Что такое осциллограф и как им пользоваться

Основные характеристики цифровых осцилографов.

 Общее описание осциллографа

Осциллограф (лат. oscillo — качаюсь и graph – пишу) – контрольно–измерительный прибор для исследования и визуализации электрических сигналов, а также определения их параметров в реальном времени. Осциллограф, позволяет проводить визуальный контроль таких характеристик, как форма, период, амплитуда, полярность или длительность сигнала, а и значительно упростить процедуру настройки электронных устройств.

Основная задача осциллографа – построение временной зависимости напряжения сигнала U(t) – осциллограммы. И если первые осциллографы давали только качественную информацию о форме сигнала, то последующие модели дали возможность количественного отображения графической формы на откалиброванных осях, такие как изменение амплитуды сигнала или оценка скорости этих изменений. Следующим этапом развития этого прибора были многоканальные осциллографы, которые позволили проводить временные сравнения и анализ различных типов сигналов. 

Основная полезная для пользователя информация выводится на дисплей осциллографа, который находится на передней панели вместе с контрольными кнопками, выводами, рычагами. Для удобства использования во всех приборах на дисплеи нанесено разметку в виде градуированной координатной сетки – по горизонтали находится временная шкала X в s (сек), по вертикали шкала напряжения Y в V (В), иногда также говорят о третьей шкале Z, которую привязывают к интенсивности или яркости дисплея

С графика на экране пользователь легко может:
• Определить значения напряжения и времени сигнала;
• Подсчитать частоту колебаний периодического сигнала;
• Исследовать сигнал на протекание постоянного или переменного тока;
• Судить о наличие шума на фоне сигнала, а также проводить мониторинг изменения во времени этого шума

Кроме дисплея, на передней панели осциллографа находится контрольная панель прибора, которая, как правило, разделена на три секции для управления измерениями: для вертикальной развертки, для горизонтальной развертки, а также для уровня синхронизации. Кроме того, на панели присутствуют элементы управления дисплеем и разъемы двух каналов и канала внешней синхронизации.

Современные осциллографы оснащены, как минимум двумя входными каналами, что позволяет одновременно в процессе работы отслеживать изменения двух электрических сигналов или же проводить сравнение исследуемого сигнала с прокалиброванным сигналом. При наличии нескольких каналов, существует также возможность отображения изменения напряжений одного сигнала по отношению к другому. Такие возможности особенно полезны при работе с полупроводниковыми элементами, например диодами, в случае которых можно отобразить зависимость изменения силы тока от напряжения, так званые фигуры Лиссажу.
Отдельно стоит обратить внимание на кабеля входных каналов (измерительные кабеля), которые соответственно маркируются и имеют свои названия. Основными двумя типами есть прямой и аттенюаторный. Каждый из этих кабелей является «коаксиальным» кабелем. С тем различием, что первый из них при подключении к измеряемой схеме использует зажимы типа «крокодил», а второй из перечисленных имеет щуп, в котором содержится резистор с большим сопротивлением, функцией которого есть вместе с входным резистором осциллографа сформировать делитель напряжений, а значит выполнить ослабление сигнала. Преимуществом такого кабеля является то, что он создает меньшую емкостную нагрузку для схем высокой частоты, позволяя визуализировать высокочастотные сигналы и сложные формы сигнала. Тем не менее, взамен имеет место потери амплитуды сигнала, которая может обычно компенсироваться увеличением усиления осциллографа. Чтобы получить корректное измерение амплитуды сигнала, в настройках осциллографа, выставляют соответственный умножитель 10Х или 100Х

Основные характеристики осцилографов

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

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

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

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

Частота дискретизации – равна скорости, с которой осциллограф может оцифровывать входной сигнал. Эта характеристика, как уже отмечалось выше, при более высоких значениях отвечает за более высокие значения полосы пропускания однократных сигналов и, соответственно, дает лучшее разрешение. Следует также отметить, что указанное в инструкции значение частоты дискретизации касается только одного канала, а при работе с несколькими каналами одновременно значение этой характеристики уменьшается и приводит к появлению искаженных сигналов. Еще одним важным замечанием для пользователей служит то, что большинство осциллографов работают на максимальной частоте дискретизации только на самых быстрых скоростях развертки, а на медленных скоростях развертки частота дискретизации автоматически уменьшается.
Объем памяти – характеристика цифрового осциллографа, которая связана со значением частоты дискретизации, а также зависит от требуемого времени непрерывного анализа. Приборы с большим объемом памяти позволяют просматривать захваченные сигналы длительные периоды времени с большим разрешением между точками. Для каждого конкретного случая, принимая во внимание значения временного интервала (ВИ) и частоты дискретизации (ЧД), можно рассчитать величину объема памяти (ОП) следующим образом:

ОП=ЧД×ВИ

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

Из описанного выше можно сделать два простых вывода:
Для сохранения максимальной частоты дискретизации при увеличении значений коэффициента развертки необходимо увеличивать размер внутренней памяти;
При уменьшении длинны внутренней памяти и постоянном коэффициенте развертки, частота дискретизации неизбежно уменьшается.

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

Режимы синхронизации – запуск осциллографа по фронту (перепаду) используется большинством пользователей и есть достаточным для решения общих задач. Но при постановке более сложных проблем (исследование сигналов сложных форм) возникает потребность в использовании дополнительных возможностей по запуску. Современные модели осциллографов предлагают дополнительные функции запусков, например, по логическому состоянию, по импульсной помехе, по телевизионному или видеосигналу и т.д.
 Ниже представлены семь возможных режимов запуска для осциллографов RIGOL серии DS1000: по фронту, длительности импульса, по скорости нарастания, по видеосигналу, чередующийся, по заданному шаблону логического состояния, а также его продолжительности (осциллографы для смешанных типов сигналов).

Edge -запуск по фронту происходит, когда входной сигнал пересекает выбранный уровень напряжения в выбранном направлении (нарастание, спад или произвольным фронтом).
Pulse - запуск по длительности импульса используется, чтобы поймать импульсы определенной длительности.
Video - запуск по видеосигналу для запуска по полям или строкам от синхроимпульса стандартных видеосигналов.
Slope - запуск по скорости нарастания при выполнении заданных условий по длительности и уровню для нарастающего (спадающего) перепада сигнала.
Alternate - поочередный запуск от каналов CH1 и СН2 для одновременного наблюдения двух несинхронизированных сигналов.
Pattern - запуск по определенному шаблону логического сигнала.
Duration - запуск по совпадению с определенным шаблоном логического сигнала в течение заданного времени.

Режимы курсорных измерений – позволяют производить амплитудные или временные измерения путем установки вертикальных или горизонтальных курсоров в нужные точки осциллограммы. Например, при амплитудных измерениях можно определить значение размаха или разности напряжений, а при временных измерениях – разность значений по оси времени. На Рис.3 показано пример курсорных измерений резонансной частоты сигнала при помощи осциллографов RIGOL серии DS1000 при использовании запуска по нарастающему фронту.

Как выбирать осциллограф?

Как же выбрать цифровой осцилограф? На что обратить внимание? Мы попробуем помочь Вам в этом!

На сегодня существует широкий выбор различных типов осциллографов многочисленных мировых производителей: от классических аналоговых до ряда современных цифровых (запоминающие, «виртуальные», люминофорные, портативные, смешанных типов сигналов).

Первыми основными факторами при выборе и покупке осциллографа должны быть: отрасль использования прибора и рабочая среда (лаборатория, офис, «полевые» условия). Следующими основными вопросами должны стать:
Нужно ли Вам измерять или сравнивать разные сигналы одновременно?
Нужна ли Вам возможность подсоединения к компьютеру или к Ethernet сети?
Какой тип сигнала будет исследоваться (переменный, повторяющийся, импульсный, кратковременный)?
Какие максимальные частоты будут исследоваться в конкретных случаях?
Есть ли потребность в запоминании сигналов? Какой объем информации нужно сохранять?
Какие максимальные и минимальные значения амплитуды нужно отображать в процессе исследований?
Нужно ли отображение сигнала во временной и частотной областях, другими словами нужен ли спектральный анализ?

После ответов на названые вопросы, можно приблизительно подобрать ряд подходящих моделей и провести сравнение по конкретным параметрам осциллографов:

Количество каналов – определяется пользователем соответственно до поставленных задач. Самими распространенными на сегодняшний день являются двух- или четырехканальные осциллографы, которые удовлетворяют большинство поставленных потребителями условий. Но для более широкого круга задач можно использовать осциллографы со смешанными типами сигналов, в которых параллельно присутствуют и аналоговые, и цифровые каналы (см. Рис.4).

Полоса пропускания – должна от трех до пяти раз превышать значения основных частот сигналов, которые Вы планируете исследовать. Осциллографы с достаточной полосой пропускания дают наиболее полную информацию о сигнале, и имеют наилучшее воспроизведение фронтов сигнала. Если полоса пропускания недостаточная, то сигнал воспроизводится со срезанными высокочастотными составляющими, а фронты сигналов будут казаться более длинными, чем они есть на самом деле, также присутствует замедление фронта и уменьшение амплитуды, другими словами происходит искажение сигнала.

Частота дискретизации – следует различать два разных значения этой характеристики: дискретизация в эквивалентном масштабе времени и в реальном масштабе времени. Первая из них относится к характеристикам по отношению к повторяющимся сигналам, а вторая актуальна при исследовании импульсных, кратковременных или же переменных сигналов. Также нужно отметить, что указанная производителями частота дискретизации, как правило, относиться к характеристикам только одного канала. При использовании несколько каналов одновременно такие осциллографы уменьшают частоту дискретизации, что опять-таки увеличивает вероятность появления искаженных сигналов. В некоторых осциллографах существует возможность независимо настраивать частоту дискретизации и количество информации, отображаемой на экране осциллографа для поддержания, требуемого разрешение сигнала на экране.

Объем памяти – определяется в зависимости от желаемого разрешения и длительности исследуемого сигнала. Память большего объема обеспечивает исследование долговременных сигналов с высоким разрешением. Но с другой стороны больший объем памяти замедляет реакцию осциллографа на изменение входного сигнала и действия пользователя, что есть явным минусом прибора в процессе эксплуатации.
Возможности анализа сигналов – включают в себя математические функции (добавление, вычитание, умножение, деление, интеграцию и дифференцирование), ведение статистики измерений, анализа сигналов в частотной области с помощью быстрого преобразования Фурье (см. Рис.5). Эти возможности предназначены для облегчения работы и экономии времени, но потребность в них определятся поставленными перед пользователем задачами.

Кроме перечисленных выше параметров, существует ряд других параметров, которые определяют возможности и степень функциональности прибора, например, возможности по запуску прибора или по обнаружению импульсных помех, подключение к персональному компьютеру или принтеру, параметры пробников и т.д. Все эти характеристики должны определяться пользователем в зависимости от сферы использования, поставленных задач, и, конечно же, от бюджетных возможностей, ведь каждая дополнительная функция прибора непосредственно отображается на его цене.