГФ 23 подключены к соответствующим входам и БФУИ 13,2 1,22 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 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 дис18, и ее первый импульс соответствует времени, занимаемому третьей ичетвертой выборками БВХ 2,Аналогично первый импульс с и-говыхода ГФ 23 поступает на вход запуска и-го БФУИ 22, где формируются двепоследовательности импульсов. Перваяиз этих последовательностей импульсовснимаемая с первого выхода и-го БФУИ22, используется для инжекции, и еепервый импульс совпадает по временис и-й выборкой БВХ 2. Вторая последовательность импульсов, снимаемая свторого выхода п-го БФУИ 22, исполь"зуется для переноса зарядовых пакетовв и-й 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 вячейки памяти и ПЗС 12, 18, 19,При этом СИП 16, вход запуска которого подсоединен к выходу ЭЛС 15,считает импульсы, идущие на запускГФ 23. Как только их число станет равным числу ячеек МОП-конденсаторов ви ПЗС 12, 18, 19 счетчик СИП 16вырабатывает сигнал переполнения, воздействующий на ББ 17, который вырабатывает сигнал блокировки, блокирующий (выключающий) СИП 16, В результате все ячейки аналоговой памяти иПЗС 12, 18, 19, оказываются заполненными зарядами, пропорциональнымизначениям выборок вхоцного сигнала.После блокировки ГИП 14 процессрегистрации входного сигнала Пс(Т)предлагаемым устройством производится следующим образом.Через промежуток времени с, необходимый для установления переходныхпроцессов в блоках схемы, осуществляющих запись сигнала в ПЗС 12, 18,19 ББ 17 выдает импульс для сийхронизации БУ 10. С приходом. этогоимпульса на вход синхронизации БУ 1 О,в последнем последовательно вырабатываются сигнал установкиСА 7 иСЫР 9 в исходное состояние; командана прохождение тактовых импульсов записи с ГТИ 11 на первый и второй выходы БУ 10; сигнал установки ГФ 23 висходное состояние; сигнал разрешения на ЛЭ 24,После" этого последовательность тактовых импульсов записи, следующих с 1409946кретизации (ограниченные устройствомформирования управляющих импульсовдля ПЗС), характерные для известногоустройства,5Кроме того, при достаточно большомп значительно снижаются требованияк быстродействию и выходной мощностиустройств формирования управляющихимпульсов, что существенно упрощаетэти устройства и обеспечивает возможность их конструктивного исполнения ввиде гибридных интегральных схем,Устройство работает следующим образом, 15Как и в известном, в предлагаемомустройстве цикл измерения сигнала начинае 1 ся с приходом импульса на одиниз входов БС 6. При этом БС 6 вырабатывает импульс синхронизации, который устанавливает СИП 16 в исходноеположение и запускает ГИП 14, Импульсы с выхода ГИП 14, следующие с частотой Г 1, поступают на вход запускаБВХ 2, в результате чего входной исследуемый сигнал, поступающий черезвходной блок 1 на измерительный входБВУ. 2, становится дискретизированным.Одновременно импульсы с выхода ГИП14 проходят через ЭЛС 15 и поступаютна вход запуска Гф 23, которыи распределяет импульсы запуска на и БФУИ.Первый импульс с первого выхода ГФ 23 1поступает на вход запуска БФУИ 13,где формируются две последовательнос 35ти импульсов, следующих с частотойГ 1/и. Одна из этих последовательностей импульсов, снимаемая с первоговыхода БФУИ 13, используется для инжекции, и ее первый импульс совпадает по времени с первой выборкой БВХ2, 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 выходаГФ 23 поступает на вход запуска БФУИ21, где также Формируются две последовательности импульсов. Первая .из50этих последовательностей импульсов,снимаемая с первого выхода БФУИ 21,используется для инжекции, и ее первый импульс совпадает по времени свторой выборкой БВХ 2. Вторая после 55довательность импульсов. снимаемая свторого выхода БФУИ 21, используетсядля переноса зарядовых пакетов в ПЗС1409946 С1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 частотой Е, с первого выхода БУ 10начинает через ЭЛС 15 поступать навход ГФ 23, где формируется на и выходах последовательность и положите;льных импульсов, поочередно запускающих и БФУИ 13, 21, 22.где, всвою очередь, формируются следующиес частотой Й /и импульсы инжекции иимпульсы переноса для 6 ПЗС 12, 18,19, Под действием этих импульсовснова начинается движение зарядовыхпакетов по ячейкам и ПЗС 12, 18,19, С приходом первого импульсапереноса заряд из последней ш-й ячейки ПЗС 12 заряжает входную емкостьвыходного усилителя ПЗС 12, обладающего большим входным сопротивлениемВ результате напряжение на выходеПЗС 12 становится пропорциональнымэтому заряду. При этом в освободившуюся ш-ю ячейку (ш - число ячеек водном ПЗС) перетекает заряд из пре"дыдущей (ш)-й ячейки, который пос.тупает на вход усилителя ПЗС 12 сприходом следующего импульса переноса. Аналогичным образом происходитпреобразование зарядов в ячейках и ПЗС в пропорциональное им выходноенапряжение. При выводе информации изПЗС 12, 18, 19, записи новой информации не происходит, несмотря наналичие импульсов инжекции на входахинжекции ПЗС 12, 18, 19 так какГИП 14 не работает, БВХ 2 не запус 1,кается и напряжение на его выходеравно нулю,Первый импульс первой последовательности с первого выхода Гф 23 од.:новременно поступает и на ЛЭ 24, Перед приходом э 1 ого импульса ЛЭ 24 получает разрешение с БУ 10 на пропускпоследовательности положительных импульсов с ГФ 23, которые, пройдя 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 КАС 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 ГФ3, в свою очередь, поступает на ЛЭ 24и через нее воздействует на второйуправляющий вход КАС 20Под воздействием этого импульса КАС 20 подключает выход ПЗС 18 к АЦП 3, которыйоцифровывает ш-ю ячейку ПЗС 18. Ана 6логичным образом оцифровываются в-еячейки остальных и11 ЗС, Затем также оцифровываются последовательно(ш)-е ячейки всех и ПЗС 12. 18, 19, , и т.д, до тех пор, пока не произойдет оцифровка всех зарядовых пакетов всех и ПЗС 12, 18, 19,Тактовые импульсы записи запускают АЦП 3, который осуществляет квантование по уровню соответствующихзначений дискретизированного сигнала,поступающего последовательно с выходовПЗС 12, 18, 19, через коммутатор 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 М в СА 7 станет равным заданному числу выборок (числу ячеек в ПЗС 12, 18, 19,), т.е,И = ш.и, 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 наЭЛС 15 и СА 7, Цикл аналого-цифровогопреобразования сигналов и запись егов 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 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 РПкоторый поступает на вход управления ОЗУ 4, в результате ОЗУ 4 переводится в режим переписи информации; в БУ 10 вырабатывается команда на прохождение тактовых импульсов считы-, вания.При этом тактовые импульсы считывания, следующие непрерывно с второго выхода ГТИ 11 с частотой Е и поступающие на второй вход запуска БУ 1 О, 1409946начинают 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 дву 0 мя 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 з."песенными в них кодами выборок Ц (т) 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 25 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 М, СА 7 вырабатывает сигнал переполнения и цикл считывания заканчивается.Считывание информации из ОЗУ 4 производится без ее стирания. Поэтому З 5 оно может производиться многократно, что позволяет регистрировать однократные сигналы. Обновление информации в ОЗУ 4 возможно в следующем40 цикле записи, начинающемся с приходом очередного импульса на БС 6К введенным блокам, отличающим предлагаемое устройство от известного относятся КАС 20, Гф 23 и ЛЗ 24.КАС 20 представляет собой устрой ство с и 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 поступаетразрешающее напряжение.ЛЭ 24 выполнено в виде логических элементов 2 И-НЕ,первые входы которых обьединены 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 основныхфункциональных преобразований исследуемого сигнала - запись его в ПЗСс целью трансформации временного масштаба в область больших времен,осуществляется с частотой, в и разменьшей 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 И ПЗСвместо одного позволяет в и раз уве-личигь 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 изобрел енияЦифровой осциллограф, содержащий входной блок, вход которого является измерительным входом цифрового осциллографа, блок выборки хранения, измерительный вход которого соединен с выходом входного блока, аналогоцифровой преобразователь, оперативно- запоминающее 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 с140994 б Корректор В.Рсманенко Заказ 3475/41 Тираж 772 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-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 ного запоминающего устройства, пятый выход - с входом управления регистрапамяти, щестой выход - с входом запуска счетчика цифровой развертки, генератор тактовых импульсов, первый 15 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 2 О 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 25выход соединен с входом переноса при, бора с зарядовой связью, генераторимпульсов 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 свыходом 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 соединен с выходом элемента логического сложения, блок блокировки, вход которого соединен с выходом переполСоставитель Л.СорокинРедактор А,ОгарТехред Л.Олийнык нения счетЧика импульсов преобразования, первый выход блока блокировкисоединен с входом блокировки генератора импульсов преобразования, а второй выход соединен с входом синхронизации блока управления, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения быстродействия, в него введены иприборов с зарядовой связью,коммутатор аналоговых сигналов, п блоков формирования управляющих импульсов, генератор фаз и блок логических элементов, и управляющих входов которого подключены к и выходамгенератора фаэ, п,выходов блока логических элементов к и управляющим входам коммутатора аналоговых сигналов,а вход управления блока логическихэлементов подключен к восьмому выходу блока управления, измерительныевходы иприборов с зарядовой связьюсоединены с вь 1 ходом блока выборки ихранения, и входов коммутатора аналоговых сигналов соединены с входамивсех приборов с зарядовой связью, авыход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, первые выходы иблоков формирования управляющих импульсов соединены с соответствующими входами инжекции и приборовс зарядовой связью, вторые выходы и блоков формирования управляющих импульсов соединены с соответствующимивходами переноса иприборов с зарядовой связью, и выходов генераторафаз соединены с соответствующими входами и блоков формирования управляющих импульсов, первый вход генераторафаз соединен с выходом элемента логического сложения, а второй вход генератора фаз соединен с седьмым выходом блока управления.