Полоса пропускания осциллографа что это

О полосе пропускания осциллографа и отображаемой форме сигнала

Просматривая обзоры осциллографов на тематических ресурсах и на YouTube, я прихожу к выводу, что не многие радиолюбители понимают суть такого параметра осциллографа, как полоса пропускания.

Вот горе обзорщик берёт осциллограф с полосой пропускания 100 мегагерц, подаёт на вход осциллографа меандр с частотой 60 мегагерц, получает на экране осциллографа синусоиду вместо меандра и делает вывод (или выводы за него делают в комментариях), что осциллограф полное… подставьте самое плохое слово из вашего словарного запаса, которым можно охарактеризовать некачественную вещь.

И я понимаю, что эти радиогубители совсем не понимают сути полосы пропускания осциллографа, не слышали о преобразовании Фурье и амплитудно-частотном спектре периодического сигнала.

Сейчас я постараюсь безо всяких заумных формул объяснить, почему при повышении частоты отображение любого периодического сигнала на осциллограмме стремится к подобию синусоиды.

Полоса пропускания.

Взгляните на график (взятый из пособия по осциллографам фирмы «тектроникс»), иллюстрирующий полосу пропускания осциллографа. Этот график отображает зависимость амплитуды гармонического (то есть синусоидального) сигнала от его частоты.

На графике видно, что чем больше частота гармонического сигнала, тем ниже его амплитуда. В итоге график обрывается на значении амплитуды -3 дециБела или 70%. Но на самом деле график АЧХ тут не заканчивается. Следующее изображение иллюстрирует полную форму амплитудно-частотной характеристики. То место, где пересекаются 2 графика и есть полоса пропускания. Но, как видно из графика, при превышении полосы пропускания АЧХ не обрывается резко, но её спад становится круче.

Существуют модели осциллографов, у которых амплитудно-частотная характеристика обрывается резко (максимально плоская полоса пропускания на следующем изображении), но такая полоса пропускания встречается не часто и только в профессиональных осциллографах.

Получается, что чем выше частота гармонического сигнала, тем сильнее затухает его амплитуда по мере прохождения по цепям осциллографа (и по цепям ДО осциллографа). И затухать амплитуда начинает задолго до приближения частоты к полосе пропускания (АЧХ на втором изображении нарисована условно, на первом она изображена намного точнее). Считается, что чтобы получить ошибку амплитуды сигнала не менее 3%, необходима полоса пропускания в 3 раза выше частоты сигнала для гармонического сигнала, и в 5 раз выше для сложного.

Амплитуда затухает, но форма сигнала остается прежней — синусоидальной. А если на вход осциллографа подается НЕ синусоидальный, периодический сигнал (меандр, пила, ШИМ, треугольник)?

Преобразование Фурье.

Преобразование Фурье выпило много крови и испортило много нервов студентам. Но сейчас я не буду вдаваться в дебри высшей математики, расслабьтесь. Итак.

Любой (почти) периодический сигнал можно разложить на гармонические составляющие, то есть на синусоиды, у которых будет своя частота, амплитуда и фаза. И хотим мы этого или нет, любой периодический сигнал ведет себя именно так, как набор синусоид, каждая из которых обладает своей частотой, амплитудой и фазой.

Приведу самый распространенный пример: меандр частотой 10 килогерц состоит из синусоиды 10 килогерц и её нечётных гармоник (сигналов кратной частоты) 30, 50, 70 килогерц и так далее до бесконечности. Но амплитуда гармоник не постоянна, и для её отображения строят амплитудный спектр сигнала. Таким же образом можно построить и фазовый спектр сигнала.

“Иголочки” на спектре обозначают частоту, а их длина амплитуду и фазу соответственно.

Но фаза нас сейчас не интересует, только амплитуда.

Настало время собрать всю эту информацию воедино.

Допустим, у нас есть синусоидальный сигнал. При повышении частоты вплоть до полосы пропускания полосы и даже выше, осциллограф будет отображать её как синусоиду (насколько позволит частота дискретизации сигнала). Но как только на вход осциллографа подадим сложный периодический сигнал, то в дело вступит Фурье со своим разложением и начинается магия…

Я обладаю осциллографом-приставкой к ПК Instrustar ISDS205A (полоса пропускания 20 мегагерц), программное обеспечение которого имеем массу дополнительных функций, среди которых быстрое преобразование Фурье. Воспользуюсь им, чтобы продемонстрировать амплитудно-частотный спектр меандра различных частот.

Начну совсем с низкой частоты — 10 Гц. Справа отображается форма осциллограммы, слева амплитудно-частотный спектр сигнала. Пики — это гармоники основной частоты (в данном случае 10 герц). Под амплитудно-частотным спектром перечислены семь первых гармоник сигнала, их вычисленные частоты и измеренная амплитуда. Что мы видим? Фундаментальная частота (равная частоте меандра) имеет самую большую амплитуду. Вторая гармоника имеет практически нулевую амплитуду. Третья гармоника (30 килогерц) имеет амплитуду примерно равную трети амплитуды фундаментальной частоты. Четвертая снова практически нулевую амплитуду, потому что меандр состоит только из нечетных гармоник, потому смысла рассматривать четные гармоники дальше нет. Пятая гармоника — амплитуда равна одной пятой амплитуды фундаментальной частоты. Седьмая — одна седьмая амплитуды фундаментальной частоты. Параметры остальных гармоник не отображаются, но на изображении видно, что амплитуда последующих гармоник снижается всё сильнее.

Я уже писал, что чтобы получить меандр, необходимо бесконечное количество гармоник. Здесь их много, даже на изображение все не помещаются. И амплитуда их видна, несмотря на то, что она снижается с повышением частоты гармоники.

Сразу перепрыгну на частоту 100 килогерц.

На осциллограмме видны заваленные фронты меандра. Причина же такого отображения меандра видна на амплитудно-частотном спектре. Тут снова иголочки амплитуды, но есть два “но”:

• их намного меньше, чем на предыдущем скриншоте;
• их амплитуда падает значительно быстрее.

А если повысить частоту до 500 килогерц?

Меандр становится похож на нечто синусо-треугольно-образное, на амплитудно-частотном спектре можно разглядеть от силы 10 гармоник

Частота 1 мегагерц.

Меандр не похож на меандр, на амплитудно-частотном спектре можно выделить всё меньше гармоник и амплитуда их падает очень быстро.

Максимум что я смог получить от своего “генератора” — 2 мегагерца.

Меандр больше похож на треугольник, на амплитудно-частотном спектре можно различить четыре гармоники.

Если бы я смог повышать частоту далее до бесконечности, то все гармоники оказались бы заглушены, осталась бы фундаментальная частота, которая отображалась бы на экране осциллографа как синусоида.

Раскладывать электрические сигналы в ряд Фурье и любоваться амплитудно-частотными спектрами довольно занятно. Вот, например, на закуску амплитудно-частотный спектр ШИМ-сигнала.

Но пора подводить итоги.

Чем выше частота сложного периодического сигнала, тем сильнее искажается его форма, отображаемая осциллографом. Это связано в первую очередь с тем, что и без того низкая амплитуда гармоник высокой частоты дополнительно снижается. И снижается она не только из-за амплитудно-частотной характеристики осциллографа. У щупов для осциллографа тоже есть своя амплитудно-частотная характеристика, и максимальная частота, на которую рассчитан щуп (указана на самом щупе).

На фото показаны щупы P2060 (рассчитанный на работу с сигналами с частотой до 6 мегагерц при отключенном делителе на 10 и с частотой до 60 мегагерц при включенном делителе на 10) и P6100 (рассчитанный на работу с сигналами частотой до 100 мегагерц).

Замечу, что для наглядности все измерения выше я проводил щупом Р2060 в режиме 1х, чтобы его влияние на сигнал было максимальным. Да, я схитрил и сделал это намеренно, для наглядности. Но при реальных измерениях так делать конечно же не стоит.

К тому же, не только щуп и осциллограф вносят погрешность в сигнал. Сигнал способен исказить свою форму просто при прохождении по проводнику. Потому что любой проводник, кроме сопротивления, имеет также емкость и индуктивность, которые влияют на переменный ток. Все эти факторы совместно влияют на амплитуды и фазы гармоник и соответственно на форму сигнала.

Какие условия необходимо соблюдать для правильного измерения формы сложного периодического сигнала:

• убедитесь, что полоса пропускания осциллографа превышает частоту хотя бы пятой-седьмой гармоник сигнала (глупо измерять меандр 16 мегагерц осциллографом с полосой 20 мегагерц);
• убедитесь, что максимальная частота щупа выше полосы пропускания осциллографа (на ISDS205A полоса пропускания 20 мегагерц, но в комплекте идут щупы, способные работать с частотой до 60 мегагерц), да и вообще используйте качественные щупы для осциллографа;
• измеряйте форму сигнала как можно ближе к источнику сигнала, потому что прохождение сигнала по любым цепям способно нарушить его форму;

Помните, что хоть осциллограф и вносит погрешность в сигнал, еще большую погрешность могут ввести электронные компоненты и проводники до осциллографа. То есть там, где вы ожидаете увидеть меандр (пилу, ШИМ и прочее), меандр уже может быть искажен. Так было и в моем случае, меандр частотой 1-2 мегагерца уже приходил на осциллограф сильно искаженным, из-за цепей генератора. Но в моем случае это не важно, важно было показать почему именно он искажен.

И помните, осциллограф — в первую очередь прибор для наблюдения, и только во-вторую, прибор для измерения.

Чем определяется полоса пропускания цифровых осциллографов?

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.

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

Как выбрать осциллограф

Какой осциллограф выбрать начинающему диагносту, радиолюбителю, электрику? Какие типы осциллографов бывают? На какие критерии опираться выбирая новый осциллограф? Ответы на эти и другие фундаментальные вопросы – в статье.

Материал обновлён 18.04.2023
Время чтения: 17 минут

Эксперт — Андрей Кириченко

Автор блога о технике и электронике

• Полоса пропускания
• Количество каналов
• Частота дискретизации
• Глубина памяти
• Скорость обновления осциллограмм
• Триггер
• Работа с последовательными интерфейсами
• Измерения и анализ сигналов
• Разрешение экрана
• Возможность автоматической настройки
• Осциллографические пробники

Осциллограф – это графический инструмент для наблюдения характера поведения процессов в электронных схемах. Записывает измерения временных параметров, амплитуды электрического сигнала, который подается на вход прибора. Измеряет искажения, появляющиеся при неисправном компоненте схемы, определяет изменения шума и другие параметры. Данные отображаются на экране или в записи. Используя измерительный преобразователь, можно контролировать любые природные явления.

Осциллографы есть цифровые и аналоговые, а по способу регистрации — приборы реального и эквивалентного времени.

Цифровой осциллограф или аналоговый

Отличие цифровых от аналоговых устройств предполагает отображение на приборном экране сигнала с разными градациями яркости.

Аналоговые осциллографы выполняют развертку сигнала, работают с изменяющимися физическими величинами, например, напряжением.

Цифровые осциллографы делают выборку характеристик сигналов, работают с дискретными двоичными числами, которые представляют значение напряжения. Идея системы запуска основана на детектировании событий, происходящих в наблюдаемом процессе.

Аналоговая система запуска работает с усилителями, которые могут служить источниками линейных и нелинейных погрешностей. Например, задержка и колебания амплитуды, которая проявляется в виде сдвигов положения запуска (джиттера запуска), видимого на экране. Работают с меняющимся в процессе наблюдения напряжением.

Цифровая система запуска работает точно, без искажений, разбирается с отчетами АЦП (аналогово-цифровых преобразователей) напрямую. Получаемый сигнал идентичный захваченному и отображенному на экране.

Модели цифровых осциллографов здесь.

Для цифровых приборов характерно:

1. Работа в режиме эквивалентного и реального времени с полосой пропускания до 70 ГГц и более.
2. Прямая регистрация оптических сигналов с помощью модулей.
3. Невысокий уровень шума, менее 200 пс.
4. Повторяющийся характер работы, что идеально для наблюдения за характеристиками сигнала.

Информация, выдаваемая цифровым устройством, отображается на экране текстом, что точнее, чем графики на мониторе аналогового осциллографа. Обработка сигнала происходит на основе метода Фурье. Данные записывают в память компьютера и распечатывают. Цифровые устройства бывают запоминающими, люминофорными, стробоскопическими.

А теперь обратимся к каталогу осциллографов и посмотрим какие есть модели.

Виды цифровых осциллографов

Цифровые осциллографы востребованнее, чем аналоговые из-за точности наблюдений и набора функций.

Внутри прибора — аналого-цифровой преобразователь. Благодаря АЦП измеряемый сигнал оцифровывается, в памяти устройства сохраняют захваченные выборки, а информация отображается на экране.

Возможности цифрового устройства:

• обработка сигнала, который поступает на входные каналы;
• отображение результатов исследований на экране;
• сохранение в записи процессов для упрощенного масштабирования, растяжки;
• отметка событий, которые происходят во времени;
• расчет средних значений, прочие математические действия, измерение амплитуды, периодов, время нарастания/спада импульса, и др.

Осциллограф эконом-сегмента с верхней полосой пропускания до 100 МГц

Типы осциллографов:

1. Запоминающие обычные цифровые устройства (DSO). Характеризуются обширным временем для хранения данных, расширенными пределами скорости считывания информации. Замедленно воспроизводят события, происходящие в сигнале. Среди моделей запоминающих осциллографов можно видеть карманные и стационарные устройства.
2. Люминофорные цифровые приборы (DPO) имитируют изменение процессов, показывают подробности изменений модулированных сигналов на экране, как у аналоговых моделей. Сигналы анализируются, запоминаются.
3. Стробоскопические цифровые приборы. Работают на эффекте последовательного стробирования сигнала. Повторение сигнала заставляет выбирать мгновенное значение в новой точке. Характеризуются большой полосой пропускания. Исследуют короткие периодические сигналы.
4. Портативные осциллографы– это модифицированные устройства небольшого размера, веса, незначительным расходом электроэнергии. Применяются для научных исследований в промышленности, для поиска повреждений автомобилей, оборудования. Интернет-магазин «Суперайс» предлагает ряд моделей портативного оборудования. Портативный осциллограф JINHAN JDS2012A со встроенным мультиметром
5. Прибор на базе ПК или виртуальный USB-осциллограф – обладают технологическими преимуществами, легким подключением к компьютеру. К достоинствам устройства относятся:

• сохранение данных на накопитель и работа с ними в текстовом формате;
• высокая скорость переработки информации в электронный текстовый вид;
• удобная эксплуатация из-за небольших габаритов;
• совмещение в одном устройстве нескольких приборов: осциллографа, цифрового анализатора, генератора сигналов, генератора цифровых последовательностей.

8-канальный USB осциллограф Hantek DSO-1008A

Недостаток USB-осциллографа – погрешности, худшие характеристики в отличие от стационарного оборудования. Для многих осциллографов типично отсутствие гальванической развязки. Присутствует риск сжечь компьютер при неосторожном обращении с устройством. Модели USB-осциллографов здесь.

Область применения

Осциллограф считается важным, необходимым для ремонта и проектирования электронного оборудования. Используется в следующих областях:

1. Электроника.Изображение на экране показывает работающий элемент, определяет рабочую частоту, грамотность выбора типа деталей, режима работы устройства. Применяется для наладки, разработки, проектирования оборудования.
2. Ремонт бытовой техники. Определение повреждений отдельных электрических элементов схем.
3. Авторемонт. Автомобильная диагностика, обнаружение сбоев в работе электронных компонентов системы зажигания, впрыска топлива, проверка генератора и т. д.

Радиорынок предлагает огромный выбор осциллографов. Не последнее место занимают китайские модели.

Однако, китайцы стремятся создать универсальные устройства. Речь об осциллографах со встроенным генератором сигналов. Например, можно нарваться на неприятности, покупая китайский прибор. Часто встречается шумность , особенно 1-го канала. Спектр шумов различается от инфранизких до мегагерц. В цепях питания может отсутствовать развязка . Другой недостаток некачественного прибора – плохая работа генератора , выдающего свалку частот, из которых трудно определить основную частоту. В выходном немодулированном синус-сигнале сам синус модулируется по амплитуде, по фазе, по нескольким частотам. То есть получается, что немодулируемый сигнал оказывается модулирован более низкими по скважности сигналами, поэтому осциллографу сложно зацепиться за импульс синхронизации, который берется из грязного канала.

Чтобы начинающий радиолюбитель выбрал осциллограф обращаем внимание на то, что достоверность снятой информации влияет на успех поставленной задачи.

При выборе оборудования руководствуются:

• ценой;
• брендом;
• набором функций;
• рабочими характеристиками.

Параметры осциллографа, которые влияют на выбор

Главное условие выбора – рабочие характеристики, которые нужны пользователю.

Полоса пропускания

Характеристика определяет диапазон видимых на мониторе сигналов, характеризуется скоростью нарастания фронта исследуемого сигнала. У цифровых моделей есть полоса, которая дает работать с высшими гармониками, частота которых превышает частоту основной гармоники. Достоинство цифрового осциллографа – способность расширить полосу пропускания для выполнения задачи.

Тактовая полоса пропускания величиной 100 МГц, захваченная устройством с полосой пропускания с частотой 100 МГц Тактовая полоса пропускания 100 МГц, на экране осциллографа с полосой пропускания частотой

Рекомендация выбора: для определения нужной полосы пропускания применяйте «правило пятикратного превышения» максимального значения полосы наблюдаемого сигнала . Если полосы пропускания будет недостаточно, вы можете не увидеть составляющее сигнала. Неизбежно искажение амплитуды, а фронт может быть завален. Неправильно подобранная полоса пропускания не дает полную осциллограмму и способствует росту погрешностей.

Например, для наблюдения сложных цифровых сигналов с высокой скоростью, для сигналов последовательных шин требуются модели с полосой пропускания частотой выше 500 МГц. Прибор с меньшей полосой пропускания — для начинающих радиолюбителей, которым не нужны навороченные дорогие устройства.

Вывод: снижается коэффициент погрешности при наблюдении сигнала из-за увеличенной полосы пропускания, фиксируются отдельные происходящие события.

Количество каналов

Входные аналоговые каналы принимают и оцифровывают сигнал. Оборудование прибора со встроенным логическим анализатором дает исследовать коррелированные аналоговые и цифровые каналы с большим числом контрольных точек, отчего проще декодировать многоразрядные параллельные шины.

Виды каналов

Однако многоканальный прибор не всегда отвечает качеству диагностики. Рассмотрим, для каких задач подходит то или иное число каналов:

1. Двух или четырех каналов хватает для измерения, сравнения временных характеристик сигналов, поступающих с аналоговых устройств.
2. 8 или 16 каналов помогают отладить цифровую систему для параллельного экспорта данных.
3. Дополнительные каналы комбинированных устройств с РЧ входом нужны для проведения высокочастотных измерений.
4. Изолированные каналы рекомендуются для работы с гальванической развязкой.
5. Двадцать каналов синхронизируют регистрацию, просмотр сигналов по времени.

Вывод: каналы должны быть с оптимальным частотным диапазоном, линейностью, точностью усиления, равномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и стойкостью от электростатического разряда.

Частота дискретизации

Дискретизация или число выборок по времени определяет рабочую способность прибора фиксировать и отображать мельчайшие детали, которые происходят в изучаемом сигнале.

Рекомендация выбора частоты дискретизации осциллографа: Правило «пятикратного превышения» частоты прибора частотной составляющей сигнала. Величина должна быть не менее чем в 2,5 раза и в 3 раза выше аналоговой полосы. Для устройств начального уровня частота дискретизации – 1 – 2 Гвыб./с. Устройства эконом-сегмента – 5 – 10 Гвыб/с.

Чем выше частота дискретизации, тем качественнее представляется сигнал, тем больше информации сохраняется.

Вывод: более высокая частота дискретизации увеличивает разрешение, показывает происходящие одновременно события, например, непериодические глитчи.

Глубина памяти

Частота дискретизации влияет на объем запоминаемой информации. Расчет глубины памяти выполняется произведением времени, отображаемым на экране, на нужную дискретизацию. Пример, декодирование сигнала шины USB. Регистрация пакетов происходит за 200 мкс и требует длину записи – 1 млн точек.

Рекомендация выбора: После определения глубины памяти осциллограф проверяется на эффективность.

Вывод: оцените скорость реакции прибора с планируемой глубиной памяти.

Скорость обновления осциллограмм

Параметр характеризует быстроту захвата, обновления изображений на дисплее. Чем быстрее обновления, тем более точно происходит захват и регистрация редких событий, например, выбросов. Чем выше скорость обновления, тем быстрее работает прибор и фиксируются события.

Рекомендация выбора: Производители указывают максимальную скорость обновления. Это неверно, чтобы достигнуть максимального параметра могут потребоваться дополнительные режимы захвата, которые ограничивают глубину памяти, частоту дискретизации, качество отображения сигналов.

Вывод: скорость обновления – параметр улучшающий комфорт использования прибора, позволяющий производить точную регистрацию событий.

Триггер

Схема синхронизации, при которой прибор выдает устойчивое изображение. Система может задержать запуск развертки до определенного события. Триггерный запуск синхронизирует захват сигнала, одновременно отображает единичные события. Нужен для синхронизации снимков.

Работа с последовательными интерфейсами

В осциллографах, которые работают с цифровыми и смешанными сигналами, есть несколько последовательных интерфейсов I2C, SPI, RS232/UART, CAN, USB. Они декодируют протоколы последовательной шины, триггерного запуска через интерфейсы. От числа интерфейсов зависит много функций, способность выполнять различные задачи.

Большое количество интерфейсов нужно для экспорта информации в Интернет или в программу просмотра на компьютере. Анализируемые данные, захваченные одним осциллографом, можно передавать другим членам исследовательской группы.

Измерения и анализ сигналов

Наличие прикладных программ, статические и математические функции в составе осциллографа приспособлены для быстрого преобразования Фурье. Используя прикладные программы выявляют нарушения целостности сигнала.

Вывод: должно быть программное обеспечение для того, чтобы узнать о возможностях прибора.

Приложения, расширяющие возможности устройства

Разрешение экрана

Один из важных параметров — разрешение экрана. Оно определяет количество пикселей на дисплее, влияет на точность, четкость отображаемой информации. Чем выше этот показатель, тем более подробную информацию можно получить о сигнале.

Рекомендация выбора: Для уверенной работы с сигналами разрешение должно быть не менее 800х480 пикселей. Но чрезмерно большое количество пикселей может привести к увеличению времени отклика экрана, ухудшению быстродействия прибора. Поэтому необходимо сбалансировать разрешение с быстродействием и другими параметрами осциллографа.

Возможность автоматической настройки

У многих современных осциллографов есть функция автонастройки, которая позволяет быстро, легко настроить прибор на нужные параметры. Например, эта функция может автоматически установить диапазон измерения, шкалу времени, что значительно упрощает работу.

Рекомендации выбора: Автоматическая настройка существенно ускоряет работу с осциллографом и делает ее более точной. Однако, иногда функция автонастройки может работать некорректно, поэтому необходимо проверять полученные данные на достоверность.

Осциллографические пробники

Важный элемент, необходимый для работы прибора – пассивный пробник или измерительный щуп с делителем.

Согласованность пробника заключается в соответствии полос пропускания, прибора, самого инструмента для измерения.

Рекомендация выбора: Учитывайте параметры, что предстоит измерять: ток или напряжение, частота, амплитуда, сопротивление. Например, высоковольтные пробники работают с напряжением до 40 кВ. Рекомендуемая входная емкость пробника не более 10 пф. Магазин инструментов предлагает различные пробники, необходимые для выполнения любых задач. Ознакомьтесь с типами пробников и измерительных щупов более подробно в разделе каталога.

Вывод: На выбор пробника влияют тип решаемой задачи и исследуемые сигналы.

Специальный пробник для отображения тока, мощности и напряжения

Естественно, покупая осциллограф тратится определенная сумма. Однако, смотрите какие выгоды вы получаете. Вы сами следите за рабочими процессорами, сами делаете выводы.

Помните, прибор, который вы выбрали, должен соответствовать, выполняемой задаче, характеру работы, а еще:

• точно регистрировать происходящие события;
• экономить ваше время, повышать возможности;
• отвечать заявленным и подтвержденным документами характеристикам.

Покупая дорогое осциллографическое оборудование, будьте уверены в правильности выбора. Описанные характеристики помогут вам определить прибор необходимый для выполнения требуемых задач.

Как выбрать цифровой осциллограф в 2022 г. [Руководство]

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

Оглавление:

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

Цифровой запоминающий осциллограф:

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

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

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

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

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

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

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

При выборе осциллографа — это один из главных факторов.

2. Время нарастания цифрового осциллографа

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

Что необходимо учитывать

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

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

3. Согласованные пробники

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

Что необходимо учитывать

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

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

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

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

4. Сколько нужно каналов для выбора осциллографа?

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

Что необходимо учитывать

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

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

5. Частота дискретизации цифрового осциллографа

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

Что необходимо учитывать

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

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

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

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

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

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

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

6. Гибкая система запуска

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

Что необходимо учитывать

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

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

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

  7. Длина записи

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

  Что необходимо учитывать

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

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

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

  8. Система навигации и анализа

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

  Что необходимо учитывать

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

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

  9. Расширенная поддержка приложений

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

  Что необходимо учитывать

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

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

  10. Простое управление

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

  Что необходимо учитывать

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

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

  11.Интерфейсы и возможности расширения

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

  Что необходимо учитывать

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

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

    … и, наконец, учтите душевный комфорт!

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

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

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

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