Как формируется изображение сигнала на экране осциллографа

Почему сигнал на экране цифрового осциллографа выглядит таким широким?

Прочитав эту статью, вы получите полезную информацию, которая в один прекрасный момент заставит вас задуматься о достоверности измерений, выполняемых с помощью осциллографа. Вы должны быть абсолютно уверены, что контрольно-измерительное оборудование точно отображает сигналы, снимаемые с разных точек разрабатываемого устройства. Чтобы правильно выбрать измерительную схему, необходимо учитывать множество разных аспектов. В частности, надо исключить электромагнитные помехи в среде тестирования, правильно выбрать средства калибровки и пробники, использовать контрольно-измерительное оборудование с характеристиками, соответствующими решаемым задачам.

В статье особое внимание уделено шуму, который является общей проблемой при работе с цифровыми осциллографами. Рассмотрим основные факторы, влияющие на достоверность результатов выполняемых измерений.
Шум — один из главных врагов каждого инженера, занимающегося электроникой. Независимо от среды тестирования важно учитывать, что каждое разрабатываемое устройство обладает некоторым измеряемым собственным шумом и от него нельзя избавиться. Таким же свойством обладают и осциллографы. Соединив осциллограф с разрабатываемым устройством и измерив отображаемый уровень шума, невозможно различить собственный шум осциллографа и шум разрабатываемого устройства. Дополнительные сложности связаны с тем, что шум некоторых осциллографов больше, чем других, даже если в технических описаниях осциллографов указаны одинаковые полосы пропускания и уровни собственных шумов. В статье сделана попытка не только объяснить, как правильно выбрать измерительную схему, но и развеять мифы о том, что шумы цифровых осциллографов больше шумов аналоговых осциллографов.

Развенчание мифа о больших шумах цифровых осциллографов

За последние десятилетия в контрольно-измерительном оборудовании стали широко использоваться цифровые запоминающие осциллографы (DSO). Несмотря на то, что аналоговые осциллографы с точки зрения технологии устарели, некоторые разработчики полагают, что именно аналоговые осциллографы имеют меньший собственный шум и позволяют лучше визуализировать сигнал. Достижения современной технологии осциллографии опровергают такие утверждения. Чтобы разобраться в этой ситуации, нужно принять во внимание две инновационные особенности цифровых запоминающих осциллографов — градации яркости дисплея и скорость обновления сигналов на экране. Без четкого представления об их влиянии на работу осциллографа инженер может ошибочно связывать с ними возникновение нежелательного собственного шума.

Градации яркости дисплея

Отображение с различными градациями яркости — это технология, появление которой связано с желанием работать с цифровыми осциллографами, как с аналоговыми. На заре развития цифровой осциллографии одним из преимуществ аналоговых осциллографов было наличие третьего измерения (яркости) при просмотре сигналов на экране, что обусловлено принципом действия электронно-лучевых трубок, в которых яркость свечения люминофора увеличивается при повторном прохождении электронного луча по одной и той же траектории. Периодические сигналы отображаются на экране аналогового осциллографа в виде четкой и яркой осциллограммы, а шум и редкие аномалии видны менее ярко, а порой и вовсе незаметны. Первые модели цифровых осциллографов не могли похвастаться такими возможностями — изображение на их экране формировалось из дискретных пикселей, и каждый пиксель мог быть только включен или выключен (рис. 1,2).

Достижения в области осциллографических технологий позволили производителям цифровым способом получать изображения, подобные изображениям в аналоговых осциллографах. На рис. 1, 2 представлены развертки, выведенные на экран осциллографа смешанных сигналов MSO-X 4154А компании Keysight. Изображение на рис. 1 соответствует стандартной яркости 50%, на рис. 2 — яркости 100%. Преимуществом работы с высокой яркостью является повышение вероятности регистрации редко появляющихся событий, но при этом создается впечатление об увеличении шума из-за его визуального усиления на экране. Конечно, это заблуждение, так как при любой яркости среднеквадратические значения шума одинаковы, а визуально различаются только полные размахи напряжения шума.

Рис. 1. Отображение сигнала при уровне яркости 50%. Благодаря видимой градации яркости выражена динамика сигнала

Рис. 2. Отображение сигнала при уровне яркости 100%. Динамика сигнала отсутствует. Редкие и частые события отображаются одинаково ярко. В данном режиме хорошо видны редкие события

Каждый производитель разрабатывает собственные технологии, но, как правило, частота запуска цифрового осциллографа значительно выше частоты обновления экрана. При этом остается достаточно времени для сбора данных сигнала перед его выводом на экран, например, 33,3 мс при частоте обновления 30 Гц. За это время осциллограф может собрать несколько тысяч осциллограмм. Яркость пикселей тем больше, чем чаще они включаются в течение данного времени.

В первых моделях цифровых осциллографов яркость не регулировалась и всегда была равна 100%. На том этапе разработчики не были готовы решать проблемы повышения качества визуализации сигналов. В результате сигналы на экране такого осциллографа выглядели значительно хуже, чем на экране обычного аналогового осциллографа!

Скорость обновления сигналов на экране

От скорости обновления сигналов на экране зависит, насколько быстро осциллограф сможет выполнить повторный запуск после оцифровки и отображения текущего сигнала на экране. Рассмотрим пример: если вы наблюдаете на экране тактовый сигнал с частотой 500 кГц, то в вашем распоряжении имеется 500000 положительных перепадов для срабатывания системы запуска. Но реально ли захватывать и отображать каждый перепад на экране? Для такого захвата и отображения осциллограф должен запускаться 500000 раз в секунду. На самом деле большинство осциллографов запускается гораздо реже. Если ваш осциллограф обладает стандартным временем задержки запуска 100 мкс, то запуск происходит 10000 раз в секунду и на экране можно отобразить всего лишь 2% сигнала. При времени задержки запуска 1 мкс можно захватывать 1 000000 осциллограмм в секунду, то есть с вероятностью 100% захватывать все перепады тактового сигнала (если скорость свипирования достаточно велика). Следует учитывать, что шум может иметь не только гауссово, но и неограниченное распределение по амплитуде. По мере приближения к полному захвату сигнала в течение определенного времени появляется возможность захвата маловероятных событий на краях гауссова распределения.

Иначе говоря, более высокая скорость обновления сигналов на экране приводит к повышению вероятности захвата по краям гауссова распределения шума в заданном временном интервале. Попробуйте провести этот простой эксперимент.

В следующем примере был использован осциллограф смешанных сигналов Keysight MSO Х-3104Т с пассивным пробником 10:1. На его экране показан перепад сигнала тактовой частоты 3,5 МГц при скорости развертки 20 нс/дел. Данный осциллограф имеет настройку системы запуска (Holdoff), позволяющую задерживать повторный запуск. Если вы пользуетесь осциллографом Agilent/Keysight серии X, то эту настройку можно найти в меню Mode/Coupling. При работе с другой моделью осциллографа данная настройка может быть задана в меню Trigger settings (см. Руководство пользователя). Мы смоделируем уменьшение скорости обновления, для чего увеличим интервалы между запусками.

Для того чтобы лучше видеть полный размах напряжения шума, установим яркость на 100%. При стандартном времени задержки, равном минимальному значению (40 не), скорость обновления сигналов достигает 1000000 осцилл./с. При этом сигнал получается широким (рис. 3).

Рис. 3. Отображение сигнала с максимальной скоростью обновления 1 000 000 осцилл./с. Скорость срабатывания системы запуска, не ограниченная настройкой задержки триггера

Рассмотрим другой крайний случай. Многие современные осциллографы работают со скоростями обновления 1000 осцилл./с. Установим время задержки запуска 10 мс, чтобы получить скорость обновления 100 осцилл./с (рис. 4).

Обратите внимание на то, как резко изменилось представление сигнала на экране. Это связано с тем, что осциллограф запускается в тысячу раз реже, то есть вы получаете в тысячу раз меньше информации, чем при максимальной скорости обновления. Это означает, что в среднем вам потребуется в тысячу раз больший интервал времени для регистрации того же максимального размаха напряжения шума.

Итак, при высокой скорости обновления повышается вероятность захвата редких событий, таких как шум с полным размахом, в течение заданного периода времени. Это приводит к ложному представлению об увеличении шума. Следует помнить, что из-за случайной природы шума необходимо измерять среднеквадратическое значение его амплитуды, а амплитуда полного размаха не дает информации об истинных уровнях шума в системе.

Рис. 4. Отображение сигнала с искуственно ограниченной скоростью обновления 100 осцилл./с. Ограничение скорости осуществляется с помощью задержки срабатывания триггера, в данном случае 10 мс

При проверке разрабатываемого устройства осциллограф и пробник электрически соединяются с ним и рассматриваются как часть измерительной системы. В идеальном случае контрольно-измерительный прибор не должен влиять на устройство при подключении пробника к контрольной точке, но, к сожалению, на практике это невозможно. Именно поэтому так важно использовать высокоомные пробники при работе с относительно низкочастотными сигналами — высокий импеданс обеспечивает надежную развязку между измерительным прибором и исследуемым устройством. Однако сигнал может быть искажен или изменен при прохождении от контрольной точки до входного каскада осциллографа.

При оценке шума следует учитывать влияние коэффициента ослабления и провода заземления. Пассивный пробник 10:1, поставляемый в комплекте с большинством современных осциллографов, с помощью резистивного делителя уменьшает измеряемый сигнал в 10 раз перед его подачей на входной каскад осциллографа. Шум не ослабляется, поэтому отношение сигнал/шум непосредственно связано с коэффициентом ослабления пробника следующим образом:

SNR = V_IN/( Attenuation )х V_noise

Значение V_шум указывается в техническом описании осциллографа и зависит от чувствительности по вертикали. Для увеличения отношения сигнал/шум рекомендуется применять пробник с минимальным ослаблением, удовлетворяющим требованиям измерений.

Рассмотрим влияние провода заземления на измерения. При использовании длинного провода увеличивается индуктивность кабеля пробника, что приводит к появлению паразитных затухающих колебаний в цепи экрана кабеля — «звона». Провод заземления большой длины вызывает «звон» на низких частотах. Уменьшение длины провода увеличивает частоту «звона» и позволяет вывести его из диапазона частот, в котором выполняется измерение. Резонансная частота классического LC-контура вычисляется по формуле:

Входная емкость выбранного пробника указана в техническом описании; уменьшение емкости пробника приводит к увеличению его полосы пропускания, но сказывается на стоимости. Индуктивность, также указанная в техническом описании, снижается при правильном заземлении.

Следует учитывать, что длинный провод заземления может образовать паразитный контур, улавливающий коммутационные помехи.

Каждый осциллограф обладает собственным шумом. Значение шума указывается в техническом описании осциллографа, а представление шума на экране зависит от чувствительности по вертикали. Чем выше полоса пропускания осциллографа, тем больше полный размах амплитуды шума на его экране, поскольку шум на высоких частотах изменяется быстрее и больше, чем на низких частотах. Для изготовления широкополосных осциллографов необходимо использовать высококачественные компоненты, предъявлять более жесткие требования к проектированию, применять АЦП с меньшим шумом дискретизации и выполнять фильтрацию с цифровой обработкой сигналов для уменьшения шума в соответствии с требованиями пользователя.

Часто инженеры заблуждаются, пытаясь определить качество прибора по числу разрядов АЦП осциллографа. Утверждение, что при 10-разрядном АЦП разрешение по вертикали в 4 раза больше, чем при 8-разрядном АЦП, несправедливо, если уровень шума превышает разрешение АЦП. В связи с этим специалисты рекомендуют рассматривать другой параметр — эффективное число разрядов (ENOB). Он более точно характеризует качество представления сигнала на экране осциллографа. Дополнительную информацию об эффективном числе разрядов можно получить, зайдя по следующим ссылкам:
www.literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5989-3020EN.pdf;
www.youtube.com/watch?v=l5Cts5nPpcA;
www.literature.cdn. keysight.com/litweb/pdf/5989-2003EN.pdf.

Подводя итоги, отметим, что существует много путей уменьшения шума в измерительной системе — от устранения электромагнитных помех в среде тестирования до соответствующего выбора средств и методов измерения. Особое внимание обратим на то, что успехи современной технологии могут создать у инженеров неправильное представление об уровнях шума в исследуемом устройстве из-за визуального увеличения размаха шума на экране или наличия скрытой информации вследствие слишком медленного обновления.

Майкл ХОФФМАН (Michael HOFFMAN)
Тmo_russia@keysight.com

Осциллограф

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

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

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

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

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

Как работает осциллограф?

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

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

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

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

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

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

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

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

• Синхронизация от исследуемого сигнала.
• Синхронизация от сети.
• Синхронизация от внешнего источника.

Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.

Осциллограф С1-94.

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

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

Справа от экрана сверху вниз.

• Ручка: «Фокус».
• Ручка «Яркость». Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.
• Кнопка «Сеть». Кнопка включения прибора.
• Кнопка установки времени развёртки. Грубое переключение коэффициентов развёртки. Можно установить миллисекунды (ms) и микросекунды (μs). Напомним, что 1 ms = 1000 μs. Подробнее о сокращённой записи численных величин.
• Кнопка режима «Ждущ-Авт».

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

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

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

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

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

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

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

Также на панели осциллографа имеются:

• Ручка «Перемещение луча по горизонтали». Она служит для корректировки положения луча в горизонтальном направлении. Если покрутить данную ручку, то изображение развёртки будет смешатся либо вправо, либо влево.
• Также есть и ручка «Перемещение луча по вертикали». С помощью её можно отрегулировать положение развёртки на экране по вертикали. Ручки «Перемещение луча по горизонтали» и «Перемещение луча по вертикали» служат исключительно для настройки комфортного отображения осциллограммы сигнала на экране. Они никак не влияют на настройку работы самого осциллографа.
• А вот ручка «Уровень синхронизации» необходима для того, чтобы «остановить» осциллограмму сигнала на экране.

Поворотом этой ручки добиваются того, чтобы изображение сигнала «застыло», а не «убегало». Иногда, чтобы поймать изображение с помощью ручки «Уровень» приходится изменить время развёртки переключателем Время/дел.

Входной разъём «Y» , к которому подключается измерительный щуп или внешний делитель выглядит так. Внизу указываются параметры входа, а именно входное сопротивление (1 MΩ) и входная ёмкость (40pF). Чем выше входное сопротивление измерительного прибора, тем лучше. Таким образом при измерении прибор не шунтирует элементы тестируемой схемы и не вносит искажений в измеряемый сигнал. Входная ёмкость прежде всего влияет на возможность исследования высокочастотных сигналов.

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

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

Принцип работы осциллографа

Осциллограф — это прибор для измерения характеристик электрических сигналов во времени. Его используют радиолюбители, мастера сервисов по ремонту электроники Принцип работы осциллографа заключается в ступенчатом анализе поступающего сигнала. Ниже мы более подробно рассмотрим особенности функционирования прибора.

Принцип работы осциллографа

Прежде чем изучить принцип действия осциллографа, следует ознакомиться с конструкцией устройства. Мы рассмотрим общие конструктивные особенности цифровых агрегатов, они в настоящий момент более распространены.

Независимо от типа, важными частями конструкции осциллографа являются:

• усилитель и делитель напряжения;
• преобразователь (АЦП);
• контроллер;
• запоминающее устройство;
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
• экран;
• органы управления (кнопки, ).

Принцип работы осциллографа основан на преобразовании электрического сигнала в аналоговый или цифровой. В последнем случае алгоритм будет следующим:

1. Входное напряжение проходит через усилитель с делителем, преобразуется с помощью АЦП в дискретную последовательность кодов.
2. Мгновенные значения напряжения отображаются в кодах, а затем записываются в ОЗУ. Во время записи все предыдущие отсчёты сдвигаются на одну ячейку. Процедура продолжается до тех пор, пока не будет выполнено заданное пользователем условие.
3. После того, как условие выполнено, содержимое ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство.
4. На экране начинает появляться рисунок сигнала. Появление изображения связано с тем, что каждой ячейке запоминающего устройства соответствует точка на экране, отличающаяся по цвету от фона.

Представленное описание принципов действия осциллографа является упрощенным.

Основные параметры

При рассмотрении принципа действия осциллографа обязательно нужно упомянуть о его характеристиках. Параметры оборудования крайне важны для изучения сигналов. Основные характеристики измерительного прибора:

• Полоса пропускания. Это рабочий диапазон частот, в котором спад АЧХ не превышает 3 дБ относительно опорной частоты. На опорной частоте спад АЧХ отсутствует.
• Неравномерность характеристики (АЧХ).
• Нелинейность амплитудной характеристики усилителей.
• Параметры выходов. Обязательно указывается сопротивление с входной ёмкостью.
• Форма сигнала, синусоида, пилообразные импульсы, прямоугольные импульсы, единичные выбросы
• Длительность импульса или ширина. Обозначается в мс или мкс.

Характеристики неисправного обследуемого оборудования всегда отличаются от тех, что указаны в заводском паспорте. Именно эта особенность электрических сигналов позволяет быстро диагностировать неполадку, используя осциллограф.

Области применения и методика измерения

Осциллографы используются во многих областях промышленности. Их применяют для диагностики блоков питания, преобразователей, при ремонте мобильных телефонов, на телевидении для настройки поступающего сигнала, при разработке электроаппаратуры Рассматривая принципы работы осциллографа, важно изучить методики измерения. Всего их 4:

1. Измерение напряжения. Процедура осуществляется в режиме линейной развертки. Генератор подключается к измеряемому устройству. Обычно одна из точек подключения выступает в качестве «земли», но это правило не является обязательным. Значения напряжения измеряются от пика до пика. Как только напряжение получено, другие параметры можно определить с помощью простейших расчетов.
2. Измерение времени и частоты. Для этой процедуры применяется горизонтальная шкала устройства. Прибор замеряет длительность и период импульсов, а частота — обратная периоду величина.
3. Измерение продолжительности импульса и длительности нарастания фронта. Искаженные импульсы — одна из распространенных причин неправильной работы электрических схем. Для запуска этого алгоритма измерения необходимо точно настроить прибор. Особенно важно правильно использовать режимы удержания запуска и функцией растяжки по горизонтали (для просмотра мелких деталей коротких импульсов).
4. Измерение сдвига по фазе. Прибор анализирует разницу синхронизации между двумя одинаковыми сигналами. Один сигнал подается на систему вертикального отклонения устройства, а второй — на систему горизонтального отклонения устройства.

Не стоит забывать и о прочих измерительных технологиях, применяемых в современных типах оборудования. С их помощью можно настроить прибор для захвата быстротекущих процессов на производстве, тестирования электронных компонентов

Типы осциллографов

После того, как мы выяснили для чего нужен осциллограф, настало время разобраться в его классификациях. Измерительное оборудование подразделяют непосредственно по алгоритмам работы. Основных типов осциллографов 7:

1. Аналоговые. Именно с этих устройств и началось анализа сигналов. Аналоговый осциллограф — это прибор для быстрого измерения электрических сигналов средней частоты. Главным плюсом оборудования этого типа является низкая стоимость, поэтому у многих начинающих радиолюбителей есть аналоговая измерительная техника. В университетах и в современных лабораториях их практически не используют. Основные узлы устройства:
   a. делитель входного сигнала;
   b. схема синхронизации и отклонения горизонтальной плоскости;
   c. лучевая трубка;
   d. блок питания.
2. Цифровые запоминающие. Это оборудование выделяется не только возможностью сохранения данных. Цифровые устройства способны производить глубокий анализ поступающей информации, поэтому их стоимость во много раз больше, чем аналоговой техники. После настройки, они смогут записывать поступающие информацию в цифровом формате. Сигнальные данные более устойчиво отображаются на мониторе. К итоговому результату пользователь может применить масштабирование или другие функции. Примеры запоминающих осциллографов: Tektronix, R&S RTC1002+, TBS2074 Tektronix. Основные компоненты прибора:
   a. делитель входного сигнала;
   b. усилитель нормализации;
   c. преобразователь;
   d. устройства вывода и ввода информации;
   e. запоминающее устройство.
3. Цифровые люминофорные. Эта техника отличается высокой стоимостью. За точность измерений в этом приборе отвечает цифровой люминофор. Данные, поступающие в прибор, обрабатываются параллельно, поэтому сигнал отображается в особом виде. При записи устройство создает очень много снимков. Благодаря этой особенности, операторы смогут быстро обнаружить редкие сигнальные явления. Примеры люминофорных осциллографов: R&S RTM3004+, Tektronix DPO75002SX, Tektronix DPO73304DX.
4. Цифровые стробоскопические. Работа техники этого типа строится на эффекте последовательного сигнального стробирования. Устройство последовательно выбирает множество точек за несколько заданных временных периодов, а после воссоздает исходную форму волны. Стробоскопические приборы применяются в лабораториях для изучения высокочастотных повторяющихся сигналов с частотой дискретизации превышающей частоту дискретизации измерительного оборудования. Такая техника очень дорогая. Ее рабочая частота выше 50 Гц. Примером стробоскопического осциллографа является DSA8300 Tektronix. Его рабочая частота около 80 ГГц.
5. Портативные. В настоящее время наблюдается тенденция к уменьшению схем измерительного оборудования, поэтому появились компактные модели устройств для исследования сигналов. Они отличаются минимальной погрешностью измерений, хорошей автономностью и малыми габаритами, потому часто становятся спутниками мобильных электронщиков. Примеры портативной техники для проведения измерений: R&S RTH1002, R&S RTC1002+, R&S .
6. Комбинированные или смешанных сигналов. Отличительной особенностью приборов является наличие анализатора спектра. С его помощью можно проводить более сложное исследование электрических схем, путем оценки сигнальных гармоник. Примеры комбинированного оборудования: MSO2014B Tektronix, Tektronix MSO72504DX, R&S RTC1002+, RTC-B223.

Заключение

Принцип работы осциллографа заключается в анализе электрического сигнала путем ступенчатого преобразования. При выборе осциллографов важным критерием является тип предстоящих работ. Измерительное оборудование необходимо подбирать к виду сигналов, с которыми вы собираетесь работать.

2. Принцип получения изображения на экране осциллографа

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим управлением луча, которая предназначена для отображения формы исследуемого сигнала. Она представляет собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой размещаются электронная пушка, отклоняющие пластины (Х и У) и люминесцентный экран, покрытый люминофором, который обладает способностью светиться под воздействием ударяющихся в него электронов.

Электронная пушка состоит из подогреваемого катода К, модулятора яркости светового пятна М, и трех анодов: А1 – фокусирующего, А2 – ускоряющего, А3 – основного, и предназначена для формирования узкого электронного луча, при попадании которого на экран возникает светящееся пятно.

Яркость свечения люминофора ЭЛТ регулируется путем изменения отрицательного напряжения на модуляторе М. Напряжение на первом аноде А1 фокусирует поток электронов в узкий луч. На анод А2 подается достаточно большое напряжение (до 2 кВ) для того, чтобы сообщить электронам скорость, необходимую для свечения люминофора. На анод А3 подается высокое положительное напряжение (до 10…15 кВ), он используется для дополнительного ускорения электронов.

Электронный луч, проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих Y и горизонтально отклоняющих Х.

Если напряжение приложено к вертикально отклоняющим пластинам Y, то между ними будет существовать электрическое поле, которое вызовет отклонение электронного луча (светового пятна на экране ЭЛТ) по оси Y; если же напряжение приложено к горизонтально отклоняющим пластинам, то луч (световое пятно) будет отклоняться по оси Х.

Если сфокусировать электронный луч так, чтобы световое пятно расположилось в центре экрана ЭЛТ, а затем к пластинам Y приложить исследуемое напряжение, а к пластинам Х – напряжение развертки, то под совместным воздействием этих двух напряжений луч вычертит на экране ЭЛТ осциллограмму, отражающую зависимость исследуемого напряжения от времени.