Arash Ushani
EDN
Как профессиональный инженер я нередко переутомляюсь и испытываю стрессы. Когда я нуждаюсь в перерыве, я сажусь за стол и начинаю играть с волнами. Я наслаждаюсь созданием и созерцанием сигналов, имеющих самые различные формы и размеры. Это стало почти моей страстью, которая напоминает мне о магии волн в минуты напряжения.
Несмотря на невероятные эффекты компьютерных графических технологий, создание фигур Лиссажу и других изображений на экране осциллографа все еще захватывает нас. Они в деталях описаны на множестве онлайн страниц, где всегда можно найти несколько популярных картинок. Практически каждый инженер, работавший с осциллографом, в какой-то момент наблюдал эти фигуры. Технические журналы, в том числе и EDN, время от времени также публикуют материалы с описаниями способов рисования интересных фигур Лиссажу. Фигуры Лиссажу, по существу представляющие собой отображение взаимосвязей напряжений и частот двух сигналов, любили использовать создатели старых фантастических фильмов для представления «супертехнологий».
Для создания таких фигур вам потребуются два источника сигналов и двухканальный осциллограф с наличием режима «XY». В этой статье я использовал осциллограф Analog Arts SL987 с встроенным генератором сигналов произвольной формы, но вы можете использовать любой осциллограф и любой генератор. На Рисунке 1 показано, как должен быть соединен выход генератора сигналов с входом CH1 (или «X») осциллографа. Прежде всего, выход синхронизации генератора (SYNC) следует шунтировать на землю конденсатором 470 мкФ, чтобы уменьшить времена нарастания и спада. Затем через другой конденсатор 470 мкФ, блокирующий постоянную составляющую сигнала, подключают коаксиальным кабелем к входу CH2 (или «Y») осциллографа. В результате будет сформирована синхронизированная последовательность грубых треугольных импульсов, которая будет использоваться в качестве напряжения вертикальной развертки.
 |
|
| Рисунок 1. | Подключив два канала генератора сигналов, вы сможете увидеть фигуры Лиссажу. |
Конденсаторы на выходе SYNC генератора искажают прямоугольные импульсы. При частоте выходного сигнала порядка 20 Гц искаженный сигнал SYNC будет иметь псевдотреугольную форму с амплитудой 1.2 В пик-пик. На Рисунке 2 желтым цветом изображен сигнал «X», синим – «Y», а результирующая фигура Лиссажу имеет розовый цвет.
 |
|
| Рисунок 2. | Для того, чтобы рисовать фигуры Лиссажу, каналы осциллографа надо использовать как входы X и Y. |
Переключив генератор в режим сигналов произвольной формы, вы сможете создавать более изысканные и сложные фигуры. К примеру, генерация двух периодов синусоиды при объеме памяти 64 Кбайт и частоте выборки 1.3 МГц, позволяет нарисовать фигуру, показанную на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | А это более интересная фигура Лиссажу. |
Фигуры Лиссажу – это здорово, но что, если бы вам удалось нарисовать на осциллографе лицо, или какое-нибудь другое произвольное изображение? Сформировав соответствующие сигналы на входах «X» и «Y», вы можете создать любую картинку. Фактически, в точности так же работали старые телевизоры с электронно-лучевой трубкой. Чтобы создать изображение на экране осциллографа, для каждого значения псевдотреугольного сигнала на входе «Y» должен быть рассчитан сигнал «X», основанный на цифровом представлении изображения. Остается решить небольшую проблему: как сгенерировать сигнал, соответствующий желаемому изображению. В любой заданный момент времени вертикальная развертка определяет место, где сейчас будет рисоваться картинка. Для примера представим, что сигнал нашей вертикальной развертки изменяется в диапазоне от –1 В до +1 В. Когда он равен –1 В, сигнал на входе CH1 или «X» должен рисовать нижнюю часть изображения, а когда 0 В – центральную строку изображения. Поскольку вертикальная развертка синхронизирована с генератором сигналов произвольной формы, мы можем точно предсказать ее положение для каждой выборки сигнала генератора. Таким же образом мы можем сформировать собственный сигнал произвольной формы. Примерно так же создается изображение в некоторых форматах видео.
В какие-то моменты времени сигнал генератора одновременно должен иметь амплитуду и –1 В, и +1 В. Как же это сделать? Вы можете решить задачу быстрым переключением между различными требуемыми напряжениями. Уровень сигнала на короткое время может оставаться равным –1 В, а затем быстро и ненадолго перескакивать на +1 В, потом вновь на –1 В, и так далее, период за периодом. Однако, для того, чтобы такая схема работала, вы должны убедиться, что ваш генератор функций имеет малое время нарастания, а полоса осциллографа достаточно широка.
 |
|
| Рисунок 4. | Дельфины на осциллографе? Кто бы мог подумать? |
Вы можете взять любую черно-белую картинку (то есть, пиксельную карту, показывающую, где включать, а где выключать ваш сигнал). Я написал на Python простое приложение, преобразующее изображение в сигнал, который сохраняется в файле формата csv, и может быть загружен вами в функциональный генератор. Сам по себе сигнал генератора похож на тарабарщину. Но при наблюдении в режиме XY с вертикальной разверткой появляются исходные изображения. Как они выглядят, показано на Рисунках 4 и 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Что бы сказал Элвис, увидев себя на экране осциллографа? |
Обычно из картинок с четкими границами, таких, например, как в мультфильмах, получаются четкие изображения. Эффект «снега» в этих изображениях возникает из-за выходного фильтра генератора, ограничивающего полосу сигнала. В идеале, чтобы исключить эти эффекты, вам нужны бесконечные полосы пропускания, как генератора, так и осциллографа. Качество изображения можно повысить с помощью алгоритмов цифровой обработки сигналов. Но как бы то ни было, наблюдать картинки на экране осциллографа действительно очень приятно. Я призываю вас убедиться в этом самостоятельно. Однако, и я предупредил вас, это занятие, хоть и доставляет большое удовольствие, но может вызвать что-то типа наркотической зависимости.
Загрузки
Приложение, преобразующее изображение в сигнал формата csv
Демонстрационное видео
