VitalyMorarenko

Основы осциллографических измерений (продолжение)

Blog Post created by VitalyMorarenko Employee on Aug 22, 2016

В прошлой статье мы познакомились с назначением и областями применения осциллографов, рассмотрели какие бывают осциллографы и что из себя представляют современные цифровые осциллографы.

 

Теперь обсудим более принципиальные для проведения точных и адекватных измерений моменты. Познакомимся с тем, что такое запуск осциллографа и разберемся, как основные характеристики цифровых осциллографов влияют на проведение измерений.

 

Органы управления системой запуска

Как уже упоминалось ранее, система запуска обеспечивает стабильное, удобное для работы представление сигнала и позволяет синхронизировать систему захвата осциллографа с той частью осциллограммы, которую необходимо исследовать. Органы управления этой системой позволяют подобрать вертикальный уровень запуска (например, напряжение, при котором должен запускаться процесс захвата данных осциллографом) и выбирать между различными возможностями запуска. Ниже рассматриваются примеры наиболее распространенных типов запуска.

 

Запуск по фронту сигнала

Запуск по фронту сигнала является наиболее часто используемым видом запуска. Событие запуска наступает, когда входной сигнал пересекает заданный пороговый уровень напряжения. Вы можете выбрать запуск по нарастающему или по спадающему фронту сигнала. На рисунке 1 показано графическое представление запуска по нарастающему фронту.

 

1.JPG

Рис. 1. При использовании запуска по нарастающему фронту запуск осциллографа осуществляется при достижении напряжения сигнала заданного порогового значения

 

Запуск по импульсной помехе (глитчу)

Запуск по глитчу позволяет осуществлять запуск по событиям или импульсам, длительность которых больше или меньше некоторого заданного промежутка времени. Эта функция очень полезна для поиска случайных импульсных помех или ошибок. Если такие аномалии проявляются не очень часто, то увидеть их бывает довольно затруднительно. Между тем, запуск по глитчу позволяет успешно захватывать бóльшую часть из этих ошибок. На рисунке 2 показана импульсная помеха, захваченная с помощью осциллографа Keysight серии InfiniiVision 6000.

 

2.JPG

Рис. 2. Редкая случайная импульсная помеха, захваченная с помощью осциллографа Keysight серии InfiniiVision 6000

 

Запуск по длительности импульса

Запуск по длительности импульса похож на запуск по глитчу и используется для обнаружения импульсов определенной длительности. Вместе с тем, это более общий вид запуска, так как он дает возможность осуществлять запуск по импульсам любой заданной длительности. При этом может быть выбрана полярность импульса — положительная или отрицательная. Кроме того, можно установить положение запуска по горизонтальной оси. Это позволяет увидеть события, которые произошли до события запуска или после него. Так, например, можно настроить запуск по глитчу, а затем, обнаружив ошибку, исследовать сигнал, предшествующий событию запуска, чтобы найти причину возникновения этой импульсной помехи. Если установить задержку по горизонтальной оси равной нулю, то событие запуска будет расположено в центре экрана. События, произошедшие непосредственно перед событием запуска, будут отображаться в левой части экрана, а те, которые произошли после события запуска, — в правой. Кроме того, пользователь может настроить режим входа запуска, а также установить источник сигнала, по которому будет осуществляться запуск. При этом совсем не обязательно запуск должен осуществляться по исследуемому сигналу, для этого можно использовать любой другой сигнал, имеющий отношение к данной измерительной задаче. На рисунке 3 показан блок органов управления системой запуска на передней панели осциллографа.

 

3.JPG

Рис. 3. Блок органов управления системой запуска осциллографа Keysight серии 2000 X

 

В современных цифровых осциллографах есть и базовые, и расширенные возможности запуска. Например, по определенным последовательным протоколам или ошибкам в этих цифровых сигналах. Также есть и революционные технологии запуска, такие как запуск по прямоугольной зоне, которую сигнал пересекает на экране осциллографа. О таких весьма интересных и продвинутых вещах мы поговорим в других статьях нашего блога.

 

Органы управления входными каналами

Как правило, осциллограф имеет два или четыре аналоговых канала. Они пронумерованы, при этом для каждого канала обычно имеется отдельная кнопка, которая позволяет включать или отключать соответствующий канал (рис. 4).

 

8.JPG

Рис. 4. Блок органов управления входными каналами осциллографа Keysight серии 2000 X

 

На передней панели может располагаться специальный переключатель (или функциональная клавиша), который позволяет задавать тип входа: закрытый (AC) или открытый (DC). Если выбран режим открытого входа, входной сигнал не подвергается обработке и подается непосредственно на усилитель системы вертикального отклонения осциллографа. В режиме закрытого входа фильтруется постоянная составляющая сигнала, и осциллограмма центрируется относительно уровня приблизительно 0 вольт («земля»). Кроме того, с помощью клавиши выбора может быть задан импеданс пробника для каждого канала. Органы управления позволяют также установить тип дискретизации входного сигнала. Используется два основных метода дискретизации сигнала: дискретизация в режиме реального времени и дискретизация в эквивалентном масштабе времени.

 

Дискретизация в режиме реального времени

При дискретизации в режиме реального времени осциллограф захватывает выборки сигнала с частотой, достаточной для точного отображения формы сигнала. Некоторые современные высокопроизводительные осциллографы способны захватывать одиночные сигналы с частотой до 63 ГГц, оцифровывая их в режиме реального времени.

 

Дискретизация в эквивалентном масштабе времени

Дискретизация в эквивалентном масштабе времени позволяет построить форму сигнала по данным нескольких захватов. Одна часть сигнала оцифровывается в процессе первого захвата данных, другая часть — в ходе второго захвата и так далее. Затем все эти данные собираются воедино для воссоздания формы сигнала. Режим дискретизации в эквивалентном масштабе времени особенно полезен для изучения высокочастотных сигналов, которые слишком быстры для использования дискретизации в режиме реального времени (частота более 63 ГГц).

 

Функциональные клавиши

Функциональными клавишами оснащены осциллографы, операционная система которых основана не на ОС Windows. Эти клавиши позволяют перемещаться по меню, отображаемому на дисплее осциллографа. На рисунке 5 показано, как выглядит всплывающее меню, когда нажата функциональная клавиша. Показанное на рисунке конкретное меню предназначено для выбора режима запуска. Вы можете циклически перемещаться по пунктам меню, непрерывно нажимая на функциональную клавишу или вращая поворотный регулятор на передней панели.

 

4.JPG

Рис. 5. Меню выбора типа запуска появляется при нажатии на функциональную клавишу,  расположенную под соответствующим пунктом меню запуска.

 

Основные виды измерений

Цифровые осциллографы позволяют выполнять широкий спектр измерений параметров сигналов. Виды и степень сложности доступных измерений зависят от набора функциональных возможностей вашего осциллографа. Большинство современных осциллографов позволяют выполнять все основные виды измерений.

 

Полный размах (амплитуда) напряжения

При выполнении этого вида измерений определяется разность между самым низким и самым высоким значением напряжения сигнала в течение некоторого периода времени.

 

5.JPG

Рис. 6. Измерение амплитуды сигнала

 

Среднеквадратичное значение напряжения

При выполнении этого вида измерений определяется среднеквадратичное значение напряжения сигнала. Эта величина может использоваться затем для вычисления мощности.

 

Время нарастания

Этот вид измерений позволяет определять интервал времени, в течение которого напряжение сигнала меняется от самого низкого до самого высокого предельного значения. Обычно измеряется время, необходимое для перехода с 10% до 90% от полного размаха сигнала.

 

6.JPG

Рис. 7. Пример измерения времени нарастания (показано измерение по уровню 0-100%  вместо обычно используемого 10-90%).

 

Длительность импульса

При измерении длительности положительного импульса вычисляется промежуток времени, в течение которого напряжение сигнала возрастает от уровня, соответствующего 50% от амплитуды, до его максимального значения, а затем уменьшается до уровня 50%. При измерении длительности отрицательного импульса вычисляется промежуток времени, в течение которого напряжение сигнала снижается от уровня, соответствующего 50% от амплитуды, до его минимального значения, а затем возрастает до уровня 50%.

 

Период

Этот вид измерений служит для определения периода, т.е. интервала времени, через который периодический сигнал повторяет свои значения.

 

Частота

Данный вид измерений служит для определения частоты, т.е. величины, обратной периоду.

 

Этот перечень приведен здесь для того, чтобы дать вам общее представление о том, какие виды измерений можно выполнять с помощью осциллографа. Вместе с тем, следует иметь в виду, что большинство осциллографов обеспечивают намного большее количество измерительных функций.

 

Основные математические функции

Помимо описанных выше видов измерений существует множество других математических операций функций, которые можно производить над сигналами. Ниже приведены примеры таких операций.

 

Преобразование Фурье

Эта математическая функция позволяет видеть гармонические компоненты (частоты), из которых состоит исследуемый сигнал.

 

Абсолютное значение

Эта математическая функция показывает абсолютное значение величины сигнала, выраженное в единицах напряжения.

 

Интегрирование

Эта математическая функция позволяет вычислить интеграл исследуемого сигнала.

 

Сложение и вычитание

Эти математические функции позволяют складывать или вычитать мгновенные значения исследуемых осциллограмм и отображать на дисплее результирующий сигнал.

 

Хотелось бы еще раз отметить, что это — лишь небольшая часть измерительных возможностей, доступных при использовании современных цифровых осциллографов.

 

Основные технические характеристики осциллографов

Многие характеристики осциллографа оказывают значительное влияние на производительность прибора и, соответственно, на вашу способность выполнять точные измерения параметров разрабатываемых устройств. В этом разделе рассматриваются самые важные из этих характеристики. Кроме того, здесь вы ознакомитесь с терминологией, используемой в осциллографии, а также узнаете, как принять обоснованное решение по выбору осциллографа, наилучшим образом отвечающего потребностям тестирования.

 

Полоса пропускания

Полоса пропускания является самой важной характеристикой осциллографа, так как именно она дает представление о диапазоне прибора в частотной области. Иначе говоря, она определяет частотный диапазон, которые осциллограф способен корректно отображать и правильно измерять параметры сигналов. Полоса пропускания измеряется в герцах. Если полоса пропускания не достаточно широка, то осциллограф не сможет точно представить реальный сигнал. Так, например, в этом случае амплитуда сигнала может быть искажена, фронты осциллограммы окажутся не вполне чистыми, а некоторые детали сигнала могут быть потеряны. Полоса пропускания осциллографа — это самое низкое значение частоты, на которой входной сигнал ослабляется на 3 дБ. Другими словами полосу пропускания можно определить так: если на вход осциллографа подается чистый синусоидальный сигнал, то полоса пропускания будет равна минимальной частоте, на которой измеренная амплитуда составляет 70,7% от фактической амплитуды сигнала.

 

В отдельной статье блога мы рассмотрим, как определить минимальную требуемую полосу пропускания для анализа аналоговых или цифровых сигналов.

 

Количество каналов

Термин «канал» означает независимый вход осциллографа. Количество каналов в осциллографе может изменяться в пределах от двух и до двадцати. Обычно в осциллографе два или четыре канала. Каналы могут различаться также в зависимости от типа подаваемого сигнала. Некоторые осциллографы имеют только аналоговые каналы, и такие приборы называются «цифровые запоминающие осциллографы» (DSO). Другие, которые называются «осциллографы смешанных сигналов» (MSO), содержат как аналоговые, так и цифровые каналы. Так, например, осциллографы смешанных сигналов Keysight серии InfiniiVision могут иметь до двадцати каналов, из которых шестнадцать — цифровые, а четыре — аналоговые каналы.

 

Очень важно, чтобы в осциллографе было достаточное для решения данной прикладной задачи количество каналов. Если используется двухканальный прибор, но при этом требуется отображать четыре сигнала одновременно, то это, очевидно, может привести к проблемам.

 

Частота дискретизации

Частота дискретизации осциллографа — это количество выборок, которые осциллограф может захватить за одну секунду. Рекомендуется, чтобы частота дискретизации осциллографа была, по крайней мере, в 2,5 раза больше полосы пропускания прибора. В идеале частота дискретизации должна быть в 3 и более раза больше полосы пропускания.

 

Нужно быть очень осторожным при оценке заявляемых производителем характеристик приборов, в том числе, частоты дискретизации осциллографа. Производители, как правило, указывают максимальное значение частоты дискретизации, которое может обеспечить осциллограф, но иногда эта максимальная скорость оцифровки доступна только при использовании одного или двух каналов. Если одновременно используется большее число каналов, то частота дискретизации может уменьшаться. Поэтому было бы целесообразно проверить, сколько каналов можно использовать, сохраняя при этом указанное максимальное значение частоты дискретизации. Если частота дискретизации слишком низкая, сигнал может не совсем точно отображаться на экране осциллографа. В качестве примера представьте, что вы хотите посмотреть форму сигнала, но частота дискретизации такова, что захватывается всего две точки на период (рис. 8).

 

7.JPG

Рис. 8. Осциллограмма, полученная при частоте дискретизации, обеспечивающей оцифровку двух точек за период

 

Теперь рассмотрим тот же сигнал, но захваченный при более высокой частоте дискретизации, обеспечивающей оцифровку семи точек за период (рис. 9).

 

8.JPG

Рис. 9. Осциллограмма, полученная при частоте дискретизации, обеспечивающей оцифровку семи точек за период

 

Понятно, что чем больше выборок захватывается за секунду, тем более точно будет отображаться сигнал. Если бы мы продолжили увеличивать частоту дискретизации для сигнала, рассмотренного в ранее приведенном примере, то выборки, в конечном счете, выглядели бы практически непрерывными. На самом деле, чтобы заполнить промежутки между выборками, в осциллографах, как правило, используется интерполяция sin(x)/x.

Для получения более подробной информации, касающейся частоты дискретизации в осциллографах, советуем ознакомиться с рекомендациями по применению «Сопоставление частоты дискретизации осциллографа и достоверности оцифровки: как выполнять самые точные измерения цифровых сигналов».

 

Глубина памяти

Как уже упоминалось ранее, в цифровом осциллографе для оцифровки входного сигнала используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Оцифрованные данные затем сохраняются в быстродействующей памяти осциллографа. Глубина памяти указывает, какое точное количество выборок или точек и, соответственно, какой продолжительности временной интервал могут быть сохранены.

 

Глубина памяти имеет большое значение для частоты дискретизации осциллографа. В идеальном мире частота дискретизации будет оставаться постоянной вне зависимости от настроек осциллографа. Между тем, такой идеальный осциллограф потребует огромного объема памяти при больших значениях коэффициента развертки, и, соответственно, будет иметь такую цену, которая способна сильно ограничить количество возможных заказчиков. Вместо этого частота дискретизации уменьшается по мере увеличения интервала времени. Величина объема памяти важна потому, что чем больше глубина памяти осциллографа, тем больше времени можно затратить на захват осциллограмм на полной скорости оцифровки.

 

Математически это можно представить следующим выражением:

 

Глубина памяти = (частота дискретизации) × (продолжительность временного интервала)

 

Таким образом, если вы хотите просматривать длительные интервалы времени с большим разрешением (т.е. малым расстоянием между точками), то вам потребуется прибор с большой глубиной памяти. Также важно проверить быстроту реакции осциллографа на управляющие воздействия, когда он настроен на максимально большой доступный объем памяти. В этом режиме у осциллографов обычно наблюдается серьезное снижение скорости обновления, поэтому многие инженеры используют глубокую память только тогда, когда это критически важно для решения стоящих перед ними задач.

 

Скорость обновления сигналов на экране

Скорость обновления показывает, насколько быстро осциллограф способен запустить сбор данных, обработать захваченную информацию, отобразить ее, а затем подготовиться к следующему запуску. Иногда человеческому глазу может казаться, что осциллограф отображает «живой» сигнал, но это происходит потому, что обновления происходят так быстро, что человеческий глаз просто не успевает заметить изменения. На самом деле, между захватами сигнала существует некоторое мертвое время (рис. 10). В течение этого мертвого времени часть осциллограммы не отображается на экране осциллографа. В результате, если какое-либо редкое событие или глитч произойдут именно в этот момент времени, то их невозможно будет увидеть.

 

Легко понять, почему так важно иметь высокую скорость обновления сигналов на экране. Чем выше скорость обновления сигналов, тем меньше у него величина мертвого времени, что означает более высокую вероятность того, что осциллограф сможет захватить и отобразить редкую аномалию или глитч.

 

Предположим, например, что требуется отобразить сигнал, который содержит глитч, появляющийся один раз на 50 000 циклов. Если осциллограф обеспечивает скорость обновления сигналов на экране 100 000 осциллограмм в секунду, то вы сможете захватить эту аномалию в среднем два раза в секунду. Однако если бы осциллограф имел скорость обновления 800 осциллограмм в секунду, то для того, чтобы увидеть помеху потребуется в среднем одна минута. Это слишком долго.

 

Нужно очень внимательно читать технические характеристики, касающиеся скорости обновления сигналов на экране. В осциллографах некоторые производителей для достижения «баннерных» характеристик скорости обновления требуется обеспечить особые режимы сбора данных. Такие режимы захвата сигналов могут серьезно ограничивать производительность осциллографа, в том числе, сократить объем памяти, уменьшить частоту дискретизации и ухудшить достоверность восстановления формы сигнала. Поэтому было бы целесообразно проверить характеристики осциллографа по отображению осциллограмм при максимальной скорости обновления сигналов на экране.

 

9.JPG

Рис. 10. Графическое представление мертвого времени. Кружками выделены две редкие аномалии, которые не могут быть отображены на дисплее прибора

 

Возможности подключения осциллографов

Современные осциллографы обеспечивают широкий выбор возможностей подключения. Часть из них оснащена портами USB, дисководами DVD-RW, возможностью подключения внешних жестких дисков, портами для подключения внешних мониторов и многим другим. Все эти функциональные возможности упрощают использование осциллографов и передачу данных. Некоторые осциллографы также оснащены операционными системами, которые позволяют осциллографу  функционировать в качестве персонального компьютера. Благодаря внешнему монитору, мыши и клавиатуре вы можете смотреть на дисплей своего осциллографа и управлять своим осциллографом так, как будто он встроен в корпус компьютера. Кроме того, в ряде случаев вы можете также передавать данные с осциллографа на ПК через интерфейсы USB и LAN.

 

Хорошие возможности подключения помогают сэкономить массу времени и упростить выполнение стоящих перед вами задач. Так, например, они позволяют быстро и легко передавать данные на ноутбук или делиться полученными данными с коллегами, находящимися в других странах или даже на других континентах. Они обеспечивают также дистанционное управление осциллографом с компьютера. В мире, в котором эффективная передача данных во многих случаях является настоятельной потребностью, приобретение осциллографа с качественными возможностями подключения представляется очень хорошим вложением средств.

 

Подведем итоги. Мы познакомились с устройством современных цифровых осциллографов, с тем, как выглядит их передняя панель, где находятся и за что отвечают различные органы управления: кнопки и рукоятки. Также мы затронули вопросы правильного запуска осциллографа, основных автоматических измерений и математических функций. И, кроме того, рассмотрели основные характеристики осциллографов, которые в первую очередь влияют на возможность и точность тех или иных измерений.

 

Конечно, в нашем блоге вы еще много раз встретите уже описанные функции и характеристики, и мы будем затрагивать эти вопросы более подробно. Надеемся, каждый найдет для себя что-нибудь полезное. Так что в добрый путь и удачи в ваших измерениях!

Outcomes