Главная Мангал

Какие параметры характеризуют осциллограф как измерительное устройство. Проведение измерений с помощью осциллографа. Что измеряет осциллограф

Цифровой осциллограф, конечно, намного совершеннее обычного электронного, позволяет запоминать осциллограммы, может подключаться к персональному компьютеру, имеет математическую обработку результатов, экранные маркеры и многое другое. Но при всех достоинствах эти приборы нового поколения обладают одним существенным недостатком, - это высокая цена.

Именно она делает цифровой осциллограф недоступным для любительских целей, хотя существуют «карманные» осциллографы стоимостью всего в несколько тысяч рублей, которые продаются на Алиэкспресс, но пользоваться ими не особенно удобно. Ну, просто интересная игрушка. Поэтому пока речь пойдет об измерениях с помощью электронного осциллографа.

На тему выбора осциллографа для использования в домашней лаборатории в интернете можно найти достаточное количество форумов. Не отрицая достоинств цифровых осциллографов, на многих форумах советуют остановить выбор на простых малогабаритных и надежных осциллографах отечественной разработки С1-73 и С1-101 и подобных, с которыми мы ранее познакомились в .

При достаточно демократичной цене эти приборы позволят выполнить большинство радиолюбительских задач. А пока познакомимся с общими принципами измерений с помощью осциллографа.

Рисунок 1. Осциллограф С1-73

Что измеряет осциллограф

Измеряемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения Y, который имеет большое входное сопротивление, как правило, 1MΩ, и малую входную емкость, не более 40pF, что позволяет вносить минимальные искажения в измеряемый сигнал. Эти параметры часто указываются рядом с входом канала вертикального отклонения.

Рисунок 2. Осциллограф С1-101

Высокое входное сопротивление свойственно вольтметрам, поэтому можно с уверенностью сказать, что осциллограф измеряет напряжение. Применение внешних входных делителей позволяет снизить входную емкость и увеличить входное сопротивление. Это также снижает влияние осциллографа на исследуемый сигнал.

Полоса пропускания канала Y

Осциллограф измеряет напряжения в очень широких пределах: от напряжений постоянного тока, до напряжений достаточно высокой частоты. Размах напряжения может быть достаточно разнообразным, - от десятков милливольт до десятков вольт, а при использовании внешних делителей вплоть до нескольких сотен вольт.

При этом следует иметь в виду, что полоса пропускания канала вертикального отклонения Y д.б. не менее, чем в 5 раз выше частоты сигнала, который будет измеряться. То есть усилитель вертикального отклонения должен пропускать не ниже пятой гармоники исследуемого сигнала. Особенно это требуется при исследовании прямоугольных импульсов, которые содержат множество гармоник, как показано на рисунке 3. Только в этом случае на экране получается изображение с минимальными искажениями.

Рисунок 3. Синтез прямоугольного сигнала из гармонических составляющих

Кроме основной частоты на рисунке 3 показаны третья и седьмая гармоники. С увеличением номера гармоники возрастает ее частота: частота третьей гармоники в три раза выше основной, пятой гармоники в пять раз, седьмой в семь и т.д. Соответственно амплитуда высших гармоник падает: чем выше номер гармоники, тем ниже ее амплитуда. Только если усилитель вертикального канала без особого ослабления сможет пропустить высшие гармоники, изображение импульса получится прямоугольным.

На рисунке 4 показана осциллограмма меандра при недостаточной полосе пропускания канала Y.

Рисунок 4.

Примерно так выглядит меандр частотой 500 КГц на экране осциллографа ОМШ-3М с полосой пропускания 0…25 КГц. Как будто прямоугольные импульсы пропущены через интегрирующую RC цепочку. Такой осциллограф выпускался советской промышленностью для лабораторных работ на уроках физики в школах. Даже напряжение питания этого прибора в целях безопасности было не 220, а всего 42В. Совершенно очевидно, что осциллограф с такой полосой пропускания позволит почти без искажений наблюдать сигнал с частотами не более 5КГц.

У обычного универсального осциллографа полоса пропускания чаще всего составляет 5 МГц. Даже при такой полосе можно увидеть сигнал до 10 МГц и выше, но полученное на экране изображение позволяет судить лишь о наличии или отсутствии этого сигнала. О его форме что-либо сказать будет затруднительно, но в некоторых ситуациях форма не столь уж и важна: например есть генератор синусоиды, и достаточно просто убедиться, есть эта синусоида или ее нет. Как раз такая ситуация показана на рисунке 4.

Современные вычислительные системы и линии связи работают на очень высоких частотах, порядка сотен мегагерц. Чтобы увидеть столь высокочастотные сигналы полоса пропускания осциллографа должна быть не менее 500 МГц. Такая широкая полоса очень «расширяет» цену осциллографа.

В качестве примера можно привести цифровой осциллограф U1610A показанный не рисунке 5. Его полоса пропускания 100МГц, при этом цена составляет почти 200 000 рублей. Согласитесь, не каждый может позволить себе купить столь дорогой прибор.

Рисунок 5.

Пусть читатель не сочтет этот рисунок за рекламу, поскольку все координаты продавца не закрашены: на месте этого рисунка мог оказаться любой подобный скриншот.

Виды исследуемых сигналов и их параметры

Наиболее распространенным видом колебаний в природе и технике является синусоида. Это та самая многострадальная функция Y=sinX, которую проходили в школе на уроках тригонометрии. Достаточно много электрических и механических процессов имеют синусоидальную форму, хотя достаточно часто в электронной технике применяются и другие формы сигналов. Некоторые из них показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Формы электрических колебаний

Периодические сигналы. Характеристики сигналов

Универсальный электронный осциллограф позволяет достаточно точно исследовать периодические сигналы. Если же на вход Y подать реальный звуковой сигнал, например, музыкальную фонограмму, то на экране будут видны хаотично мелькающие всплески. Естественно, что детально исследовать такой сигнал невозможно. В этом случае поможет применение цифрового запоминающего осциллографа, который позволяет сохранить осциллограмму.

Колебания, показанные на рисунке 6, являются периодическими, повторяются, через определенный период времени T. Подробнее это можно рассмотреть на рисунке 7.

Рисунок 7. Периодические колебания

Колебания изображены в двухмерной системе координат: по оси ординат отсчитывается напряжение, а по оси абсцисс время. Напряжение измеряется в вольтах, время в секундах. Для электрических колебаний время чаще измеряется в миллисекундах или микросекундах.

Кроме компонентов X и Y осциллограмма содержит еще компонент Z - интенсивность, или попросту (рисунок 8). Именно она включает луч на время прямого хода луча и гасит на время обратного хода. Некоторые осциллографы имеют вход для управления яркостью, который так и называется вход Z. Если на этот вход подать импульсное напряжение от образцового генератора, то на экране можно увидеть частотные метки. Это позволяет точнее отсчитывать длительность сигнала по оси X.

Рисунок 8. Три компонента исследуемого сигнала

Современные осциллографы имеют, как правило, калиброванные по времени развертки, позволяющие точно отсчитывать время. Поэтому пользоваться внешним генератором для создания меток практически не приходится.

В верхней части рисунка 7 располагается синусоида. Нетрудно видеть, что начинается она в начале координатной системы. За время T (период) выполняется одно полное колебание. Далее все повторяется, идет следующий период. Такие сигналы называются периодическими.

Ниже синусоиды показаны прямоугольные сигналы: меандр и прямоугольный импульс. Они также периодические с периодом T. Длительность импульса обозначена как τ (тау). В случае меандра длительность импульса τ равна длительности паузы между импульсами, как раз половина периода T. Поэтому меандр является частным случаем прямоугольного сигнала.

Скважность и коэффициент заполнения

Для характеристики прямоугольных импульсов используется параметр, называемый скважностью. Это есть отношение периода следования импульсов T к длительности импульса τ. Для меандра скважность равна двум, - величина безразмерная: S= T/τ.

В англоязычной терминологии как раз все наоборот. Там импульсы характеризуются коэффициентом заполнения, соотношением длительности импульса к периоду следования Duty cycle: D=τ/T. Коэффициент заполнения выражается в %%. Таким образом, для меандра D=50%. Получается, что D=1/S, коэффициент заполнения и скважность величины взаимно обратные, хотя характеризуют собой один и тот же параметр импульса. Осциллограмма меандра показана на рисунке 9.

Рисунок 9. Осциллограмма меандра D=50%

Здесь вход осциллографа подключен к выходу функционального генератора, показанного тут же в нижнем углу рисунка. И вот тут внимательный читатель может задать вопрос: «Амплитуда выходного сигнала с генератора 1В, чувствительность входа осциллографа 1В/дел., а на экране прямоугольные импульсы с размахом 2В. Почему?»

Дело в том, что функциональный генератор выдает двухполярные прямоугольные импульсы относительно уровня 0В, примерно так же, как синусоида, с положительной и отрицательной амплитудой. Поэтому на экране осциллографа наблюдаются импульсы с размахом ±1В. На следующем рисунке изменим коэффициент заполнения Duty cycle, например, до 10%.

Рисунок 10. Прямоугольный импульс D=10%

Нетрудно видеть, что период следования импульсов составляет 10 клеток, в то время, как длительность импульса всего одна клетка. Поэтому D=1/10=0,1 или 10 %, что видно по настройкам генератора. Если воспользоваться формулой для подсчета скважности, то получится S = T / τ = 10 / 1 = 1 - величина безразмерная. Вот здесь можно сделать вывод, что Duty cycle намного наглядней характеризует импульс, чем скважность.

Собственно сам сигнал остался такой же, как на рисунке 9: прямоугольный импульс амплитудой 1В и частотой 100Гц. Изменяется только коэффициент заполнения или скважность, уж это как кому привычней и удобней. Но для удобства наблюдения на рисунке 10 длительность развертки снижена в два раза по сравнению с рисунком 9 и составляет 1мс/дел. Поэтому период сигнала занимает на экране 10 клеток, что позволяет достаточно легко убедиться, что Duty cycle составляет 10%. При пользовании реальным осциллографом длительность развертки выбирается примерно также.

Измерение напряжения прямоугольного импульса

Как было сказано в начале статьи, осциллограф измеряет напряжение, т.е. разность потенциалов между двумя точками. Обычно измерения проводятся относительно общего провода, земли (ноль вольт), хотя это необязательно. В принципе возможно измерение от минимального до максимального значения сигнала (пиковое значение, размах). В любом случае действия по измерению достаточно просты.

Прямоугольные импульсы чаще всего бывают однополярными, что характерно для цифровой техники. Как измерить напряжение прямоугольного импульса, показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Измерение амплитуды прямоугольного импульса

Если чувствительность канала вертикального отклонения выбрана 1В/дел, то получается, что на рисунке показан импульс с напряжением 5,5В. При чувствительности 0,1В/дел. Напряжение будет всего 0,5В, хотя на экране оба импульса выглядят совершенно одинаково.

Что еще можно увидеть в прямоугольном импульсе

Прямоугольные импульсы, показанные на рисунках 9, 10 просто идеальные, поскольку синтезированы программой Electronics WorkBench. Да и частота импульсов всего 100Гц, поэтому проблем с «прямоугольностью» изображения возникнуть не может. В реальном устройстве при высокой частоте следования импульсы несколько искажаются, прежде всего, появляются различные выбросы и всплески, обусловленные индуктивностью монтажа, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12. Реальный прямоугольный импульс

Если не обращать внимания на подобные «мелочи», то прямоугольный импульс выглядит так, как показано на рисунке 13.

Рисунок 13. Параметры прямоугольного импульса

На рисунке показано, что передний и задний фронты импульса возникают не сразу, а имеют какое-то время нарастания и спада, несколько наклонены относительно вертикальной линии. Этот наклон обусловлен частотными свойствами микросхем и транзисторов: чем более высокочастотный транзистор, тем менее «завалены» фронты импульсов. Поэтому длительность импульса определяется по уровню 50% от полного размаха.

По этой же причине амплитуда импульса определяется по уровню 10…90%. Длительность импульса, так же, как и напряжение, определяется умножением числа делений горизонтальной шкалы на значение деления, как показано на рисунке 14.

Рисунок 14.

На рисунке показан один период прямоугольного импульса, несколько отличного от меандра: длительность положительного импульса составляет 3,5 деления горизонтальной шкалы, а длительность паузы 3,8 деления. Период следования импульса составляет 7,3 деления. Такая картинка может принадлежать нескольким разным импульсам с различной частотой. Все будет зависеть от длительности развертки.

Предположим, что длительность развертки 1мс/дел. Тогда период следования импульса 7,3*1=7,3мс, что соответствует частоте F=1/T=1/7.3= 0,1428КГц или 143ГЦ. Если длительность развертки будет 1мкс/дел, то частота получится в тысячу раз выше, а именно 143КГЦ.

Пользуясь данными рисунка 14 нетрудно подсчитать скважность импульса: S=T/τ=7,3/3,5=2,0857, получается почти, как у меандра. Коэффициент заполнения Duty cycle D=τ/T=3,5/7,3=0,479 или 47.9%. При этом следует обратить внимание, что эти параметры ни в коем случае не зависят от частоты: скважность и коэффициент заполнения были подсчитаны просто по делениям на осциллограмме.

С прямоугольными импульсами все вроде бы понятно и просто. Но мы совсем забыли о синусоиде. В сущности, там то - же самое: можно измерить напряжения и временные параметры. Один период синусоиды показан на рисунке 15.

Рисунок 15. Параметры синусоиды

Очевидно, что для показанной на рисунке синусоиды чувствительность канала вертикального отклонения составляет 0,5В/дел. Остальные параметры нетрудно определить умножив число делений на 0,5В/дел.

Синусоида может быть и другой, которую придется измерять при чувствительности, например, 5В/дел. Тогда вместо 1В получится 10В. Однако, на экране изображение обеих синусоид выглядит абсолютно одинаково.

Временные параметры показанной синусоиды неизвестны. Если предположить, что длительность развертки 5мс/дел., период составит 20мс, что соответствует частоте 50ГЦ. Цифры в градусах на оси времени показывают фазу синусоиды, хотя для одиночной синусоиды это не особо важно. Чаще приходится определять сдвиг по фазе (непосредственно в миллисекундах или микросекундах) хотя бы между двумя сигналами. Лучше всего это делать с помощью двухлучевого осциллографа. Как это делается, будет показано чуть ниже.

Как осциллографом измерить ток

В некоторых случаях требуется измерение величины и формы тока. Например, переменный ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на ¼ периода. Тогда в разрыв цепи включают резистор с небольшим сопротивлением (десятые доли Ома). На работу схемы такое сопротивление не влияет. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму и величину тока, протекающего через конденсатор.

Примерно так же устроен обычный стрелочный амперметр, который включатся в разрыв электрической цепи. При этом измерительный резистор находится внутри самого амперметра.

Схема для измерения тока через конденсатор показана на рисунке 16.

Рисунок 16. Измерение тока через конденсатор

Синусоидальное напряжение частотой 50 Гц амплитудой 220 В с генератора XFG1 (красный луч на экране осциллографа) подается на последовательную цепь из конденсатора C1 и измерительного резистора R1. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму, фазу и величину тока через конденсатор (синий луч). Как это будет выглядеть на экране осциллографа, показано на рисунке 17.

Рисунок 17. Ток через конденсатор опережает напряжение на ¼ периода

При частоте синусоиды 50 Гц и развертке 5 ms/Div один период синусоиды занимает 4 деления по оси X, что очень удобно для наблюдения. Нетрудно видеть, что синий луч опережает красный ровно на 1 деление по оси X, что соответствует ¼ периода. Другими словами ток через конденсатор опережает по фазе напряжение, что полностью соответствует теории.

Чтобы рассчитать ток через конденсатор достаточно воспользоваться законом Ома: I = U/R. При сопротивлении измерительного резистора 0,1Ом падение напряжения на нем 7мВ. Это амплитудное значение. Тогда максимальный ток через конденсатор составит 7/0,1=70мА.

Измерение формы тока через конденсатор не является какой-то очень актуальной задачей, тут все ясно и без измерений. Вместо конденсатора может быть любая нагрузка: , обмотка электродвигателя, транзисторный усилительный каскад и многое другое. Важно, что именно таким методом можно исследовать ток, который в некоторых случаях значительно отличается по форме от напряжения.

При осциллографических измерениях в высокочастотных устройствах входная емкость делителя может вносить значительные искажения в настраиваемый узел (например, при подключении пробника к контуру ВЧ генератора и т.п.). Делители с коэффициентом 1:1 имеют входную емкость порядка 100 пф и более (емкость кабеля плюс входная емкость осциллографа), что существенно ограничивает их частотный диапазон. В то же время стандартные пассивные делители 1:10 с входной емкостью 12 – 17 пф снижают чувствительность осциллографа до 50 мВ на деление (при максимальной чувствительности по входу равной 5 мВ / деление, типичной для большинства промышленных осциллографов), а также имеют все еще слишком большую входную емкость для проведения неискажающих измерений в ВЧ цепях, где емкости контуров могут иметь такое же значение.

Данная проблема решается использованием для измерений специальных активных пробников, выпускаемых для этой цели (например, фирмой Tektronix). Однако, эти устройства довольно трудно найти и их цена (от $150 и выше) сопоставима с ценой хорошего б/у осциллографа. В то же время не представляет большой сложности самостоятельно изготовить простой активный осциллографический пробник с малой входной емкостью, что и было сделано автором.

Активный осциллографический пробник предназначен для измерений переменных напряжений в низковольтных ВЧ схемах и имеет следующие характеристики:

Диапазон измеряемых амплитудных значений сигнала – от 10 мВ до 10 В
Частотная характеристика – линейна от 10 КГц до 100 МГц при малом сигнале
Выходной сигнал – инвертированный, с коэффициентом деления 1:2
Напряжение питания – 12 вольт (4 * CR2025) или внешний источник
Входная емкость – 0.5 пф (0.25 пф с внешним делителем 1: 10)
Входное сопротивление – 100 килоом
Потребляемый ток – 10 мА
Размеры 60 х 33 х 16 мм

Внешний вид изготовленного прибора приведен на фото.

Конструкция прибора

Принципиальная схема пробника приведена на рисунке. Прибор собран на трех малошумящих СВЧ транзисторах 2SC3356 с граничной частотой 7 ГГц. Коэффициент усиления по напряжению составляет около 23 дб. Выходной эмиттерный повторитель служит для дополнительной развязки усилителя от нагрузки и может быть исключен, если пробник будет использоваться с одним и тем же осциллографом. Цепочка из светодиода, стабилитрона на 9 вольт и резистора служит индикатором включения и пороговым индикатором напряжения батареи питания. Питающее напряжение 12 вольт необходимо и достаточно для того, чтобы получать на выходе прибора максимальное амплитудное значение измеряемого сигнала до 5 вольт, и тем самым обеспечивать максимальный динамический диапазон до 50 дб при проведении измерений с установкой коэффициента отклонения, начиная от 5 мВ на деление (чувствительность большинства осциллографов).

Конструктивно прибор может быть собран в любом подходящем пластмассовом корпусе. Главное требование к материалу корпуса – прочность и низкие потери материала на высоких частотах. Для уменьшения входной емкости пробника не следует размещать его в металлическом корпусе: при входном сопротивлении 100 килоом и малой длине соединений внутри корпуса внешние наводки не играют роли, особенно если учесть, что нижняя граница частотного диапазона была сознательно выбрана намного выше частоты электрической сети.

Пробник включается нажатием кнопки в момент проведения измерений, что гарантирует работу прибора без замены внутреннего источника питания в течение длительного времени. Кроме того, как видно на фото, кнопка включения защищена от случайного нажатия, когда прибор не используется для работы. Для работы в непрерывном режиме предусмотрен разъем для подключения внешнего источника питания 12 вольт, 10 мА.

Внутренний вид прибора показан на фотографии. Металлическая упругая пластина с четырьмя винтами фиксирует пакет из расположенных под ней четырех литиевых батарей CR2325. Выходной коаксиальный кабель должен быть надежно закреплен прижимной пластиной на винтах, как видно на фото. Входной СВЧ усилитель смонтирован на подходящей миниатюрной плате (автор применил керамическую плату размерами 10 х 10 миллиметров с 12 точками для припайки выводов, от элемента этажерочного микромодуля – эти детали изготовлялись в 60-е годы до появления микросхем и весьма удобны для изготовления миниатюрных схем с современными SMD компонентами).

Налаживание

Этот этап работы должен быть проведен весьма тщательно для получения нужного результата.

После сборки усилителя необходимо прежде всего точно установить его рабочую точку подбором резистора на 120 килоом для получения максимальной амплитуды неискаженного сигнала на выходе. В данной схеме и при свежих элементах питания этот режим достигается при установке постоянного напряжения от +5.2 до +5.3 вольта на эмиттере второго транзистора. Рабочая точка второго эмиттерного повторителя не требует настройки при указанных номиналах резисторов.
Далее следует точно подобрать значение нижнего по схеме резистора (в данном случае 20 килоом) входного делителя для получения требуемого маштаба (1: 2) передачи сигнала между входом и выходом прибора на относительно низкой частоте (порядка 100 КГц). Заметим, что входное сопротивление усилителя при указанных номиналах деталей составляет около 5 килоом (на той же частоте), так что при отсутствии указанного резистора коэффициент передачи устройства будет выше требуемого примерно на 3 дб (величина ослабления входного сигнала равняется (105 / 5) = 26 дб, в то время как общий коэффициент усиления схемы равен 23 дб, а требуемый коэффициент передачи всего устройства должен быть равен 0.5, т.е. минус 6 дб).
Подбор компенсирущих емкостей (0.5 пф параллельно резистору на 100 килоом, и подстроечный конденсатор в нижней ветви входного делителя) осуществляется путем сравнения коэффициента передачи на двух частотах, например, 1 МГц и 30 МГц, и подбора емкостей до получения нужного постоянного коэффициента передачи устройства. Далее производится окончательная проверка устройства на верхней рабочей частоте, если у радиолюбителя имеется такая возможность.
В заключение проверяется фактическая входная емкость пробника на высокой частоте (например, подключением его к контуру с известными параметрами работающего генератора и контролем изменения частоты выходного сигнала по цифровому частотомеру или приемнику). При правильном выполнении конструкции прибора она не должна существенно отличаться от указанного на схеме значения (суммарная входная емкость в изготовленном автором пробнике, измеренная на частоте 20 МГц, составила 0.505 пф).

Замечания

Данный пробник создавался автором для измерений в цепях синусоидальных ВЧ сигналов в контурах генераторов и усилительных каскадов транзисторных схем, и он в целом решает поставленную задачу. Именно по этой причине в пробнике и был выбрано указанное выше соотношение между всеми основными параметрами прибора – его частотным диапазоном, высокой чувствительностью, достаточно большим входным сопротивлением и минимально возможной входной емкостью измерителя, а также небольшим потребляемым током. Радиотехника – это всегда компромисс при заданных разработчиком предельных значениях параметров.

Дмитрий
Киев

Попробуем разобраться в том, какую роль играет полоса пропускания, чувствительность и память осциллографа при измерениях, в каких случаях лучше использовать аналоговые и цифровые, двухканальные и двухлучевые осциллографы, а когда вместо современного стационарного цифрового или портативного осциллографа достаточно иметь под рукой старый советский прибор? Ответы на эти и другие вопросы, а также все типовые заблуждения, связанные с этими приборами, вы найдете в нашей подборке - 20 самых важных характеристик осциллографов!

Когда мы говорим «осциллограф», то представляем себе прибор, на лицевой панели которого расположен экран, отображающий графики входных электрических сигналов (амплитудные и временных характеристики). Однако поскольку видов этих сигналов «великое множество», очевидно, что не может быть одного универсального прибора, способного адекватно показать все. Поэтому, выбирая осциллограф, нужно ориентироваться во всех разновидностях этого «многоликого» по областям применения прибора, чтобы выбрать именно тот, который подходит для решения стоящих перед вами задач. И здесь немудрено запутаться или упустить какие-то моменты, что может привести к покупке «ненужного чуда» электронной техники. А чтобы не попасть впросак, стоит прислушаться к отзывам опытных практиков, помогающим системно подойти к своим запросам и сделать действительно безошибочный выбор. Далее разбираются основные параметры и технические характеристики осциллографов.

1. Чем хорош двухлучевой осциллограф?

Двухлучевой осциллограф позволяет двумя лучами одновременно наблюдать на общей временной развертке два независимых процесса. Двухканальный осциллограф содержит электронный коммутатор, коммутирующий либо намного чаще, чем частота процесса, либо намного реже, чем частота процесса два процесса на один луч. При этом получается, как бы два луча, но график отображается «кусками, хотя, если частота коммутации выбрана верно, то визуально это не заметно. Все это верно до тех пор, пока исследуются строго периодические процессы. Если же процессы импульсные или не строго периодические (форма сигнала отличается в разных периодах или период меняется), качественно наблюдать два таких процесса на двухканальном однолучевом осциллографе невозможно, потому что в каждый момент времени мы видим только кусочек одного процесса. В принципе двухлучевой осциллограф, конечно, намного лучше однолучевого двухканального. У двухлучевого есть и недостаток: вертикальная развертка каждого луча линейна в своей половине экрана, верхнего - в верхней, нижнего - в нижней. При попытке использовать весь экран одним лучом нас ждет разочарование - отклонение луча у двухлучевой ЭЛТ в «чужой» половине экрана существенно нелинейно.

2. Ограничения двухканального (многоканального) осциллографа

Двухканальный (многоканальный) осциллограф отличается от двухлучевого (многолучевого) тем, что у него одновременное наблюдение разных сигналов обеспечивается быстрым переключением с одного канала на другой, т. к. применяется однолучевая трубка. Из-за чего на высоких скоростях развертки он «рвет» сигналы на экране. Двухлучевой (многолучевой) - имеет трубку с несколькими лучами, поэтому он сигналы не «рвет», но стоит обычно дороже.

3. Любой осциллограф - это не измерительный, а наблюдательный прибор

Хотя в цифровых осциллографах используются также измерительные функции (можно, например, проводить измерения амплитуды сигнала и т. д.). У аналоговых осциллографов погрешность по экрану 5-10%. Цифровые, к которым относятся также USB-осциллографы, вроде более точные, но есть такое понятие, как «Вертикальное разрешение». Например, у типового USB-осциллографа - указано 9 бит вертикального разрешения (реально часто - 8 бит). Это значит, что входной сигнал, надо поделить на 2 в 8-й степени, то есть на 256, что при входном сигнале 10 В даст ступеньку в 0,4 В.

4. Цифровой или аналоговый осциллограф?

Выбор «цифровой или аналоговый осциллограф» зависит от характера исследуемых процессов. Цифровой имеет память, широчайшие возможности рассматривать уже зарегистрированные кратковременные сигналы (есть возможность делать их скриншоты), цветной дисплей (что очень способствует восприятию информации), множество способов синхронизации, некоторые возможности обработки сигнала. У аналогового - наименьшие искажения наблюдаемого сигнала, что обычно приводится как основной довод в их пользу. Других, более серьезных доводов обычно не приводят.

5. Цифровой осциллограф не покажет ВЧ импульсы

Еще одна особенность цифровых осциллографов: для наблюдения непрерывного сигнала, и для того, чтобы сильно не увеличивать частоту дискретизации (квантования) по времени (а это необходимо из-за того, что точных быстродействующих АЦП пока еще мало, а то и вовсе нет для решения каких-то задач), часто используются для обработки численные методы (аппроксимация, интерполяция, экстраполяция). Современные микроконтроллеры довольно просто с этой задачей справляются. Но в результате мы видим не настоящий сигнал, а эрзац-сигнал, полученный в результате обработки точечных отсчетов численными методами. То есть мы можем не увидеть на сигнале «иглы» высокочастотных импульсных помех, которые будут прекрасно видны на аналоговом осциллографе.

6. Цифровой осциллограф умеет запоминать сигналы

У цифрового осциллографа дополнительное удобство - он может запоминать сигнал и выводить его на экран в увеличенном масштабе (функция экранной лупы). А также достаточно просто реализуются функции автонастройки на сигнал и измерение параметров сигнала (но это уже в дорогих моделях). Еще одно важное достоинство - просмотр или предварительное (возможно и полное) декодирование промышленных протоколов.

Цифровой осциллограф работает на принципе преобразования аналогового (т. е. непрерывного) сигнала в цифровой (т. е. дискретный) со всеми вытекающими отсюда последствиями:

Для того чтобы передать сигнал как можно точнее, частота дискретизации должна быть намного выше частоты измеряемого сигнала. Т. е. чем больше дискретных отсчетов в единицу времени, тем более непрерывным будет отображение сигнала и более точным его воспроизведение на экране.
Дискретизация по уровню измеряемого сигнала (как правило, это напряжение). Чтобы его как можно точнее измерить, надо иметь хорошую дискретизацию по уровню. Допустим, мы имеем АЦП 8-бит. Теоретически он дает 256 уровней сигнала. Т. е. сигнал с амплитудой 10 В он может перевести в цифровой код с точностью 0,04 В, а если у АЦП 10 разрядов (1024 уровня), то мы сможем наблюдать этот же сигнал с точностью 0,01 В (правда, на самом деле точность будет ниже, из-за погрешности самого АЦП).
Многолучевым цифровой осциллограф в принципе быть не может.
Интерфейс для связи с компьютером имеют не только цифровые, но и многие аналоговые осциллографы.

8. Объем памяти цифрового осциллографа

Объем памяти выборок (в английской технической документации используются термины Record Length - длина записи или Memory Depth - глубина памяти) - третья ключевая характеристика цифровых осциллографов, наряду с полосой пропускания и частотой оцифровки. Суть в том, что это память, работающая на частоте оцифровки. Ее нехватка приводит к тому, что на медленных развертках осциллограф вынужден снижать частоту оцифровки во избежание переполнения памяти. Хотя есть «кривые» попытки обойти эту проблему, например, использованием пик-детектора. Если памяти выборок много (от 1 Мегасемплов), то это производителем специально подчеркивается, а если мало, то всячески замалчивается. Или приводится большой объем памяти, но оказывается, что это просто ОЗУ встроенного процессора, а не быстрая память выборок. Допустим, частота выборок - 500 мегавыборок в секунду (полоса пропускания - 50 МГц, 10 выборок на период). Смотрим сигнал 50 Гц (период 20 мс). За это время осциллограф сделает 10 000 000 выборок. С 8-битным АЦП ему надо запомнить 1 байт на выборку. Итого, чтобы зарисовать этот период, ему нужно либо 10 Мб памяти, либо снижать частоту выборок.

9. «Короткая и длинная» память в цифровом осциллографе

Короткая и длинная память - это «закон сохранения энергии в осциллографе». Если вы используете максимальную частоту дискретизации то у вас «короткая память» будет (извините за выражение), если же частота дискретизации будет в два раза меньше - то у вас память будет «ого-го». Если нужно посмотреть пачку импульсов - используете большую память, если периодический, но высокочастотный сигнал (тем более меандр), то тогда более важна частота дискретизации.

10. Время нарастания входного сигнала

Показатель «Время нарастания входного сигнала» - чем меньше, тем лучше. Это значит, что меньше будет «отгрызаться» начало первого сигнала на экране при внутренней синхронизации, и тем лучше частотные свойства осциллографа.

Считается, что для наблюдения цифровых сигналов полоса пропускания осциллографа должна быть в несколько раз выше частоты сигнала (хотя бы втрое), иначе прямоугольный сигнал превращается в «квазисинусоиду» (то есть «заваливаются» фронты). И частота дискретизации должна быть выше хотя бы раз в десять (некоторые даже считают, что это соотношение должно быть не менее 1:20).

12. Как связаны шумы и погрешность Разрешение экрана

Чем выше разрешение экрана, тем больше детализация. Выбирайте разрешение не менее 640 точек по горизонтали и не менее 480 точек по вертикали, многие современные относительно недорогие осциллографы уже имеют такие экраны. Экран должен быть цветным и с малой инерционностью. Черно-белые экраны с большой инерционностью - прошлый век.

13. Как связаны шумы и погрешность Когда нужен осциллограф с логическим анализатором?

Современная прикладная электроника - это в большинстве случаев «смесь цифры с аналогом». Расшифровка протоколов здесь не главное (хотя и не без нее). Но вот, допустим, имеем сигнал ШИМ, который в свою очередь может перейти во что угодно - ток, напряжение, температуру, магнитное поле, обороты и т. д. и т. п. Регулирование этих величин, допустим, выполняется с помощью микроконтроллера посредством какого-либо ПИД-регулятора. Как отрабатывать все тонкости этих процессов? Вот тут и придет на помощь встроенный в осциллограф логический анализатор. Конечно, все то же самое можно делать и отдельным анализатором, и синхронизировать его с аналоговыми сигналами. Но все это вы будете видеть на разных мониторах и засечь, что и после чего изменяется «от цифры в аналоге» уже будет очень неудобно и непродуктивно.

Таким образом, если вы собираетесь рассматривать цифровой и аналоговый сигналы одновременно, например, цифровой сигнал зависит (синхронизирован) от аналогового или наоборот, то лучшим решением будет осциллограф с логическим анализатором на борту или хотя бы с возможностью докупить логический анализатор позже (но нужно, чтобы у покупаемого осциллографа была такая опция). Отдельный логический анализатор удобен для работы с чистой цифрой.

14. Как связаны шумы и погрешность Как связаны шумы и погрешность осциллографа с разрешением экрана?

Шумы осциллографа не имеют никакого отношения к разрешению экрана. Точно так же и погрешность осциллографа не имеет никакого отношения к разрешению экрана.

15. Эквивалентный режим

Эквивалентный режим используется только для периодических сигналов. Он позволяет повысить частоту дискретизации в десятки раз. Суть в том, что друг за другом делается не одна запись сигнала, а много, но каждый раз с небольшим смещением. Поскольку сигнал все время одинаковый (периодический), потом полученные записи накладывают друг на друга, и получают запись с как-бы очень высокой частотой оцифровки, например 50 ГГц, хотя реальная частота оцифровки была обычная, например 500 МГц. Для однократных сигналов не годится.

16. Режим сегментированной памяти

Некоторые цифровые осциллографы имеют режим сегментированной памяти. То есть их можно оставить работать хоть на неделю, но они будут записывать не весь сигнал, а только его часть, форма которой задается через меню, например, только короткие пики. Таким образом, ни один пик не будет пропущен и будет записан с нужной (высокой) частотой дискретизации. А потом все записанные сегменты (кусочки сигнала) можно разом просмотреть.

17. Минусы портативных осциллографов

У портативных приборов цены выше, а параметры хуже, это известно. В частности, «настольные» осциллографы давно «доросли» до 1-2 мегасемплов (мегабайт) памяти выборок, а у портативных эта память по-прежнему 1-40 килосемплов (килобайт).

18. Что такое мотортестер?

Для диагностики системы зажигания автомобильного двигателя используется мотортестер, представляющий собой многоканальный осциллограф (осциллограф-мультиметр с четырьмя и более каналами), с инсталлированным в нем специальным ПО. К осциллографу подключается комплект датчиков. Мотортестер отображает осциллограмму высокого напряжения системы зажигания и в реальном времени параметры импульсов зажигания, такие как пробивное напряжение, время и напряжение горения искры.

19. Что такое автомобильный диагностический сканер?

Для «общей» автодиагностики применяют диагностический адаптер или CAN-Bus автомобильный диагностический сканер, представляющий собой осциллограф смешанных сигналов - осциллограф со встроенным логическим анализатором, который, используя специальное ПО, выполняет дешифровку протоколов CAN/KWP2000/др. и трактует полученные данные. Система управления современного двигателя, отвечающего строгим нормам токсичности, в качестве главного своего элемента содержит электронный блок управления (ЭБУ). Так вот сканер предназначен именно для работы с ЭБУ, для его «сканирования». А так как сканер работает с блоком, то он позволяет:

Наблюдать сигналы с датчиков системы, следить за их изменением во времени.
Проверять работу исполнительных механизмов путем приведения их в действие и визуального или другого контроля.
Считывать сохраненные системой коды неисправностей.
Посмотреть идентификационные данные ЭБУ, системы и т. п.

20. Почему лучше не использовать осциллографы, выпущенные в СССР?

В России до сих пор продаются осциллографы, выпущенные в СССР 25-30 лет назад. Они могут привлечь внимание разве что новичков и не очень требовательных радиолюбителей. Однако опытные практики пишут на страницах интернет-форумов буквально следующее: «Ни в коем случае не советую связываться с советскими приборами, тем более осциллографами, управляемыми микропроцессором. Советские приборы утыканы сбоку и сверху подстроечниками для калибровки. Методика описана в инструкции, обычно довольно бестолковой. Перечень «пороков» советских приборов продолжают габариты, вес и высохшие электролиты».

Примечание.

При подготовке этой статьи использовались отзывы, советы и рекомендации по выбору и работе с электронными осциллографами, собранные с крупнейших отечественных и зарубежных интернет-форумов.

Указанные на схеме номиналы частотоопределяющих элементов соответствуют частоте гетеродина 25 МГц. что позволяет. например, наблюдать на экране осциллографа с полосой пропускания до 5 МГц форму высокочастотных колебаний сигналов с частотой 20...30 МГц. Смеситель Ul - обычный диодный кольцевой смеситель, его схема приведена на рис. 2.

Исследуемый сигнал через высокочастотный широкополосный трансформатор Т1 н через дополнительный резистивный аттенюатор подается на вход смесителя.

При налаживании устройства следует снять его амплитудную характеристику по входному сигналу и найти тем самым максимальное значение исследуемого сигнала, которое можно подавать на приставку. Со смесителем Ul типа SRA1 этот уровень (на выводе /) достигал -3 дБм, т. е. 160 мВ (входное сопротивление смесителя 50 Ом).

Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом кольце FT-37-75 с внешним диаметром 9,6 мм. Первичная обмотка представляет собой центральную жилу коаксиального кабеля, пропущенную через кольцо, а вторичная содержит 31 виток и выполнена проводом диаметром 0,3 мм. Она равномерно размещена по периметру кольца. Такой трансформатор ослабляет исследуемый сигнал примерно на 30 дБ.

Полное ослабление исследуемого сигнала (с учетом резистивного аттенюатора) составляет 50 дБ, что позволяет, например, анализировать сигнал передатчиков любительских станций с мощностью до 50 Вт. Полоса пропускания трансформатора - от 0,5 до 100 МГц.

Потерн в смесителе составляют около 10 дБ, поэтому максимальный уровень сигнала, поступающего на осциллограф, будет составлять (в зависимости от параметров конкретного экземпляра смесителя) 20... 50 мВ. поэтому осциллограф должен иметь соответствующую чувствительность.

Примечание. В устройстве можно применить отечественные полупроводниковые приборы: КП303В {VI}. КД503Б (V2 на рис. 1), КТ325, КТ355, КТ368 (V3. V4) и КД503Б (VI-V4 на рис. 2). Трансформаторы Т1. Т"2 (рис. 2) кольцевого смесителя можно выполнить на ферритовых кольцах типоразмера К10х х5х3 с магнитной проницаемостью 50...100. Данные обмоток можно заимствовать из описания аналогичного узла трансивера "Радио-76", опубликованного в "Радио" 1976, N 6, 7. Такой же магнигопровод можно использовать и для трансформатора Т1 на рис. 1.

QST (США), февраль. 1982

Серию публикаций, посвященных осциллографам. Сегодня я расскажу о том какие основные типы осциллографов бывают, расскажу об их преимуществах и недостатках, рассмотрю основные характеристики осциллографов и постараюсь дать советы по поводу того, как подобрать инструмент, соответствующий решаемым задачам.

Выбрать новый осциллограф может оказаться довольно сложной задачей, так как в настоящий момент на рынке представлено довольно много моделей. Вот некоторые основные моменты, которые помогут вам принять правильное решение и понять, что вам действительно необходимо.

Перед тем как собраться купить новый осциллограф, постарайтесь ответить для себя на следующие вопросы:

Где вы собираетесь использовать прибор?
Сигналы в скольких точках схемы вам потребуется измерять одновременно?
Какова амплитуда сигналов, которые вы, как правило, измеряете?
Какие частоты присутствуют в измеряемых вами сигналах?
Вам необходимо измерять периодические или одиночные сигналы?
Исследуете ли вы сигналы в частотной области и нужна ли вам функция быстрого преобразования Фурье?

Аналоговый или цифровой осциллограф?

Вы можете все еще быть поклонником аналоговых приборов, но в современном цифровом мире их особенности не могут сравниться с возможностями современных цифровых запоминающих осциллографов. Кроме того, в аналоговых моделях может применяться устаревшая технология с весьма ограниченными возможностями. Также могут возникнуть проблемы с наличием запчастей.

Преимуществом аналогового осциллографа является отсутствие шумов, имеющих по свей сути цифровую природу, а именно отсутствует шум АЦП, который проявляется в виде ступенчатой осциллограммы на цифровых приборах. Если для вас очень важна точность в передаче формы исследуемого сигнала, тогда ваш выбор — аналоговый прибор.

Преимущества цифрового осциллографа очевидны:

Цифровые осциллографы также дают возможность для высокоскоростного сбора данных и могут быть интегрированы в системы автоматического тестирования (актуально для производств).

Также, зачастую цифровые приборы могут включать в одном корпусе дополнительные устройства:

Цифровой (логический) анализатор (эти устройства позволяют плюс ко всему анализировать пакеты цифровых данных, например передаваемых через различные интерфейсы I 2 C , USB , CAN , SPI и прочие)
Генератор функций (сигналов произвольной формы)
Генератор цифровых последовательносетй

Если осциллограф выполнен в виде переносного устройства, то часто он совмещается с мультиметром, их еще называют скопметрами (иногда очень даже с неплохими характеристиками). Неоспоримыми преимуществами таких устройств являются независимость от питающей сети, компактность, мобильность и универсальность.

USB-осциллографы

Осциллографы на базе ПК, или как их еще называют, USB-осциллографы, становятся все более популярными, поскольку они дешевле традиционных. Используя компьютер, они предлагают преимущества большого цветного дисплея, быстрого процессора, возможности сохранения данных на диск и работы на клавиатуре. Другим большим преимуществом является возможность быстрого экспорта данных в электронные таблицы.

Среди USB-приставок часто попадаются настоящие комбайны, совмещающие несколько устройств в одном корпусе: осциллограф, цифровой анализатор, генератор сигналов произвольной формы и генератор цифровых последовательносетй.

Ценой удобству и универсальности является худшие характеристики, нежели у их автономных собратьев.

Важные характеристики осциллографов

Разберем на какие характиристики приборов следует обращать внимание при выборе осциллографа.

1. Полоса пропускания (bandwidth)

Выбирайте осциллограф, имеющий достаточную полосу пропускания, которая бы захватывала верхние частоты, содержащиеся в измеряемых вами сигналах.

Полоса пропускания является, пожалуй, наиболее важной характеристикой осциллографа. Именно она определяет диапазон сигналов, которые вы планируете исследовать на экране своего осциллографа, и именно этот параметр, в значительной степени влияет на стоимость измерительного прибора.

Для осциллографов с полосой пропускания 1ГГц и ниже, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) устройства представляет из себя, так называемую, гауссовскую АЧХ, которая является АЧХ однополюcного фильтра нижних частот. Этот фильтр пропускает все частоты ниже некоторой (которая и является частотой пропускания осциллографа) и подавляет все частоты, присутствующие в сигнале, превышающие эту частоту среза.

Частота, на которой входной сигнал ослабляется на 3 дБ считается полосой пропускания осциллографа. Ослабление сигнала на 3 дБ означает примерно 30% амплитудной ошибки! Другими словами, если на входе осциллографа у вас 100 МГц синусоидальный сигнал, а полоса пропускания осциллографа также 100 МГц, то измеряемое напряжение размаха амплитуды величиной в 1В с помощью этого осциллографа составит около 700 мВ (-3 дБ = 20 lg (0.707 / 1.0). По мере того, как частота вашей синусоиды будет повышаться (при сохранении постоянной амплитуды), измеряемая амплитуда понижается. Таким образом, нельзя провести точные измерения сигналов, которые имеют верхние частоты вблизи частоты пропускания вашего осциллографа.

Так как же определить необходимую пропускную полосу прибора? Для измерений чисто аналоговых сигналов необходим осциллограф, который имеет заявленную полосу пропускания, по крайней мере, в три раза выше, чем самые высокие частоты синусоидальных волн, которые вам, возможно необходимо будет измерить. В 1/3 от величины полосы пропускания осциллографа, уровень ослабления сигнала минимален. Для того, чтобы измерить более точно, используйте следующее правило: ширина полосы пропускания, деленная на 3 — это примерно 5% ошибка, а деленная на 5 — 3% ошибка. Другими словами, если вы будете измерять частоты 100МГц, выбирайте осциллограф, по крайней мере, 300МГц, а лучше всего 500МГц. Но, к сожалению, это повлечет за собой увеличение цены...

А как насчет требуемой полосы пропускания для цифровых приложений, где в основном и используются современные осциллографы? Как правило, нужно выбирать осциллограф, который имеет пропускную способность, по крайней мере в пять раз больше, чем частота процессора/контроллера/шины в вашей системе. Например, если максимальная частота в собственных проектах составляет 100 МГц, то вы должны выбрать осциллограф с полосой пропускания 500 МГц и выше. Если осциллограф отвечает этому критерию, он сможет захватить до пятой гармоники с минимальным затуханием сигнала. Пятая гармоника сигнала имеет решающее значение в определении общей формы ваших цифровых сигналов. Рассмотрю пример: 10 мегагерцовый меандр состоит из суммы 10-ти мегагерцового синусоидального сигнала + 30-ти мегагерцового синусоидального сигнала + 50-ти мегагерцового синусоидального сигнала и т.д. В идеале нужно выбирать прибор, который имеет полосу пропускания не ниже частоты 9-ой гармоники. Так, что если основные сигналы с которыми вы работаете — это меандры, то лучше взять прибор с полосой пропускания не менее 10 кратной частоты ваших меандров. Для меандров 100МГц, выбирайте прибор 1ГГц, но, к сожалению это значительно увеличит его стоимость...

Если вы не будете иметь под рукой осциллограф с надлежащим значением полосы частот, то при исследовании сигналов прямоугольной формы, вы увидите на экране закруглённые углы вместо чётких и ясных краёв, характеризующих высокую скорость нарастания фронта импульса. Совершенно очевидно, что такое отображение сигналов, в целом негативно влияет на точность выполняемых измерений.

Искажения формы сигнала при недостаточной полосе пропускания (на входе — прямоугольный сигнал)

Меандры имеют достаточно крутые временные подъемы и спады. Есть простое правило, чтобы узнать необходимую полосу пропускания для вашего прибора, если эти подъемы и спады важны для вас. Для осциллографа с полосой пропускания ниже 2.5ГГц, крутой подъем (спад) может измеряться как 0.35, деленное на ширину полосы частот. Так, осциллограф 100МГц может измерять подъем до 3.5нс. Для осциллографа от 2.5ГГц до 8ГГц, используйте 0.4, деленное на ширину полосы частот и для осциллографов выше 8ГГц, используйте 0.42, деленное на ширину полосы частот. Если ваш подъем является начальной точкой для вычислений, то используйте обратную схему: если вам нужно измерить подъем 100пс, вам необходим осциллограф с полосой пропускания 0.4/100пс = 4ГГц.

2. Частота дискретизации (sample rate)

Выбирайте осциллограф, имеющий достаточную частоту дискретизации по каждому из каналов, для того чтобы обеспечить заявленную полосу пропускания устройства в реальном времени.

Также этот параметр иногда называют частотой выборки или частотой сэмплирования .

Тесно связанной с полосой пропускания осциллографа в режиме реального времени является его максимально допустимая частота дискретизации. «В реальном времени» означает, что осциллограф может захватывать и отображать единожды полученные (не повторяющиеся) сигналы, соизмеримые с полосой пропускания прибора.

Чтобы перейти к определению частоты дискретизации, необходимо вспомнить теорему Котельникова (на западе больше известна как теорема Найквиста-Шеннона или теорема отсчетов ), которая гласит, что в случае,

если аналоговый сигнал имеет ограниченную ширину спектра, то он может быть без потерь однозначно восстановлен по своим отсчетам, взятым с частотой title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="16" width="84" style="vertical-align: -4px;">, где — максимальная частота, которой ограничен спектр сигнала и его можно представить в виде ряда
где и интервал дискретизации удовлетворяет условию
Если же максимальная частота в сигнале превышает половину частоты дискретизации, то восстановить сигнал без искажений невозможно.

Ошибочным будет считать, что — это и есть частота пропускания осциллографа При таком предположении, минимальная требуемая частота дискретизации для осциллографа для заданной полосы пропускания является лишь удвоенной полосой пропускания осциллографа в режиме реального времени.

Искажение частотные составляющие, когда полоса пропускания осциллографа равна половине его частоты дискретизации для случая гауссовой АЧХ

как показано на рисунке, это не то же самое, что , если, конечно, фильтр осциллографа не работает как кирпичная стена (не обрезает частоты выше резко до нулевой амплитуды).

Как я уже упоминал, осциллографы с полосой пропускания 1 ГГц и ниже, как правило, имеют гауссову частотную характеристику. Это означает, что, хотя осциллограф ослабляет амплитуду сигнала с частотами выше точки -3 дБ, он не полностью устраняет эти более высокие частотные составляющие. Искаженные частотные составляющие показаны красной штриховкой на рисунке. Поэтому всегда выше, чем полоса пропускания осциллографа .

Рекомендуется выбирать максимальную частоту дискретизации осциллографа, по крайней мере, в четыре-пять раз выше, чем полоса пропускания оциллографа в режиме реального времени, как показано на рисунке ниже. С таким параметром, восстанавливающий фильтр осциллографа может точно воспроизводить форму высокоскоростных сигналов с разрешением в диапазоне десятков пикосекунд.

Искаженные частотные составляющие когда полоса пропускания осциллографа определена как ¼ частоты дискретизации прибора

Многие широкополосные осциллографы имеют более резкий срез АЧХ, как на рисунке ниже. Это «максимально плоская» АЧХ. Поскольку осциллограф с максимально плоской АЧХ ослабляет частотные компоненты за пределами гораздо сильнее, и начинает приближаться к идеальной характеристике теоретического фильтра «кирпичная стена», не так много точек выборки требуется для хорошего представления входного сигнала при использовании цифровой фильтрации для восстановления формы сигнала. Для осциллографов с этим типом АЧХ теоретически можно указать полосу пропускания равную .

Искаженные частотные составляющие, когда полоса пропускания осциллографа задана в 1 / 2.5 от частоты его дискретизации для приборов с «максимально плоской» частотной характеристикой.

3.Глубина памяти (memory depth)

Выбирайте осциллограф, который имеет достаточную глубину памяти для получения самых сложных ваших сигналов с высоким разрешением

Тесно связаной с максимальной частотой дискретизации осциллографа является его максимально возможная глубина памяти. Даже при том, что рекламный буклет с техническими характеристиками осциллографа может заявлять высокую максимальную частоту дискретизации, это не означает, что осциллограф всегда сэмплирует с этой высокой скоростью. Осциллограф производит выборку сигнала на максимальной скорости, когда развертка установлена на одном из быстрых временных диапазонов. Но когда развертка установлена на медленный диапазон, для того, чтобы захватить больший временной интервал, растянув его на экране осциллографа, прибор автоматически уменьшает частоту дискретизации, основываясь на доступной глубине памяти.

Например, давайте предположим, что осциллограф имеет максимальную частоту дискретизации 1 Гигасэмпл/с и глубиной памяти в 10 тысяч точек. Если развертка осциллографа установлена в 10 нс/дел, то для того, чтобы захватить 100 нс сигнала на экране осциллографа (10 нс/дел х 10 секций = 100 нс промежуток времени), осциллографу, нужно всего 100 точек памяти на весь экран. На своей максимальной частоте дискретизации 1 Гигасэмпл/с: 100 нс промежуток времени х 1 Гигасэмпл/с = 100 точек. Нет проблем! Но если вы установите развертку осциллографа на 10 мкс/дел для захвата 100 мкс сигнала, осциллограф автоматически уменьшит свою частоту дискретизации до 100 Мегасэмплов/с (10 тысяч точек / 100 мкс временной промежуток = 100 Мегасэмплов/с). Для поддержания большой частоты дискретизации осциллографа на медленных диапазонах времени требуется, чтобы прибор имел дополнительную память. В определении требуемого количества памяти поможет довольно простое уравнение, основанное на самом длинном промежутке времени сложного сигнала, который вы должны захватить и максимальной частотой дискретизации, с которой вы хотите чтобы осциллограф произвел сэмплирование.

Память = Временной интервал x Частота дискретизации

Хотя, вы можете интуитивно думать, больше памяти — всегда лучше, однако, осциллографы с большой глубиной памяти, как правило, стоят дороже. Во-вторых, для обработки длинных сигналов, используя память, требуется дополнительное время. Обычно это означает, что скорость обновления осциллограмм будет снижена, иногда весьма значительно. По этой причине, большинство осциллографов на рынке сегодня имеют ручной выбор глубины памяти, и типичная установка глубины памяти по умолчанию, как правило, относительно небольшая (от 10 до 100 тысяч точек). Если вы хотите использовать глубокую память, то вы должны вручную включить ее и идти на компромисс со скоростью обновления осциллограмм. Это означает, что вы должны знать, когда нужно использовать глубокую память, а когда — нет.

Сегментация памяти

Некоторые осциллографы имеют специальный режим работы под названием «сегментация памяти». Сегментированная память может эффективно расширить время для сбора, путем деления доступной памяти на более мелкие сегменты, как показано на рисунке ниже. Осциллограф затем выборочно оцифровывает только важные части формы исследуемого сигнала с высокой частотой дискретизации и затем устанавливает временные метки, чтобы вы знали точное время между каждым возникновением события запуска. Это позволяет осциллографу захватить много последовательных однократных сигналов с очень коротким временем повторения, при этом не пропуская важную информацию. Этот режим работы особенно полезен при захвате вспышек сигнала. Примерами сигналов импульсного типа являются импульсный радар, вспышки лазера, а также пакетированные сигналы последовательной шины данных.

4. Количество каналов

Выбирайте осциллограф, который имеет достаточное количество каналов для того, чтобы производить критичные по времени измерения, между коррелированными (связанными) между собой сигналами.

Число необходимых каналов в осциллографе будет зависеть от того, какое количество сигналов вам требуется одновременно наблюдать и сравнивать между собой. Сердцем большинства встраиваемых систем, на сегодняшний день, является (MCU), как упрощенно показано на рисунке ниже. Многие микроконтроллерные системы, на самом деле, являются устройствами смешанных сигналов с несколькими аналоговыми, цифровыми сигналами и последовательными шинами ввода/вывода для взаимодействия в внешним миром, который, по своей природе, всегда аналоговый.

Сегодняшние конструкции смешанных сигналов становятся все более сложными, поэтому может потребоваться больше каналов в осциллографе для их захвата и отображения. Двух и четырехканальные осциллографы являются сегодня востребованными. Увеличение числа каналов с 2 до 4 не приводит к двукратному увеличению цены прибора, но все же цена растет ощутимо. Два канала — оптимально, большее число каналов — зависит от ваших потребностей и финансовых возможностей. Более четырех аналоговых каналов встречается очень редко, но есть и другой интересный вариант — это осциллограф смешанных сигналов.

Осциллографы смешанных сигналов объединяют в себе все измерительные возможности осциллографов с некоторыми возможностями логических анализаторов и анализаторов протоколов последовательных шин. Наиболее важной является способность этих приборов одновременно захватывать несколько аналоговых и логических сигналов с одновременным отображением формы этих сигналов. Представьте это, как наличие нескольких каналов с высоким разрешением по вертикали (обычно 8 бит) плюс несколько дополнительных каналов с очень низким разрешением по вертикали (1 бит).

На рисунке ниже приведен пример захвата сигнала входа цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) при помощи цифровых каналов осциллографа, одновременно с мониторингом выхода сигнала ЦАП при помощи одного аналогового канала. В этом примере, осциллограф смешанных сигналов настроен таким образом, что он запускается, если логическое состояние входа ЦАП примет самое низкое значение 0000 1010.

Осциллограф смешанных сигналов может захватывать и отображать множество аналоговых и цифровых сигналов одновременно, обеспечивая общую картину коррелированных процессов

5. Скорость обновления осциллограмм

Выбирайте осциллограф, который имеет достаточно высокую скорость обновления сигнала для того, чтобы захватить случайные и редкие события, для более быстрой отладки проектов

Скорость обновления осциллограмм может быть также важна, как и уже рассмотренные нами пропускная способность, частота дискретизации и глубина памяти, хотя этот параметр часто упускается из виду при сравнении различных осциллографов перед покупкой. Даже при том, что скорость обновления сигнала осциллографа может казаться высокой при просмотре повторно захваченных сигналов на дисплее вашего осциллографа, эта «высокая скорость» является относительной. Например, обновление в несколько сотен сигналов в секунду, конечно достаточно быстро, но c точки зрения статистики, это может оказаться недостаточным, чтобы захватить случайное или редкое событие, которое может произойти только один раз на миллион захваченных сигналов.

При отладке новых проектов, скорость обновления осциллограмм может иметь решающее значение — особенно, когда вы пытаетесь найти и отлаживать редкие или прерывистые проблемы. Рост скорости обновления осциллограмм увеличивает вероятность захвата осциллографом «призрачных» событий.

Неотъемлемой характеристикой всех осциллографов является «мертвое время» (dead-time ) или «слепое время» (blind time ). Это время между каждым повторяющимся захватом сигнала осциллографом, в течение которого он обрабатывает ранее зарегистрированный сигнал. К сожалению, «мертвое время» осциллографа может иногда быть на несколько порядков больше, чем время захвата. В течение мертвого времени осциллографа, любая сигнальная активность, которая может произойти, будет пропущена, как показано на рисунке ниже. Обратите внимание на пару сигнальных выбросов, которые произошли во время простоя осциллографа, а не во время захвата (acquisition time).

Время захвата и «мертвое время» осциллографа

Из-за «мертвого времени», захват случайных и редких событий с помощью осциллографа становится азартной игрой — так же, как бросание игральных костей. Чем большее число раз вы бросите кости, тем выше вероятность получения определенной комбинации чисел. Точно так же, чем чаще обновляются сигналы осциллографа для заданного времени наблюдения, тем выше вероятность захвата и просмотра неуловимого события, о существовании которого вы даже можете по подозревать.

На рисунке ниже, показан выброс, который происходит примерно 5 раз в секунду. Некоторые осциллографы имеют максимальную скорость обновления сигнала более 1 миллиона осциллограмм в секунду, и такой осциллограф имеет 92% вероятность захвата этого выброса в течение 5 секунд. В этом примере, осциллограф захватил выброс несколько раз.

Регистрация выбросов в осциллографе со скоростью 1 миллион обновлений сигнала в секунду

Для осциллографов с обновлением 2-3 тысячи раз в секунду, вероятность захвата таких выбросов в течение 5 секунд составляет менее 1%.

6.Триггер

Выбирайте осциллограф, имеющий различные типы запуска, которые могут понадобиться, чтобы помочь выделить захват сигнала на самых сложных сигналах.

Если запуск развертки осциллографа никак не связан с исследуемым сигналом, то изображение на экране будет бежать или быть смазанным. В этом случае осциллограф отображает различные участки наблюдаемого сигнала на одном и том же месте. Для получения стабильного изображения все осциллографы содержат систему, называемую триггером. Триггер задерживает запуск развертки осциллографа до тех пор, пока не будут выполнены определенные условия.

Возможность триггерного запуска является одной из важнейших сторон осциллографа. Триггерный запуск позволяет синхронизировать захват осциллографом сигнала и отображать отдельные части сигнала. Вы можете представить триггерный запуск осциллографа как синхронизированное выполнение снимков.

Наиболее распространенным типом запуска осциллографа является срабатывание при пересечении определенного уровня. Например, запуск по фронту канала 1, когда сигнал пересекает определенный уровень напряжения (уровень запуска) в положительном направлении, как показано на рисунке ниже. Все осциллографы имеют такую возможность, и это, вероятно, наиболее часто используемый тип запуска. Но, по мере усложнения цифровых проектов, вам, возможно, потребуется дополнительно определять/фильтровать запуск осциллографа специфическими комбинациями входных сигналов для того, чтобы захватывать сигнал «в нуле», а также просматривать нужную часть сложного входного сигнала.

Запуск осциллографа по фронту цифрового импульса

Некоторые осциллографы имеют возможность запуска по импульсам, с конкретными временными характеристиками. Например, запускаться только тогда, когда импульс шириной менее 20 нс. Этот тип запуска (с уточненной шириной импульса) может быть очень полезен для запуска на непредвиденных сбоях.

Другой тип запуска, который применяется в большинстве современных осциллографов, это запуск по шаблону. Режим запуска по шаблону позволяет настроить триггер осциллографа на запуск по логической/булевой комбинации высоких уровней (единиц) и низких уровней (нулей) в двух или более входных каналах. Это может быть особенно полезным при использовании осциллографа смешанных сигналов, который может иметь до 20 аналоговых и цифровых каналов.

Более продвинутые осциллографы даже обеспечивают запуск, который синхронизируется сигналами, имеющими параметрические нарушения. Другими словами, осциллограф запускается, только если входной сигнал нарушает конкретное параметрическое состояние, такое как снижение амплитуды импульса («запуск коротышкой»), нарушение скорости края (времени нарастания/спада), или, возможно, нарушения времени длительности периода данных (триггер времени установки и удержания).

На рисунке ниже показан запуск осциллографа положительным импульсом с уменьшенной амплитудой, используя режим запуска «коротышкой». Если это импульс-коротышка происходит только один раз за миллион циклов импульсов цифрового потока, то захват этого сигнала, используя стандартный запуск по фронту, это все равно что поиск иголки в стоге сена. Также возможно производить запуск отрицательными «коротышками», а также импульсами-коротышками с определенной длительностью.

Запуск осциллографа импульсом-коротышкой

7. Работа с последовательными интерфейсами

Последовательные интерфейсы, такие как I 2 C , SPI , CAN , USB и т.д., широко распространены во многих современных разработках, использующих цифровые и смешанные сигналы. Для проверки правильности передачи сообщения по шине, а также для аналоговых измерений сигнала требуется осциллограф. Многие специалисты для проверки последовательной шины при помощи осциллографа, используют методику, известную как «визуальный подсчет битов». Но этот ручной метод декодирования последовательной шины достаточно трудоемок и приводит к частым ошибкам.

Многие из современных цифровых осциллографов и осциллографов смешанных сигналов имеют дополнительные возможности по декодированию протокола последовательной шины и триггерного запуска. Если вы планируете плотно работать с последовательной шиной, то обратите внимание на осциллографы, которые могут декодировать и запускаться данными с последовательной шины, что может значительно сэкономить ваше время при отладке устройств.

8. Измерения и анализ сигналов

Одним из основных преимуществ современного цифрового запоминающего осциллографа, по сравнению с аналоговыми приборами, является возможность выполнять различные автоматические измерения и производить анализ оцифрованных сигналов. Практически все современные цифровые осциллографы имеют возможность ручных курсорных/маркерных измерений, а также минимальный набора автоматических измерений параметров импульса, таких как время нарастания, время спада, частоту, длительность импульса, и т.д.

В то время, как для измерений параметров импульса обычно выполняются временные или амплитудные измерения амплитуды для небольшой части сигнала, то чтобы обеспечить «ответ», например, времени нарастания или размаха напряжения, математические функции осциллографа выполняют математическую операцию по всей осциллограмме или пары сигналов для получения еще одного сигнала.

На рисунке ниже показан пример математической функции быстрого преобразования Фурье (БПФ), которое было применено к тактовому сигналу (желтая кривая). БПФ перевело сигнал в частотную область (серая кривая), которая изображает по вертикальной оси амплитуду в дБ в зависимости от частоты в Гц по горизонтальной оси. Другие математические операции, которые можно выполнять для оцифрованных сигналов - суммирование, разность, дифференцирование, интегрирование и т.д.

Хотя математические функции над сигналом также можно выполнить в автономном режиме на ПК (например в MatLab), имея такую встроенную в осциллограф возможность можно не только упростить выполнение этих операций, но и понаблюдать за поведением сигнала в динамике.

9. Осциллографические пробники (измерительные щупы)

Качество измерений очень сильно зависит от того, что за пробник вы подключили к BNC-входу осциллографа. Когда вы подключаете любую измерительную систему к исследуемой схеме, измерительный прибор (и щуп) становится частью тестируемого устройства. Это означает, что можно «нагрузить» или изменить в некоторой степени поведение ваших сигналов. Хорошие щупы не должны нарушать входной сигнал и в идеале должны передать в осциллограф точный дубликат сигнала, который присутствовал в точке измерения.

Когда вы покупаете новый осциллограф, то он, как правило, поставляется со стандартным набором щупов с высоким входным сопротивлением — один пробник для каждого входного канала осциллографа. Эти типы пассивных щупов общего назначения являются наиболее распространенными и позволяют измерять широкий диапазон сигналов относительно земли. Но эти щупы имеют некоторые ограничения. На рисунке ниже показана эквивалентная схема типичного 10:1 пассивного щупа, подключенного к высокоомному входу осциллографа (вход осциллографа 1МОм).

Типичная модель пассивного пробника 1:10

Электрическая модель любого пробника (пассивного или активного) и осциллографа может быть упрощена до комбинации одного резистора и одного конденсатора, подключенных параллельно. На рисунке ниже показана типичная схема замещения осциллограф/пробник для 10: 1 пассивного щупа. Для низких частот или для постоянного тока, в нагрузке преобладает сопротивление 10МОм, которое, в большинстве случаев, не должно стать проблемой. Хотя 13.5 пФ не кажется большой емкостью, на высоких частотах нагрузка, полученная при помощи этой емкости, может быть значительной. Например, на частоте 500 МГц реактивное сопротивление конденсатора емкостью 13.5 пФ в этой модели составляет 23.6 Ом, которые уже являются значительной нагрузкой и может привести к искажению сигнала.

Для высокочастотных измерений необходимо использовать активные щупы. «Активный» означает, что пробник включает в себя усилитель, расположенный за наконечником щупа. Он позволяет существенно уменьшить емкостную нагрузку и увеличить полосу пропускания для пробника. К недостаткам высокочастотных активных пробников можно отнести их динамический диапазон, а также их стоимость.

Есть и другие специальные измерительные задачи, о которых хотелось бы упомянуть. Если вам нужно произвести измерения на высокоскоростной дифференциальной последовательной шине, то вы должны рассмотреть возможность использования высокочастотного дифференциального активного пробника. Если вам нужно померить сигналы, имеющие очень высокое напряжение, вам понадобится специальный пробник, рассчитанный на высокое напряжение. Если вам нужно измерить ток, вы должны рассмотреть возможность использования датчика тока.