20 самых важных характеристик осциллографов!
Попробуем разобраться в том, какую роль играет полоса пропускания, чувствительность и память осциллографа при измерениях, в каких случаях лучше использовать аналоговые и цифровые, двухканальные и двухлучевые осциллографы, а когда вместо современного стационарного цифрового или портативного осциллографа достаточно иметь под рукой старый советский прибор? Ответы на эти и другие вопросы, а также все типовые заблуждения, связанные с этими приборами, вы найдете в нашей подборке — 20 самых важных характеристик осциллографов!
Когда мы говорим «осциллограф», то представляем себе прибор, на лицевой панели которого расположен экран, отображающий графики входных электрических сигналов (амплитудные и временных характеристики). Однако поскольку видов этих сигналов «великое множество», очевидно, что не может быть одного универсального прибора, способного адекватно показать все. Поэтому, выбирая осциллограф, нужно ориентироваться во всех разновидностях этого «многоликого» по областям применения прибора, чтобы выбрать именно тот, который подходит для решения стоящих перед вами задач. И здесь немудрено запутаться или упустить какие-то моменты, что может привести к покупке «ненужного чуда» электронной техники. А чтобы не попасть впросак, стоит прислушаться к отзывам опытных практиков, помогающим системно подойти к своим запросам и сделать действительно безошибочный выбор. Далее разбираются основные параметры и технические характеристики осциллографов.
1. Чем хорош двухлучевой осциллограф?
Двухлучевой осциллограф позволяет двумя лучами одновременно наблюдать на общей временной развертке два независимых процесса. Двухканальный осциллограф содержит электронный коммутатор, коммутирующий либо намного чаще, чем частота процесса, либо намного реже, чем частота процесса два процесса на один луч. При этом получается, как бы два луча, но график отображается «кусками, хотя, если частота коммутации выбрана верно, то визуально это не заметно. Все это верно до тех пор, пока исследуются строго периодические процессы. Если же процессы импульсные или не строго периодические (форма сигнала отличается в разных периодах или период меняется), качественно наблюдать два таких процесса на двухканальном однолучевом осциллографе невозможно, потому что в каждый момент времени мы видим только кусочек одного процесса. В принципе двухлучевой осциллограф, конечно, намного лучше однолучевого двухканального. У двухлучевого есть и недостаток: вертикальная развертка каждого луча линейна в своей половине экрана, верхнего – в верхней, нижнего – в нижней. При попытке использовать весь экран одним лучом нас ждет разочарование – отклонение луча у двухлучевой ЭЛТ в «чужой» половине экрана существенно нелинейно.
2. Ограничения двухканального (многоканального) осциллографа
Двухканальный (многоканальный) осциллограф отличается от двухлучевого (многолучевого) тем, что у него одновременное наблюдение разных сигналов обеспечивается быстрым переключением с одного канала на другой, т. к. применяется однолучевая трубка. Из-за чего на высоких скоростях развертки он «рвет» сигналы на экране. Двухлучевой (многолучевой) – имеет трубку с несколькими лучами, поэтому он сигналы не «рвет», но стоит обычно дороже.
3. Любой осциллограф – это не измерительный, а наблюдательный прибор
Хотя в цифровых осциллографах используются также измерительные функции (можно, например, проводить измерения амплитуды сигнала и т. д.). У аналоговых осциллографов погрешность по экрану 5-10%. Цифровые, к которым относятся также USB-осциллографы, вроде более точные, но есть такое понятие, как «Вертикальное разрешение». Например, у типового USB-осциллографа – указано 9 бит вертикального разрешения (реально часто – 8 бит). Это значит, что входной сигнал, надо поделить на 2 в 8-й степени, то есть на 256, что при входном сигнале 10 В даст ступеньку в 0,4 В.
4. Цифровой или аналоговый осциллограф?
Выбор «цифровой или аналоговый осциллограф» зависит от характера исследуемых процессов. Цифровой имеет память, широчайшие возможности рассматривать уже зарегистрированные кратковременные сигналы (есть возможность делать их скриншоты), цветной дисплей (что очень способствует восприятию информации), множество способов синхронизации, некоторые возможности обработки сигнала. У аналогового – наименьшие искажения наблюдаемого сигнала, что обычно приводится как основной довод в их пользу. Других, более серьезных доводов обычно не приводят.
5. Цифровой осциллограф не покажет ВЧ импульсы
Еще одна особенность цифровых осциллографов: для наблюдения непрерывного сигнала, и для того, чтобы сильно не увеличивать частоту дискретизации (квантования) по времени (а это необходимо из-за того, что точных быстродействующих АЦП пока еще мало, а то и вовсе нет для решения каких-то задач), часто используются для обработки численные методы (аппроксимация, интерполяция, экстраполяция). Современные микроконтроллеры довольно просто с этой задачей справляются. Но в результате мы видим не настоящий сигнал, а эрзац-сигнал, полученный в результате обработки точечных отсчетов численными методами. То есть мы можем не увидеть на сигнале «иглы» высокочастотных импульсных помех, которые будут прекрасно видны на аналоговом осциллографе.
6. Цифровой осциллограф умеет запоминать сигналы
У цифрового осциллографа дополнительное удобство – он может запоминать сигнал и выводить его на экран в увеличенном масштабе (функция экранной лупы). А также достаточно просто реализуются функции автонастройки на сигнал и измерение параметров сигнала (но это уже в дорогих моделях). Еще одно важное достоинство – просмотр или предварительное (возможно и полное) декодирование промышленных протоколов.
7. Ограничения АЦП цифровых осциллографов
Цифровой осциллограф работает на принципе преобразования аналогового (т. е. непрерывного) сигнала в цифровой (т. е. дискретный) со всеми вытекающими отсюда последствиями:
- Для того чтобы передать сигнал как можно точнее, частота дискретизации должна быть намного выше частоты измеряемого сигнала. Т. е. чем больше дискретных отсчетов в единицу времени, тем более непрерывным будет отображение сигнала и более точным его воспроизведение на экране.
- Дискретизация по уровню измеряемого сигнала (как правило, это напряжение). Чтобы его как можно точнее измерить, надо иметь хорошую дискретизацию по уровню. Допустим, мы имеем АЦП 8-бит. Теоретически он дает 256 уровней сигнала. Т. е. сигнал с амплитудой 10 В он может перевести в цифровой код с точностью 0,04 В, а если у АЦП 10 разрядов (1024 уровня), то мы сможем наблюдать этот же сигнал с точностью 0,01 В (правда, на самом деле точность будет ниже, из-за погрешности самого АЦП).
- Многолучевой цифровой осциллограф должен иметь в своем составе несколько каналов преобразования и обработки сигнала.
- Интерфейс для связи с компьютером имеют не только цифровые, но и многие аналоговые осциллографы.
8. Объем памяти цифрового осциллографа
Объем памяти выборок (в английской технической документации используются термины Record Length – длина записи или Memory Depth – глубина памяти) – третья ключевая характеристика цифровых осциллографов, наряду с полосой пропускания и частотой оцифровки. Суть в том, что это память, работающая на частоте оцифровки. Ее нехватка приводит к тому, что на медленных развертках осциллограф вынужден снижать частоту оцифровки во избежание переполнения памяти. Хотя есть «кривые» попытки обойти эту проблему, например, использованием пик-детектора. Если памяти выборок много (от 1 Мегасемплов), то это производителем специально подчеркивается, а если мало, то всячески замалчивается. Или приводится большой объем памяти, но оказывается, что это просто ОЗУ встроенного процессора, а не быстрая память выборок. Допустим, частота выборок – 500 мегавыборок в секунду (полоса пропускания – 50 МГц, 10 выборок на период). Смотрим сигнал 50 Гц (период 20 мс). За это время осциллограф сделает 10 000 000 выборок. С 8-битным АЦП ему надо запомнить 1 байт на выборку. Итого, чтобы зарисовать этот период, ему нужно либо 10 Мб памяти, либо снижать частоту выборок.
9. «Короткая и длинная» память в цифровом осциллографе
Короткая и длинная память — это «закон сохранения энергии в осциллографе». Если вы используете максимальную частоту дискретизации то у вас «короткая память» будет (извините за выражение), если же частота дискретизации будет в два раза меньше — то у вас память будет «ого-го». Если нужно посмотреть пачку импульсов — используете большую память, если периодический, но высокочастотный сигнал (тем более меандр), то тогда более важна частота дискретизации.
10. Время нарастания входного сигнала
Показатель «Время нарастания входного сигнала» – чем меньше, тем лучше. Это значит, что меньше будет «отгрызаться» начало первого сигнала на экране при внутренней синхронизации, и тем лучше частотные свойства осциллографа.
11. Полоса пропускания цифрового осциллографа
Считается, что для наблюдения цифровых сигналов полоса пропускания осциллографа должна быть в несколько раз выше частоты сигнала (хотя бы втрое), иначе прямоугольный сигнал превращается в «квазисинусоиду» (то есть «заваливаются» фронты). И частота дискретизации должна быть выше хотя бы раз в десять (некоторые даже считают, что это соотношение должно быть не менее 1:20).
12. Как связаны шумы и погрешность Разрешение экрана
Чем выше разрешение экрана, тем больше детализация. Выбирайте разрешение не менее 640 точек по горизонтали и не менее 480 точек по вертикали, многие современные относительно недорогие осциллографы уже имеют такие экраны. Экран должен быть цветным и с малой инерционностью. Черно-белые экраны с большой инерционностью — прошлый век.
13. Как связаны шумы и погрешность Когда нужен осциллограф с логическим анализатором?
Современная прикладная электроника – это в большинстве случаев «смесь цифры с аналогом». Расшифровка протоколов здесь не главное (хотя и не без нее). Но вот, допустим, имеем сигнал ШИМ, который в свою очередь может перейти во что угодно – ток, напряжение, температуру, магнитное поле, обороты и т. д. и т. п. Регулирование этих величин, допустим, выполняется с помощью микроконтроллера посредством какого-либо ПИД-регулятора. Как отрабатывать все тонкости этих процессов? Вот тут и придет на помощь встроенный в осциллограф логический анализатор. Конечно, все то же самое можно делать и отдельным анализатором, и синхронизировать его с аналоговыми сигналами. Но все это вы будете видеть на разных мониторах и засечь, что и после чего изменяется «от цифры в аналоге» уже будет очень неудобно и непродуктивно.
Таким образом, если вы собираетесь рассматривать цифровой и аналоговый сигналы одновременно, например, цифровой сигнал зависит (синхронизирован) от аналогового или наоборот, то лучшим решением будет осциллограф с логическим анализатором на борту или хотя бы с возможностью докупить логический анализатор позже (но нужно, чтобы у покупаемого осциллографа была такая опция). Отдельный логический анализатор удобен для работы с чистой цифрой.
14. Как связаны шумы и погрешность Как связаны шумы и погрешность осциллографа с разрешением экрана?
Шумы осциллографа не имеют никакого отношения к разрешению экрана. Точно так же и погрешность осциллографа не имеет никакого отношения к разрешению экрана.
15. Эквивалентный режим
Эквивалентный режим используется только для периодических сигналов. Он позволяет повысить частоту дискретизации в десятки раз. Суть в том, что друг за другом делается не одна запись сигнала, а много, но каждый раз с небольшим смещением. Поскольку сигнал все время одинаковый (периодический), потом полученные записи накладывают друг на друга, и получают запись с как-бы очень высокой частотой оцифровки, например 50 ГГц, хотя реальная частота оцифровки была обычная, например 500 МГц. Для однократных сигналов не годится.
16. Режим сегментированной памяти
Некоторые цифровые осциллографы имеют режим сегментированной памяти. То есть их можно оставить работать хоть на неделю, но они будут записывать не весь сигнал, а только его часть, форма которой задается через меню, например, только короткие пики. Таким образом, ни один пик не будет пропущен и будет записан с нужной (высокой) частотой дискретизации. А потом все записанные сегменты (кусочки сигнала) можно разом просмотреть.
17. Минусы портативных осциллографов
У портативных приборов цены выше, а параметры хуже, это известно. В частности, «настольные» осциллографы давно «доросли» до 1-2 мегасемплов (мегабайт) памяти выборок, а у портативных эта память по-прежнему 1-40 килосемплов (килобайт).
18. Что такое мотортестер?
Для диагностики системы зажигания автомобильного двигателя используется мотортестер, представляющий собой многоканальный осциллограф (осциллограф-мультиметр с четырьмя и более каналами), с инсталлированным в нем специальным ПО. К осциллографу подключается комплект датчиков. Мотортестер отображает осциллограмму высокого напряжения системы зажигания и в реальном времени параметры импульсов зажигания, такие как пробивное напряжение, время и напряжение горения искры.
19. Что такое автомобильный диагностический сканер?
Для «общей» автодиагностики применяют диагностический адаптер или CAN-Bus автомобильный диагностический сканер, представляющий собой осциллограф смешанных сигналов – осциллограф со встроенным логическим анализатором, который, используя специальное ПО, выполняет дешифровку протоколов CAN/KWP2000/др. и трактует полученные данные. Система управления современного двигателя, отвечающего строгим нормам токсичности, в качестве главного своего элемента содержит электронный блок управления (ЭБУ). Так вот сканер предназначен именно для работы с ЭБУ, для его «сканирования». А так как сканер работает с блоком, то он позволяет:
- Наблюдать сигналы с датчиков системы, следить за их изменением во времени.
- Проверять работу исполнительных механизмов путем приведения их в действие и визуального или другого контроля.
- Считывать сохраненные системой коды неисправностей.
- Посмотреть идентификационные данные ЭБУ, системы и т. п.
20. Почему лучше не использовать осциллографы, выпущенные в СССР?
В России до сих пор продаются осциллографы, выпущенные в СССР 25-30 лет назад. Они могут привлечь внимание разве что новичков и не очень требовательных радиолюбителей. Однако опытные практики пишут на страницах интернет-форумов буквально следующее: «Ни в коем случае не советую связываться с советскими приборами, тем более осциллографами, управляемыми микропроцессором. Советские приборы утыканы сбоку и сверху подстроечниками для калибровки. Методика описана в инструкции, обычно довольно бестолковой. Перечень «пороков» советских приборов продолжают габариты, вес и высохшие электролиты».
При подготовке этой статьи использовались отзывы, советы и рекомендации по выбору и работе с электронными осциллографами, собранные с крупнейших отечественных и зарубежных интернет-форумов.
Зачем нужен осциллограф?
Осциллограф – инструмент, который отслеживает изменения в электронных схемах и отображает их в виде графических изображений. Он фиксирует все отклонения и временной промежуток, что позволяет быстро находить проблемы в работе разных электроприборов. Мультиметр помогает наблюдать за следующими параметрами: амплитуда, шумы, частота, пульсация, гармоника и другие.
Существуют два основных вида осциллографов:
- Аналоговые приборы используют усилители, которые могут задерживать и искажать сигнал.
- Цифровые устройства обеспечивают точную передачу данных в режиме реального времени.
Последний тип осциллографов наиболее распространен, так как отличается точностью показаний и простотой использования. Они меньше шумят и в свою очередь делятся на стробоскопические, люминофорные, запоминающие. Оборудование бывает стационарным и портативным. К портативным осциллографам относятся FNIRSI DSO 5012H (на фото слева) и Hantek 2C42. У них компактные размеры, есть собственный экран, на который выводится информация. Они подходят для выездных ремонтов.
Удобны и USB-осциллографы, которые подключаются к компьютеру или ноутбуку. Примеры таких моделей: Hantek 6074BE, осциллограф-ручка Hantek PSO2020. Они позволяют выбрать метод интерполяции, имеют широкую полосу пропускания, подходят для высокочастотных измерений. Однако в недорогих моделях может отсутствовать гальваническая развязка.
Для чего нужен осциллограф
Осциллограф – это прибор, широко используемый в лабораториях, научно-исследовательских центрах, мастерских и сервисах. Его применяют для наблюдения за амплитудными и временными параметрами электрического сигнала, их измерениями и записью. Этот инструмент станет незаменимым помощником любого инженера, тех, кто работает с аналоговыми и цифровыми приборами любого назначения. Им пользуются и радиолюбители, домашние мастера. Познакомимся более подробно с тем, что представляет собой осциллограф, для чего нужен он, как устроен и работает, для решения каких задач подходит. Определим основные моменты, которые помогут правильно подобрать прибор под определенные эксплуатационные условия.
Для чего нужен осциллограф
Основное назначение осциллографа – предоставление пользователю визуального отображения сигналов, поступающих на вход прибора с целью их последующего измерения и анализа в частотной, временной и логической области. Эти картинки можно сохранять, преобразовывать, что актуально при последующем исследовании, сравнении.
Один из важных моментов использования прибора – целостность поступающего сигнала. Осциллограф способен чрезвычайно точно воспроизводить форму входящего сигнал. В этом случае говорят, что его целостность высокая. Но если же она будет низкой, то работа осциллографа будет бесполезной: сигнал, который будет фиксировать прибор будет значительно отличаться от реального. Надо понимать, что достичь 100% идентичности не удастся даже на самом современном и качественном осциллографе. Проблема в том, что при подключении прибора к сети, он сам становится частью этой электрической схемы с ее нагрузкой, сопротивлением. Производители осциллографов пытаются минимизировать сторонние воздействия с целью повышения точности фиксации сигнала, но все же достичь полного подобия не удастся.
Принцип работы осциллографа
На сегодня наибольшее применение на практике получили цифровые осциллографы. Именно на их примере и рассмотрим принцип действия этих приборов:
- Входное напряжение проходит через усилитель вертикального отклонения с делителем. Обеспечивается дополнительное масштабирование сигнала перед его подачей в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). При помощи АЦП напряжение преображается в дискретную последовательность кодов – выполняется выработка и оцифровка сигнала.
- В кодах находят отображение мгновенные значения напряжения, после чего они записываются в оперативной памяти. Предыдущие записи и отчеты не удаляются, а сдвигаются на одну ячейку. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока задача, поставленная пользователем, не будет выполнена.
- После решения вопроса, содержимое всех ячеек передается на запись в запоминающее устройство. Система синхронизации в автоматическом порядке ищет события запуска. Одновременно с этим блок временной развертки устанавливает продолжительность временного интервала.
- Только после этого на дисплее прибора начинает формироваться изображение сигнала. Каждая ячейка – это определенная цветная точка на экране. В результате осциллограф показывает общую картинку входящего сигнала.
Это упрощенное описание прибора. В реальности в нем происходит много дополнительных процессов, повышающий масштабируемость, точность и удобство работы пользователя.
Основные блоки осциллографа
Устройство осциллографа также рассмотрим на примере цифровой модели. Он состоит из следующих основных узлов:
- АЦП (аналогово-цифровой преобразователь). Компонент, способный преобразовать входящий аналоговый сигнал в цифровой.
- Аттенюатор. В его обязанности входит масштабирование сигнала. Допустимый предел увеличения определяется динамическим диапазоном усилителя и возможностями АЦП.
- Блок смещения. Речь идет о постоянной составляющей сигнала. Здесь также выполняется масштабирование, но уже учитывается динамический диапазон самого аналогово-цифрового преобразователя.
- Усилитель вертикального отклонения. В обязанности этого компонента входит линейное усиление сигнала. Необходимо довести его до того предела, чтобы он не выходил за рамки диапазона АЦП.
- Система запуска. Используется в случае комбинирования нескольких входных сигналов. Она способна находить уникальный момент времени внутри сигнала, согласно которому будут синхронизироваться данные.
- Блок развертки по времени. Определяет начало и конец работы АЦП в зависимости от события запуска. Также в его обязанности входит определение частоты дискретизации аналогово-цифрового преобразователя. Этот параметр напрямую связан со свободной памятью прибора, что позволяет настраивать данные развертки по времени.
- Внутренняя память каналов. Это своего рода оперативная память, в которой будет храниться информация в цифровом виде, поступающая от АЦП.
Также в конструкцию прибора входит дисплей, кнопки управления, интерфейсы, разъемы и другие элементы коммутации.
Виды осциллографов
Чтобы разобраться, как пользоваться осциллографом, необходимо понимать, с каким прибором вы имеете дело, то есть надо знать его вид. Сегодня рынок предлагает потребителям следующие варианты:
- Аналоговые осциллографы. Самое простое решение. Способны отображать входящий сигнал в режиме реального времени. Изображение получается четким, без цифровых шумов, искажений. Оно формируется в электронно-лучевой трубке. Опции записи не предусмотрено. Функциональность ограничена. Предусмотрена только возможность наблюдения за формой сигнала и приближенные измерения самых простых параметров.
Цифровые осциллографы с функцией запоминания (DSO). В таких приборах исключены недостатки аналоговых моделей. В их конструкции уже есть АЦП, преобразующий сигнал. В цифровом виде можно хранить данные любой период времени, можно выполнять множество разных измерений. Информацию можно передавать с одного ПК на другой через сеть, внешние диски, флэшки или через LAN и USB интерфейсы. Управление приборами выполняется с панели, расположенной рядом с дисплеем.- Цифровые осциллографы смешанных сигналов (MSO). Также относятся к запоминающим. Таким осциллографом измеряют смешанные сигналы. Они одновременно работают и с аналоговыми, и с цифровыми потоками, но выдают результат в едином масштабе времени.
- Цифровые стробоскопические осциллографы. Построены на принципе последовательного сигнального стробирования. Здесь при помощи коротких стробирующих импульсов измеряются мгновенные значения повторяющихся сигналов. Благодаря стробоскопическому эффекту обеспечивается повышенная чувствительность прибора одновременно с широкой полосой пропускания. Рабочая частота таких устройств измеряется десятками ГГц.
Портативные осциллографы. От стационарных моделей отличаются меньшими размерами, низким потреблением энергоресурсов. Они могут функционировать и от сети, и от аккумуляторной батареи. Предназначаются для работы на открытых площадках, в полевых условиях.- Комбинированные осциллографы. Помимо функций осциллографа, в них могут быть реализованы генераторы сигналов, логические анализаторы, анализаторы спектры, мультиметры, вольтметры, частотомеры. С их помощью выполняется анализ сигнала сразу в нескольких областях: частотной, временной, логической.
Чтобы подобрать вид осциллографа, необходимо четко понимать, с какими задачами он будет сталкиваться в рабочем процессе. И уже под них подбирается прибор.
Области применения
Что такое осциллограф хорошо знают все, кто связан с разработкой или испытаниями компонентов электроники, радиоэлектроники и готовой аппаратуры. Сфера применения этих приборов очень разносторонняя. Их повсеместно используют в:
- учебных, научно-исследовательских лабораториях для обучения студентов-электронщиков, выполнения рабочих исследований;
- автомобильной промышленности для проверки работоспособности и выявления ошибок в работе электронной системы машин;
- процессе проверки целостности сигналов и микроэлектронике;
- аэрокосмической, оборонной области для тестирования средств связи радиолокационных сетей;
- работах, связанных с тестированием систем и приборов на соответствие нормативным данным в области передачи данных;
- разработке, тестировании передовых технологий и пр.
Область применения приборов очень широкая. И чем выше будет качество осциллографа, тем надежнее он будет в работе, а его данные – точными и корректными.
Как выбрать осциллограф: параметры, на которые стоит обратить внимание
Чтобы подобрать прибор под особенности предстоящей эксплуатации, мало знать, что осциллограф измеряет и как он работает. Необходимо еще выбрать его технические характеристики. К наиболее важным показателям относят:
- Полосу пропуская. Определяет максимальный диапазон частот, в котором обеспечивается точное измерение сигналов с ослабление не более чем до 70,7%.
- Частота дискретизации. Определяет число выборок, осуществляемых прибором за 1 секунду работы. Оптимально подобрать такой показатель, чтобы он более, чем в 5 раз превышал самую высокую частоту исследуемого сигнала.
- Время настройки. Определяет точность прибора при измерении длительности фронта изучаемых сигналов.
- Глубина памяти. Каждый прибор имеет свой ресурс для записи. И чем больше будет глубина памяти, тем более длинную запись он позволит получить.
- Время нарастания. Влияет на точность прибора при определении длительности фронта входящих сигналов.
- Вертикальное разрешение аналогово-цифрового преобразователя. Указывает на точность прибора в процессе перевода аналогового сигнала в цифровой. Чем выше оно, тем большей будет целостность сигнала.
- Чувствительность по вертикали. Отображает возможности усилителя системы вертикального отклонения. Особенно актуально при работе со слабыми входными сигналами.
- Число и тип рабочих каналов. Для аналоговых осциллографов вполне будет достаточно 2, 4 или 8 каналов. С их помощью можно будет получить всю информацию, необходимую для исследования. А вот в случае цифровых моделей, где реализована параллельная передача информации, не обойтись без 8, а иногда и 16 дополнительных каналов.
- Система запуска. Отвечает за захват событий сигналов. Применяется в случае выполнения более подробного анализа. С ее помощью повторяющиеся осциллограммы отображаются четко и корректно. Погрешность изображения и анализа входящего сигнала зависит от гибкости работы системы запуска и ее изначальной точности.
- Согласованные пробники. К пробникам предъявляется ряд жестких требований. Так, его собственная емкость должна быть минимальной и не создавать чрезмерную нагрузку на сеть тестируемого прибора. А вот полоса пропускания пробника должна быть максимально близкой к полосе пропускания самого осциллографа.
- Простота и удобство управления. С прибором должны уверенно работать люди с разным уровнем квалификации и подготовки. За удобство работы отвечает интерфейс, продуманность навигации и пр.
- Выполнение автоматических измерений. Ускоряют и упрощают получение сигнала.
- Программное обеспечение. Чем более гибким будет ПО осциллографа, тем большую эффективность можно получить в процессе диагностики электрических и оптических схем. Будет особо полезным при выполнении тестирования на соответствие стандартам.
- Систему навигации и анализа. Незаменима на этапе поиска аномалий сигнала. Автоматизирует этот процесс, ускоряет получение результата.
- Тип питания. Осциллограф может работать от электрической сети или встроенной аккумуляторной батареи. Последний вариант питания преимущественно реализован в полевых приборах.
- Наличие дополнительных программных опций. Прибор должен обеспечивать как нынешние требования, так и потенциально возможные. Некоторые модели дополнительно позволяют расширять полосу пропускания, добавлять новые рабочие опции, увеличивать память каналов.
- Интерфейсы. Удобно, когда прибор можно подключать непосредственно к ПК или передавать информацию через сменные носители. Так работа с документированием, обменом данными будет более простой и быстрой.
Чтобы сориентироваться во всех этих параметрах и подобрать осциллограф, максимально точно соответствующий предстоящей задаче, необходимо обладать глубокими знаниями. И если у вас есть сомнения, рекомендуем обратиться за профессиональной помощью к специалистам компании «Sernia Инжиниринг». Они помогут подобрать подходящее сертифицированное оборудование под запросы каждого клиента. Консультации можно получить по телефону или через онлайн-форму.
FAQ — Часто задаваемые вопросы по осциллографам
Осциллографы предназначены для решения широкого спектра задач по фиксации, а также анализу электрических сигналов. Профессионалов сложно удивить функционалом современного осциллографа. Однако люди, ни разу не сталкивающиеся или имеющие малый опыт использования этого прибора, часто обращаются к нам за консультацией по целому ряду вопросов.
В этой статье мы постараемся ответить на часто задаваемые вами вопросы. Рассмотрим особенности конструкции, функционала и использования этих устройств.
 Время чтения: 18 минут |
Эксперт — Сергей Пустовой
Технический консультант, специалист по электромонтажным, ремонтным и наладочным работам, кандидат наук
Общие вопросы
- Общие вопросы об осциллографах
- Что такое осциллограф
- Как классифицируются осциллографы
- Что показывает осциллограф
- Прецизионный осциллограф, что это значит?
- Что такое электронный осциллограф?
- Какой осциллограф выбрать?
- Осциллограф для диагностики автомобиля
- Что можно измерить осциллографом?
- Как проверить с помощью осциллографа электронные компоненты?
- Для чего нужен осциллограф Постоловского?
- Автодиагностика и осциллограф
- Как настроить осциллограф?
- Назначение генератора сигналов
- Что такое опорная частота?
- Полоса пропускания осциллографа
- Синхронизация в осциллографе
- Какие режимы синхронизации запуска существуют?
- Режимы триггера в осциллографе
- Что такое развертка?
- Что называется, чувствительностью осциллографа?
- Дискретизация осциллографа
- Чем важно время нарастания импульса?
- Что такое глубина записи?
- Назначение аттенюатора
- Можно ли заменить пробник обычным проводом?
- Что учесть при выборе пробника?
- Сокращения и обозначения у осциллографов
- Заключение
Осциллограф, что это?
Это прибор, предназначенный для регистрации электрических сигналов. В зависимости от встроенного функционала эти устройства могут как просто визуализировать регистрируемые импульсы, так и способны к определению его различных параметров. В электронике эти приборы применяются для ремонта, диагностики и наладки схем и компонентов.
Классификация
Наиболее часто встречающийся вопрос – это какой осциллограф выбрать или купить? В первую очередь стоит посмотреть на их классификацию. Условно эти устройства можно разделить по таким признакам, как:
1. Тип исполнения:
- настольные – предназначены для эксплуатации в закрытых отапливаемых помещениях (ремонтные мастерские, лаборатории). Они не ограниченны в размерах, могут иметь несколько входных каналов и различные дополнительные функции.
- USB приставки – так как не имеют собственного дисплея, то используются только в сочетании с ноутбуком или компьютером (ПК). Область применения у них та же, что и у настольных моделей. Однако использование ПК в качестве устройства анализа и математической обработки позволяет расширить их функционал.
- портативные – снабжены герметичным корпусом и автономным источником питания (аккумулятор или другие элементы питания). Эта особенность позволяет эксплуатировать их на открытом воздухе в широком температурном диапазоне. Чаще их функционал несколько ограничен из-за размеров и особенностей питания.
- конструкторы – предназначены для самостоятельной сборки и настройки, вследствие чего обладают наихудшими претензионными характеристиками и функционалом. Используются в учебных целях или начальном этапе практики работы.
- мотор-тестеры – специализированный инструмент диагностики автомобилей. Конструктивно ближе к USB приставкам, но снабжен специализированными разъемами, датчиками, а также диагностическим программным обеспечением.
2. Тип и число входных каналов:
- только аналоговые (от 1 до 4 каналов);
- аналоговые и цифровые (8 или 16 цифровых каналов).
3. Основные характеристики:
- полоса пропускания;
- частота дискретизации;
- время нарастания;
- глубина памяти;
- функционал автоматических измерений.
4. Наличие дополнительного встроенного функционала:
- генератор импульсов;
- логический анализатор;
- анализатор спектра;
- анализатор протоколов данных.
Экран
На экране устройства отображается принятый устройством импульс – осциллограмма. При наличии нескольких каналов можно отслеживать соответствующее число импульсов, а также выполнять их анализ и математическую обработку.
Снимки экрана цифрового четырехканального осциллографа Hantek DSO4254B.
Что означает — прецизионный?
Прецизионный — значит высокоточный, выполненный с соблюдением высокой точности параметров или обладающий высокой точностью. Практически все современные цифровые осциллографы можно назвать прецизионными.
Электронный осциллограф
Первые созданные устройства регистрировали сигнал на бумажной ленте, как самописец. В следующих моделях запись осуществлялась уже на чувствительную к свету пленку. Электронными же их стали называть за использование электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в качестве экрана, а также за то, что они создавались на базе электронных компонентов. Поэтому можно любой из ныне существующих устройств назвать электронным, так как в них также используются электронные компоненты.
С развитием микроэлектроники техники пришла цифровая обработка сигналов, а на смену ЭЛТ экранам – жидкокристаллические (ЖК). В настоящее время их уже называют не электронными, а используют термин – цифровой.
Цифровой или аналоговый?
Аналоговые устройства (электронно-лучевые) практически полностью вытеснены их цифровыми моделями. Однако для отображения реальной формы сигнала, а также регистрации меняющихся с высокой частотой сигналов, аналоговые приборы все же остаются незаменимыми.
Виды осциллографов: цифровой Atten (Gratten) GA1102CAL (а) и аналоговый С1-82 (б).
Однако в большинстве случаев все же приходится работать с цифровыми импульсами, а также сигналами типовых форм, и здесь преимущество именно за цифровыми устройствами. Они обладают:
- высокой точностью выполняемых измерений;
- большой полосой пропускания;
- возможностью автоматического анализа и декодирования;
- возможностью обработки (сложение, вычитание, преобразование Фурье и др.);
- возможностью хранения и передачи;
- компактностью;
- автономностью (некоторые модели).
Основной недостаток цифровых приборов – их высокая стоимость.
Осциллограф в диагностике автомобиля?
Обычным устройством можно регистрировать импульсы датчиков положения коленвала, распредвала, расходомера, генератора, катушек зажигания, работу форсунок, а также другие сигналы систем автомобиля. При наличии встроенного логического анализатора можно отслеживать работу и взаимодействие электронных блоков управления автомобиля.
Однако при оценке исследуемых сигналов необходимы знания о эталонной форме и частоте регистрируемых импульсов, а также сведений о работе и взаимодействии всех элементов автомобиля. Поэтому без специальных знаний и навыков выявить неисправность будет сложно.
Для диагностики автомобильной электроники чаще используют специальные устройства – мотор-тестеры. Они обладают профессиональным ПО анализирующим регистрируемые данные.
Измерения, выполняемые осциллографом?
Аналоговые устройства позволяют измерить параметры принимаемого сигнала только примерно. Это связано с тем, что измерения на них можно выполнить только визуально по сетке, размещенной на экране.
Пример изображения осциллограммы на экране аналогово прибора.
С учетом коэффициентов развертки и усиления на аналоговых устройствах можно определить только:
- амплитуду сигнала и его размах;
- частоту колебаний;
- длительность импульса;
- наличие дефектов в импульсе;
- выполнение сложения двух сигналов.
Цифровые приборы имеют больше вспомогательных функций. Помимо четкого изображения, они способны на автоматические вычисления большинства параметров принимаемого сигнала. Таких, например, как:
- период;
- частота;
- длительность положительного и отрицательного импульсов;
- длительность фронта;
- длительность спада;
- максимум, минимум и размах сигнала;
- среднее значение напряжения;
- среднеквадратичное значение напряжения;
- среднеквадратичное значение за период и по курсору;
- скважность, фазу, задержку импульса.
Снимок экрана с синусоидальным сигналом цифрового осциллографа RIGOL DS1102E.
Также на цифровых устройствах можно выполнять различные курсорные измерения такие, как:
- определение разности напряжений между курсорами;
- определение разницы во времени между курсорами;
- выполнение трассировки напряжения;
- определение времени по точкам сигнала 1/ΔT.
Что можно проверить осциллографом?
В первую очередь прибор предназначен для анализа параметров сигналов в электрических схемах. Его можно использовать для:
- определения формы сигнала;
- определения временных характеристик;
- определения амплитудных характеристик;
- сравнения сигналов;
- определения фазового сдвига;
- определения корректности работы элементов схемы;
- проверки работы ШИМ-контроллеров и микроконтроллеров.
Также его можно использовать для проверки целостности, а также соответствия параметров резисторов, конденсаторов, дросселей и других полупроводниковых элементов. Однако для этого требуется специальная приставка – характериограф. В настоящее время такой способ измерения мало актуален. Удобнее и проще воспользоваться доступными устройствами для проверки элементной базы такими, например, как: мультиметры, ESR и RLC-тестеры.
Схема характериографа и осциллограммы испытания различных электронных компонентов.
Назначение осциллографа Постоловского?
Прибор, созданный Постоловским — это специальный автомобильный диагностический прибор, разновидность мотортестеров. Он предназначен для расширенной диагностики автомобильной электроники. Основной функционал этого устройства включает функции:
- аналогового и цифрового осциллографа;
- диагностики систем: зажигания и газораспределения;
- запись и автоматический анализ принимаемых сигналов средствами программного обеспечения.
Устройство изготавливается в виде приставки с возможностью подключения к компьютеру. Комплектуется специализированными датчиками и пробниками для подключения к диагностируемым системам автомобиля.
Автомобильная диагностика
Автодиагностический осциллограф отличается от обычного, цифрового, наличием:
- автономности работы (питание осуществляется от бортовой сети автомобиля);
- до 4 аналоговых каналов;
- до 16 цифровых каналов;
- высокой полосы пропускания (не менее 60…100 МГц);
- высокой частоты дискретизации (не менее 100…200 Мвыб/с);
- арифметических функций;
- функции быстрого преобразования Фурье;
- функции декодирования цифровых сигналов;
- высокого объема встроенной памяти;
- специального программного обеспечения для анализа принимаемых сигналов;
- специальных щупов и датчиков.
Вопросы по функционалу
Калибровка прибора
Перед первым использованием, а также смене щупов и пробников требуется их обязательная калибровка. Эта операция позволяет скомпенсировать погрешность, вносимую щупом, за счет собственного сопротивления. Для выполнения операции калибровки используется встроенный генератор сигналов. В устройствах, где нет генератора сигналов, организован специальный тестовый выход на опорной частоте. Используемый для калибровки сигнал имеет прямоугольную форму – форму меандра.
Генератор сигналов
Генератор в осциллографе способен выдавать импульсы различной формы, периодичности и амплитуды. Они используются в качестве управляющих для подачи на электронные компоненты и блоки различных схем при их диагностике. На выходе генератора можно получит импульсы простых и сложных форм:
- простые: синусоидальные, прямоугольные, треугольные, пилообразные;
- сложные: аналоговые, цифровые с ШИМ и КИМ, кодированные, псевдослучайные.
Опорная частота
Опорная частота – это минимальная частота сигнала, регистрируемая прибором без ослабления. Обычно она составляет 1 кГц, но не более 1/20 от полосы пропускания. Относительно опорной частоты осуществляется определение полосы пропускания устройства.
Полоса пропускания
Полоса пропускания отражает диапазон частот, в котором ослабление регистрируемого сигнала не превышает -3 дБ относительно величины сигнала на опорной частоте.
Принимаемые импульсы могут иметь частоту колебаний от нескольких герц до нескольких сотен мегагерц. Поэтому диапазон регистрируемых с минимальными искажениями частот, очень важен при выборе прибора.
Синхронизация
Синхронизация – это функция формирования статичного изображения одного или нескольких импульсов периодического сигнала. Синхронизация осуществляется по уровню напряжения при его нарастании (по фронту) или при снижении (по спаду) или другим параметрам (триггерам).
Можно выделить два вида синхронизации: внешнюю и внутреннюю.
Внешняя синхронизация осуществляется по периодическому сигналу, получаемому из вне. Это может быть и сетевое напряжение или внешний генератор.
Внутренняя – осуществляется по сигналам внутреннего генератора прибора.
Режимы синхронизации запуска
Режим синхронизации запуска или режим триггера (Trigger mode) определяет порядок начала сбора данных о принимаемом импульсе. Существует три режима синхронизации:
- однократный режим (single) – регистрация импульса начинается при возникновении выбранного события. Регистрация не перезапускается по окончании сбора данных;
- ждущий режим (normal) – регистрация импульса начинается при возникновении выбранного события. Регистрация перезапускается по окончании сбора данных;
- автоматический режим (auto) – регистрация импульса начинается вне зависимости от возникающих событий. Регистрация перезапускается по окончании сбора данных.
Режимы триггера
Триггер – это условие, при выполнении которого начинается сбор и отображение данных принимаемого импульса. Триггер позволяет зарегистрировать определенное периодическое или одиночное событие. У моделей с минимальным функционалом присутствуют триггеры, реагирующие только на фронт импульса.
Более продвинутые модели могут иметь следующие триггеры запуска:
- перепад за перепадом;
- по N-ному фронту серии;
- по видеосигналу;
- по времени нарастания или спада;
- по выделенной зоне;
- по длительности импульса;
- по кодовому слову;
- по укороченному импульсу;
- по условию ИЛИ;
- по установке и удержанию;
- по фронту сигнала;
- последовательный.
Развертка
Развертка – это диапазон разрешения отображаемого на экране прибора сигнала. Выделяют вертикальную развертку, измеряемую в вольтах на деление, и коэффициент горизонтальной развертки измеряемый в секундах на деление.
Чувствительность
Чувствительность — это предельная регистрируемая амплитуда принимаемого сигнала. В электронно-лучевых приборах она измеряется в вольтах на миллиметр (В/мм), в цифровых – в вольтах на деление (В/дел). Чувствительность характеризуется верхним и нижним пределами.
Дискретизация
Частота дискретизации — это частота с которой происходит запись или сэмплирование регистрируемого импульса. В аналоговых приборах она измеряется в герцах, а в цифровых в выборках за секунду (Выб/с). Чем выше частота дискретизации, тем достовернее будет воспроизведена форма принятого импульса. Поэтому в цифровых устройствах этот показатель составляет миллионы или миллиарды выборок в секунду.
Время нарастания
Характеристика, отражающая время, за которое уровень импульса меняется от низкого опорного значения до высокого опорного значения – называется временем нарастания сигнала. Чем этот показатель меньше – тем достовернее будут отображаться нарастания и спады регистрируемых импульсов.
Глубина записи
Глубина записи — это показатель устройства, отражающий объем памяти выделяемый для записи выборок регистрируемого сигнала. Глубина измеряется в байтах. Она может составлять от нескольких килобайт до десятков мегабайт. Чем этот показатель выше – тем подробнее может быть исследован принимаемый сигнал.
Аттенюатор
Аттенюатор — это устройство, предназначенное для дополнительного ослабления исследуемого сигнала. Их часто применяют для исследования напряжения первичной цепи системы зажигания, где амплитуда импульсов значительно превышает максимальное входное напряжение регистрирующего устройства.
Аттенюатор Hantek HT201 (20:1).
Пробник или обычный провод?
Пробник или просто щуп – это специальный инструмент, предназначенный для передачи регистрируемых сигналов с минимальными искажениями. Если использовать обычный провод в качестве пробника, то с высокой долей вероятности вы получите не верную картину принимаемого сигнала. Причины этого – наводимые в кабеле помехи от другого электрического оборудования. Также материал, используемый для обычных проводников, имеет низкое качество и однородность. Это также ухудшает качество сигнала и значительно ослабляет его.
Сам пробник состоит из кабеля с BNC разъемом, а также держателя с щупом. Кабель имеет внешнюю оплетку для экранирования передаваемого импульса от внешних помех. Его внутренняя жила имеет небольшой диаметр. Это позволяет снизить собственную емкость кабеля. На конце держателя размещен контакт в виде иглы или крючка. Игольчатые контакты часто выполнятся пружинящими, для предотвращения повреждения дорожки или контакта. В самом держателе или у BNC разъема, размечается схема компенсации с отверстием под регулировку подстрочного конденсатора.
Также пробники часто снабжаются делителем напряжения от 10Х до 1000Х. Это позволяет расширить диапазон регистрируемых напряжений.
Пробник с делителем Hantek T3100 (1:100, 100МГц)
Характеристики пробников и аттенюаторов
Характеристики, которыми обладают эти устройства, оказывают прямое влияние на качество передаваемого импульса. При их выборе обязательно учитываются как собственные характеристики, так и характеристики используемого с ними прибора.
К важнейшим характеристикам пробников, а также аттенюаторов можно отнести:
- коэффициент ослабления;
- полосу пропускания;
- входную ёмкость;
- входное сопротивление;
- максимальное входное сопротивление.
К второстепенным характеристикам относятся:
- размеры;
- вес;
- условия эксплуатации.
Используемые условные сокращения
Если у настольных устройств за счет большого экрана практически отсутствуют сокращения слов, то с портативными моделями дела обстоят сложнее. Экраны небольшого размера не позволяют четко описать отображаемую характеристику. Поэтому в таких приборах используют ряд общепринятых сокращений. При этом различные производители могут использовать разные варианты сокращений. Далее приводятся основные общепринятые сокращения.
Обозначение входа или номер входного канала