В чем отличие осциллографов с1. Проведение измерений с помощью осциллографа

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

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.

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.

Рис. 1 Двухканальный осциллограф, внешнее исполнение

Рынок коммерческих измерительных изделий в нашей стране сегодня довольно велик. Это является положительным фактором для производства соответствующих товаров промышленного назначения.

Высокочастотные встраиваемые модули для осциллографов от ЗАО «Руднев-Шиляев» занимают устойчивые позиции в сфере офисных и промышленных применений. Многоканальные осциллографы нужны для решения многих задач: от исследовательских до эксплуатационных. При этом, в последнем случае, возможно полностью автоматизировать процесс работы оборудования. ЗАО «Руднев-Шиляев» одно из первых стало производить целый ряд измерительных модулей, которые встраивались в пятидюймовые отсеки обычного офисного компьютера. Тем самым, обеспечивалась модульная наращиваемость, гибкость, приемлемая цена и кратчайшее время вывода новых изделий на рынок. С ориентировкой на решение конкретных измерительных задач был создан набор модулей, позволяющий максимально охватить спектр возможных применений. Самым простым является внешний модуль с USB-интерфейсом в формате корпуса 5,25 дюйма для дисковода персонально компьютера (см. рис. 1). Это высокочастотный двухканальный осциллограф с частотой дискретизации 1 ГГц.

Рис. 2 Шестиканальный осциллограф на базе офисного компьютера

На рис. 2 показан пример недорогого офисного шестиканального осциллографа с теми же модулями. Также существуют и модули, поддерживающие интерфейс PCI, и позволяющие создавать удобные офисные и промышленные измерительные системы для 19 дюймовых стоек (см. рис. 3). Высокочастотные встраиваемые модули ЗАО «Руднев-Шиляев» используются не только в составе офисного компьютера. Для осциллографов с числом каналов более восьми применяются корпуса промышленных компьютеров. При этом интерфейс модулей может быть либо PCI, либо USB. Пример построения 32-канального осциллографа показан на рис. 4. Встраиваемые измерительные модули работают синхронно или независимо и имеют необходимый для различных применений входной диапазон напряжений - от 42 дБ (8 разрядов) до 65 дБ (12 разрядов) (см. рис. 5), где КГИ - коэффициент гармонических искажений, определяемый по пяти параметрам, РДД - реальный динамический диапазон, С/Ш - отношение мощности сигнала к мощности шума.

Максимальная частота дискретизации - 2 ГГц. Такую многоканальную встраиваемую систему можно использовать как синхронный анализатор сигналов для самых разных целей. Сбор, обработка и анализ поступающей информации, и даже принятие решения и его выполнение, может осуществляться без участия оператора. Сама задача построения прибора из отдельных модулей не проста. Добиваясь технологичности и надежности всей системы в целом, приходится решать ряд серьезных проблем. Прежде всего, необходимо обеспечить качественное межмодульное соединение. Это, пожалуй, наиболее сложная задача, так как тип соединения зависит от сложности конкретного модуля. Например, в высокочастотных осциллографах ЗАО «Руднев-Шиляев» период частоты дискретизации может быть меньше наносекунды, и для обеспечения синхронной работы всех каналов требуется предпринимать дополнительные меры.

>
Рис. 3 Промышленный осциллограф в составе измерительного комплекса

Даже, если каждый модуль в отдельности функционирует превосходно, при работе в системе может наблюдаться значительное ухудшение как статических, так и динамических характеристик. Цифровая часть одного модуля может создавать помеху для чувствительного аналогового канала соседнего модуля. Для синхронной работы всех модулей у них должен быть один задающий тактовый генератор. При передаче тактового сигнала от одного модуля к другому возникает разность потенциалов межу общими шинами на разных между общими шинами на разных модулях, создаются «земляные» контуры, которые порождают помехи на входе приемника тактовой частоты, увеличивается фазовый шум, что приводит к ухудшению динамических пара- метров измерительных модулей в составе системы. Решается эта задача с использованием специального модуля синхронизации, который обеспечивает качественный запуск всей системы встраиваемых модулей. Также для надежной работы системы необходима продуманная система охлаждения. Суммарная мощность потребления встраиваемых модулей может превышать 1 кВт. Здесь необходимо не только правильно выбрать мощность используемого блока питания, но и обеспечить необходимую скорость потока и равномерность распределения охлаждающего воздуха. Площадь радиаторов, установленных на каждом модуле, наличие воздушных фильтров на заборных окнах, сопротивление потоку воздуха вносимое жгутами проложенных кабелей, - все это влияет на работу системы охлаждения. Отдельно хотелось бы остановиться на возможности взаимозаменяемости встраиваемых модулей. На этапе проектирования отдельного модуля в конструкцию закладывается некоторая избыточность, позволяющая каждому модулю работать как автономно, так и в составе измерительной системы. Каждый модуль имеет «на борту» встроенную систему диагностики, которая тестирует его наиболее важные узлы. Диагностическая информация запрашивается компьютером с каждого модуля при инициализации системы. При возникновении неполадок, код неисправности и номер модуля, где обнаружена ошибка, отображается на экране компьютера. Это позволяет значительно снизить затраты на обслуживание всего устройства.

рис. 4. 32-канальный осциллограф
на базе промышленного компьютера

Наиболее ответственные системы, рассчитанные на длительную эксплуатацию, комплектуются запасными модулями. Операция замены модуля не требует высокой квалификации обслуживающего персонала. Наличие на рынке встраиваемых систем широкого спектра коммерческих продуктов на базе вышеописанных измерительных встраиваемых модулей - эффективная возможность для решения нестандартных измерительных задач, например, вычисления скоростей движущихся объектов. Для этого необходимо иметь два канала - прямой и квадратурный. Имеющийся офисный или промышленный компьютер произведет необходимые вычисления и представит результат. Незаменимы высокочастотные модули и в задачах прямого преобразования промежуточных частот различных источников сигналов в диапазоне до 1 ГГц. Применение встраиваемых модулей позволяет преобразовывать сигналы, передавать данные в компьютер и определять спектральные характеристики источников сигналов. Описанные измерительные системы на базе компьютера удобны для моделирования при решении нестандартных и несерийных задач. В этом случае можно легко менять начальные условия задач, параметры сбора и обработки информации. Для решения серийных задач система из встраиваемых модулей обеспечит необходимую автоматизацию процедур измерения и, при необходимости, проконтролирует процесс управления объектами, параметры которых анализируются. При этом, программная часть встраиваемой системы может быть быстро адаптирована под особенности решаемой задачи, соответствуя требованиям удобства и простоты использования.

рис. 5 Динамические характеристики 12-разрядного измерительного модуля

Если спросить профессионального регулировщика электронной аппаратуры или радиоинженера: "Какой самый главный прибор на вашем рабочем месте?" Ответ будет однозначным: "Конечно, осциллограф!". И это действительно так.

Конечно, невозможно обойтись без мультиметра . Измерить напряжение в контрольных точках схемы, замерить сопротивление и ток, «прозвонить» диод или проверить транзистор все это важно и нужно.

Но когда речь заходит о регулировке и настройке любого электронного устройства от простого телевизора до многоканального передатчика орбитальной станции, то без осциллографа обойтись невозможно.

Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, измерить время нарастания импульса, а в цифровой аппаратуре это очень важный параметр.

Осциллограф – это своего рода телевизор, который показывает электрические сигналы.

Как работает осциллограф?

Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим блок-схему усреднённого прибора. Практически все осциллографы устроены именно так.

На схеме не показаны только два блока питания : высоковольтный источник, который используется для вырабатывания высокого напряжения поступающего на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка ) и низковольтный, обеспечивающий работу всех узлов прибора. И отсутствует встроенный калибратор , который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.

Исследуемый сигнал подаётся на вход "Y " канала вертикального отклонения и попадает на аттенюатор, который представляет собой многопозиционный переключатель, регулирующий чувствительность. Его шкала отградуирована в V/см или V/дел. Имеется в виду одно деление координатной сетки нанесённой на экран ЭЛТ. Там же нанесены сами величины: 0,1 В,10 В, 100 В. Если амплитуда исследуемого сигнала неизвестна, мы устанавливаем минимальную чувствительность, например 100 вольт на деление. Тогда даже сигнал амплитудой 300 вольт не выведет прибор из строя.

В комплект любого осциллографа входят делители 1: 10 и 1: 100 они представляют собой цилиндрические или прямоугольные насадки с разъёмами с двух сторон. Выполняют те же функции, что и аттенюатор. Кроме того при работе с короткими импульсами они компенсируют ёмкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешний делитель от осциллографа С1-94. Как видим, коэффициент деления его составляет 1: 10.

Благодаря внешнему делителю удаётся расширить возможности прибора, так как при его использовании становится возможным исследование электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.

С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель . Здесь он разветвляется и поступает на линию задержки и на переключатель синхронизации. Линия задержки предназначена для компенсации времени срабатывания генератора развёртки с поступлением исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения. Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на пластины "Y " и обеспечивает отклонение луча по вертикали.

Генератор развёртки формирует пилообразное напряжение, которое подаётся на усилитель горизонтального отклонения и на пластины "X " ЭЛТ и обеспечивает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный как время на деление ("Время/дел"), и шкалу времени развёртки в секундах (s), миллисекундах (ms) и микросекундах (μs).

Устройство синхронизации обеспечивает начало запуска генератора развёртки одновременно с возникновением сигнала в начальной точке экрана. В результате на экране осциллографа мы видим изображение импульса развёрнутое во времени . Переключатель синхронизации имеет следующие положения:

Синхронизация от исследуемого сигнала.

Синхронизация от сети.

Синхронизация от внешнего источника.

Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.

Осциллограф С1-94.

Кроме сложных и дорогих моделей осциллографов, которые используются при разработке электронной аппаратуры, нашей промышленностью был налажен выпуск малогабаритного осциллографа C1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он хорошо зарекомендовал себя в работе и обладает всеми функциями дорогого и серьёзного прибора.

В отличие от своих более "навороченных" собратьев, осциллограф С1-94 обладает достаточно небольшими размерами, а также прост в использовании. Рассмотрим его органы управления. Вот лицевая панель осциллографа С1-94.

Справа от экрана сверху вниз.

Ручка: «Фокус».

Ручка «Яркость».

Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.

Сеть ». Кнопка включения прибора.

Кнопка режима «Ждущ-Авт ».

Это кнопка выбора ждущего и автоматического режима развёртки. При работе в ждущем режиме запуск и синхронизация развёртки производится исследуемым сигналом. При автоматическом режиме запуск развёртки происходит без сигнала. Для исследования сигнала чаще используется ждущий режим запуска развёртки.

Вот этой кнопкой производится выбор полярности запускающего импульса. Можно выбрать запуск от импульса положительной или отрицательной полярности.

Кнопка установки синхронизации «Внутр-Внешн ».

Обычно используется внутренняя синхронизация, так как для использования внешнего синхросигнала нужен отдельный источник этого внешнего сигнала. Понятно, что в условиях домашней мастерской это в подавляющем случае не нужно. Вход внешнего синхросигнала на лицевой панели осциллографа выглядит вот так.

Кнопка выбора "Открытого" и "Закрытого" входа.

Тут всё понятно. Если предполагается исследование сигнала с постоянной составляющей, то выбираем "Переменный и постоянный". Этот режим называется "Открытым", так как на канал вертикального отклонения подаётся сигнал, содержащий в своём спектре постоянную составляющую или низкие частоты.

При этом, стоит учитывать, что при отображении сигнала на экране он уйдёт вверх, так как к амплитуде переменной составляющей добавиться и уровень постоянной составляющей. В большинстве случаев лучше выбирать "закрытый" вход (~ ). При этом постоянная составляющая электрического сигнала будет отсечена и не отображается на экране.

Клемма «корпус» служит для заземления корпуса прибора. Это делается в целях безопасности. В условиях домашней мастерской порой нет возможности заземлить корпус прибора. Поэтому приходится работать без заземления. При этом важно помнить, что во включенном состоянии на корпусе осциллографа может быть потенциал напряжения. При касании корпуса может "дёрнуть". Особенно опасно дотрагиваться одной рукой до корпуса осциллографа, а другой рукой до батарей отопления или других работающих электроприборов. В таком случае опасный потенциал с корпуса пройдёт через ваше тело ("рука" - "рука") и вы получите электрический удар! Поэтому при работе осциллографа без заземления желательно не дотрагиваться до металлических частей корпуса. Это правило справедливо и для прочих электроприборов с металлическим корпусом.

По центру лицевой панели переключатель «развёртка» - Время/дел . Именно этот переключатель управляет работой генератора развёртки.

Чуть ниже располагается переключатель входного делителя (аттенюатора) - V/дел . Как уже говорилось, при исследовании сигнала с неизвестной амплитудой, необходимо выставить максимально возможное значение V/дел. Так для осциллографа С1-94 нужно установить переключатель в положение 5 (5V/дел. ). В таком случае одна клетка на координатной сетке экрана будет равна 5-ти вольтам. Если ко входу "Y" осциллографа подключить делитель с коэффициентом деления 1 к 10 (1: 10), то одна клетка будет равна 50-ти вольтам (5V/дел. * 10 = 50V/дел.).

Также на панели осциллографа имеются:

В настоящее время, с развитием цифровой техники, стали широко внедряться цифровые осциллографы. По сути это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.

Аналоговая аппаратура всегда была надежной и удобной в работе. Кроме того она легко ремонтировалась. Цифровой осциллограф стоит на порядок дороже и очень сложен в ремонте. Плюсов конечно много. Если аналоговый сигнал с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) перевести в цифровую форму, то с ним можно делать всё что угодно. Его можно записать в память и в любой момент вывести на экран для сравнения с другим сигналом, складывать в фазе и противофазе с другими сигналами. Конечно, аналоговая техника это хорошо, но за цифровой электроникой будущее.