Варианты, когда блок оцифровки вполне себе приемлен

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру Осциллографов и Анализаторов Спектра на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования

Можно ли использовать дигитайзер [кодирующее устройство, обеспечивающее ввод двумерного (в том числе и полутонового) или трехмерного (3D дигитайзеры) изображения в компьютер в виде растровой таблицы] в качестве осциллографа? В чем разница между осциллографом и дигитайзером? Что лучше использовать дигитайзер или осциллограф в конкретном приложении? Это интересные вопросы, и лучший способ начать отвечать на них — посмотреть определение осциллографа в словаре: «Электронный прибор, используемый для измерения изменяющихся электрических напряжений. Он отображает формы электрических колебаний на экране».

OWON xDS3202A: осциллограф с вертикальным разрешением 14bit, 2х200МГц, 40М точек – [характеристики оглушающие (прим. Автора)]

Дигитайзер вместе с соответствующим программным обеспечением может делать то же самое. Он получает форму волны электрического напряжения и отображает ее на экране. Самое большое отличие заключается в том, что осциллограф, как правило, является автономным прибором с автономным дисплеем. В то время как дигитайзер является системным компонентом, который получает и сохраняет форму волны электрического напряжения и, с помощью вспомогательного программного обеспечения, отображает эти данные на экране 2-ого устройства.

Таким образом, ответ таков: да, дигитайзер можно использовать как осциллограф. Но это поднимает два других вопроса:

1. Когда и зачем использовать дигитайзер вместо осциллографа?

2. Какие характеристики дигитайзера делают его кандидатом на замену осциллографа?

В каких случаях следует использовать дигитайзер вместо осциллографа?

Первый ответ на этот вопрос заключается в том, что дигитайзеры могут поддерживать большее количество входных каналов. Дигитайзеры предлагают до 16 каналов на одной карте, и обычно несколько карт могут быть связаны для создания систем с сотней каналов. Это важное преимущество по сравнению с осциллографами, которые обычно ограничены менее чем восемью каналами на прибор.

Рисунок 1: Цифровые преобразователи Spectrum обеспечивают до 16 каналов для одной платы цифрового преобразователя или модуля LXI и до 256 каналов при подключении до 16 плат/модулей.

Дигитайзеры также предлагают несколько каналов с меньшим форм-фактором. Сравните восьмиканальный дигитайзер с восьмиканальным осциллографом, и вы легко увидите разницу. Плата дигитайзера настолько мала, что ее можно подключить непосредственно в свободный слот PCIe в большинстве современных ПК. Дигитайзеры также предлагают значительное преимущество в том, что они имеют гораздо меньшее энергопотребление для того же количества каналов. Следующее соображение — вертикальное разрешение. Осциллографы предлагают максимум от 8 до 12 бит разрешения (иногда до 14 бит, но этот параметр сильно влияет на стоимость прибора), в то время как быстрые дигитайзеры предлагают от 8 до 16 бит разрешения. Имейте в виду, что разрешение зависит от полосы пропускания, поэтому вы должны сравнивать приборы с одинаковой полосой пропускания. 

Если вам нужно переместить данные с высокой пропускной способностью на ПК для обработки, то дигитайзер — лучший выбор. Дигитайзеры Spectrum M4i могут передавать данные со скоростью до 3,4 ГБ/с по шине PCIe, в то время как автономные осциллографы обычно используют гораздо более медленные интерфейсы, такие как USB или LAN. Это делает данные с дигитайзера доступными на порядок быстрее, чем с осциллографа. Поэтому дигитайзер, безусловно, является инструментом выбора, когда требуется индивидуальная обработка сигналов и анализ данных.

Другая проблема заключается в том, что вам нужно проводить измерения удаленно. Сетевые дигитайзеры, такие как Spectrum digitizerNETBOX, предлагают управление LXI и передачу данных, так что дигитайзер может находиться на большом расстоянии от места измерения. Это идеально, если вам нужно просматривать данные и управлять прибором из безопасной диспетчерской, из вашего офиса или даже из другого места в локальной сети вашей компании.

Дигитайзер — это системный компонент, который можно расширять. Легко увеличить количество каналов и конфигурацию системы дигитайзера. Замените или добавьте карты, и вы сможете изменить доступную полосу пропускания, частоту дискретизации и длину записи. В отличие от этого, осциллограф — это прибор с относительно фиксированной конфигурацией.

Сравнение преимуществ дигитайзера и осциллографа:

Какие характеристики дигитайзера делают его кандидатом на замену осциллографа?

Существуют сотни моделей и конфигураций дигитайзеров, из которых можно выбирать. После того, как вы разобрались с основными вопросами о количестве каналов и полосе пропускания, вам придется учесть еще несколько вещей при выборе дигитайзера для замены осциллографа.

Во-первых, обратите внимание на частоту дискретизации. Она фиксированная или предлагает выбор частот дискретизации? Осциллографы предлагают выбираемые частоты дискретизации, чтобы вы могли просматривать сигналы разной частоты. Дигитайзер, заменяющий осциллограф, также должен это делать. В общем, частота дискретизации должна быть в четыре-пять раз больше полосы пропускания для точной оцифровки сигналов с быстрыми фронтами. Некоторые дигитайзеры предлагают временную развертку на основе фазовой автоподстройки частоты (PLL), которая программируется. Кроме того, вы даже можете использовать внешнюю синхронизацию   или внешние опорные часы, если хотите управлять или синхронизировать частоту дискретизации с другим источником.

Память сбора данных определяет самую длинную запись времени, которую вы можете получить, не снижая частоту дискретизации. Дигитайзеры Spectrum M4i, например, предлагают до 4 Г/выборок памяти в стандартной комплектации, что примерно в четыре раза больше максимального объема памяти осциллографа высокого класса. На практике это означает, что дигитайзер может записывать более длинные формы сигналов без необходимости снижать частоту дискретизации (и, следовательно, терять ценное временное разрешение).

Дигитайзеры, используемые в качестве осциллографа, также должны иметь гибкую конфигурацию входного интерфейса. Серия 14- и 16-битных дигитайзеров M4i.44xx компании Spectrum предлагает входы 50 Ом и 1 МОм в своем буферизованном входе и высокочастотный входной тракт 50 Ом с очень высокой целостностью сигнала. Оба входных тракта предлагают несколько входных диапазонов, как и осциллограф.

Осциллографы предлагают режимы реального времени и сегментированного сбора данных. Последовательный режим позволяет сегментировать память сбора данных, а для приложений, где необходимо собирать несколько событий, он может сократить мертвое время сбора данных (время повторного включения между каждым событием). 

Дигитайзеры обычно предлагают несколько различных режимов сбора данных. Некоторые дигитайзеры обеспечивают режим кольцевого буфера (аналогично сбору данных в реальном времени осциллографа), режим FIFO или потоковой передачи, многократную запись (сегментированный режим), стробированную выборку и многовременную развертку (режим ABA), который сочетает медленную непрерывную запись с быстрым сбором данных по событиям запуска. Эти многократные режимы сбора данных характеризуются быстрым временем повторной активации. В случае 8-битного дигитайзера Spectrum M4i.22xx оно составляет всего 80 периодов выборки (т. е. 16 нс при 5 Гвыб/с). Это значительно короче, чем время повторной активации 1 мкс большинства осциллографов. Эти различные режимы сбора данных позволяют пользователю настраивать дигитайзер для наилучшего использования памяти сбора данных для различных приложений. Триггер синхронизирует сбор данных с внешними событиями. Эффективное использование дигитайзера требует большой гибкости в запуске устройства. Простые запуски по фронту, основанные на наклоне и уровне сигнала, являются довольно стандартными для большинства дигитайзеров. Многие также предлагают запуск окна. Источники триггера включают каналы сбора данных и несколько внешних входов триггера. Для максимальной гибкости триггера эти входы вместе с возможностью повторного включения могут быть логически объединены для создания расширенных состояний триггера.

Одним из ключевых преимуществ дигитайзеров является возможность быстрой потоковой передачи данных на компьютер для дальнейшего анализа и архивирования.

Дигитайзеры Spectrum в режиме FIFO (потоковый режим) предназначены для непрерывной передачи данных между буферной памятью дигитайзера и памятью ПК. При использовании интерфейса PCI Express x8 Gen 2 скорость потоковой передачи составляет до 3,4 ГБ/с. Осциллографы, в основном использующие интерфейсы LXI или USB, значительно медленнее в своей способности перемещать данные на компьютер. Сочетание потоковой возможности дигитайзера с быстрой системой хранения данных (например, дисководом на основе RAID) делает дигитайзер идеальным для приложений, где необходимо хранить длинные бесшовные формы сигналов. Системы можно легко настроить для обеспечения часов или даже дней непрерывной записи.

Программное обеспечение для сбора, просмотра, измерения и анализа данных с модульных дигитайзеров

Дигитайзеры являются «слепыми» приборами и обычно не имеют встроенного дисплея для просмотра, измерения или анализа собираемых ими данных. Вместо этого эти функции обычно выполняются ПК. 

Spectrum поставляет полнофункциональную программу под названием SBench 6. Программа обеспечивает возможность управления дигитайзером и просмотра полученных форм сигналов. Она может выполнять как простые, так и сложные измерения и предлагает несколько инструментов анализа. SBench 6 поддерживает все семейства дигитайзеров Spectrum, включая digitizerNETBOX, и является мощным приложением для проверки работы дигитайзера прямо из коробки. Она также позволяет пользователю подтверждать работу дигитайзера во время разработки собственного программного обеспечения, а также служит автономной станцией для просмотра и анализа данных. SBench 6 обеспечивает функции отображения, управления, измерения и анализа, позволяя работать с дигитайзером так же, как с осциллографом.

Рисунок 2: Программное обеспечение для дигитайзера обеспечивает возможности отображения и анализа, как у осциллографа.

На рисунке 2 получены два канала данных, которые показаны в нижней правой сетке. Горизонтальное расширение этой трассы показано в нижней центральной сетке. Верхняя левая сетка содержит график X-Y этих двух сигналов. Нижняя левая сетка содержит цифровое отображение четырнадцати бит, составляющих сигнал на канале 1. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) сигнала из канала 1 показано на верхнем правом дисплее, а верхний центральный дисплей содержит гистограмму того же сигнала. Как можно заметить, объединение дигитайзера с SBench 6 обеспечивает все возможности отображения и анализа осциллографа.

SBench 6 также предоставляет курсоры (два для каждой сетки отображения) и параметры измерения. Курсоры отображаются на дисплее БПФ, где измеряются амплитуда и частота спектральных линий на 5 и 15 МГц. Показания курсора отображаются на панели информации слева от рисунка, связанного с дисплеем БПФ.

Три из 21 параметра измерения также отображаются на панели информации, связанной с каналом AI-Ch0. Это амплитуда от пика до пика, эффективная (среднеквадратическая) амплитуда и частота. Инструменты анализа в SBench 6 включают усреднение, арифметику формы сигнала, быстрое преобразование Фурье, гистограмму, фильтрацию и преобразование между аналоговыми и цифровыми доменами.

Практическое измерение с использованием дигитайзера вместо осциллографа

Рисунок 3: Измерение мощности тремя ваттметрами с использованием дигитайзера.

На рисунке 3 показаны фазные напряжения (Va, Vb и Bc), фазные токи (Ia, Ib и Ic) и рассеиваемая мощность фазы (Pa, Pb и Pc) для нагрузки, подключенной по схеме «звезда» (где у нас есть доступ как к фазному, так и к линейному напряжению).

Умножьте каждое фазное напряжение на соответствующий ему фазный ток, и результатом будет мгновенная мощность в каждой фазе. Среднее значение мгновенной мощности — это активная составляющая мощности. Сумма всех трех показаний фазной мощности — это общая активная мощность нагрузки.

Это измерение называется измерением мощности с помощью трех ваттметров. Для того чтобы выполнить это измерение с использованием внешних дифференциальных зондов для измерения напряжений, потребуется шесть каналов. Если используются односторонние зонды, то количество каналов увеличивается до девяти. Гибкость, позволяющая указать до 16 каналов на одной плате дигитайзера, является основным преимуществом этого типа измерения. Фазные напряжения показаны в верхнем ряду рисунка 2. Фазные токи отображаются в центральном ряду. Каждая из форм волны умножается вместе с использованием аналоговых вычислений. Результирующая фазная мощность отображается в нижней строке. Сумма всех трех фазных форм волны мощности, снова аналоговое суммирование, отображается в крайней левой сетке с надписью «Общая мощность». Обратите внимание, что общая мощность относительно постоянна. Параметры, показанные на панели информации слева, считывают средние значения отдельных фазных форм волны мощности вместе с общей мощностью. Сумма средних значений трех фазных измерений мощности равна средней общей мощности. 

Измеренный результат для общей мощности составляет 850,9 Вт.

Выводы

Эти примеры показывают мощь объединения дигитайзера с мощным программным обеспечением для проведения измерений, как на осциллографе. Возможно, ваша следующая покупка «осциллографа» на самом деле окажется покупкой дигитайзера? Смотрите сами.