Осциллограф характеристика: Основные характеристики современных осциллографов

Основные рабочие характеристики осциллографов – Осциллографы

Основными параметрами, которые определяют возможности и степень функциональности цифровых осциллографов, являются рабочие характеристики, понимание которых позволяет потенциальным пользователям при выборе прибора оценить и сравнить между собой разные модели из широкого ассортимента, предлагаемого современными разработчиками.

Полоса пропускания -максимальная частота пропускания прибора и равна частоте, на которой амплитуда сигнала уменьшается до 70,7% значения или на 3дБ (логарифмическая зависимость). Но для цифровых осциллографов следует различать понятия полосы пропускания для повторяющихся сигналов и полосы пропускания для однократных сигналов. Первая из них не зависит от такой характеристики как частота дискретизации, и имеет достаточно высокое значение по той причине, что осциллограф воспроизводит повторяющийся сигнал за несколько запусков. Что касается работы с однократными или с непериодическими сигналами, то в этом случае полоса пропускания зависит от частоты дискретизации, так как осциллографу необходимо захватить и оцифровать полученный сигнал за один такт.

При выборе цифрового осциллографа существует правило, что полоса пропускания должна минимум в три раза превышать значения основных частот исследуемых сигналов и чем больше соотношение (может достигать 10:1), тем точнее результат выдает осциллограф.

Также следует отметить еще одну характеристику, которая определяет требования пользователя к полосе частот, время нарастания фронта импульса. Ведь очень часто исследуемые сигналы содержат множество гармоник на частотах, отличающихся от фундаментальных значений частот тестируемого сигнала, и, например, если пользователь рассматривает прямоугольный сигнал, то на самом деле он содержит частоты, по меньшей мере, в 10 раз превышающие базовую частоту исследуемого сигнала. И если значение полосы частот осциллографа будет неудовлетворительным, то при тестировании сигналов на экране вместо чётких и ясных краёв, характеризующих высокую скорость нарастания фронта импульса, будут отображаться закруглённые углы.

Частота дискретизации – равна скорости, с которой осциллограф может оцифровывать входной сигнал. Эта характеристика, как уже отмечалось выше, при более высоких значениях отвечает за более высокие значения полосы пропускания однократных сигналов и, соответственно, дает лучшее разрешение. Следует также отметить, что указанное в инструкции значение частоты дискретизации касается только одного канала, а при работе с несколькими каналами одновременно значение этой характеристики уменьшается и приводит к появлению искаженных сигналов. Еще одним важным замечанием для пользователей служит то, что большинство осциллографов работают на максимальной частоте дискретизации только на самых быстрых скоростях развертки, а на медленных скоростях развертки частота дискретизации автоматически уменьшается.

Объем памяти – характеристика цифрового осциллографа, которая связана со значением частоты дискретизации, а также зависит от требуемого времени непрерывного анализа. Приборы с большим объемом памяти позволяют просматривать захваченные сигналы длительные периоды времени с большим разрешением между точками. Для каждого конкретного случая, принимая во внимание значения временного интервала (ВИ) и частоты дискретизации (ЧД), можно рассчитать величину объема памяти (ОП) следующим образом:

ОП=ЧД×ВИ

Поскольку глубина памяти осциллографов ограничена, то, соответственно, возникает необходимость в ограничении частоты выборки, по той причине, что чем глубже память осциллографа, тем больше времени выделяется на захват точек данных при максимальном значении частоты дискретизации.

Из описанного выше можно сделать два простых вывода:

1. Для сохранения максимальной частоты дискретизации при увеличении значений коэффициента развертки необходимо увеличивать размер внутренней памяти;
2. При уменьшении длинны внутренней памяти и постоянном коэффициенте развертки, частота дискретизации неизбежно уменьшается.

Количество каналов – характеристика цифровых осциллографов, которая обеспечивает пользователю возможность одновременного исследования двух или больше сигналов. Следует отметить, что на сегодняшний день наибольшим спросом пользуются двух канальные осциллографы. Существуют также осциллографы, включающие в себя как основные, так и дополнительные каналы (см. Рис.1-2.). В этом случае в осциллографе имеются аналогово-цифровые преобразователи для основных каналов, а дополнительные каналы используются для работы с цифровыми сигналами.

Рис.1. Определение времени задержки между двумя сигналами схемы двухканальными осциллографами RIGOL серии DS1000.	Рис.2. Вывод на экран и перемещение осциллограмм цифровых каналов осциллографами RIGOL серии DS1000 для смешанных типов сигналов.

Режимы синхронизации – запуск осциллографа по фронту (перепаду) используется большинством пользователей и есть достаточным для решения общих задач. Но при постановке более сложных проблем (исследование сигналов сложных форм) возникает потребность в использовании дополнительных возможностей по запуску. Современные модели осциллографов предлагают дополнительные функции запусков, например, по логическому состоянию, по импульсной помехе, по телевизионному или видеосигналу и т.д.

В таблице 1 представлены семь возможных режимов запуска для осциллографов RIGOL серии DS1000: по фронту, длительности импульса, по скорости нарастания, по видеосигналу, чередующийся, по заданному шаблону логического состояния, а также его продолжительности (осциллографы для смешанных типов сигналов).

Таблица 1.

Edge	запуск по фронту происходит, когда входной сигнал пересекает выбранный уровень напряжения в выбранном направлении (нарастание, спад или произвольным фронтом).
Pulse	запуск по длительности импульса используется, чтобы поймать импульсы определенной длительности.
Video	запуск по видеосигналу для запуска по полям или строкам от синхроимпульса стандартных видеосигналов.
Slope	запуск по скорости нарастания при выполнении заданных условий по длительности и уровню для нарастающего (спадающего) перепада сигнала.
Alternate	поочередный запуск от каналов Ch2 и СН2 для одновременного наблюдения двух несинхронизированных сигналов.
Pattern	запуск по определенному шаблону логического сигнала.
Duration	запуск по совпадению с определенным шаблоном логического сигнала в течение заданного времени.

Режимы курсорных измерений — позволяют производить амплитудные или временные измерения путем установки вертикальных или горизонтальных курсоров в нужные точки осциллограммы. Например, при амплитудных измерениях можно определить значение размаха или разности напряжений, а при временных измерениях — разность значений по оси времени.

На Рис.3 показано пример курсорных измерений резонансной частоты сигнала при помощи осциллографов RIGOL серии DS1000 при использовании запуска по нарастающему фронту.

Рис.3. Курсорные измерения резонансной частоты сигнала осциллографами RIGOL серии DS1000.

Основные параметры современного осциллографа

Основные параметры современного осциллографа

Осциллограф представляет собой электроннолучевой прибор, предназначенный для наблюдения функциональной связи между несколькими (двумя или более) величинами. Речь может идти о параметрах и функциях; преобразованными в электрические или же электрическими.

Сигналы функции и параметра подают на перпендикулярные отклоняющие пластины специальной осциллографической электроннолучевой трубки. Проводится наблюдение, измерение. Обязательно фотографируют графическое изображение именно зависимости на экране трубки. Данное изображение называется осциллограммой. Как правило, осциллограмма изображает формы электрического сигнала непосредственно во времени. По осциллограмме определяется полярность, амплитуда и длительность сигнала.

Следует отметить, что каждый сигнал, который снимается при помощи такого аппарата, как осциллограф, может быть описан следующими основными параметрами:

– Амплитуда. Речь идет о разности минимального и максимального напряжений сигнала в пределах одного периода.
– Период. Имеется в виду длительность одного цикла измеряемого сигнала.
– Ширина. Длительность импульса (мс, мкс).

– Частота – количество исследуемых циклов в секунду (Гц).
– Скважность – параметр, которые определяется соотношением периода повторения непосредственно к ширине.
– Форма сигнала. Имеется в виду последовательность прямоугольных импульсов, пилообразные импульсы, синусоида, единичные выбросы и т.п.

В целом можно подчеркнуть, что характеристики неисправного устройства всегда значительно отличаются от эталонных. Это и позволяет оператору быстро и легко визуально выявлять отказавший компонент.

Сигналы постоянного тока – исследуется только напряжение сигнала.
Сигналы переменного тока – исследуются частота, амплитуда и форма сигнала.
Частотно-модулированные сигналы – помимо амплитуды, частоты, формы сигнала еще анализируется ширина периодических импульсов.

Сигналы, которые модулируются по ширине импульса, – исследуются частота, амплитуда, форма сигнала, а также скважность периодических импульсов.

В целом форма сигнала, что выдает осциллограф, зависит от многих факторов, а поэтому в значительной мере она может изменяться.

 

Современные осциллографы, их назначение и виды

Как выбрать цифровой осциллограф в 2021 г. [Руководство]

Для тех, кто занимается разработкой, изготовлением или ремонтом электронного оборудования, основным рабочим прибором всегда был, есть и будет (мы очень на это надеемся 🙂 ) цифровой осциллограф.

Данное руководство посвящено ответу на вопрос: «как выбрать цифровой осциллограф?».

Оглавление:

1. Критерии выбора цифрового осциллографа
   1. Полоса пропускания
   2. Время нарастания
   3. Согласованные пробники
   4. Количество каналов
   5. Частота дискретизации
   6. Система запуска
   7. Длина записи
   8. Навигация и анализ
   9. Поддержка приложений
   10. Простое управление
   11. Интерфейсы подключения
   12. Самое главное требования при выборе осциллографа
   13. Примеры цифровых осциллографов
   14. Задать вопрос / оставить комментарий

Прежде чем понять, как правильно выбрать цифровой осциллограф, стоит понимать, что он из себя представляет и зачем он Вам нужен.

Цифровой запоминающий осциллограф:

• Захватывает, сохраняет и отображает сигналы
• Отображает высокоскоростные периодические или непериодические сигналы, поступающие на входной канал
• Измеряет частоту сигнала, искажения, вносимые неисправным компонентом, уровень шумов, изменение шума во времени и множество других параметров

Осциллограф какой бы марки вы не выбрали ( Tektronix, Rohde & Schwarz, Keysight) должен не только соответствовать характеру вашей работы, но и:

• Точно регистрировать сигналы
• Обладать функциями, расширяющими ваши возможности и позволяющими сэкономить время
• Иметь гарантированные технические характеристики, подтвержденные документально

Точность.  Вы должны точно знать, какие сигналы собираетесь исследовать: звуковые сигналы и аналоговые сигналы датчиков или импульсы и ступеньки (цифровые сигналы). Если вы работаете с цифровыми сигналами, то будете ли вы измерять длительность перепадов, или вас интересуют лишь примерные временные соотношения? Будете ли вы использовать осциллограф для измерения характеристик разрабатываемой схемы, или в основном он нужен вам для отладки? В любом случае изначально точный захват сигнала важнее любой последующей обработки – ваши решения должны опираться на точную исходную информацию, которую затем вы всегда сможете обработать на ПК.

Возможности.  Следует учитывать не только те схемы, которые вы разрабатываете сегодня, но и те, что будете создавать завтра. Высококачественный осциллограф с широкими возможностями верно прослужит вам долгие годы.

Гарантированные характеристики цифровых осциллографов.  Убедитесь, что все характеристики, связанные с необходимыми видами измерений, отмечены в техническом описании, как «гарантированные». Если значения параметров указаны, как «типовые», они являются статистической характеристикой и не могут использоваться для выполнения достоверных измерений в соответствии с общепринятыми стандартами качества. Ниже будут перечислены основные параметры цифровых осциллографов.

Какие бывают типы цифровых осциллографов? Ёлка в вашем осциллографе 🙂

Критерии выбора цифрового осциллографа

1.Полоса пропускания цифрового осциллографа

Системная полоса пропускания цифрового осциллографа определяет главную способность цифрового запоминающего осциллографа измерять аналоговый сигнал – максимальный диапазон частот, в котором обеспечивается точное измерение.

Что необходимо учитывать

• Осциллографы начального уровня обычно обладают максимальной полосой пропускания 100 МГц. Они могут точно (в пределах 2 %) показывать амплитуду синусоидальных сигналов частотой до 20 МГц
• Для цифровых сигналов осциллограф должен захватывать основную, третью и пятую гармоники, иначе в осциллограмме будут отсутствовать важные детали. Поэтому для достижения погрешности не более ±2 % полоса пропускания осциллографа с учетом пробника должна, как минимум, в 5 раз превышать максимальную полосу сигнала – «правило пятикратного превышения». Это необходимо и для точного измерения амплитуды
• Поэтому для высокоскоростных цифровых сигналов, сигналов последовательных шин, видеосигналов и других сложных сигналов может потребоваться осциллограф с полосой пропускания 500 МГц и выше

Рис 1. Полоса пропускания определяется как полоса частот, в пределах которой входной синусоидальный сигнал ослабляется осциллографом не более чем до 70,7 % или по уровню –3 дБ (по уровню половинной мощности), как показано на данном рисунке для осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц.

При выборе осциллографа — это один из главных факторов.

2. Время нарастания цифрового осциллографа

При работе с аналоговыми схемами основным критерием пригодности осциллографа является полоса пропускания. При исследовании импульсных или многоуровневых сигналов с крутыми фронтами наиболее важно, насколько точно осциллограф измеряет длительность фронта.

Что необходимо учитывать

• Чем меньше время нарастания осциллографа, тем точнее он может передать тонкие детали быстрых перепадов. Кроме того, этот параметр важен для точного измерения времени
• Время нарастания определяется, как k/(Полоса пропускания), где k лежит в диапазоне от 0,35 (для осциллографов с полосой <1 ГГц) до 0,40 –0,45 (>1 ГГц)
• Аналогично полосе пропускания, время нарастания осциллографа должно быть в 5 раз меньше минимальной длительности фронта исследуемого сигнала. Например, для измерения фронта длительностью 4 нс, время нарастания осциллографа должно быть не более 800 пс. Примечание. Как и для полосы пропускания, соблюдение этого простого правила возможно не всегда
• Для измерения сигналов ТТЛ и КМОП может потребоваться время нарастания 300-400 пс

Рис 2. Ваш осциллограф должен быть достаточно быстродействующим для точного захвата быстрых переходных процессов.

3. Согласованные пробники

Точные измерения начинаются с наконечника пробника. Полоса пропускания пробника должна соответствовать полосе пропускания осциллографа (с учетом «правила пятикратного превышения»), и при этом пробник не должен создавать излишнюю нагрузку на цепи тестируемого устройства.

Что необходимо учитывать

• При подключении пробника к тестируемому устройству он становится составной частью измеряемой цепи, внося в нее свое сопротивление, емкость и индуктивность, которые способны повлиять на результаты измерения. Для минимизации такого влияния лучше использовать пробники и осциллографы одного производителя, образующие интегрированное решение
• Важную роль играет нагрузка на исследуемую цепь. Активная нагрузка стандартного пассивного пробника обычно имеет приемлемое значение 10 МОм и выше. А вот его емкостная нагрузка 10, 12 или даже 15 пФ может создавать серьезные проблемы для измерения на высоких частотах
• Выбирая осциллограф среднего ценового диапазона, обращайте внимание, чтобы пробники имели входную емкость не более 10 пФ. Лучшие пассивные пробники обладают полосой пропускания 1 ГГц и входной емкостью менее 4 пФ ( Например, Tektronix TPP1000)

Рис 3. Выбирая пробник, подготовьте ответы на следующие вопросы. Что вы планируете измерять – напряжение, ток или и то, и другое? Какова частота исследуемого сигнала? Велика ли амплитуда? Высокое или низкое выходное сопротивление имеет тестируемое устройство? Нужны ли вам дифференциальные измерения? Выбор пробников зависит от того, с какими устройствами и сигналами вы собираетесь работать.

Поэтому, задача не только в том, как выбрать цифровой осциллограф, но и как пользоваться осциллографом.

Используйте несколько пробников. Для начала выберите пассивные пробники с широкой полосой пропускания и малой входной емкостью. Активные несимметричные пробники имеют полосу пропускания от 1-4 ГГц, а дифференциальные – до 20 ГГц и выше. Добавив токовый пробник, вы сможете использовать осциллограф для расчета и отображения мгновенной мощности, активной мощности, полной мощности и фазы. Высоковольтные пробники могут измерять напряжения до 40 кВ пикового значения. Специальные пробники включают логические, оптические, тепловые и др.

4. Сколько нужно каналов для выбора осциллографа?

Цифровые осциллографы оцифровывают сигнал, поступающий на входные аналоговые каналы, а затем сохраняют и отображают полученные значения. Обычно, чем больше каналов, тем лучше, хотя дополнительные каналы увеличивают цену прибора.

Что необходимо учитывать

• Сколько каналов выбрать – 2, 4, 8 или 16 – зависит от вашего приложения. Два или четыре аналоговых канала позволят измерять и сравнивать временные характеристики сигналов аналоговых устройств, тогда как отладка цифровой системы, использующей параллельную передачу данных, может потребовать 8 или 16 дополнительных каналов, а возможно и больше. Например, осциллограф MSO58 имеет 8 аналоговых или 64 цифровых канала
• Осциллографы смешанных сигналов предлагают дополнительные цифровые каналы ( цифровой вход осциллографа), которые отображают только два логических уровня и могут представлять их в виде сигнала шины. Комбинированные осциллографы ( например, MDO4104С) имеют отдельный РЧ вход для выполнения высокочастотных измерений в частотной области
• Какую модель бы вы ни выбрали, все каналы должны обладать достаточным диапазоном частот, линейностью, точностью усиления, равномерностью АЧХ и стойкостью к статическому разряду
• Некоторые приборы в целях экономии используют общую для нескольких каналов систему дискретизации. Будьте осторожны – в этом случае частота дискретизации может снижаться в зависимости от числа используемых каналов
• Изолированные каналы упрощают измерения с гальванической развязкой. В отличие от осциллографов с несимметричным входом, «общие» проводники входных каналов могут быть изолированы друг от друга и от «земли». Например, серия осциллографов Tektronix TPS2000B или Rohde & Schwarz Scope Rider

Рис 4. Комбинированные осциллографы (MDO) не только предлагают аналоговые и цифровые каналы, как и осциллографы смешанных сигналов (MSO), но и имеют отдельный РЧ вход, сигнал которого можно анализировать в частотной области.

5. Частота дискретизации цифрового осциллографа

Частота дискретизации осциллографа подобна частоте кадров видеокамеры. Она определяет количество мелких деталей сигнала, которые может захватить и отобразить осциллограф.

Что необходимо учитывать

• Частота дискретизации (число выборок в секунду) показывает, насколько часто осциллограф делает выборки сигнала. Как и ранее, рекомендуется придерживаться «правила пятикратного превышения»: частота дискретизации должна не менее чем в 5 раз превышать наивысшую частотную составляющую измеряемого сигнала
• Минимальная частота дискретизации тоже может иметь важное значение, если нужно исследовать медленно меняющиеся сигналы в течение длительного времени
• Большинство осциллографов начального уровня имеют максимальную частоту дискретизации от 1 до 2 Гвыб./с, тогда как осциллографы среднего ценового диапазона могут предлагать от 5 до 10 Гвыб./с
• Чем выше частота дискретизации, тем меньше теряется информации, и тем лучше осциллограф представляет исследуемый сигнал. Но при этом память заполняется быстрее, что ограничивает интервал захвата

Рис 5. Точность отображения сигнала зависит от частоты дискретизации и от используемого метода интерполяции.

Линейная интерполяция соединяет выборки сигнала прямыми линиями, но такой подход ограничен реконструкцией сигналов с прямыми участками.

Интерполяция «sin x/x» представляет собой математический процесс, в котором для заполнения промежутков между реальными выборками рассчитываются дополнительные точки. Эта форма интерполяции хорошо работает для сигналов криволинейной формы и непериодических сигналов, которые в реальных схемах встречаются значительно чаще, чем чистые меандры или импульсы.

Следовательно, интерполяция «sin x/x» более предпочтительна для приложений, где частота дискретизации превышает полосу пропускания системы от 3 до 5 раз.

Для захвата глитчей нужна скорость.  Теорема Котельникова гласит, что для точной реконструкции сигнала частота дискретизации должна не менее чем в два раза превышать его наивысшую частотную составляющую.

Однако это соотношение определяет абсолютный минимум, который применим только к синусоидальным и периодическим сигналам. Глитчи по определению являются непериодическими, поэтому дискретизация с удвоенной частотой наивысшей составляющей обычно недостаточна. Вывод: высокая частота дискретизации повышает разрешение, позволяя увидеть накладывающиеся друг на друга события.

6. Гибкая система запуска

Система запуска обеспечивает стабильное изображение и позволяет выделять конкретные фрагменты сложных сигналов.

Что необходимо учитывать

• Все осциллографы обеспечивают запуск по фронту, и большинство – по длительности импульса
• Для захвата специфических аномалий и более эффективного использования длины записи выбирайте осциллограф, имеющий расширенные режимы запуска для более сложных сигналов
• Чем шире выбор условий запуска, тем выше гибкость использования осциллографа (и тем быстрее вы сможете выявлять причины возникающих проблем):
  
  • запуск по последовательности событий А и В, задержка по времени или по событиям;
  • запуск по строке или кадру видеосигналов стандартной и высокой четкости;
  • запуск по условию – скорость нарастания, глитч, длительность импульса, время ожидания, рант, время установки и удержания;
  • запуск по сигналам последовательных (I2C, SPI, CAN/LIN, USB …) и параллельных шин

Рис 6. Запуск позволяет начать горизонтальную развертку с нужной точки сигнала, а не просто с того места, где закончилась предыдущая развертка. При однократном запуске происходит захват по всем каналам одновременно.

Расширенные функции запуска помогают найти нужную информацию. Запуск по заданным условиям позволяет выделить определенный участок осциллограммы и обнаружить аномалии. Функции запуска можно настроить на специальные условия во входном сигнале, облегчая, например, обнаружение импульсов, длительность которых меньше заданной

7. Длина записи

Длина записи – это число точек, из которых состоит зарегистрированная осциллограмма. Осциллограф имеет ограниченный объем памяти для записи выборок, поэтому чем больше объем памяти, тем большую длину записи можно получить.

Что необходимо учитывать

• Время захвата = длина записи / частота дискретизации. Например, при длине записи 1 млн. точек и частоте дискретизации 250 Мвыб./с осциллограф может захватывать сигнал в течение 4 мс. Правильное понимание этого параметра поможет Вам выбрать осциллограф именно под Ваши задачи
• Современные осциллографы позволяют выбирать длину записи, оптимизируя уровень детализации в соответствии с вашим приложением
• Хороший осциллограф общего назначения может сохранить более 2000 точек, чего более чем достаточно для стабильного синусоидального сигнала (требующего как минимум 500 точек). Но для отыскания причин аномалий в сложных последовательных потоках данных лучше выбрать осциллограф с цифровым люминофором (DPO) с длиной записи 1 млн. точек или больше.
• Для регистрации переходных процессов или поиска непериодических сигналов, таких как джиттер, искаженные импульсы или глитчи, выбирайте осциллограф, начиная со среднего ценового диапазона, сочетающий большую длину записи с высокой скоростью обновления осциллограмм.

Рис 7. Поскольку осциллограф может сохранять лишь ограниченное число выборок, временное окно захвата осциллограммы обратно пропорционально частоте дискретизации осциллографа. Время захвата = Длина записи / Частота дискретизации.

Получите полную картину. Достаточно детальный захват для декодирования сигнала шины USB требует высокого разрешения по времени (200 пс). Регистрация нескольких пакетов требует продолжительного времени захвата (200 мкс). Чтобы отобразить и то и другое, нужен осциллограф с большой длиной записи (1 млн. точек).

8. Система навигации и анализа

Поиск определенных аномалий формы сигнала можно сравнить с поиском иголки в стоге сена. Вам понадобятся средства, автоматизирующие этот процесс и ускоряющие получение результата.

Что необходимо учитывать

• Функция масштабирования и панорамирования позволяет растягивать интересующий участок осциллограммы и перемещать окно обзора назад и вперед по шкале времени
• Функция воспроизведения и паузы автоматически перемещает окно обзора по осциллограмме. Это позволяет освободить руки и сконцентрироваться на самом сигнале
• Маркеры позволяют помечать интересующие события. Для быстрого перехода между маркерами и простого измерения временных интервалов можно использовать органы управления передней панели
• Функция поиска и маркировки позволяет просматривать всю захваченную осциллограмму и автоматически отмечать появления определенных пользователем событий
• Расширенный поиск позволяет определять различные критерии, аналогичные условиям запуска, в соответствии с которыми будут автоматически обнаруживаться и помечаться события в захваченном сигнале.

Рис 8. Осциллографы с длиной записи в миллионы точек могут выполнять захват в течение длительного времени, что очень важно для исследования сложных сигналов. Расстановка маркеров помогает, например, измерять задержки на шине CAN.

9. Расширенная поддержка приложений

Лучшие осциллографы имеют прикладное программное обеспечение для диагностики оптических и электрических схем и тестирования на соответствие стандартам.

Что необходимо учитывать

• Приложения для измерения целостности сигнала и джиттера позволяют глубже анализировать проблемы качества сигнала в цифровых системах, выявлять причины их возникновения и оценивать их влияние
• РЧ приложения предоставляют возможность представления сигналов в частотной области и анализа с помощью спектрограмм и кривых зависимости амплитуды, частоты и фазы от времени.
• Поддержка отладки встраиваемых систем со смешанными аналоговыми и цифровыми сигналами, параллельными и последовательными шинами, такими как CAN/LIN, I2C, SPI, FlexRay, MOST и другие.
• Прикладное ПО для учебных заведений: чтобы создавать технологии следующего поколения, студенты, изучающие электронику, должны научиться разбираться в сложных электронных схемах

Рис 9. Устойчиво ли работает ваш импульсный источник питания? Средства автоматического анализа позволяют измерять каждый параметр одним нажатием кнопки, предлагая быстрый и точный анализ области безопасной работы (ОБР), качества питающего напряжения, коммутационных потерь, гармоник, модуляции, пульсаций и скорости нарастания выходного тока и напряжения (di/dt, dv/dt).

10. Простое управление

Осциллографы должны быть просты в управлении даже для неопытных пользователей. Интерфейс пользователя дает существенный вклад во время решения инженерной задачи.

Что необходимо учитывать

• Часто используемые функции должны иметь отдельные органы управления
• Кнопки автоматической настройки и сброса к значениям по умолчанию позволяют мгновенно настроить прибор
• Осциллограф должен иметь быстрый и четкий отклик на органы управления
• Интерфейс осциллографа должен поддерживать ваш родной язык, включая соответствующие накладки для передней панели

Рис 10. Многие люди пользуются осциллографом не каждый день. Интуитивное управление позволяет даже неопытным пользователям чувствовать себя комфортно, в то же время предлагая опытным пользователям простой доступ к наиболее востребованным функциям. Для использования как в лабораторных, так и в полевых условиях выпускается множество моделей портативных осциллографов.

11.Интерфейсы и возможности расширения

Непосредственное подключение осциллографа к компьютеру или передача данных через сменные носители позволяет выполнять расширенный анализ, упрощает документирование и обмен результатами измерений.

Что необходимо учитывать

• Обратите внимание на осциллографы, обеспечивающие доступ к рабочему столу Windows, имеющие функции распечатки на сетевом принтере и предоставляющие общий доступ к ресурсам
• Проверьте, может ли осциллограф использовать программное обеспечение сторонних производителей для анализа, документирования и автоматизации измерений
• Нужен ли вам доступ в интернет для обмена с коллегами результатами измерений в режиме реального времени?
• Можно ли расширить возможности осциллографа в соответствии с изменяющимися потребностями? Например, добавить:
  • память для анализа записей большей длины;
  • специальные приложения для измерений;
  • различные пробники и модули;
  • такие принадлежности, как аккумуляторные батареи и комплекты для монтажа в стойку;
  • программное обеспечение для управления осциллографом с компьютера, выполнения
  • автоматических измерений, регистрации и экспорта осциллограмм.

Рис 11. К стандартным интерфейсам осциллографа относятся GPIB, RS-232, USB, Ethernet, LXI, а также интерфейсы для связи с сетевыми коммуникационными модулями. Интерфейс USB широко используется для сохранения осциллограмм, результатов измерений и наборов настроек на флэш- накопителях. PictBridge позволяет использовать осциллограф в качестве цифровой камеры. Порт VGA обеспечивает подключение внешнего монитора.

… и, наконец, учтите душевный комфорт!

Конечно, приобретая осциллограф, вы заплатите за него определенную сумму, но во что выльются последующие эксплуатационные расходы?

Ознакомьтесь со стоимостью услуг по поддержке прибора, предлагаемых производителем, и оцените, насколько они увеличивают ваши расходы и продлевают срок службы осциллографа.

К таким услугам относятся обучение по месту установки, системная интеграция, управление проектами и другие профессиональные услуги, которые помогут повысить эффективность прибора и позволят выполнять точные и достоверные измерения.

Удобные пакеты дополнительных услуг и такие виды поддержки, как расширенная гарантия, могут сэкономить деньги в долговременной перспективе и избавить от ненужных волнений.

Бюджетные цифровые осциллографы

Осциллографы начального уровня

Осциллографы смешанных сигналов

Продвинутый анализ сигналов

Осциллографы Hi-end класса

1. Просто позвоните по телефону: +7 (499) 391-90-77
   
2. Или напишите на почту: [email protected]

Осциллографы.Виды и особенности.Устройство и работа.Применение

Для любого профессионального настройщика электронных устройств или для инженера по радиоэлектронным устройствам основным рабочим устройством является осциллограф. Без него нельзя обойтись при настройке телевизора, передатчика. Осциллографы служат для контроля и наблюдения за периодическими сигналами различных форм, в том числе синусоидальной. Благодаря широкому интервалу развертки он дает возможность развернуть импульс даже для контроля наносекундных промежутков времени. Осциллограф подобен работе телевизора, который изображает электрические сигналы.

Устройство и принцип действия

Для лучшего понимания действия прибора, блок-схема типового осциллографа, так как все их основные виды имеют аналогичное устройство.

На этой схеме не изображены блоки питания: низковольтный блок, подающий питание для работы узлов, и источник повышенного напряжения, применяющийся для генерирования высокого напряжения, приходящего на электронно-лучевую трубку. Также на схеме нет калибратора для настройки и подготовки прибора к работе.

Тестируемый сигнал поступает на канал вертикального отклонения «Y», далее на аттенюатор, выполненный в виде многопозиционного переключателя, настраивающего чувствительность осциллографа. Его шкала размечена в вольтах на сантиметр или в вольтах на одно деление. Это обозначает одно деление сетки координат на экране лучевой трубки. Там же изображены сами величины. Если амплитуда сигнала неизвестна, то устанавливается наименьшая чувствительность. В этом случае даже большой сигнал на 300 В не повредит прибору.

Обычно осциллографы в комплекте имеют

делители, в виде специальных насадок с разъемами. Они работают так же, как аттенюатор. Эти насадки компенсируют емкость кабеля при работе с малыми импульсами. На фото показан делитель. Коэффициент деления равен 1:10.

С помощью делителя возможности прибора расширяются, можно исследовать сигналы в несколько сотен вольт. После делителя сигнал проходит на предварительный усилитель, раздваивается и приходит на переключатель синхронизации и линию задержки, которая служит для компенсации времени сработки генератора развертки. Оконечный усилитель создает напряжение, поступающее на «Y» -пластины, и отклоняет луч в вертикальной плоскости.

Генератор развертки создает пилообразное напряжение, поступающее на пластины «Х» и горизонтальный усилитель, при этом луч отклоняется в горизонтальной плоскости.

Устройство синхронизации создает условия для работы генератора развертки в одно время с появлением сигнала. В итоге на дисплей осциллографа выводится изображение импульса.

Переключатель синхронизации работает в положениях синхронизации от:

• Исследуемого сигнала.
• Сети.
• Внешнего источника.

Первое положение применяется чаще, так как оно более удобно.

Классификация

Осциллографы являются распространенным видом измерительных приборов. Существует несколько видов осциллографов, имеющих разные характеристики, устройство и работу.

Аналоговые осциллографы

Такие осциллографы являются классическими моделями этого типа измерительных приборов. Любые аналоговые осциллографы имеют делитель, вертикальный усилитель, синхронизацию и отклонение, блок питания и лучевую трубку.

Такие трубки имеют больший диапазон частоты. Отклонение луча на экране прямо зависит от напряжения пластин. Горизонтальная развертка работает по линейной зависимости от напряжения горизонтальных пластин.

Нижний предел частоты равен 10 герцам. Верхняя граница определяется емкостью пластин и усилителем. Сегодня аналоговые устройства вытесняются цифровыми приборами со своими достоинствами. Но аналоговые приборы пока не исчезают ввиду их малой стоимости.

Цифровые запоминающие

Если цифровые приборы сравнивать с аналоговыми, у них больше возможностей. Стоимость их постепенно снижается. Цифровой осциллограф включает в себя делитель, усилитель, преобразователь аналогового сигнала, памяти, блока управления и выведения на ЖК панель.

Принцип действия такого вида осциллографов придает им большие возможности. Входящий аналоговый сигнал модифицируется в цифровую форму, и сохраняется. Скорость сохранения определяется управляющим устройством. Ее верхняя граница задается скоростью преобразователя, а нижняя граница не имеет ограничений.

Преобразование сигнала в цифровой код дает возможность увеличить устойчивость отображения, сохранять данные в память, сделать растяжку и масштаб проще. Применение дисплея вместо электронной трубки позволяет отображать любые данные и осуществлять управление прибором. Дорогостоящие приборы оснащаются цветным экраном, что позволяет различать сигналы других каналов, курсоры, выделять цветом разные места.

Параметры цифровых осциллографов намного выше аналоговых моделей, в больших пределах находится растяжка сигнала. Кроме простых схем включения синхронизации, может использоваться синхронизация при некоторых событиях или параметрах сигнала. Синхронизацию можно увидеть непосредственно перед включением развертки.

Применяемые процессоры обработки сигнала дают возможность обработки спектра сигнала с помощью анализа преобразованием Фурье. Информация в цифровом виде позволяет записать в память экран с итогами измерения, а также распечатать на принтере. Многие приборы оснащены накопителями для записи изображения в архив и последующей обработки.

Цифровые люминофорные

Такой тип осциллографов работает на новой структуре построения, основанной на цифровом люминофоре. Он имитирует по подобию с аналоговыми приборами изменение изображения на экране. Люминофорные цифровые типы осциллографов дают возможность наблюдать на дисплее все подробности модулированных сигналов, как и аналоговые типы. При этом обеспечивается их анализ и хранение в памяти.

Люминофорные приборы, как и предыдущая рассмотренная модель, имеет свою память для хранения различной информации, в том числе хранится разница задержки времени между разными пробниками. Возможность люминофорных осциллографов выводить данные с изменяемой интенсивностью значительным образом упрощает поиск повреждений в импульсных блоках. Это выражено при вычислении глубины модуляции сигнала при регулировке напряжения на выходе, приводящее к нестабильному функционированию блоков.

В люминофорных цифровых осциллографах объединены достоинства цифровых и аналоговых устройств, а во многом превосходят их. Люминофорные приборы обладают всеми преимуществами запоминающих осциллографов, обеспечивая возможности аналоговых приборов: быструю реакцию на смену сигнала и его отображение с разной яркостью.

Цифровые стробоскопические

В этом виде осциллографов применяется эффект последовательного стробирования сигнала. При повторении сигнала выбирается мгновенное значение в определенной точке. При поступлении нового сигнала точка выбора смещается по сигналу. Так продолжается до полного стробирования сигнала. Модифицированный таким образом сигнал в виде огибающей линии мгновенных величин сигнала входа, повторяет форму сигнала.

Продолжительность модифицированного сигнала на много больше продолжительности тестируемого сигнала, а значит, имеется сжатие спектра. Это соответствует увеличению полосы пропускания. Стробоскопические виды осциллографов имеют большие полосы пропускания, и дают возможность производить исследования периодических сигналов с наименьшей продолжительностью. Стоимость стробоскопических осциллографов очень высока, поэтому их применяют чаще всего для сложных задач.

Виртуальные осциллографы

Новый вид приборов может быть отдельным устройством с параллельным портом для вывода или ввода информации, а также с портом USB, а также встроенным вспомогательным прибором на базе карт ISA. Программная оболочка виртуальных осциллографов позволяет полностью управлять устройством, и имеет несколько возможностей сервиса: импорт и экспорт информации, цифровая фильтрация, разнообразные измерения, обработка информации математическим способом и т.д.

Осциллографы с применением персонального компьютера могут применяться для широких возможностей измерения. Например, для обслуживания и разработки радиотехнической и электронной аппаратуры, в телекоммуникационной связи, при изготовлении компьютеризированного оборудования, при выполнении диагностических мероприятий средств автотранспорта на станциях технического обслуживания и для многих других случаев, где требуется оценка и тестирование неустойчивых переходных процессов.

Виртуальные модели осциллографов являются хорошим альтернативным вариантом для стандартных запоминающих цифровых осциллографов, так как они обладают достоинствами в виде малой стоимости, простоте применения, компактных размеров и высокого быстродействия. К недостаткам виртуальных осциллографов относится невозможность измерения и отображения постоянной величины сигналов.

Портативные осциллографы

Цифровые технологии быстро развиваются, в результате чего цифровые стационарные приборы модифицируют в портативные устройства с хорошими параметрами габаритных размеров и массы, а также низким расходом электрической энергии.

При этом портативные осциллографы с питанием от гальванических элементов не уступают по характеристикам стационарным приборам по количеству функций, имеют большие возможности использования в разных областях научных исследований, промышленном производстве.

Похожие темы:

Цифровой осциллограф для начинающих. Ч1

Что такое осциллограф и для каких целей он нужен, ты можешь узнать из предудщих статей: Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть I и Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть II

Если же тебе их читать лень, то скажу, что главная задача этого прибора в том, чтобы отобразить на экране изменение электрического сигнала с течением времени. Для этого на экране осциллографа размечена координатная система. Обычная декартова система, на которой имеются ось X и ось Y. По оси X отмечается время, а по оси Y — напряжение.

Всякие управляющие ручки и кнопочки, которые расположены вокруг экрана прибора предназначены для того, чтобы можно было настраивать отображение сигнала: масштаб по Х, масштаб по Y, триггеры и курсоры. Таким образом можно как бы отдалить или приблизить сигнал, чтобы рассмотреть его по лучше.

Хочу также заметить, что современный осциллограф отличается от своих предшественников тем, что представляет собой компьютер, который собирает, преобразует, анализирует и манипулирует измеренными значениями сигнала, поданного на вход. Это современный вычислительный комплекс.

Осциллограф очень полезен при:

• Измерении частоты и амплитуды сигнала, что может сильно помочь при отладке создаваемой тобой схемы.
• Определении уровня шума в цепи
• Визуальном контроле формы сигнала
• Определение сдвига фаз между двумя сигналами
• . ..и другие способы применения. Например, анализ работы датчиков автомобиля.

Осциллографы применяются при создании, наладке, ремонте различных электронных приборов:от сотовых телефонов, до эл. цепей автомобильных двигателей. От гражданских до военных. Они нужны везде.

В дополнение к описанным выше возможностям, многие современные приборы имеют дополнительные функции, с помощью которых можно быстро узнать частоту сигнала, его амплитуду и многие другие характеристики. Некоторые приборы уже предоставляют возможность провести с сигналами в реальном времени различные математические преобразования или, например, быстрое преобразование фурье. В целом, осциллограф позволяет наблюдать на экране временные и физические характеристики сигнала. Вот как выглядит такое меню функций у Siglent SDS 1202X-E (38 параметров!):

На мой взгляд, это очень удобно и полезно. Поэтому следует все таки обращать свое внимание на современный инструментарий. Благодаря хорошим измерительным приборам можно сильно сократить время поиска неисправности. Особенно это касается осциллографа, который является единственными “глазами”, которые позволяют заглянуть внутрь происходящего в электронной цепи и оценить временные и физические характеристики сигналов в этой цепи.

→ Временные характеристики:

Частота и период, скважность и коэфф. заполнения (Duty cycle), время спада и нарастания сигнала.

→ Физические характеристики:

Амплитуда,  максимум и минимум сигнала, средне квадратичное, среднее значение напряжения и т.д.

Принцип работы цифрового осциллографа

Цифровые осциллографы, в отличие от аналоговых, не повторяют получаемый сигнал сразу на экран, а предварительно его преобразовывают в “цифровую” форму. Для этого входной сигнал замеряется определённое число раз в секунду, затем прибор после некоторых преобразований этих данных реконструирует сигнал и отображает его на экране. Оцифровка выполняется помощью блока аналогово-цифрового преобразования. 

 

 

Ключевые характеристики цифрового осциллографа

Еще 5-6 лет назад большинство радиолюбителей (а некоторые и по сей день) пользовались приборами, которые остались ещё от СССР. В свое время это были замечательные приборы со своими плюсами и минусами. Но СССР уже нет более четверти века, а технологии продолжали развиваться, совершенствоваться и дешеветь. Теперь у нас есть возможность пользоваться современными цифровыми приборами с превосходными характеристиками.

Для того, чтобы научиться пользоваться современным цифровым осциллографом требуется освоить небольшой, но специфичный набор понятий и принципов, на основе которых строится его работа. Это по силам каждому. Приступим.

→ Полоса пропускания

Осциллографы (Oscilloscope, O-Scope) не могут измерять абсолютно любые сигналы. Все приборы имеют ограничения, которые определяют сигналы какой минимальной и максимальной частоты или амплитуды с помощью этого прибора могут быть измерены. А полоса пропускания — это как раз та характеристика прибора, которая говорит тебе какой диапазон частот может быть измерен этим прибором. Говоря про полосу пропускания осциллографов обычно имеют ввиду верхнюю границу, так как нижняя граница — это сигнал постоянного тока и его умеют рисовать абсолютно все приборы.

К слову, на самом деле при реальных измерениях диапазон ещё уже, чем заявляет полоса пропускания. В современных цифровых приборах сигнал проходит оцифровку и обработку, прежде чем попадёт на экран прибора. Существует определенная теоретическая база из-за которой производители советуют выбирать прибор таким образом, чтобы его полоса пропускания была в 3 раза больше, чем измеряемый синусоидальный сигнал в 4 или в 5 раз больше, если сигнал цифровой (т.е. всякие разные формы и виды прямоугольных сигналов).

Нижняя и верхняя границы полосы пропускания — это частоты среза сигнала. Сигнал начиная с частоты среза начинает ослабляеться в два (или на 3Дб = log₁₀2) и больше раз с ростом частоты.

→ Количество каналов

Многие современные осциллографы могут анализировать сразу несколько сигналов, отображая их на экране одновременно. Обычно прибор содержит от двух до четырех каналов. Тут важно знать как устроен конкретный осциллограф. Дело в том, что часто каналы разделяют между собой какие-нибудь общие ресурсы, что в итоге сказывается на общей производительности прибора при использовании сразу нескольких каналов.

→ Частота дискретизации (Sampling rate)

Эта характеристика касается только цифровых осциллографов. Она определяет сколько раз в ед. времени осциллограф считывает измеряемый сигнал. Для приборов, имеющих более одного канала, частота дискретизации может уменьшиться, если одновременно используется несколько каналов. Это зависит от конструкции конкретного прибора, но в большинстве случаев это работает так. В цифровых осциллографах частота дискретизации неразрывно связана с полосой пропускания. Например, у моего Siglent SDS 1202X-E этот параметр равен 1х10^₉. Чем выше этот параметр, тем лучше, так как осциллограф получает больше информации о сигнале.

Вообще, этот пункт довольно важен. Для того, чтобы понять почему это так следует хотя бы слегка разобраться в процессе аналогово-цифрового преобразования. А значит пришло время достать из пыльного угла теории теорему Котельникова (теорема отсчетов), которую, на мой взгляд, довольно несправедливо иногда называют теоремой Шенона-Котельникова. Котельников доказал её в 1933г, когда Шенону было всего 17, а Найквист так и не доказал этой теоремы. Ладно, сосредоточимся на главном.

Важное значение этой теоремы заключается в том, что если проводить замеры сигнала (например, синусоиды) с частотой хотя бы 2 раза выше частоты этой синусоиды, тогда по этим измерениям можно будет восстановить исходный сигнал с минимальной потерей информации. Т.е. если замерять сигнал через интервал Δt, то мы сможем его гарантированно восстановить.

Таким образом частота дискретизации цифрового осциллографа является одним из факторов, определяющих максимальную частоту сигналов, которые мы сможем без потерь увидеть на экране. 

А что если интервал больше необходимого? Тогда получится что-то подобное:

Т.е. после восстановления окажется, что восстановлденный сигнал меньшую частоту, чем измеряемый сигнал. Мы также можем потерять некоторые детали сигнала. Например, краткие всплески. Таким образом получается, что для измерения сигнала 100Мгц требуется прибор с частотой дискретизации хотя бы 200Мгц. Но хватит ли такой частоты выборки на самом деле?

Пока что я рассматривал ситуацию идеального сигнала, который не содержит в себе частотных компонент, превышающих по частоте основную. частоту сигнала. Как например какой-нибудь прямоугольный сигнал, который содержит всебе множество компонент (гармоник) с частотами значительно выше основной частоты сигнала (но меньшей амплитуды). В таком случае т. Котельникова говорит нам, что на практике частота дискретизации должна быть в 4-5 раз выше, чем верхняя граница полосы пропускания осциллографа. А значит для прибора с полосой до 200 Мгц частота дискретизации должна быть больше 800Мгц.

У меня Siglent SDS1202X-E с полосой пропускания 200Мгц и частотой выборки 1000Мгц (1Ггц или 1GSa/s) в режиме 1го канала. Так что, если надо посмотреть сигнал близкий к 200Мгц, то прибор в принципе справится. При условии, что будет использован только один канал. Если же задействовать для измерений сразу два канала, тогда полоса пропускания “сократится” до 100Мгц. Т.е. примерно до этой частоты сохранится соотношение между частотой выборки и частотой сигнала, которое позволит достаточно точно воспроизвести оцифрованный сигнал.

→ Эквивалентная частота дискретизации

Иногда не хватает реальной частоты дискретизации. Например, когда измеряется сигнал с частотой близкой к пределу полосы пропускания, а реальная частота дискретизации уже не соответствует условиям т. Котельникова. Тогда вступает в бой эквивалентная дискретизация. По факту, это чисто технический трюк, когда итоговая картинка конструируется на основе нескольких последовательных измерений. Но при этом каждое последующее измерение сигнала слегка смещено от предыдущего, чтобы получить больше точек для восстановления исходного сигнала.

Таким образом, если ты измеряешь сигнал 200МГц на осциллографе с полосой до 200МГц и частотой дискретизации 1 миллиард выборок в сек (1GSa/s), то тогда на один период сигнала ты получишь всего 5 измерений. В принципе, из т. Котельникова следует, что этого должно хватить, но для лучшей детализации лучше включить эквивалентную дискретизацию и тогда ты получишь вместо 1GSa/s уже 2 GSa/s (хоть и чисто алгоритмическим путем)

Более подробно о эквивалетной дискретизации и джиттере синхронизации вот в этой неплохой статье

→ Глубина памяти

Цифровые осциллограф по праву называются запоминающими (DSO = Digital Storage Oscilloscope), так как запоминают измеренный сигнал.  Точнее они сохраняют во временной памяти измеренные значения сигнала в отдельные моменты времени. На что влияет данный параметр? Чем больше глубина памяти, тем выше частота дискретизации по мере снижения скорости развертки – время/дел. Дело в том, что ниже скорость развертки, тем больше измеренных значений осциллографу приходится сохранять у себя в памяти для последующей обработки и отображении на экране. Так что в целом, чем больше глубина памяти, тем лучше. 

Однако, и здесь есть особый случай. При измерении на медленных значениях развертки может страдать скорость обновления осциллограм на экране, а также прибор может “подтормаживать”, медленно реагируя на управление. Поэтому следует внимательно смотреть руководства и отзывы на желаемую модель прибора перед тем, как его купить. 
Довольна подробная статья по этой теме от Agilent Technologies

→ C

корость обновления сигналов на экране

Чем выше у прибора скорость обновления сигналов на экране, тем меньше у него величина мертвого времени, т.е. времени, которое требуется на обработку захваченных данных перед тем, как они будут выведены на экран. Понятно, что чем оно меньше, тем быстрее будут обновляться осциллограммы на экране цифрового осциллографа. Тем выше вероятность, что осциллограф захватит и вовремя покажет на экране какую-нибудь аномалию в сигнале. Конечно, в нашей радиолюбительской жизни это может и не играет особой роли, но тем не менее параметр довольно важный. 

→ Максимальное входное напряжение

Любая деталь или цепь имеет предельно-допустимое напряжение. Осциллограф не исключение. Если подать на его вход (не приняв доп. мер) напряжение, которое превышает максимально допустимое, то есть высокий шанс того, что прибор юудет поврежден. 

Для моего прибора максимальное напряжение в режиме щупа 1:1 равняется 40 вольт, а в режиме 1:10 около 400. Но, я бы не стал лезть щупом в цепь с напряженим 400В без доп. защиты и себя и прибора. Электричество шуток не любит и премию Дарвина может выписать в милисекунду =)

В этой вводной статье я хотел показать, что ничего страшного в цифровых осциллографах нет, но для того чтобы эффективно их использовать в своей домашней лаборатории следует понимать как они устроены, идеи, на основе которых они созданы, а также понимать какие характеристики прибора являются существенными. На что следует смотреть при покупке осциллографа. В следующей части я продолжу рассказ о цифровых осциллографах. 

 

Виды и типы осциллографов, их назначение и применение

Осциллограф – один из наиболее распространенных контрольно-измерительных приборов, который необходим практически в любой радиотехнической лаборатории и мастерской. Основное назначение осциллографа – это исследование (наблюдение, сохранение и анализ) частотных и амплитудных характеристик электрического сигнала. Благодаря огромному количеству задач, которые необходимо решать в мире современной радиотехники, и возрастающему функционалу приборов, применение осциллографов расширяется благодаря возможностям аппаратной и цифровой обработки сигналов. Ниже мы рассмотрим ключевые типы современных осциллографов.

1) В зависимости от наличия или отсутствия цифровой обработки можно выделить 3 основных вида осциллографов:

•  Аналоговые осциллографы
• Цифровые осциллографы
• Анализаторы смешанных сигналов

Каждый из этих видов осциллографов имеет свои преимущества и недостатки. Так аналоговые осциллографы позволяют увидеть реальный сигнал без искажений, которые могут возникнуть в результате цифровой обработки данных. Цифровые же осциллографы имеют 2 недостатка:

1. Некоторые особенности сигнала могут быть усреднены или попросту пропущены при семплировании цифровым осциллографом, который в среднем измеряет всего лишь 0,5% времени работы, а остальные 99,5% времени обрабатывает полученные данные – «думает и не видит сигнал». Стоит отметить, что осциллографы серий RTM и RTO компании Rohde&Schwarz благодаря улучшенной архитектуре могут регистрировать сигнал на протяжении 10% времени, увеличивая количество собранной информации в 20 раз и позволяя заметить невидимые прежде особенности или «выбросы» сигнала.
2. В связи с операцией дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровой возникает минимальная величина «квантования» – значение амплитуды, ниже которого изменения амплитуды не будут отображаться прибором. Это приводит к ограниченности детектирования слабых ВЧ сигналов, наложенных на сигналы более низкой частоты и значительно большей амплитуды. Чтобы минимизировать этот негативный эффект в осциллографах R&SRTE и R&SRTO реализована функция «высокого разрешения», которая включает 16-битный АЦП вместо 8-битного, уменьшая таким образом «шаг квантования» по амплитуде в 256 раз.

Несмотря на указанные недостатки, из 2-х типов осциллографов именно цифровые осциллографы сейчас наиболее распространены благодаря огромным возможностям, которые открываются для обработки и анализа сигналов, включая демодуляцию, БПФ, запуск по выбранному условию, выявление редких особенностей сигнала с использованием наложения масок или метода послесвечения и многие другие. Более детально с характеристиками цифровых осциллографов Rohde&Schwarz Вы можете ознакомиться в разделе Осциллографы, перейдя по ссылке.

2)      Используя в качестве критерия возможность питания от батареи выделяют такие типы осциллографов как стационарные осциллографы и портативные осциллографы. Портативные осциллографы, как правило, имеют меньше возможностей и менее широкий диапазон частот. Этот тип осциллографов используются для работы в полевых условиях, когда очень важна мобильность прибора.

3) Отдельно необходимо выделить такой тип осциллографов как USB-осциллографы – портативные устройства, которые используются для рутинных работ, не требующих сверхвысокой точности и чувствительности. Одним из лидеров этого сегмента являются осциллографы PicoScope (Великобритания), более детально ознакомиться с которыми Вы можете, перейдя по ссылке.

Так же можно разделять осциллографы по полосе пропускания или наличию тех или иных функций. Однако указанные параметры важны для всех типов осциллографов и должны подбираться индивидуально под задачу, для решения которой будет применятся осциллограф. Более детально о том, как подобрать осциллограф, читайте в статье “Сравнение и выбор цифрового осциллографа”.

Если у Вас возникли дополнительные вопросы – сотрудники ИНКОТЕЛ СИСТЕМ всегда с радостью помогут Вам с подбором контрольно-измерительного оборудования для решения Ваших задач.

Десять критериев, которые надо учитывать при выборе осциллографа – Компоненты и технологии

В этой статье обсуждается десять наиболее важных характеристик, которые надо учитывать при выборе осциллографа. Кем бы ни был произведен прибор, всегда тщательно рассматривайте десять описанных здесь характеристик, и это поможет выбрать осциллограф в соответствии с вашими потребностями.

Полоса пропускания

Полоса пропускания является наиболее важной характеристикой осциллографа, поскольку определяет диапазон сигналов, которые он может отображать. Кроме того, от ее уровня в большой степени зависит цена осциллографа.

Необходимая полоса пропускания определяется в основном скоростью нарастания фронтов сигнала, который нужно исследовать. Сейчас инженерам не часто нужно исследовать чисто синусоидальные сигналы, а наоборот, приходится работать с сигналами, содержащими высшие гармоники, частота которых превышает частоту основной гармоники сигнала. Таким образом, если осциллограф не будет обладать достаточной полосой, то вместо четких и крутых фронтов, вы увидите сильно закругленные перепады. А это, в свою очередь, отразится на точности измерений.

Полоса, занимаемая исследуемыми сигналами, также обуславливает полосу пропускания осциллографа, хотя и в меньшей степени, чем длительность фронтов. В современных цифровых осциллографах максимальная частота, которую они могут отобразить, определяется тактовой частотой системы. Если сигналы имеют пологие фронты (500 пс и больше), то для нормального отображения таких сигналов осциллограф должен иметь полосу пропускания, по крайне мере в дватри раза превышающую частоту сигнала. Для более крутых фронтов частота сигнала меньше влияет на требования к полосе пропускания.

Кроме того, определяя потребность в полосе, нужно учитывать будущие требования, которые наверняка изменятся за время службы прибора. Выпускаемые компанией Agilent Technologies осциллографы Infiniium 90000A облегчают решение этой проблемы, позволяя расширять полосу пропускания осциллографа по мере необходимости.

Число каналов

Чтобы точно определить необходимое число каналов, нужно тщательно проанализировать характер предстоящей работы. В современных схемах все чаще применяется цифровая обработка сигнала, и традиционных двух– и четырехканальных осциллографов зачастую бывает недостаточно. В современном цифровом мире применяются новые поколения устройств, возможности которых значительно расширены за счет встроенных функций обработки цифровых сигналов и отладки цифровых схем. Такие осциллографы смешанного сигнала гармонично сочетают дополнительные шестнадцать цифровых каналов с двумя или четырьмя аналоговыми каналами традиционных осциллографов. В результате получается полнофункциональный осциллограф с числом каналов до двадцати, которые обеспечивают синхронную по времени регистрацию и просмотр сигналов.

Частота дискретизации

На этот счет существует простое правило — частота дискретизации осциллографа должна не менее чем в 2,5 раза превышать аналоговую полосу. В идеальном случае она должна превышать аналоговую полосу в три раза и более.

Для получения высокой частоты дискретизации производители осциллографов часто используют чередование нескольких работающих в реальном времени АЦП. В общем случае чередование не создает проблем реконструкции сигнала, однако в случае неточного чередования форма сигнала может искажаться. Поэтому при покупке осциллографа важно выбрать такого производителя, который обеспечивает высокую точность чередования.

Рис. 1. Временная диаграмма, демонстрирующая неравномерное
расположение выборок

Согласно теореме дискретизации Найквиста (Котельникова), максимальная частотная составляющая дискретизируемого сигнала не должна превышать половины частоты дискретизации, и для корректной реконструкции сигнала выборки должны располагаться равномерно. Изображение на рис. 1 показывает искажения, возникающие в результате нарушения синхронизации чередующихся выборок. Это происходит потому, что задержанные по фазе тактовые частоты двух чередующихся АЦП сдвинуты друг относительно друга не точно на 1/2 периода дискретизации. Такая неточность порождает проблемы, связанные с тем, что выборки (красные точки) располагаются неравномерно, как того требует теорема дискретизации Найквиста. Процессор осциллографа исходит из предположения равномерного расположения выборок, и поэтому в ходе реконструкции фильтр Sin(x)/x осциллографа дает искаженный сигнал (рис. 2).

Рис. 2. Временная диаграмма, демонстрирующая искаженный
реконструированный сигнал после фильтра Sin(x)/x, возникающий
в результате неправильной задержки тактового сигнала

Таким образом, если используется чередование, особенно важно, чтобы чередующиеся АЦП были согласованы по вертикали и использовалась точная задержка тактирующих сигналов.

Глубина памяти

АЦП осциллографа оцифровывает входные сигналы, и результирующие данные сохраняются в высокоскоростной памяти прибора. При выборе осциллографа важно понимать, как он использует эту сохраненную информацию.

Многие считают, что указанная максимальная частота дискретизации осциллографа относится ко всем скоростям развертки. На самом деле глубина памяти ограничена, и, следовательно, все осциллографы вынуждены снижать частоту дискретизации по мере снижения скорости развертки. Чем больше глубина памяти осциллографа, тем больший интервал сигнала можно захватить с максимальной частотой дискретизации. При выборе устройства нужно обращать внимание на то, как частота дискретизации зависит от выбранной скорости развертки.

Чтобы рассчитать необходимую глубину памяти, нужно умножить время, которое должно отобразиться на экране, на частоту дискретизации, которую вы хотите получить. Если нужно анализировать более длительные интервалы с большим разрешением, глубина памяти должна быть больше.

После того как будет определена необходимая глубина памяти, не менее важно проверить, как работает осциллограф с максимальной глубиной памяти. Зачастую в этом режиме осциллографы начинают замедленно реагировать на команды управления, что может отрицательно сказаться на производительности. Перед покупкой прибора обязательно нужно оценить скорость его реакции с максимальной глубиной памяти, которую вы планируете установить.

Скорость обновления

Другим важным фактором, влияющим на качество осциллографа, является скорость обновления. Скоростью обновления называется скорость, с которой осциллограф захватывает сигнал и обновляет изображение на экране. Следовательно, более высокая скорость обновления повышает вероятность регистрации редких событий, таких, скажем, как выбросы. Например, осциллограф серии Agilent InfiniiVision 7000 (рис. 3) обладает скоростью обновления до 100 000 раз в секунду.

Рис. 3. Осциллограф серии Agilent InfiniiVision 7000
обладает скоростью обновления до 100 000 раз в секунду

Однако нужно с осторожностью подходить к сравнению скоростей обновления, так как обычно производители указывают максимальную скорость обновления, на которую способен их прибор. Тем не менее, для достижения заявленных характеристик зачастую требуется применение специальных режимов захвата. Эти специальные режимы могут существенно ограничивать такие характеристики осциллографа, как глубина памяти, частота дискретизации и качество отображения сигналов. Осциллографу Agilent InfiniiVision 7000 не требуется специальный режим захвата для достижения скорости 100 000 захватов в секунду.

Возможности запуска

В большинстве случаев пользователи осциллографа применяют режим запуска по фронту. Однако в некоторых случаях могут оказаться полезными другие способы запуска.

Для разработчиков последовательных шин некоторые осциллографы оборудуются функциями запуска от таких последовательных шин, как SPI, CAN, USB, I2C, FlexRay и LIN. Такие расширенные возможности запуска могут сэкономить много времени в повседневной работе. А если нужно захватить редко происходящее событие? Синхронизация от выбросов позволяет осуществлять запуск от положительных и отрицательных выбросов или от импульсов, ширина которых больше или меньше указанного значения. Кроме того, многие современные осциллографы позволяют синхронизироваться от сигналов ТВ, HDTV и видеосигналов.

Осциллограф серии Agilent 90000A (рис. 4), который появился весной 2008 года, стал единственным в отрасли осциллографом со встроенным трехуровневым пользовательским запуском InfiniiScan Plus. Эта программно–аппаратная система синхронизации предоставляет пользователям широчайшие возможности.

Рис. 4. Осциллограф серии Agilent 90000A,
единственный в отрасли осциллограф с трехуровневой
системой запуска InfiniiScan Plus

В общем, нужно четко себе представлять, какого рода события вы собираетесь регистрировать, а затем выбрать осциллограф, обладающий необходимыми функциями синхронизации.

Пробники

Выбор пробника также очень важен, поскольку полоса пропускания системы — комбинации осциллограф/пробник — ограничивается худшим из двух компонентов. Возьмем, например, осциллограф с полосой 1 ГГц и пассивный пробник с полосой 500 МГц. Такая комбинация не позволит воспользоваться полной полосой пропускания осциллографа, и вместо полосы 1 ГГц вы получите полосу 500 МГц, которая соответствует полосе пропускания пробника.

Кроме того, при каждом своем подключении пробник становится частью тестируемой схемы. При этом его наконечник представляет собой короткую линию передачи, создающую дополнительную нагрузку на тестируемое устройство.

Активные пробники не только обладают более широкой полосой, чем пассивные, но и смягчают описанное выше влияние на тестируемое устройство. Компания Agilent Technologies максимально снижает нагрузку и результирующие искажения сигнала, используя в своих активных пробниках резистивные «демпфирующие» наконечники. Такие демпфирующие наконечники предотвращают чрезмерное снижение импеданса параллельного резонансного L–C контура и, следовательно, предотвращают звоны и искажения сигнала, вызванные нагрузкой.

Но, даже применяя пробники со специальными наконечниками, следите за тем, чтобы пробник позволял полностью использовать полосу пропускания осциллографа. Пробники Agilent InfiniiMax используют усилитель и позволяют подключать различные дифференциальные и несимметричные головки, сохраняя при этом полную полосу пропускания.

Набор интерфейсов

Многие современные цифровые осциллографы оборудованы многочисленными интерфейсами, включая RS–232, LAN и USB 2.0. Если необходимо часто передавать данные из осциллографа в компьютер, важно, чтобы осциллограф имел хотя бы один из этих интерфейсов.

Некоторые осциллографы, такие как Agilent InfiniiVision 7000, позволяют экспортировать данные в файл .alb. Затем можно импортировать этот файл в программу просмотра, работающую на компьютере. Это может оказаться очень полезным, если работа осуществляется в составе группы, распределенной на большой географической территории, так как есть возможность передавать данные, захваченные одним осциллографом, другим членам группы, которые, в свою очередь, смогут анализировать эти сигналы на своих компьютерах.

Заблаговременное определение необходимых интерфейсов существенно сократит время, затрачиваемое на передачу и сохранение данных.

Прикладное программное обеспечение

Автоматические измерения, встроенные функции анализа и дополнительные прикладные программы могут сэкономить время и облегчить работу.

Большинство осциллографов имеют математические и статистические функции и могут выполнять быстрое преобразование Фурье. Для «продвинутых» пользователей, занимающихся анализом сигналов, некоторые производители предлагают программные пакеты, которые позволяют настраивать сложные измерения или математические функции и выполнять последующую обработку сигнала прямо через интерфейс пользователя осциллографа.

Зачастую прикладные программы позволяют выполнять измерения, которые, в противном случае, вызывали бы очень большие затруднения. В качестве примера можно привести программное обеспечение Agilent InfiniiScan, которое является частью трехуровневой системы запуска осциллографов серии Agilent 90000A. Это ПО быстро выявляет нарушения целостности сигнала, выполняя сканирование нескольких тысяч сигналов и выделяя любые встреченные аномалии. Поэтому, выбирая осциллограф, важно изучить имеющееся программное обеспечение, чтобы не оказаться в ситуации, когда вам понадобятся функции или измерения, которые не может выполнить ПО вашего осциллографа.

Простота управления

Рассмотрение описанных выше девяти аспектов, вероятно, сократит область поиска до ограниченного числа устройств, удовлетворяющих вашим требованиям. Теперь настало время испытать их в работе и непосредственно сравнить между собой. Возьмите осциллографы на время и в течение нескольких дней тщательно их изучите. Это позволит оценить простоту управления каждым осциллографом.

Оценивая простоту управления, надо ответить на несколько вопросов. Предусмотрены ли специальные органы управления для часто используемых функций, таких как чувствительность, скорость развертки, положение осциллограммы и уровень запуска? Сколько кнопок нужно нажать, чтобы перейти из одного режима в другой? Можно ли управлять осциллографом интуитивно, сосредоточив внимание на решении стоящей задачи?

Простой в обращении осциллограф избавит вас от массы неудобств.

Заключение

Приобретая дорогое технологическое оборудование, важно быть уверенным в правильности принятого решения. Понимание описанных в этой статье десяти характеристик осциллографа позволит сделать более осмысленный выбор и найти осциллограф, максимально соответствующий вашим потребностям.

Определение вольт-амперных характеристик с помощью осциллографа

T&M решение

Осциллографы R&S ^® RTC1000 имеют встроенный тестер компонентов. Он состоит из генератора сигналов, который подает на тестируемое устройство синусоидальный сигнал с частотой 50 или 200 Гц с определенной амплитудой (макс. 9 В) и ограниченным током (макс. 10 мА). В этом режиме осциллографы используют аналого-цифровой преобразователь для оцифровки сигналов, на которые влияет компонент, и отображения их в виде сигнала зависимости тока от напряжения.

Принцип действия

Принцип действия можно легко проиллюстрировать на примере линейного пассивного компонента. На рис. 1 показана ВАХ резистора 2,1 кОм, подключенного к тестеру компонентов. Хорошо видно линейное поведение компонента. Ток линейно растет с увеличением напряжения. Например, ток составляет примерно 2 мА при напряжении 4 В. По закону Ома значение сопротивления составляет примерно 2 кОм.

Линейную зависимость между током и напряжением с реальным сопротивлением можно проверить с помощью второго резистора. На рис. 2 показана ВАХ другого компонента, подключенного к тестеру компонентов. Более крутой наклон характеристики означает, что при том же напряжении протекает больше тока, чем с резистором 2,1 кОм. По закону Ома сопротивление второй составляющей меньше. Ток при 0,9 В составляет примерно 8 мА. Результат – значение сопротивления примерно 110 Ом.Тестер компонентов осциллографов R & S®RTC1000 также может отображать характеристики нелинейных пассивных компонентов, таких как конденсаторы. На рис. 3 показан конденсатор емкостью 0,1 мкФ, подключенный к тестеру и первоначально стимулированный сигналом 50 Гц. Нелинейную характеристику легко определить по эллиптической форме полученной кривой.

Частотную зависимость ВАХ можно проиллюстрировать, просто изменив частоту стимула на 200 Гц.Реактивное сопротивление конденсатора можно рассчитать по следующей формуле:

Осциллограф

– обзор | Темы ScienceDirect

Об осциллографах

Современный осциллограф – один из самых замечательных инструментов, когда-либо созданных. Длительные и интенсивные усилия по разработке этих машин, возможно, могут сравниться только с фанатизмом, посвященным хронометражу. ⁴ Это дань уважения разработчикам осциллографов, что приборов, изготовленных более 25 лет назад, по-прежнему достаточно для более 90% сегодняшних измерений.Комбинация осциллографа и пробника, используемая при высокоскоростной работе, – это самое важное решение, которое должен принять разработчик в отношении оборудования. В идеале осциллограф должен иметь полосу пропускания не менее 150 МГц, но более медленные приборы приемлемы, если их ограничения хорошо известны. Убедитесь в характеристиках комбинации пробник-осциллограф. Необходимо учитывать время нарастания, полосу пропускания, резистивную и емкостную нагрузку, задержку, шум, сквозное соединение между каналами, восстановление перегрузки, нелинейность развертки, запуск, точность и другие ограничения.Высокоскоростная линейная схема требует многого от испытательного оборудования, и можно сэкономить бесчисленное количество часов, если характеристики используемых инструментов хорошо известны. Было потрачено неприлично много времени на поиск «проблем со схемой», которые на самом деле вызваны неправильно понятым, неправильно установленным или не отвечающим техническим требованиям оборудованием. Близкое знакомство с осциллографом неоценимо для получения наилучших результатов. Фактически, можно использовать кажущееся неадекватным оборудование для получения хороших результатов, если ограничения оборудования хорошо известны и соблюдаются.Все схемы в разделе «Приложения» имеют времена нарастания и задержки, значительно превышающие диапазон 100–200 МГц, но 90% разработок выполнялось с помощью осциллографа на 50 МГц. Знакомство с оборудованием и продуманная методика измерений позволяют проводить полезные измерения, выходящие за рамки технических характеристик прибора. Осциллограф 50 МГц не может отследить импульс с временем нарастания 5 нс, но он может измерить задержку 2 нс между двумя такими событиями. Используя такие методы, часто можно получить желаемую информацию.Бывают ситуации, когда никакая изобретательность не сработает и необходимо использовать правильное оборудование (например, более быстрый осциллограф). Иногда все, что требуется, – это «проверка работоспособности» прибора с ограниченной полосой пропускания с помощью осциллографа с более высокой полосой пропускания. Для высокоскоростной работы при необходимости незаменима широкая полоса пропускания, и никакие функции или вычислительная сложность не заменят ее. Для большинства высокоскоростных схем не требуется более двух трасс, чтобы добраться туда, куда вы собираетесь. Желательна универсальность и много каналов, но если бюджет ограничен, тратьте деньги на пропускную способность!

Резкие различия в отображаемых результатах возникают из-за комбинаций пробника и осциллографа с различной полосой пропускания.На рисунке 33.38 показан выходной сигнал очень быстрого импульса ⁵ , контролируемого осциллографом с частотой дискретизации 1 ГГц (Tektronix 556 с подключаемым модулем дискретизации 1S1). При этой полосе пропускания амплитуда 10 В выглядит чистой, с небольшим намеком на звон после спада. Время нарастания и спада 350 пс вызывает подозрение, так как время нарастания стробоскопического осциллографа также указано на уровне 350 пс. ⁶

Рисунок 33.38. Импульс 10 В со временем нарастания / спада 350 мс, отслеживаемый на стробоскопическом осциллографе с частотой 1 ГГц. Используется прямое входное соединение 50 Ом

Рисунок 33.39 показан тот же импульс, наблюдаемый на приборе 350 МГц с прямым подключением ко входу (вход Tektronix 485/50 Ом). Указанное время нарастания увеличивается до 1 нс, а отображаемая амплитуда уменьшается до 6 В, отражая меньшую полосу пропускания этого прибора. Чтобы подчеркнуть предыдущее обсуждение, плохая техника заземления (1½ дюйма заземления ведет к заземляющей пластине) создавала длительную рябь после спада импульса.

Рисунок 33.39. Тестовый импульс становится меньше и медленнее на приборе с частотой 350 МГц (tRISE = 1 нс).Преднамеренно плохое заземление вызывает рябь после падения пульса. Используется прямое соединение 50 Ом

На рисунке 33.40 показан тот же осциллограф с частотой 350 МГц (вход 50 Ом) с пробником 3 ГГц 10 × (Tektronix P6056). Отображаемые результаты практически идентичны, так как широкая полоса пропускания датчика не способствует ухудшению характеристик. Опять же, преднамеренное плохое заземление вызывает выбросы и колебания при падении пульса.

Рисунок 33.40. Тестовый импульс на том же осциллографе 350 МГц с использованием пробника 3 ГГц 10X. Преднамеренное плохое заземление сохраняет остатки ряби

Рисунок 33.41 оснащает тот же осциллограф пробником 10X с полосой пропускания 290 МГц (Tektronix P6047). Кроме того, осциллограф был переключен в режим входа 1 МОм, что снизило полосу пропускания до заданных 250 МГц. Амплитуда снижается до менее 4 В, и время фронта аналогичным образом увеличивается. Преднамеренно плохое заземление способствует недогрузке и восстановлению при падении пульса.

Рисунок 33.41. Тестовый импульс измеряет только 3 В на осциллографе 250 МГц со значительным искажением формы сигнала. Используемый пробник 10X, 250 МГц

На рисунке 33.42 зонд 10X 100 МГц (Hewlett-Packard Model 10040A) был заменен устройством 290 МГц. Осциллограф и его настройка остались прежними. Амплитуда уменьшается ниже 2 В с соразмерным временем нарастания и спада. Очищенное заземление устраняет аберрации.

Рисунок 33.42. Испытательный импульс измеряет напряжение ниже 2 В с использованием осциллографа 250 МГц и пробника 100 МГц

Tektronix 454A (150 МГц) произвел кривую, показанную на рисунке 33.43. Генератор импульсов был напрямую подключен к входу. Отображаемая амплитуда составляет около 2 В с соответствующими краями 2 нс.Наконец, прибор с частотой 50 МГц (Tektronix 556 с подключаемым модулем 1A4) едва реагирует на импульс (рисунок 33.44). Указанная амплитуда составляет 0,5 В, с краями около 7 нс. Это далеко от реально существующих 10V и 350ps!

Рисунок 33.43. Осциллограф 150 МГц (tRISE = 2,4 нс) при прямом подключении реагирует на тестовый импульс

Рисунок 33.44. Инструмент на 50 МГц едва ворчит. Тестовый импульс 10 В, 350 пс, измеряет только 0,5 В, время нарастания и спада 7 нс!

Последняя характеристика осциллографа – характеристики перегрузки.Часто желательно видеть часть большой формы волны с малой амплитудой. Во многих случаях требуется, чтобы осциллограф выдавал точную форму сигнала после того, как дисплей был отключен от экрана. Как долго нужно ждать после перегрузки, прежде чем к дисплею можно будет относиться серьезно? Ответ на этот вопрос довольно сложен. В число вовлеченных факторов входят степень перегрузки, ее рабочий цикл, ее величина во времени и амплитуде, а также другие факторы. Реакция осциллографа на перегрузку широко варьируется в зависимости от типа, и в каждом отдельном приборе можно наблюдать заметно разное поведение.Например, время восстановления при 100-кратной перегрузке при 0,005 В / деление может сильно отличаться от времени при 0,1 В / деление. Характеристики восстановления также могут варьироваться в зависимости от формы сигнала, содержания постоянного тока и частоты повторения. При таком большом количестве переменных ясно, что к измерениям, связанным с перегрузкой осциллографа, следует подходить с осторожностью. Тем не менее, простой тест может указать, когда на осциллограф пагубно влияет перегрузка.

Форма сигнала, которая должна быть расширена, помещается на экран с вертикальной чувствительностью, что исключает любую активность вне экрана.На рисунке 33.45 показан дисплей. Нижняя правая часть должна быть расширена. Увеличение вертикальной чувствительности в два раза (рис. 33.46) выводит форму сигнала за пределы экрана, но оставшееся изображение выглядит приемлемым. Амплитуда увеличилась вдвое, а форма волны соответствует исходному изображению. При внимательном рассмотрении можно увидеть информацию о небольшой амплитуде, представленную в виде провала в форме волны примерно на третьем вертикальном делении. Также видны небольшие нарушения. Это наблюдаемое расширение исходной формы волны правдоподобно.На рисунке 33.47 усиление было дополнительно увеличено, и все особенности рисунка 33.46 соответственно усилены. Основная форма волны кажется более четкой, а также легче увидеть провал и небольшие возмущения. Никаких новых характеристик формы сигнала не наблюдается. Рисунок 33.48 преподносит неприятные сюрпризы. Это увеличение усиления вызывает определенные искажения. Начальный отрицательно идущий пик хоть и больше, но имеет другую форму. Его дно кажется менее широким, чем на рис. 33.47. Кроме того, положительное восстановление пика имеет несколько иную форму.В центре экрана видна новая рябь. Такое изменение указывает на то, что осциллограф неисправен. Дальнейшее испытание может подтвердить, что на этот сигнал влияет перегрузка. На рис. 33.49 коэффициент усиления остался прежним, но ручка вертикального положения использовалась для изменения положения дисплея в нижней части экрана. Это смещает рабочую точку постоянного тока осциллографа, что в нормальных условиях не должно влиять на отображаемую форму сигнала. Вместо этого происходит заметное смещение амплитуды и контура формы волны.При перемещении сигнала в верхнюю часть экрана форма сигнала искажается по-разному (рис. 33.50). Очевидно, что для данной формы сигнала точные результаты не могут быть получены при таком усилении.

Фигуры 33.45-50. Предел перегрузки определяется постепенным увеличением усиления осциллографа и отслеживанием аберраций формы сигнала

Дифференциальные плагины могут решить некоторые проблемы, связанные с чрезмерным перегрузом, но не могут решить все проблемы. Особого упоминания заслуживают два дифференциальных типа подключаемых модулей.На низком уровне не обойтись без подключаемого модуля дифференциала высокой чувствительности. Tektronix 1A7, 1A7A и 7A22 имеют чувствительность 10 мкВ, хотя полоса пропускания ограничена 1 МГц. Устройства также имеют выбираемые фильтры высоких и низких частот и хорошее подавление синфазного сигнала высоких частот. Tektronix типа 1A5, W и 7A13 – это дифференциальные компараторы. В них есть откалиброванные источники обнуления постоянного тока (обратного сдвига), позволяющие наблюдать небольшие, медленно движущиеся события поверх синфазного постоянного тока или быстрые события, связанные с осциллограммой.

Особый случай – стробоскопический осциллограф. По характеру своей работы, область отбора проб в надлежащем рабочем состоянии по своей природе невосприимчива к перегрузке на входе, обеспечивая практически мгновенное восстановление между выборками. Приложение B, «Измерительное время установления усилителя», использует эту возможность. См. Ссылку 8 для получения дополнительных сведений.

Однако лучший подход к измерению небольших участков больших сигналов – это исключить большие колебания сигнала, наблюдаемые осциллографом. В Приложении B, «Измерение времени установления усилителя» показаны способы сделать это при измерении времени установления ЦАП-усилителя с очень высокой точностью на высокой скорости.

Таким образом, хотя осциллограф обладает замечательными возможностями, при интерпретации результатов необходимо хорошо понимать его ограничения. ⁷

Как использовать осциллограф в качестве измерителя кривой

Как использовать осциллограф в качестве измерителя кривой

Инженеры

обычно используют осциллографы для просмотра графиков зависимости напряжения от времени. Однако осциллографы Keysight также могут отображать зависимость напряжения от напряжения с помощью «режима X-Y».Эти осциллографы также могут отображать зависимость тока от напряжения или расхода от давления, когда используются датчики тока или другие преобразователи.

Одним из полезных применений режима X-Y является построение ВАХ полупроводникового прибора. В отличие от простого пассивного компонента, такого как резистор, полупроводники, такие как диоды, имеют нелинейные области, и полезно понимать их поведение при приложении другого напряжения или тока. Специальные инструменты, которые выполняют такие измерения, известны как измерители кривой, но мы также можем выполнять ту же задачу и проводить те же измерения с помощью повседневного осциллографа и генератора сигналов.Поскольку большинство осциллографов Keysight InfiniiVision оснащены встроенным генератором функций, теперь это можно сделать с помощью только одного прибора.

Установите функциональный генератор на синусоидальную волну с амплитудой 4 В и смещением 2 В постоянного тока. Частота не имеет большого значения, но вы можете оставить ее на низком уровне, чтобы минимизировать искажения или шум, поскольку некоторые источники сигнала обеспечивают лучшую производительность и более низкие частоты. Изящный трюк – использовать светодиод, чтобы вы могли видеть, как он загорается, и одновременно отслеживая кривую.

Начните с подключения генератора сигналов к диоду. Измерьте напряжение на выводах диода с каналом 1 (вход X) и ток через диод с каналом 2 (вход Y). Вам понадобится токовый пробник, например токоизмерительные клещи Keysight 1147B, код RS. (667-7417) . Если у вас нет токового пробника, вы можете измерить падение напряжения на маломощном шунтирующем резисторе и рассчитать потребляемый ток, используя закон Ома.

Во-первых, вы увидите два сигнала как «Вольт-В- время», «нормальный» вид осциллографа.Возможно, вы захотите выполнить автоматическое масштабирование, а затем изменить масштаб двух сигналов для достижения наилучшего разрешения. Это должно выглядеть примерно так:

Желтая кривая, канал 1 – напряжение. Зеленая кривая, канал 2 – ток.

Теперь отобразите это как напряжение -v- ток: измените настройку временной развертки на режим X-Y (в осциллографах Keysight вы найдете это в меню сбора данных).

Обычно осциллограмма начинается с небольшого размера и не центрируется на экране из-за смещения сигнала, поэтому вы можете настроить элементы управления смещением осциллографа для центрирования кривой на экране.Вы можете изменить V / div на осциллографе, чтобы увеличить размер сигнала, чтобы увидеть его более четко.

Затем вы можете начать увеличивать смещение или амплитуду генератора сигналов, чтобы увидеть больше характеристик диода. Пример ниже – прямая проводимость показана так, как мы и ожидали из таблицы данных.

Обратите внимание, что абсолютная точность при использовании этого подхода не является основной целью, инженеры могут понять характеристики диода только по форме кривой – и, изменив смещение и диапазон, легко продемонстрировать или проанализировать характеристики в дальнейшем.

И все! Насколько просто добавить к вашему осциллографу дополнительные возможности и сэкономить на стоимости другого прибора!

Итак, что еще может делать ваш осциллограф…?

Посетите страницу осциллографов Keysight для получения дополнительной информации.

Осциллографические системы и органы управления

: описание функций и запуска

Горизонтальная система и органы управления

Горизонтальная система осциллографа наиболее тесно связана с получением входного сигнала.Здесь важны частота дискретизации и длина записи. Горизонтальные элементы управления используются для позиционирования и масштабирования сигнала по горизонтали. Общие горизонтальные элементы управления включают:

• Приобретение
• Частота дискретизации
• Позиция и секунды на деление
• Временная база
• Масштабирование / панорамирование
• Поиск
• Режим XY

• Ось Z
• Режим XYZ
• Положение триггера
• Масштаб
• Разделение следов
• Длина записи
• Разрешение

Некоторые из этих элементов управления описаны ниже.

Органы управления приобретениями

Цифровые осциллографы

имеют настройки, позволяющие управлять обработкой сигнала системой сбора данных. На рисунке 22 показан пример меню сбора данных.

Просмотрите варианты сбора данных на вашем цифровом осциллографе, пока вы читаете этот раздел.

Рисунок 22 : Пример меню сбора данных.

Режимы сбора данных

Режимы сбора данных управляют тем, как точки формы сигнала создаются из точек выборки.Точки выборки – это цифровые значения, полученные непосредственно от аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Интервал выборки относится к времени между этими точками выборки.

точек сигнала – это цифровые значения, которые хранятся в памяти и отображаются для построения сигнала. Разница во времени между точками формы сигнала называется интервалом формы сигнала.

Интервал выборки и интервал формы сигнала могут совпадать, а могут и не совпадать. Этот факт приводит к существованию нескольких различных режимов сбора данных, в которых одна точка сигнала состоит из нескольких последовательно полученных точек выборки.

Кроме того, точки формы сигнала могут быть созданы из совокупности точек выборки, взятых из нескольких сборов, что обеспечивает еще один набор режимов сбора данных. Ниже приводится описание наиболее часто используемых режимов сбора данных.

Режим выборки: Это самый простой режим сбора данных. Осциллограф создает точку сигнала, сохраняя одну точку выборки в течение каждого интервала сигнала.

Режим обнаружения пика: Осциллограф сохраняет точки выборки минимального и максимального значения, полученные в течение двух интервалов формы сигнала, и использует эти выборки в качестве двух соответствующих точек формы сигнала.

Цифровые осциллографы

с режимом обнаружения пиков запускают АЦП с высокой частотой дискретизации даже при очень медленных настройках временной развертки (настройки медленной временной развертки преобразуются в длинные интервалы формы сигнала) и способны фиксировать быстрые изменения сигнала, которые могут произойти между точками формы сигнала, если в режиме выборки (рисунок 23).

Рисунок 23 : Частота дискретизации зависит от настроек временной развертки – чем медленнее настройка на основе времени, тем медленнее частота дискретизации. Некоторые цифровые осциллографы обеспечивают режим обнаружения пиков для захвата быстрых переходных процессов при низкой скорости развертки.

Режим обнаружения пиков особенно полезен для наблюдения узких импульсов, разнесенных во времени, как показано на рисунке 24.

Рисунок 24 : Программное обеспечение для расширенного анализа и повышения производительности, такое как MATLAB®, может быть установлено в осциллографах на базе Windows для выполнения локального анализа сигналов.

Режим высокого разрешения: Как и обнаружение пика, режим высокого разрешения – это способ получить больше информации в тех случаях, когда АЦП может производить выборку быстрее, чем требует установка временной развертки.В этом случае несколько выборок, взятых в пределах одного интервала сигнала, усредняются вместе для получения одной точки сигнала.

Результат – уменьшение шума и улучшение разрешения для низкоскоростных сигналов. Преимущество режима Hi-Res над средним состоит в том, что режим Hi-Res можно использовать даже для одиночного снимка.

Режим огибающей: Режим огибающей аналогичен режиму обнаружения пика. Однако в режиме огибающей точки минимума и максимума сигнала из нескольких захватов объединяются для формирования сигнала, показывающего накопление минимального / максимального значения во времени.

Режим обнаружения пиков обычно используется для сбора записей, которые объединяются для формирования формы сигнала огибающей.

Режим усреднения: В режиме усреднения осциллограф сохраняет одну точку выборки в течение каждого интервала сигнала, как и в режиме выборки. Тем не менее, точки формы сигнала от последовательных регистраций затем усредняются вместе, чтобы получить окончательную отображаемую форму сигнала.

Средний режим снижает шум без потери полосы пропускания, но требует повторяющегося сигнала.

Режим базы данных сигналов: В режиме базы данных сигналов осциллограф накапливает базу данных сигналов, которая предоставляет трехмерный массив амплитуды, времени и числа.

Запуск и остановка системы сбора данных

Одним из самых больших преимуществ цифровых осциллографов является их способность сохранять формы сигналов для последующего просмотра.

Для этого на передней панели обычно имеется одна или несколько кнопок, которые позволяют запускать и останавливать систему сбора данных, чтобы вы могли анализировать формы сигналов в любое время.

Кроме того, вы можете захотеть, чтобы осциллограф автоматически останавливал сбор данных после завершения одного сбора данных или после того, как один набор записей был преобразован в огибающую или усредненную форму сигнала.

Эта функция обычно называется одиночной разверткой или одиночной последовательностью, и ее элементы управления обычно находятся либо с другими элементами управления сбором данных, либо с элементами управления запуском.

Отбор проб

Выборка – это процесс преобразования части входного сигнала в несколько дискретных электрических величин с целью хранения, обработки и / или отображения. Величина каждой точки дискретизации равна амплитуде входного сигнала в момент времени, в который сигнал дискретизируется.

Выборка похожа на создание снимков. Каждый снимок соответствует определенному моменту времени на осциллограмме. Затем эти снимки можно расположить в соответствующем порядке по времени для восстановления входного сигнала.

В цифровом осциллографе массив точек дискретизации восстанавливается на дисплее с измеренной амплитудой по вертикальной оси и временем по горизонтальной оси (рисунок 25).

Входной сигнал, показанный на Рисунке 25, отображается на экране в виде серии точек.Если точки расположены далеко друг от друга и их трудно интерпретировать как форму волны, точки можно соединить с помощью процесса, называемого интерполяцией.

Интерполяция соединяет точки линиями или векторами. Доступен ряд методов интерполяции, которые можно использовать для получения точного представления непрерывного входного сигнала.

Рисунок 25 : Базовая выборка, показывающая, что точки выборки соединены интерполяцией для получения непрерывной формы сигнала.

Средства контроля отбора проб

В некоторых цифровых осциллографах можно выбрать метод выборки: выборку в реальном времени или эквивалентную выборку.Элементы управления сбором данных, доступные в этих осциллографах, позволяют выбрать метод сбора данных для сбора сигналов.

Обратите внимание, что этот выбор не имеет значения для настроек медленной временной развертки и действует только тогда, когда АЦП не может выполнять выборку достаточно быстро, чтобы заполнить запись точками формы сигнала за один проход. Каждый метод отбора проб имеет определенные преимущества в зависимости от типа выполняемых измерений.

Обычно доступны элементы управления, позволяющие выбрать один из трех режимов горизонтальной временной развертки.Если вы просто исследуете сигнал и хотите взаимодействовать с живым сигналом, вы используете автоматический или интерактивный режим по умолчанию, который обеспечивает максимальную скорость обновления дисплея.

Если вам нужно точное измерение и наивысшая частота дискретизации в реальном времени, обеспечивающая максимальную точность измерения, то используйте режим постоянной частоты дискретизации. Он поддерживает самую высокую частоту дискретизации и обеспечивает наилучшее разрешение в реальном времени.

Последний режим называется ручным, поскольку он обеспечивает прямое и независимое управление частотой дискретизации и длиной записи.

Метод отбора проб в реальном времени

Выборка в реальном времени идеально подходит для сигналов, частотный диапазон которых меньше половины максимальной частоты дискретизации осциллографа.

Здесь осциллограф может получить более чем достаточное количество точек за одну «развертку» формы сигнала для построения точного изображения, как показано на рисунке 26. Выборка в реальном времени – единственный способ захвата быстрых однократных переходных сигналов с цифровой осциллограф.

Рисунок 26 : Программное обеспечение для расширенного анализа и повышения производительности, такое как MATLAB®, можно установить в осциллографы на базе Windows для выполнения локального анализа сигналов.

Выборка в реальном времени представляет собой самую большую проблему для цифровых осциллографов из-за частоты дискретизации, необходимой для точной оцифровки высокочастотных переходных процессов, как показано на рисунке 27.

Эти события происходят только один раз, и их выборка должна производиться в тот же период времени, что и они.

Рисунок 27 : Метод выборки в реальном времени.

Если частота дискретизации недостаточна, высокочастотные компоненты могут «сворачиваться» в более низкую частоту, вызывая искажение спектров на дисплее, как показано на рисунке 28.Кроме того, выборка в реальном времени дополнительно усложняется из-за наличия высокоскоростной памяти, необходимой для хранения формы сигнала после его оцифровки.

Пожалуйста, обратитесь к разделам «Частота дискретизации» и «Длина записи» в главе 3 – Оценка осциллографов для получения дополнительных сведений о частоте дискретизации и длине записи, необходимых для точной характеристики высокочастотных компонентов.

Рисунок 28 : Недостаточная дискретизация синусоидальной волны 100 МГц приводит к эффектам наложения спектров.

Для дискретизации в реальном времени с интерполяцией цифровые осциллографы берут дискретные отсчеты сигнала, которые могут быть отображены.Однако может быть трудно визуализировать сигнал, представленный в виде точек, особенно потому, что может быть только несколько точек, представляющих высокочастотные части сигнала.

Для облегчения визуализации сигналов цифровые осциллографы обычно имеют режимы отображения с интерполяцией.

Интерполяция – это метод обработки, используемый для оценки формы сигнала на основе нескольких точек. Проще говоря, интерполяция «соединяет точки», так что сигнал, который отбирается только несколько раз в каждом цикле, может быть точно отображен.

Используя выборку в реальном времени с интерполяцией, осциллограф собирает несколько точек выборки сигнала за один проход в режиме реального времени и использует интерполяцию для заполнения пропусков. Линейная интерполяция соединяет точки выборки прямыми линиями. Этот подход ограничен реконструкцией сигналов с прямой линией (рис. 29), которые лучше подходят для прямоугольных волн. Более универсальная интерполяция sin x / x соединяет точки выборки с кривыми (рисунок 29).

Интерполяция Sin x / x – это математический процесс, в котором вычисляются точки, чтобы заполнить время между реальными выборками.Эта форма интерполяции позволяет получать изогнутые и неправильные формы сигналов, которые гораздо более распространены в реальном мире, чем чистые прямоугольные волны и импульсы. По этой причине интерполяция sin x / x является предпочтительным методом для приложений, в которых частота дискретизации в три-пять раз превышает полосу пропускания системы.

Если частота дискретизации недостаточно высока, высокочастотные компоненты могут «сворачиваться» в более низкую частоту, вызывая наложение на дисплее, как показано на рисунке 28. Кроме того, дискретизация в реальном времени дополнительно осложняется высокой частотой дискретизации. -скоростная память, необходимая для сохранения формы сигнала после его оцифровки.

Пожалуйста, обратитесь к разделам «Частота дискретизации» и «Длина записи» в главе 3 – Оценка осциллографов для получения дополнительных сведений о частоте дискретизации и длине записи, необходимых для точной характеристики высокочастотных компонентов.

Рисунок 29 : Линейная и sin x / x интерполяция.

Метод отбора проб в эквивалентном времени

При измерении высокочастотных сигналов осциллограф может не собрать достаточное количество отсчетов за одну развертку. Для точного сбора сигналов, частота которых превышает половину частоты дискретизации осциллографа, можно использовать дискретизацию в эквивалентном времени (рисунок 30).

Рисунок 30 : В некоторых осциллографах используется выборка эквивалентного времени для захвата и отображения очень быстрых повторяющихся сигналов.

Дигитайзеры с эквивалентным временем (пробоотборники)

используют тот факт, что большинство естественных и техногенных событий повторяются. Выборка в эквивалентном времени создает изображение повторяющегося сигнала путем захвата небольшого количества информации из каждого повторения.

Форма волны медленно нарастает, как гирлянда огней, загораясь один за другим.Это позволяет осциллографу точно захватывать сигналы, частотные составляющие которых намного превышают частоту дискретизации осциллографа. Существует два типа методов выборки за эквивалентное время: случайный и последовательный. У каждого свои преимущества:

• Случайная выборка в эквивалентном времени позволяет отображать входной сигнал до точки запуска без использования линии задержки.
• Последовательная выборка в эквивалентном времени обеспечивает гораздо большее разрешение и точность по времени.

Оба требуют, чтобы входной сигнал был повторяющимся.

Случайная выборка в эквивалентном времени

Дигитайзеры

случайного эквивалентного времени (семплеры) используют внутренние часы, которые работают асинхронно относительно входного сигнала и сигнала запуска (рисунок 31).

Рисунок 31 : При случайной выборке с эквивалентным временем тактовая частота дискретизации работает асинхронно с входным сигналом и триггером.

Выборки берутся непрерывно, независимо от положения триггера, и отображаются в зависимости от разницы во времени между выборкой и триггером.Хотя выборки берутся последовательно во времени, они случайны по отношению к триггеру, отсюда и название «случайная» выборка эквивалентного времени. При отображении на экране осциллографа точки выборки появляются на осциллограмме случайным образом.

Возможность сбора и отображения выборок до точки запуска является ключевым преимуществом этого метода выборки, устраняя необходимость во внешних сигналах предварительного запуска или линиях задержки.

В зависимости от частоты дискретизации и временного окна дисплея случайная выборка может также позволить получить более одной выборки для каждого инициированного события.Однако при более высоких скоростях развертки окно сбора данных сужается до тех пор, пока дигитайзер не может производить выборку при каждом запуске.

Именно на этих более высоких скоростях развертки часто выполняются очень точные временные измерения, и именно в этом случае исключительное временное разрешение последовательного семплера эквивалентного времени является наиболее полезным. Предел пропускной способности для случайной выборки в эквивалентном времени меньше, чем для последовательной выборки.

Последовательная выборка в эквивалентном времени

Последовательный семплер с эквивалентным временем получает одну выборку для каждого триггера, независимо от настройки времени / деления или скорости развертки, как показано на рисунке 32.

Рисунок 32 : При последовательной выборке за эквивалентное время одна выборка берется для каждого распознанного триггера после временной задержки, которая увеличивается после каждого цикла.

При обнаружении триггера образец берется после очень короткой, но четко определенной задержки. Когда происходит следующий запуск, к этой задержке добавляется небольшое приращение времени – дельта t, и дигитайзер берет еще одну выборку.

Этот процесс повторяется много раз с добавлением «дельты t» к каждому предыдущему получению данных, пока не заполнится временное окно.При отображении на экране осциллографа точки выборки появляются последовательно слева направо вдоль формы сигнала.

С технологической точки зрения легче создать очень короткую и очень точную «дельту t», чем точно измерить вертикальное и горизонтальное положения выборки относительно точки запуска, как того требуют случайные выборки. Именно благодаря этой точно измеренной задержке последовательные семплеры обладают непревзойденным временным разрешением.

При последовательной выборке выборка берется после обнаружения уровня триггера, поэтому точка триггера не может отображаться без аналоговой линии задержки.Это, в свою очередь, может уменьшить пропускную способность инструмента. Если может быть поставлен внешний предварительный запуск, это не повлияет на полосу пропускания.

Позиция и секунды на деление

Элемент управления положением по горизонтали перемещает сигнал влево и вправо в нужное место на экране. Параметр «секунды на деление» (обычно обозначаемый как «сек / дел») позволяет выбрать скорость, с которой осциллограмма отображается на экране (также известная как настройка временной развертки или скорость развертки).

Этот параметр является масштабным коэффициентом.Если настройка составляет 1 мс, каждое горизонтальное деление соответствует 1 мс, а общая ширина экрана составляет 10 мс или десять делений. Изменение настройки секунд / дел позволяет просматривать более длинные и более короткие временные интервалы входного сигнала.

Как и вертикальная шкала вольт / дел, горизонтальная шкала секунд / дел может иметь переменную синхронизацию, что позволяет вам установить горизонтальную шкалу времени между дискретными настройками.

Выбор временной развертки

В вашем осциллографе есть временная развертка, которую обычно называют основной временной разверткой.Многие осциллографы также имеют так называемую временную развертку с задержкой. Это временная развертка с разверткой, которая может начинаться (или запускаться для запуска) относительно заранее определенного времени на основной развертке временной развертки.

Использование развертки временной развертки с задержкой позволяет более четко видеть события и видеть события, которые не видны только при основной развертке временной развертки.

Временная база с задержкой требует настройки временной задержки и возможного использования режимов отсроченного запуска и других настроек, не описанных в данном учебном пособии.Обратитесь к руководству, прилагаемому к вашему осциллографу, для получения информации о том, как использовать эти функции.

Масштабирование / панорамирование

Ваш осциллограф может иметь специальные настройки увеличения по горизонтали, которые позволяют отображать увеличенный фрагмент сигнала на экране. Некоторые осциллографы добавляют к возможности масштабирования функции панорамирования. Ручки используются для регулировки коэффициента масштабирования или масштаба и панорамирования поля масштабирования по форме волны.

Поиск

Некоторые осциллографы предлагают возможности поиска и маркировки, что позволяет быстро перемещаться по длительным сбору данных в поисках событий, определяемых пользователем.

Режим XY

Большинство осциллографов имеют режим XY, который позволяет отображать входной сигнал, а не развертку времени, на горизонтальной оси. Этот режим работы открывает совершенно новую область методов измерения фазового сдвига, как объясняется в разделе «Методы измерения осциллографом» главы 5 «Настройка и использование осциллографа».

Ось Z

Цифровой люминофорный осциллограф (DPO) имеет высокую плотность выборки дисплея и врожденную способность захватывать информацию об интенсивности.Благодаря своей оси интенсивности (ось Z) DPO может обеспечивать трехмерное отображение в реальном времени, аналогичное аналоговому осциллографу.

Когда вы смотрите на кривую формы сигнала на DPO, вы можете видеть светлые области. Это области, где сигнал возникает чаще всего.

Этот дисплей позволяет легко отличить базовую форму сигнала от переходного процесса, который возникает только время от времени – основной сигнал выглядит намного ярче. Одним из применений оси Z является подача специальных синхронизированных сигналов на отдельный вход Z для создания выделенных «маркерных» точек с известными интервалами в форме волны.

Режим XYZ с дисплеем записи DPO и XYZ

Некоторые DPO могут использовать вход Z для создания XY-дисплея с градацией интенсивности. В этом случае DPO производит выборку мгновенного значения данных на входе Z и использует это значение для определения определенной части сигнала.

После того, как вы квалифицируете образцы, эти образцы могут накапливаться, что приводит к отображению XYZ с градацией интенсивности.

Режим XYZ особенно полезен для отображения диаграмм направленности, обычно используемых при тестировании устройств беспроводной связи, таких как диаграмма созвездий.

Другой метод отображения данных XYZ – отображение записи XYZ. В этом режиме используются данные из памяти сбора данных, а не из базы данных DPO.

Система запуска и органы управления

Функция триггера осциллографа синхронизирует горизонтальную развертку в правильной точке сигнала. Это важно для четкой характеристики сигнала. Элементы управления запуском позволяют стабилизировать повторяющиеся сигналы и захватывать одиночные сигналы.

Триггер заставляет повторяющиеся осциллограммы казаться статичными на дисплее осциллографа за счет многократного отображения одной и той же части входного сигнала.Представьте себе беспорядок на экране, который может возникнуть, если каждая развертка будет начинаться в разных местах сигнала, как показано на рисунке 33.

Рисунок 33 : Индикация без срабатывания.

Запуск по фронту

, доступный в аналоговых и цифровых осциллографах, является основным и наиболее распространенным типом. В дополнение к пороговому запуску, предлагаемому как аналоговыми, так и цифровыми осциллографами, многие цифровые осциллографы предлагают множество специализированных настроек запуска, не предлагаемых аналоговыми приборами.

Эти триггеры реагируют на определенные условия входящего сигнала, что позволяет легко обнаружить, например, импульс, который уже, чем должен быть. Такое состояние невозможно обнаружить с помощью одного триггера порога напряжения.

Расширенные средства управления запуском позволяют изолировать определенные интересующие события, чтобы оптимизировать частоту дискретизации и длину записи осциллографа. Расширенные возможности запуска в некоторых осциллографах обеспечивают очень избирательный контроль.

Вы можете запускать по импульсам, определяемым по амплитуде (например, кратковременным импульсам), квалифицируемым по времени (ширина импульса, сбой, скорость нарастания, установка и удержание и тайм-аут), а также по логическому состоянию или шаблону (логический запуск ).

Другие расширенные функции триггера включают:

Запуск по шаблону: Запуск по шаблону добавляет новое измерение к запуску по последовательному шаблону NRZ, позволяя осциллографу выполнять синхронизированные измерения длинной последовательной тестовой таблицы с выдающейся точностью временной развертки.

Запуск с синхронизацией по шаблону можно использовать для удаления случайного джиттера из длинных шаблонов последовательных данных. Можно исследовать эффекты определенных битовых переходов, и можно использовать усреднение с тестированием по маске.

Запуск по последовательному шаблону: Запуск по последовательному шаблону можно использовать для отладки последовательных архитектур. Он обеспечивает запуск по последовательному шаблону последовательного потока данных NRZ со встроенным восстановлением тактовой частоты и коррелирует события на физическом и канальном уровнях.

Инструмент может восстанавливать тактовый сигнал, идентифицировать переходы и позволять вам устанавливать желаемые закодированные слова для захвата последовательного запуска по шаблону.

Запуск A и B: Некоторые системы запуска предлагают несколько типов запуска только по одному событию (событие A), при этом выбор отложенного запуска (событие B) ограничен запуском по фронту и часто не позволяет сбросить запуск последовательность, если событие B не происходит.

Современные осциллографы могут предоставить полный набор расширенных типов запуска для триггеров A и B, логическую квалификацию для управления, когда искать эти события, и сброс триггера, чтобы снова начать последовательность триггера через заданное время, состояние или переход, чтобы могут быть зафиксированы даже события в самых сложных сигналах.

Запуск поиска и пометки: Аппаратные триггеры отслеживают события одного типа за раз, но поиск может сканировать несколько типов событий одновременно.Например, сканирование на предмет нарушений времени установки или удержания на нескольких каналах. Отдельные отметки могут быть размещены с помощью поиска, указывая события, которые соответствуют критериям поиска.

Коррекция триггера: Поскольку триггерные системы и системы сбора данных имеют разные пути, существует некоторая внутренняя временная задержка между положением триггера и полученными данными. Это приводит к перекосу и джиттеру триггера.

С системой коррекции триггера прибор регулирует положение триггера и компенсирует разницу в задержке между трактом триггера и путем сбора данных.Это устраняет практически любое дрожание запуска в точке запуска. В этом режиме точка запуска может использоваться как точка отсчета для измерения. Последовательный запуск по определенным стандартным сигналам I2C, CAN, LIN и т. Д.):

Некоторые осциллографы (сравните осциллографы Tektronix) предоставляют возможность запуска по определенным типам сигналов для стандартных сигналов последовательных данных, таких как CAN, LIN, I2C, SPI и другие. Декодирование этих типов сигналов также доступно на многих осциллографах.

Запуск параллельной шины: Несколько параллельных шин могут быть определены и отображены одновременно, чтобы легко просматривать декодированные данные параллельной шины с течением времени.Указав, какие каналы являются линиями синхронизации и данных, вы можете создать отображение параллельной шины на некоторых осциллографах, которое автоматически декодирует содержимое шины.

Вы можете сэкономить бесчисленные часы, используя триггеры параллельной шины, чтобы упростить захват и анализ. Дополнительные элементы управления запуском в некоторых осциллографах разработаны специально для проверки сигналов связи.

На рисунке 34 более подробно показаны некоторые из этих распространенных типов триггеров. Для максимальной производительности некоторые осциллографы имеют интуитивно понятный пользовательский интерфейс, позволяющий быстро настраивать параметры запуска с большой гибкостью в настройке тестирования.

Рисунок 34 : Распространенные типы триггеров.

Положение триггера

Управление положением триггера по горизонтали доступно только в цифровых осциллографах. Элемент управления положением триггера может находиться в секции горизонтального управления осциллографа. Фактически он представляет горизонтальное положение триггера в записи сигнала.

Изменение положения триггера по горизонтали позволяет фиксировать действия сигнала перед событием триггера, известное как просмотр перед триггером.Таким образом, он определяет длину видимого сигнала как до, так и после точки запуска.

Цифровые осциллографы могут обеспечивать просмотр до запуска, поскольку они постоянно обрабатывают входной сигнал независимо от того, был ли получен запуск. Через осциллограф проходит постоянный поток данных; триггер просто указывает осциллографу сохранить текущие данные в памяти.

Напротив, аналоговые осциллографы отображают сигнал, то есть записывают его на ЭЛТ, только после получения сигнала запуска.Таким образом, просмотр до запуска недоступен в аналоговых осциллографах, за исключением небольшого количества предварительного запуска, обеспечиваемого линией задержки в вертикальной системе.

Просмотр перед срабатыванием триггера является ценным подспорьем при поиске и устранении неисправностей. Если проблема возникает периодически, вы можете активировать ее, записать события, которые привели к ней, и, возможно, найти причину.

Уровень срабатывания и наклон

Элементы управления уровнем запуска и наклоном обеспечивают базовое определение точки запуска и определяют способ отображения сигнала (Рисунок 35).

Рисунок 35 : Запуск по положительному и отрицательному наклону.

Схема запуска действует как компаратор. Вы выбираете крутизну и уровень напряжения на одном входе компаратора. Когда сигнал запуска на другом входе компаратора соответствует вашим настройкам, осциллограф генерирует запуск.

Управление наклоном определяет, находится ли точка запуска по нарастающему или спадающему фронту сигнала. Нарастающий фронт – это положительный наклон, а спадающий – отрицательный наклон.Регулятор уровня определяет, где на краю возникает точка срабатывания.

Источники триггеров

Осциллограф не обязательно должен запускаться по отображаемому сигналу. Развертка может запускаться из нескольких источников:

• Любой входной канал
• Внешний источник, отличный от сигнала, подаваемого на входной канал
• Источник питания сигнал
• Сигнал, определяемый внутри осциллографа, из одного или нескольких входных каналов

В большинстве случаев вы можете оставить осциллограф настроенным на запуск по отображаемому каналу.Некоторые осциллографы имеют выход запуска, который передает сигнал запуска на другой прибор.

Осциллограф может использовать альтернативный источник запуска, независимо от того, отображается он или нет, поэтому следует быть осторожным, чтобы случайно не запустить канал 1 при отображении, например, канала 2.

Режимы запуска

Режим триггера определяет, рисует ли осциллограф осциллограмму в зависимости от состояния сигнала. Общие режимы триггера включают нормальный и автоматический:

• В нормальном режиме осциллограф выполняет развертку только в том случае, если входной сигнал достигает установленной точки запуска.В противном случае экран будет пустым (на аналоговом осциллографе) или замороженным (на цифровом осциллографе) на последней полученной форме сигнала. Нормальный режим может дезориентировать, поскольку вы можете сначала не увидеть сигнал, если регулятор уровня настроен неправильно.
• В автоматическом режиме осциллограф выполняет развертку даже без запуска. Если сигнал отсутствует, таймер в осциллографе запускает развертку. Это гарантирует, что дисплей не исчезнет, ​​если сигнал не вызовет триггер.

На практике вы, вероятно, будете использовать оба режима: нормальный режим, потому что он позволяет вам видеть только интересующий сигнал, даже когда триггеры происходят с медленной скоростью, и автоматический режим, потому что он требует меньшей настройки.Многие осциллографы также включают специальные режимы для одиночной развертки, запуска по видеосигналам или автоматической установки уровня запуска.

Спусковая муфта

Так же, как вы можете выбрать связь по переменному или постоянному току для вертикальной системы, вы можете выбрать тип связи для сигнала запуска.

Помимо связи по переменному и постоянному току, ваш осциллограф может также иметь триггерную связь с подавлением высоких и низких частот и подавлением шумов. Эти специальные настройки полезны для устранения шума из сигнала запуска, чтобы предотвратить ложное срабатывание.

Задержка срабатывания триггера

Иногда для того, чтобы заставить осциллограф запускаться по правильной части сигнала, требуется большое мастерство. Многие осциллографы имеют специальные функции, облегчающие эту задачу.

Задержка запуска – это регулируемый период времени после действительного запуска, в течение которого осциллограф не может запускаться. Эта функция полезна при запуске по сигналам сложной формы, так что осциллограф запускается только по подходящей точке запуска.

На рисунке 36 показано, как использование задержки запуска помогает создать удобный дисплей.

Рисунок 36 : Задержка триггера помогает создать удобный дисплей

Что такое осциллограф? – Определение с сайта WhatIs.com

Осциллограф – это лабораторный прибор, обычно используемый для отображения и анализа формы электронных сигналов. Фактически, устройство рисует график мгновенного напряжения сигнала как функции времени.

Типичный осциллограф может отображать сигналы переменного тока (AC) или пульсирующего постоянного тока (DC) с частотой примерно от 1 герц (Гц) или до нескольких мегагерц (МГц).Осциллографы высокого класса могут отображать сигналы с частотами до нескольких сотен гигагерц (ГГц). Дисплей разбит на так называемые горизонтальные (горизонтальные) и вертикальные (вертикальные) деления. Время отображается слева направо на горизонтальной шкале. Мгновенное напряжение отображается на вертикальной шкале, при этом положительные значения идут вверх, а отрицательные значения – вниз.

Самая старая форма осциллографа, которая до сих пор используется в некоторых лабораториях, известна как электронно-лучевой осциллограф .Он создает изображение, заставляя сфокусированный электронный луч перемещаться или перемещаться по поверхности электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Более современные осциллографы в электронном виде воспроизводят действие ЭЛТ, используя жидкокристаллический дисплей (жидкокристаллический дисплей), аналогичный тем, что есть на портативных компьютерах. В самых сложных осциллографах используются компьютеры для обработки и отображения сигналов. Эти компьютеры могут использовать любой тип дисплея, включая ЭЛТ, ЖК-дисплей и газовую плазму.

В любом осциллографе горизонтальная развертка измеряется в секундах на деление (с / дел), миллисекундах на деление (мс / дел), микросекундах на деление (с / дел) или наносекундах на деление (нс / дел).Вертикальное отклонение измеряется в вольтах на деление (В / дел), милливольтах на деление (мВ / дел) или микровольтах на деление (мкВ / дел). Практически все осциллографы имеют регулируемые настройки горизонтальной развертки и вертикального отклонения.

На рисунке показаны две распространенные формы сигналов, которые могут отображаться на экране осциллографа. Сигнал вверху представляет собой синусоидальную волну; сигнал внизу – это наклонная волна. Из этого дисплея видно, что оба сигнала имеют одинаковую или почти одинаковую частоту.Они также имеют примерно одинаковую размах амплитуды. Предположим, что скорость горизонтальной развертки в этом случае составляет 1 мкс / дел. Затем обе эти волны завершают полный цикл каждые 2 мкс, поэтому их частоты составляют примерно 0,5 МГц или 500 килогерц (кГц). Если вертикальное отклонение установлено, например, на 0,5 мВ / дел, то обе эти волны имеют размах амплитуды примерно 2 мВ.

В наши дни типичными осциллографами высокого класса являются цифровые устройства. Они подключаются к персональным компьютерам и используют свои дисплеи.Хотя в этих машинах больше не используются сканирующие электронные лучи для создания изображений волновых форм, как в старых электронно-лучевых «прицелах», основной принцип остается тем же. Программное обеспечение контролирует скорость развертки, вертикальное отклонение и множество других функций, в том числе:

• Сохранение форм сигналов для дальнейшего использования и сравнения
• Отображение нескольких сигналов одновременно
• Спектральный анализ
• Переносимость
• Опция питания от батареи
• Возможность использования со всеми популярными операционными платформами
• Увеличение и уменьшение
• Многоцветные дисплеи

10 главных вещей, которые следует учитывать при выборе осциллографа

Важным фактором при принятии решения о покупке осциллографа является количество каналов на приборе или возможность добавлять каналы путем синхронизации нескольких приборов.Большинство осциллографов имеют от двух до четырех каналов, каждый из которых одновременно выполняет выборку с определенной частотой. Важно опасаться влияния на частоту дискретизации при использовании всех каналов. Это связано с широко используемым методом, называемым дискретизацией с временным чередованием, который перемежает несколько каналов для достижения более высокой частоты дискретизации. Если осциллограф использует этот метод, а вы используете все каналы, возможно, вы не сможете получить данные с максимальной скоростью сбора данных.

Количество требуемых каналов полностью зависит от вашего конкретного приложения.Часто традиционных двух-четырех каналов может быть недостаточно для данного приложения, и в этом случае есть два варианта. Первый – использовать продукт с более высокой плотностью каналов, такой как восьмиканальный (одновременный) осциллограф NI PXI-5105 12 бит, 60 Мвыб / с, 60 МГц. Если вы не можете найти инструмент, который соответствует вашим требованиям к разрешению, скорости и пропускной способности, вам следует подумать об использовании платформы, которая позволяет масштабировать вашу тестовую систему, обеспечивая жесткую синхронизацию и позволяющую совместно использовать триггеры и часы.Хотя практически невозможно синхронизировать несколько осциллографов в штучной упаковке по GPIB или LAN из-за большой задержки, ограниченной пропускной способности и необходимости во внешних кабелях, PXI представляет собой превосходное решение. PXI – это отраслевой стандарт, который добавляет технологию синхронизации мирового класса к существующим высокоскоростным шинам, таким как PCI и PCI Express.

Рисунок 5: Используя технологию синхронизации, вы можете создавать осциллоскопы с большим количеством каналов. На рисунке выше показана система, которая предлагает до 68 каналов.Несколько шасси можно синхронизировать для еще большего количества каналов.

Синхронизация нескольких устройств является ключевым требованием многих приложений, что часто увеличивает время разработки программного обеспечения. Однако осциллографы NI, построенные на архитектуре Synchronization and Memory Core (SMC), могут использовать NI-TClk для достижения точной синхронизации с минимальными усилиями при разработке. NI-TClk предоставляет высокоуровневый интерфейс для программирования синхронизации нескольких осцилляторов NI, генераторов сигналов произвольной формы и высокоскоростных цифровых устройств ввода-вывода.Кроме того, существует множество заранее написанных примеров для выполнения этого типа синхронизации, что делает начало работы еще проще. Ниже показаны три функции (niTClk Configure для однородных триггеров, niTClk Synchronize, niTClk Initiate), необходимые для выполнения однородной синхронизации на нескольких осциллографах PXI, как запрограммировано в среде LabVIEW:

Общие сведения о полосе пропускания осциллографа

При выборе осциллографа первое, что учитывается большинством инженеров, – это полоса пропускания.

Большинство осциллографов с полосой пропускания 1 ГГц или ниже обычно имеют гауссову характеристику, которая показывает медленную характеристику спада, которая начинается примерно на одной трети частоты -3 дБ. Те, у кого ширина полосы пропускания превышает 1 ГГц, обычно имеют максимально ровную частотную характеристику. Такой тип отклика указывает на более ровный внутриполосный отклик и более резкие характеристики спада ближе к частоте -3 дБ.

Осциллографы

с максимально ровной характеристикой ослабляют меньшую внутриполосную характеристику сигнала по сравнению с осциллографами с гауссовой характеристикой.Это означает, что осциллограф с максимально ровной характеристикой обеспечивает более точные измерения внутриполосных сигналов.

Однако осциллографы с гауссовой характеристикой ослабляют меньше внеполосных сигналов, чем осциллографы с максимально ровной характеристикой. Это означает, что осциллографы с гауссовой характеристикой имеют более быстрое время нарастания, чем осциллографы с гауссовой характеристикой. Чтобы удовлетворить критериям Найквиста, более сильное ослабление внеполосных сигналов помогает устранить высокочастотные составляющие, которые способствуют наложению спектров.

Независимо от того, имеет ли осциллограф максимально ровную характеристику, гауссову характеристику или что-то среднее между ними, полоса пропускания осциллографа – это самая низкая частота, при которой входной сигнал ослабляется на 3 дБ. Используя генератор синусоидальной волны, можно проверить частотную характеристику и полосу пропускания с изменяемой частотой.

Как правило, полоса пропускания осциллографа должна быть как минимум в пять раз выше, чем самая быстрая цифровая тактовая частота системы. Если осциллограф удовлетворяет этому критерию, он легко улавливает до пятой гармоники с меньшим затуханием сигнала.Эта часть сигнала важна для определения общей формы цифрового сигнала. Однако при проведении измерений на высокоскоростных фронтах следует отметить, что эта простая формула не учитывает фактические высокочастотные компоненты, встроенные в спадающие и быстрые нарастающие фронты.

Между тем, более точным способом определения требуемой полосы пропускания осциллографа является определение максимальной частоты цифровых сигналов, которая основана на максимальной скорости фронта в конструкции.Следовательно, первое, что должны определить пользователи, – это время спада самых быстрых сигналов. Это можно получить из опубликованных спецификаций устройств, используемых в проектах.

Затем можно использовать простую формулу для определения максимальной «практической» частотной составляющей, которая называется «изгибной» частотой (fknee). Бесконечный спектр частотной составляющей можно найти на всех быстрых фронтах. Однако в частотном спектре быстрых фронтов может наблюдаться перегиб или «перегиб», где частотные компоненты выше, чем fknee, не имеют отношения к определению формы сигнала.

Последний шаг – узнать ширину полосы пропускания осциллографа, необходимую для измерения сигнала, исходя из желаемой степени точности при измерении времени спада и времени нарастания.

В целом, пользователи должны выбрать осциллограф с полосой пропускания, которая как минимум в пять раз превышает максимальную тактовую частоту конструкции. Если пользователям необходимо провести точные измерения скорости фронта сигналов, им придется определить максимальную практическую частоту сигнала.

.