Как выбрать осциллограф

TDS3000C

Продолжаю, начатую в предыдущей статье 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:

  1. Где вы собираетесь использовать прибор?
  2. Сигналы в скольких точках схемы вам потребуется измерять одновременно?
  3. Какова амплитуда сигналов, которые вы, как правило, измеряете?
  4. Какие частоты присутствуют в измеряемых вами сигналах?
  5. Вам необходимо измерять периодические или одиночные сигналы?
  6. 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.

Аналоговый осциллограф

Аналоговый осциллограф

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.

Цифровой осциллограф

Цифровой осциллограф

Преимущества цифрового осциллографа очевидны:

  • Портативность и небольшой вес (хотя, по поводу веса вспомнил высказывание одного из своих университетских преподавателей: «Прибор весящий менее 50 килограммов, провод от которого вы случайно зацепите, точно упадет вам на ногу». Так что вес не для всех является преимуществом :-) )
  • Большая полоса пропускания
  • Возможность измерения одиночного сигнала
  • Дружественный интерфейс
  • Возможно проведение измерений на экране
  • Цветной дисплей
  • Возможность хранения и печати данных
  • Возможность цифровой обработки сигналов (в виде быстрого преобразования Фурье, сложения, вычитания, интегрирования и пр.)
  • Возможность применения к сигналам цифровой фильтрации

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 I2C, 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.

Осциллограф-мультиметр (скопметр)

Осциллограф-мультиметр (скопметр)

 

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.

Осциллограф-приставка

Осциллограф-приставка

 

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.

АЧХ осциллографа

АЧХ осциллографа

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 f_{np}  (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

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 x(t) имеет ограниченную ширину спектра, то он может быть без потерь однозначно восстановлен по своим отсчетам, взятым с частотой f_s > 2f_{max}, где f_{max} — максимальная частота, которой ограничен спектр сигнала и его можно представить в виде ряда

    \[x(t)=\sum_{k=-\infty}^\infty{x(k\Delta)sinc\left[\frac{\pi}{\Delta}(t-k\Delta)\right]}\]

где sinc(x) = \frac{\sin{x}}{x} и интервал дискретизации удовлетворяет условию 0 < \Delta \leq \frac{1}{2f_{max}}

Если же максимальная частота в сигнале превышает половину частоты дискретизации, то восстановить сигнал без искажений невозможно.

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

Случай Fs = 2 Fпр

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

как показано на рисунке, f_{max} это не то же самое, что f_{np}, если, конечно, фильтр осциллографа не работает как кирпичная стена (не обрезает частоты выше f_{np} 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 f_{max} всегда выше, чем полоса пропускания осциллографа f_{np}.

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 \frac{\sin{x}}{x} может точно воспроизводить форму высокоскоростных сигналов  с разрешением в диапазоне десятков пикосекунд.

Искаженные частотные составляющие когда полоса пропускания осциллографа определена как 1/4 частоты дискретизации прибора

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 f_{max} 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 f_s / 2.5.

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

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.

Специальный режим работы осциллографа с сегментацией памяти

Специальный режим работы осциллографа с сегментацией памяти

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 микроконтроллер (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.

Типичная схема микроконтроллерной системы

Типичная схема микроконтроллерной системы

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.

Пример анализа сигналов смешанного типа на осциллографе

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

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 миллионо обновлений сигнала в секунду

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 по фронту

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 импульсом-коротышкой

Запуск осциллографа импульсом-коротышкой

7. Работа с последовательными интерфейсами

Последовательные интерфейсы, такие как I2C, SPI, RS232/UART, 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.

БПФ для сигнала цифрового таймера

БПФ для сигнала цифрового таймера

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.

Измерительный щуп осциллографа

Измерительный щуп осциллографа

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).

Эквивалентные схемы щупа и входа осциллографа

Типичная модель пассивного пробника 1:10

Паразитные емкости присущи всем осциллографическим пробникам и входам. Они включают в себя емкость кабеля пробника Скабеля, а также входную емкость осциллографа Сприбора. «Паразитный» означает, что эти элементы в модели не специально созданы, а являются прискорбным фактом в мире электроники.  Величина паразитной емкости будет изменятся от осциллографа к осциллографу и от пробника к пробнику. Используемый в этой модели встроенный компенсационный конденсатор, предназначен для компенсации емкости в случае низкачастотного импульсного отклика.

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.

Упрощенная электрическая модель пробник-осциллограф

Упрощенная электрическая модель пробник-осциллограф

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.

 

Если вы дочитали до этих строк, то, наверное уже поняли, что к выбору осциллографа нужно подходить достаточно серьезно, иначе это может привети к тому, что купленный дорогостоящий измерительный прибор не сможет помочь вам решать ваши задачи. Надеюсь, смог вам помочь в понимании процесса выбора осциллографа.

 

Как вы оцениваете эту публикацию? 1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (71 голосов, средняя оценка: 4.87 из 5)
Loading ... Loading ...

Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.

44 комментария к записи “Как выбрать осциллограф”

  1. ZyV пишет:

    В универе бы столько объясняли)

    • Я вам про аккумуляторы еще статейки обещал — я не забыл))) В ближайших публикациях обязательно будет. Чуток времени не хватает...

      • Garmahis пишет:

        Статья замечательная :) Но в ней нет ответов на два главных вопроса при покупке осциллографа.

        1. Где взять 300000 рублей на хороший осциллограф.

        2. Как объяснить жене необходимость такой траты :)

        • Триста тысяч на осциллограф — жена точно не одобрит НИКОГДА :-) Поэтому вам либо нужно решить, а нужен ли такой супер-пупер прибор домой. Если же это для дела, то тут нужно зайти издалека: дорогая, я знаю как можно увеличить наше благосостояние, ведь тебе же нужна шуба/машина/квартира, но для этого нужна небольшая инвестиция, но отдача от нее будет ого-го какая! Если серьезно, то не нужно выбирать самый дорогущий прибор. Нужно чтобы он подходил для решения ваших задач. Я семнадцать лет пользовался своим ровесником, двухлучевым С1-55 (конечно же не цифровым, еще учась в институте на рынке с рук у алкаша прикупил за 500р.), как-то перебивался. Буквально на этой неделе поменял его на RIGOL DS1052D. Обошелся в 23580 рублей. Я как с ним сам разберусь — обязательно сделаю обзор. Это для дома тоже значительная трата (жена не выражает счастья при виде этой покупки) и далеко не предел мечтаний, но для моих задач вполне должно хватить (для работы с микроконтроллерными системами). Есть осциллографы и по миллиону с лишним стоят... Потолок в ценах вообще сложно найти. Нужно искать оптимальные для себя решения, а для этого надо четко понимать для чего нужна та или иная вещь, в каких пределах могут изменяться ее параметры без ущерба для области ее применения и чем придется пожертвовать, покупая более дешевое/простое устройство. Вот я пишу, чтобы облегчить людям понимание. Я на сэкономленные деньги лучше купить жене сапоги :-)

          • Николай пишет:

            С удовольствием читаю Ваши труды

            И хотя многое из того о чем Вы говорите мне известно

            Все равно читаю. Повторение мать учения . Информация воспринимается легко спасибо.

            С уважением Николай

  2. Garmahis пишет:

    Завидую :) Мне пока приходиться протеусом обходиться...

    • Навык работы в Proteus тоже дорогого стоит. У меня руки до него никак не дойдут, разобраться. На этапе разработки устройства, эмуляция вещь очень полезная. Правда, сгоревшие детальки с помощью Протеуса вряд ли найдешь :-) Рекомендую все-таки обзавестись «железным» прибором. Самые эконом-варианты — поискать б/у советские (правда, тут встанет вопрос места для него в квартире), ну или USB-осциллографы. Вот здесь, вообще недорогой вариант www.oscill.ru.

      • Garmahis пишет:

        Спасибо :) Я бы с радостью но у меня нет компа с виндой, а под мак я не видел USB-осцилографов.

  3. Поставьте на Mак себе второй операционкой Винду, а можно еще и Линукс, наверное, можно и Андроид. На одном компе сможете что угодно запускать и что угодно к нему подключать. Можно, еще Parallels использовать, чтобы запускать виндовые проги не выходя из мак оси, но лучше поставить дополнительные операционки и при загрузке выбирать какую ось грузить. У меня так. Правда, запущенная Windows на Mac — это кощунство какое-то, но никто же не видит, а об этом можно никому не говорить :-)

    Я, в свое время, по этой инструкции ставил www.thg.ru/software/setup...pple_mac-01.html Все работает

  4. Антон пишет:

    Порекомендуйте, пожалуйста, осциллограф для школьного кружка (4-10 классы), в котором изучают робототехнику (основы электроники). И есть ли готовые уроки для школьников по работе с осциллографом?

    Хочу приобрести один осциллограф. Вопрос цены важен, так как покупаю за свой счёт.

    Сам я пришёл в «робототехнику» из области программирования. Поэтому многое сам осваиваю из области электроники.

    Проводите ли вы занятия по электронике, осциллографу?

    У Вас интересный и замечательный блог. Спасибо, что пишите статьи и делитесь опытом!

    • Антон, спасибо что читаете!

      Занятия я не провожу, но в этом месяце точно опубликую уроки по работе с цифровым осциллографом и статейку по измерениям, используя мультиметр.

      По электронике могу порекомендовать книжку «Электроника шаг за шагом: Практическая энциклопедия юного радиолюбителя», Сворень Р.А, 2001. На пальцах автор рассказывает как все работает в мире электроники, а также о различных приборах и методах простым языком, не углубляясь в науку. Я думаю, в процессе обучения детишек, будет очень полезный материал. Следом за этой книжкой почитайте «Искусство схемотехники», П.Хоровиц, У.Хилл. Еще очень хорошая книжка — «Полупроводниковая схемотехника», авторы У.Титце, К.Шенк. Это уже более серьезный материал — они мне еще с учебы в университете понравилась. По электронике я буду много писать интересного, а главное — полезного. Думаю, и у меня что-нибудь сможете в дальнейшем почерпнуть.

      Из недорогих, но хороших цифровых осциллографов порекомендовал бы RIGOL-1052E. Если бюджет совсем уж критичен — то рассмотрите вариант USB-осциллографа (чуть выше в комментариях есть ссылочка).

    • Алексей пишет:

      а не подойдёт ли Вам DSO138 ?

  5. кактус пишет:

    Давно хочу свой собственный осциллограф. Однако, будучи студентом,ограничен финансово. Занимаюсь цифровой электроникой, так что, насколько я понимаю, брать советский аналоговый — не вариант. Что до цифровых, во-первых, жаба душит 20 с лишним тысяч за прибор отдавать, а во-вторых, даже помле прочтения статьи глаза разбегаются. На что порекомендуете смотреть прежде всего?

    • Вы знаете, я долгое время пользовался своим ровесником: советским двухканальным С1-55 с полосой пропускания 10 МГц, и мне его хватало для решения подавляющего большинства задач. Самый большой минус — места на столе много занимал :-) Основное предназначение осциллографа — показать форму сигнала, различные измерения — это уже второстепенно. Каналов лучше 2 — можно посмотреть форму сигнала на входе и выходе каких-то участков схемы и сравнить фазы двух сигналов. Для работы с микроконтроллерами и другими цифровыми устройствами, оптимальным вариантом будет двухканальный осциллограф с частотой пропускания > 20МГц. Важно обращать внимание на частоту выборки. Для ширины полосы пропускания 20 МГц значение должно быть не менее 100 МГц (частота пропускания x 5), чем выше будет величина этого параметра, тем большим числом точек данных будет изображаться сигнал и тем точнее будет передана форма сигнала на экране. Для работы с цифровыми схемами вам понадобится логический анализатор, который бывает встроен в осциллограф (у меня осциллограф RIGOL-1052D с анализатором), но в целях экономии, дешевле отдельно купить осциллограф и отдельно — логический анализатор (можно купить тысячи за 3 рублей). Рассмотрите вариант покупки USB-осциллографа приставки к ПК. Примеры. Посмотрите еще недорогие, но достаточно качественные осциллографы под брендами OWON, Atten — у них экран побольше, чем у RIGOL будет. Плюс цифрового осциллографа — возможность сохранять данные и в дальнейшем их исследовать на компьютере.

  6. Дмитрий пишет:

    Что можете сказать о приобретении бюджетного осциллографа EM125 в качестве первого осциллографа для начинающего радиолюбителя? Или поднакопить, выбрать другой?

    • За 5.5 тысяч рублей — очень даже нормальный. Для начала вполне годный. Минусы: маленький экран с низким разрешением и один измерительный канал. Плюс: портативность и возможность использовать его как мультиметр. Если есть возможность подкопить — возьмите лучше какой-нибудь двухканальный и с экраном побольше. Побольше экран вы очень быстро захотите. Все-таки основная задача осциллографа — показывать форму сигнала, а здесь можно только очень приблизительно форму рассмотреть. А еще в качестве органов управления мне нравятся крутилочки, а здесь одни кнопки)))

    • Rash пишет:

      Вот хорошие варианты осциллографов!

      1) DSO203

      2) Hantek DSO5202P

      3) Hantek Dso5102p

      • Сергей пишет:

        У кого-нибудь есть в наличии DSO203 — напишите пожалуйста о нем подробнее, из Вашего опыта работы с ним.

        • Сергей пишет:

          у него есть режим просмотра одного канала на весь экран? Или для каждого канала из 4 экран разбит на 4 горизонтальных части?

  7. Игорь пишет:

    Выбираю осциллограф, несколько введен в заблуждение необходимой глубиной памяти и влиянием ее ведичины на скорость обновления экрана. Интересно ваше мнение.

    • Чем больше объем памяти — тем больший временной отрезок с данными мы может в нем хранить. Когда мы сдвигаем временное окно с целью посмотреть данные на другом временном промежутке, то, если памяти много — они будут читаться из памяти, если памяти не хватает — данные будут вновь захвачены, записаны в память, а лишь затем отображены на экране. Второй вариант требует несколько больше времени для отображения данных на экране.

  8. Николай пишет:

    Андрей,

    Правильно ли я понимаю, что для исследования формы сигнала на выходе ИБП достаточно любого осциллографа?

    Т.е. полоса 20МГц это для него даже много, с учетом того, что сигнал 50/60Гц.

    Смотрю в сторону недорогих хантеков.

    • В схемах источников бесперебойного питания, как правило, присутствуют фильтры для подавления высокочастотных шумов в питающем напряжении. Рабочий диапазон подавляющего большинства фильтров в ИБП составляет 100 кГц — 10 МГц. Осциллограф с полосой 20 МГц для работы с ИБП — это нормально. У многих Hantek'ов большие экраны (7 дюймов) с высоким разрешением (800×480) — хороший выбор.

      Рассмотрите еще вариант RIGOL DS1054Z.

      • Николай пишет:

        Спасибо за быстрый ответ!

        А если смотреть не только фильтры, но именно синусоиду?

        Аппроксимизация и т.д. интересуют.

        И ориентируюсь на USB версию, чтобы удобнее выдирать было на комп сразу.

        Стационарные дороговаты — точность такая же, а полосы, как я понял, мне и так с запасом.

        Ну можно до 50МГц полосы посмотреть, если прям запас нужен будет.

        • Если частота дискретизации раз в 10 больше, чем частота сигнала (10 точек данных на период), то данные нормально интерполируются, если частоту дискретизации уменьшить, то возможны искажения в форме. У USB-осциллографов зачастую частота выборки в 2-4 раза больше, чем частота пропускания, у стационарных приборов — частота выборки в 10 раз выше, чем частота пропускания. То есть, вроде как, частоты пропускания могут быть у стационарного и USB-осциллографов одинаковыми, а частота выборки у USB-осциллографа в несколько раз ниже. Это означает, что сигнал с шириной спектра близкой к полосе пропускания осциллографа в USB-осциллографе исказиться, а в стационарном приборе нет. Обращайте внимание на частоту выборки в характеристиках. Теоретически, чтобы посмотреть форму синусоды частотой 50 Гц, достаточной будет большая, чем 50 Гц ширина пропускания и выборка с частотой 500 Гц. Это можно при помощи звуковой карты на компьютере посмотреть (диапазон звуковых карт где-то 20 Гц — 20 кГц), только аттенюатор соответствующий на входе использовать, чтобы карту не спалить.

  9. Николай пишет:

    И вопрос в догонку — можно ли цифровым осциллографом измерить истинное среднеквадратическое (True RMS) напряжение?

    • Есть такие универсальные приборы — скопметры называются (портативный осциллограф с мультиметром) — они измеряют True RMS. В осциллографах обычно True RMS значение напряжения не вычисляется. Можно сбросить данные осциллограммы на компьютер (в виде CSV-файла) и уже на компьютере произвести их интерполяцию и проинтегрировать квадраты для получения True RMS.

      • Николай пишет:

        Спасибо.

        Покопал на эту тему — задача не самая распространенная. :)

    • Сергей пишет:

      Андрей, у меня вопрос выбора подобен Николаю, давайте вместе выбирать. Николай, буду признателен за дополнительную информацию, что Вы решили брать, или может уже взяли — USB Hantek или какой другой прибор? Тут еще важны наличие гальванической и оптической развязки, чтобы не вывести из строя ноутбук, работая с дешевой USB приставкой.

  10. Николай пишет:

    Спасибо.

    А с какой цены начинаются железки с точностью не 3% (3дб), а 1%.

    Быстрая копка мне показала что с лимона рублей и выше.

    Может что дешевле есть?

    • Да не нужна в подавляющем большинстве случаев такая точность. Нужно просто быть уверенным, что ширина спектра исследуемого сигнала уже, чем полоса пропускания осциллографа. Мне кажется, гораздо дешевле взять осциллограф с АЧХ, спадающей по Гауссу, но с большей полосой пропускания, чем с более плоской АЧХ и меньшей полосой пропускания. Получите отсутствие искажений в рабочем диапазоне своих сигналов, только по деньгам дешевле выйдет.

      • Николай пишет:

        Еще раз спасибо.

        Думаю наша беседа будет полезна не только мне. :)

        Продолжайте нести свет в массы!

  11. Андрей пишет:

    Здравствуйте.

    Посоветуйте пожалуйста приборы для измерений при создании.

    Генератор сигнала, генерирует одиночный импульс синусоидальной формы с такими характеристиками:

    — длительность – 200-100 пс;

    — период повторения – 10-20 МГц;

    — мощность – 10-20 Вт;

    — размах амплитуды – 90 В (-45 В – +45 В);

    — входное сопротивление – 50 Ом.

    Задачи: измерять джиттер, и симметричность полупериодов синусоиды, переходные процессы

    Передающая антенна

    — сверхширокополосная, диапазон частот: 500 МГц – 8 ГГц;

    — входное сопротивление – 50 Ом.

    Задачи: измерять кросполяризацию, соглассование с генератором (S-параметры — коэф передачи, коэф отражения)

    Я выбрал такие, но нет твердой уверенности

    Анализатор спектра

    Keysight PXA N9000A-513 (9 кГц — 13.6 ГГц)

    Осциллограф

    Keysight DSO90804A 8 ГГц

    векторый анализатор цепей

    Keysight N5231A-200 (300 кГц – 13,5 ГГц)

    Кроме того там есть куча опций, но какие могут понадобиться для измерений?

    А еще кабели... аттенюаторы...калибровочные модули...

    Мощность 20 Вт, просто так на вход не подать, нужен аттенюатор

    При обращении к диллерам вразумительных ответов получил мало... просто констатируют цену запрашиваемого и соглашаются с моим выбором, но я переживаю, что могут насовать лишнего, а нужное потом прийдется докупать.

    • Андрей, здравствуйте. Простите что так сильно торможу))) Возможно, мой ответ уже и не актуален... Не могу Вам ничего внятно посоветовать — с аппаратурой гигагерцовых диапазонов сталкивался только в институте, а было это уже почти двадцать лет назад. Я как и продавцы — утвердительно покиваю Вам головой и со всем соглашусь, но приборы Вам нужны серьезные, стоящие очень приличных денег. Мой совет — напишите в техподдержку Keysight и адресуйте свои вопросы им.

  12. Сергей пишет:

    Андрей, спасибо за такую большую и полезную работу, сделанную Вами для нас в написании этой статьи и поддержки в обсуждении.

    Я сейчас стою перед выбором, мне для работы осциллограф постоянно не нужен, но недавно столкнулся с ремонтом импульсного блока питания, и если бы был осциллограф, то мне бы было работать значительно удобнее, чем снимать лишь мультиметром напряжения в цепи, и осмысливая показания искать неисправность.

    Но поскольку такие работы у меня непостоянные, то покупать дорогой осциллограф, чтобы стоял пылился, не вижу смысла.

    Хочу приобрести либо дешевый портативный — присматриваюсь к моделям DS202-203 — но у этих моделей нет фирмы производителя, их могут сделать любые китайские заводы, с неизвестным качеством изготовления, да и маленькие они мне кажется для измерений. Но бюджет ограничен до 10000 руб, а более качественные осциллографы идут от 20000 т. руб и далее.

    Думаю может взять USB приставку Hantek 6022BE? Буду признателен за любую дополнительную информацию и советы, всех, кто сталкивался с этими приборами.

    • Сергей, на DS202-203 вообще не смотрите — это игрушки мне не понятно для кого. У них полоса пропускания 1 МГц, т.е. на экране они смогут более-менее отобразить синусоиду частотой до 100 кГц (десять точек на период). Это совсем мало. Подходит только для исследования звуковых трактов.

      Hantek 6022BE — подойдет, смотрите в его сторону.

      Посмотрите у китайцев вот еще вариант OWON VDS1022 с большей частотой выборки (до 100 Мвыб/с вместо 47 Мвыб/с).

      • Сергей пишет:

        Андрей, спасибо за совет, а что Вы или может кто-нибудь еще в теме можете сказать о Есть такая штука www.sainsmart.com/sainsma...scope-black.html

        40МГц, при 200Мсемплов/сек.

        О котором было написано выше. Hantek, Owon, Rigol — известные компании, а о Sainmart — я ничего не слышал раньше.

        Уважаю Rigol, нужно глянуть, а не делают ли они USB приставки и сравнить с обсуждаемыми сейчас.

Оставить комментарий