Частота дискретизации осциллографа что это

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.

Краткий обзор возможностей — для построения осциллографа

Многие любители электроники периодически сталкиваются с необходимостью отслеживания различных процессов, с помощью такого прибора, как осциллограф. Не секрет, что стоимость профессиональной системы является весьма «кусачей» и поэтому постоянно предпринимаются попытки сделать данную систему своими руками.

С появлением ардуино, увлекающиеся получили новый шанс по созданию данного аппарата «дешево и сердито». В этой статье мы сделали попытку провести краткий обзор возможностей ардуино в этом направлении.

▍Немного теории

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).
Обратное преобразование осуществляется при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП, DAC).

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.»

Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах.
Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений.

Например:
Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт
Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 2^12 = 4096 уровней квантования
Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольта = 2,44 мВ»

На практике, разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (англ. effective number of bits, ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум.

Для достижения заявленной разрядности отношение сигнал/шум входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности (6 дБ соответствует двукратному изменению уровня сигнала).

▍Возможности

❒ Теперь попробуем рассмотреть возможности ардуино, в этой области cогласно этому источнику:

«Аналоговые пины могут принимать напряжение от 0 (GND) до опорного напряжения и преобразовывать его в цифровое значение, просто в какие-то условные единицы. АЦП у нас имеет разрядность в 10 бит, т.е. мы получаем измеренное напряжение в виде числа от 0 до 1023».Проверим данное утверждение: так как напряжение, которое может быть подано на аналоговый вход ардуино составляет до 5 вольт, то получим:

Диапазон входных значений = от 0 до 5 вольт
Разрядность двоичного АЦП 10 бит: 2^10 = 1024 уровней квантования
Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (5-0)/1024 = 0,004882813 вольта = 4,88 мВ

❒ Для считывания значений с аналоговых входов ардуино используется функция analogRead():

«Функция считывает значение с указанного аналогового входа. Большинство плат Arduino имеют 6 каналов (8 каналов у платы Mini и Nano, 16 у Mega) c 10-битным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Напряжение поданное на аналоговый вход, обычно от 0 до 5 вольт будет преобразовано в значение от 0 до 1023, это 1024 шага с разрешением 0.0049 Вольт. Разброс напряжение и шаг может быть изменен функцией analogReference().
Считывание значение с аналогового входа занимает примерно 100 микросекунд (0.0001 сек), т.е. максимальная частота считывания приблизительно 10,000 раз в секунду.

❒ Попробуем пояснить это подробнее:

«Число 1023 здесь появилось неспроста. Дело в том, что у каждого устройства АЦП есть такой важный параметр как разрядность. Чем больше значение этого параметра, тем точнее работает прибор. Предположим, что у нас есть АЦП с разрядностью 1. Подавая на вход любое напряжения от 0 до 2,5 Вольт, на выходе мы получим 0. Любое же напряжение от 2,5 до 5 вольт даст нам единицу. То есть 1-битный АЦП сможет распознать только два уровня напряжения. Графически это можно изобразить следующим образом:

Источник картинки — www.robotclass.ru

АЦП с разрядностью 2 распознает уже четыре уровня напряжения:

от 0 до 1,25 — это 0;
от 1,25 до 2,5 — это 1;
от 2,5 до 3,75 — это 2;
наконец, от 3,75 до 5 — это 3.

На следующих двух картинках изображена работа АЦП с разрядностью 2 и 3 бит:

Источник картинки — www.robotclass.ru

В Arduino Uno установлен 10-битный АЦП, и это значит, что любое напряжение на аналоговом входе в диапазоне от 0 до 5 вольт будет преобразовано в число с точностью 5/1024 вольта. На графике будет сложно изобразить столько ступенек. Имея такую точность, 10-битный АЦП может «почувствовать» изменение напряжение на входе величиной всего 5 милливольт.

❒ И еще немного теории, касательно опорного напряжения:

«Опорное напряжение играет главную роль в измерении аналогового сигнала, потому что именно от него зависит максимальное измеряемое напряжение и вообще возможность и точность перевода полученного значения 0-1023 в Вольты.

Изучим следующую функцию – analogReference(mode), где mode:

DEFAULT : опорное напряжение равно напряжению питания МК. Активно по умолчанию

INTERNAL : встроенный источник опорного на 1.1V для ATmega168 или ATmega328P и 2.56V на ATmega8

INTERNAL1V1 : встроенный источник опорного на 1.1V (только для Arduino Mega)

INTERNAL2V56 : встроенный источник опорного на 2.56V (только для Arduino Mega)

EXTERNAL : опорным будет считаться напряжение, поданное на пин AREF

После изменения источника опорного напряжения (вызова analogReference() ) первые несколько измерений могут быть нестабильными (сильно шумными).

Значение 1023 функции analogRead() будет соответствовать выбранному опорному напряжению или напряжению выше его, но не выше 5.5V, что спалит плату. То есть при режиме DEFAULT мы можем оцифровать напряжение от 0 до напряжения питания. Если напряжение питания 4.5 Вольта, и мы подаём 4.5 Вольт – получим оцифрованное значение 1023. Если подаём 5 Вольт – опять же получим 1023, т.к. выше опорного. Это правило работает и дальше, главное не превышать 5.5 Вольт. Как измерять более высокое напряжение (12 Вольт, например) я расскажу в отдельном уроке.

Что касается точности: при питании от 5V и режиме DEFAULT мы получим точность измерения напряжения (5 / 1024) ~4.9 милливольт. Поставив INTERNAL мы можем измерять напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1024) ~0.98 милливольт. Весьма неплохо, особенно если баловаться с делителем напряжения.

Что касается внешнего источника опорного напряжения. Нельзя использовать напряжение меньше 0V или выше 5.5V в качестве внешнего опорного в пин AREF. Также при использовании режима EXTERNAL нужно вызвать analogReference(EXTERNAL) до вызова функции analogRead(), иначе можно повредить микроконтроллер. Можно подключить опорное в пин AREF через резистор на ~5 кОм, но так как вход AREF имеет собственное сопротивление в 32 кОм, реальное опорное будет, например 2.5 * 32 / (32 + 5) = ~2.2V. »

❒ Далее, поговорим о частоте дискретизации, — еще одном важном параметре для осциллографа:

« Частота дискретизации (или частота сэмплирования, англ. sample rate) — частота взятия отсчётов непрерывного по времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем). Измеряется в герцах.

Термин применяется и при обратном, цифро-аналоговом преобразовании, особенно если частота дискретизации прямого и обратного преобразования выбрана разной (этот приём, называемый также «масштабированием времени», встречается, например, при анализе сверхнизкочастотных звуков, издаваемых морскими животными).

Чем выше частота дискретизации, тем более широкий спектр сигнала может быть представлен в дискретном сигнале. Как следует из теоремы Котельникова , для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала.»

❒ И еще: «Из теоремы Котельникова следует, что при дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если (спектральная плотность) наивысшая частота полезного сигнала равна половине или меньше частоты дискретизации (в англоязычной литературе под обозначением половины частоты дискретизации употребляют термин частота Найквиста). В противном случае при восстановлении аналогового сигнала будет иметь место наложение спектральных «хвостов» (подмена частот, маскировка частот, алиасинг), и форма восстановленного сигнала будет искажена. Если спектр сигнала не имеет составляющих выше частоты Найквиста, то сигнал может быть (теоретически) продискретизирован и затем восстановлен без искажений. Фактически «оцифровка» сигнала (превращение аналогового сигнала в цифровой) сопряжена с квантованием отсчётов — каждый отсчёт записывается в виде цифрового кода конечной разрядности, в результате чего к отсчётам добавляются ошибки квантования (округления), при определённых условиях рассматриваемые как «шум квантования».

Реальные сигналы конечной длительности всегда имеют бесконечно широкий спектр, более или менее быстро убывающий с ростом частоты. Поэтому дискретизация сигналов всегда приводит к потерям информации (искажению формы сигнала при дискретизации—восстановлении), как бы ни была высока частота дискретизации. При выбранной частоте дискретизации искажение можно уменьшить, если обеспечить подавление спектральных составляющих аналогового сигнала (до дискретизации), лежащих выше частоты Найквиста, для чего требуется противоподменный фильтр очень высокого порядка, чтобы избежать наложения «хвостов». Практическая реализация такого фильтра весьма сложна, так как амплитудно-частотные характеристики фильтров имеют не прямоугольную, а гладкую форму, и образуется некоторая переходная полоса частот между полосой пропускания и полосой подавления. Поэтому частоту дискретизации выбирают с запасом, к примеру, в аудио компакт-дисках используется частота дискретизации 44100 Герц, в то время как высшей частотой в спектре звуковых сигналов, которую может услышать человек, считается частота 20000 Гц.

Запас по частоте Найквиста в 44100 / 2 — 20000 = 2050 Гц позволяет избежать подмены частот при использовании реализуемого фильтра невысокого порядка.»

Каким же образом взаимосвязаны рассмотренные ранее — частота дискретизации и разрешение двоичного АЦП? Это можно легко понять по следующему графику:

Теперь рассмотрим, какие возможности у ардуино, по частоте дискретизации.

Согласно данному источнику, для максимального разрешения, рекомендуется работать в пределах частоты АЦП от 50 кГц до 200 кГц. Там же была проведена проверка с использованием чистого синусоидального тона, для воспроизведения, сэмплов для различных тактовых частот АЦП.

Таким образом, видно, как сильно падает разрешение, по мере роста частоты сэмплирования.

Судя по данным одного из авторов, при работе с Arduino IDE используется стандартная функция analogRead(), которая позволяет считывает значение с указанного аналогового входа. Считывание значение с аналогового входа занимает примерно 100 микросекунд (0.0001 сек), то есть максимальная частота считывания приблизительно 10000 раз в секунду (10 кГц).

Если более точно рассмотреть это число, то получается, следующая картина (зная величину тактовой частоты = 16 МГц): (16:128):13 ≈ 9.6 кГц.
Где 128 – делитель, а 13 – количество тактовых периодов, требующихся на одно преобразование.

Следующий автор провел практические исследования этого вопроса и у него получилась такая картина:

«Длительность переключения в 62 нс и время циклического возврата к началу работы программы в 124 нс не превышают погрешность измерения на этом временном масштабе и мы можем пренебречь этими временными промежутками. Отсюда видно, что время, которое затрачивается на аналого-цифровое преобразование примерно равно 112 мкс, поэтому максимальная частота выборки при использовании функции analogRead не превышает 8.9 кГц.»

Таким образом, подытожим всё вышесказанное:

Несмотря, на то, что тактовая частота процессора ардуино (если брать для примера ATMega328 – на котором основаны Arduino Uno, Arduino Nano) составляет 16 МГц, диапазон частоты АЦП, на котором могут быть получены более-менее точные данные, составляет от 8,9 до 9,6 кГц (данные могут быть не совсем точны, но для ориентира и общего понимания ситуации – годятся).

К аналоговым пинам можно подключать напряжение от 0 (GND) до опорного напряжения и преобразовывать его в цифровое значение, или в некие условные единицы. АЦП имеет разрядность в 10 бит, т.е. мы получаем измеренное напряжение в виде числа от 0 до 1023.

Если говорить о точности измерений, то при входном напряжении в 5 вольт, точность измерения напряжения составит (5 / 1024) ~4.9 милливольт. Также возможно измерить напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1024) ~0.98 милливольт.

То есть, можно говорить о достаточно медленной работе функции analogRead ().

Шумовая же составляющая АЦП ардуино, согласно источнику, составляет единицы милливольт.

Теперь, ознакомившись с общими основами, проанализируем, что собирают различные авторы в направлении создания своего осциллографа на базе ардуино.

Если устраивает система со считыванием показателей с компьютера, то можно остановиться на следующих самоделках:

Автор картинки: amansinghaljpr

• 10 бит, частота дискретизации — стандартная (если с высоким разрешением, до: 9,6 кГц);
• Состоит из 5 деталей;

Источник картинки: www.randomnerdtutorials.com

• 10 бит, частота дискретизации — стандартная (если с высоким разрешением, до: 9,6 кГц);
• Состоит из 8 деталей, требуется среда Processing;

Если требуется миниатюрный экран, то можно использовать вариант, с отображением данных на экране смартфона:

Автор картинки: loboat

• 10 бит, частота дискретизации 150 Гц – 15 кГц;
• Состоит из 32 деталей;

Или на миниатюрном интегрированном экране:

Автор картинки: Peter Balch

• 8 бит, частота дискретизации до 500 кГц (однако автор рекомендует использовать не более 250 кГц, так как иначе все показатели сливаются в сплошную полосу и трудно рассмотреть);
• Состоит из 15 деталей;

• в режиме измерения аналогового сигнала;
• в режиме измерения цифрового сигнала;
• как частотомер;
• вольтметр;

• От 0 В до 5 В;
• От -0,55 В до + 0,55 В;

• От 0 В до 5 В;
• От -0,55 В до + 0,55 В;
• От -117 мВ до + 117 мВ;
• От -25 мВ до + 25 мВ;
• Цифровые диапазоны (для замеров прямоугольных сигналов);

• 31250/1 = 31250 Гц;
• 31250/8 = 3906 Гц;
• 31250/32 = 977 Гц;
• 31250/64 = 488 Гц;
• 31250/128 = 244 Гц;
• 31250/256 = 122 Гц;
• 31250/1024 = 31 Гц;

❒ Ещё одна версия самодельного осциллографа, которая не упомянута еще в этой статье, использует предварительную буферизацию данных с применением кругового буфера.

Автор картинки: Caffeinomane

В принципе, этот осциллограф ничем особо не примечателен, за исключением того, что предварительная буферизация данных позволяет несколько ускорить процесс в целом, так как медленный способ передачи данных в последовательный порт используется не постоянно, а только с предварительной буферизацией данных, используя систему прерываний (при возникновении события, на которое настроены прерывания).

Автор картинок: Caffeinomane

▍Что же делать, если хочется большего?

Источник картинки: www.nutsvolts.com

В статье проделали ряд манипуляций (стандартная частота выборок, согласно автору статьи составляет 8900 выборок в секунду, с затрачиваемым временем в 11200 микросекунд):

1. Снизили частоту АЦП – до минимально безопасной (это позволило ускориться до 100 000 выборок в секунду, с затрачиваемым временем в 1000 микросекунд);
2. Установили повторное включение АЦП сразу после чтения данных, так как прошивка ардуино обычно сразу отключает его (это позволило ускориться до 116 000 выборок в секунду, с затрачиваемым временем в 860 микросекунд);
3. Использовали цифровой способ сбора данных вместо аналогового и, соответственно, команды digitalRead вместо analogRead (это позволило ускориться до 232 000 выборок в секунду, с затрачиваемым временем в 424 микросекунды);
4. Применили метод, который автор называет «подробным» и который является по сути трюком, известным под названием «разворачивание цикла» и ставит его в альтернативу использованию циклов (это позволило ускориться до 5 000 000 выборок в секунду, с затрачиваемым временем в 20 микросекунд на сбор 100 образцов).

С его помощью была достигнута частота в 25 000 000 выборок в секунду. Сам автор делает предположение, что, вероятно, использование «правильного» АЦП позволило бы достичь и 100 млн. выборок в секунду.

В целом, можно сказать следующее: в основном, все представленные выше самоделки на базе ардуино — функционируют в рамках физических пределов АЦП ардуино и чуда от них ожидать не стоит. Однако, тем не менее, они вполне применимы для любительских целей и просты в создании.

▍А как же обстоит дело насчет более мощных плат – esp32?

Источник картинки: www.easyvolts.com

В рамках подготовки этой статьи, автору удалось найти только 1 проект, разработчик которого был вынужден остановить его разработку в 2018 году ввиду непреодолимых проблем. Впрочем, позволим ему самому сказать об этом:

Всем привет, с момента моего первого поста о проекте, я сделал пару демонстраций видео и построил несколько прототипов. Я вложил в проект огромное количество времени, но сейчас самое время признать, что проект провалился. И я хочу объяснить почему.

Самая большая проблема — неполная непонятная и вводящая в заблуждение документация микросхемы esp32. Согласно спецификации, ESP32 I2S может работать с тактовой частотой 40 МГц, но это не так (по крайней мере, для параллельного режима). Согласно моим экспериментам и некоторым данным других разработчиков, максимальная скорость составляет 20 МГц, но даже на этой скорости работают не все режимы FIFO. Я потратил пару недель на изучение проблемы и испытываю недоумение, почему I2S на высокой скорости помещает в буфер 2 абсолютно идентичных образца. Я обнаружил, что у других разработчиков такая же проблема, и, очевидно, это ограничение esp32.

Вторая проблема — отсутствие поддержки отладки JTAG. К сожалению, мне не удалось заставить работать JTAG для esp32 должным образом. Разработчики «Sloeber IDE» проделали огромную работу по созданию полнофункциональной IDE для платформ Arduino, но по некоторым причинам мой j-Link не работает должным образом с сервером OCD esp32 от Espressif. Когда нет надлежащей документации для чипа, правильный отладчик становится критически важной частью успешной разработки. Но это не относится к esp32 (по крайней мере, сейчас; надеюсь, в будущем будет лучше).

Проблема третья — аналоговый интерфейс высокоскоростного осциллографа (вещь непростая). Да, мои познания в аналоговой электронике относительно ограничены, и мне потребовалось некоторое время, прежде чем я понял, что недооценил сложность этой части проекта. Моей целью было создать очень простое и дешевое оборудование, которое мог бы легко собрать любитель, но, похоже, это невозможно. Без экранирования, драйверов шины, операционных усилителей и других компонентов надлежащего аналогового интерфейса, он просто не будет работать с должным качеством. И когда все это вложишь в проект, это не станет ни простым, ни дешевым.

▍Итак, подведем итог:

Мои первоначальные цели для проекта (40 Мбит/с, недорогая и простая схема) недостижимы с помощью esp32 и выбранной аппаратной архитектуры. Я считаю, что 20 Мбит/с — это слишком низкая скорость.

Усилия по разработке для esp32 недопустимо высоки из-за плохой документации и отсутствия надлежащих инструментов отладки. Но это утверждение верно только тогда, когда вы делаете что-то необычное. С типичными задачами, такими как хостинг веб-сервера и связь по Wi-Fi, esp32 работает хорошо.

Частота дискретизации осциллографа и ее влияние на полосу пропускания

Выбирая осциллограф, первое, на что мы обращаем внимание, это полоса пропускания, необходимая для точного представления наших сигналов. Полоса пропускания осциллографа говорит о том, какие составляющие спектра передаются без искажений и какую максимальную скорость переходных процессов можно измерять.

Осциллографы четко характеризуются номинальной полосой пропускания, а в некоторых случаях указывается даже полоса пропускания для каждой конкретной модели. Однако эти заявленные характеристики описывают, как правило, максимальную полосу пропускания входных фильтров осциллографа. Эффективная же полоса пропускания осциллографа определяется его частотой дискретизации, которая, в свою очередь, может ограничиваться глубиной памяти захвата.

В этой статье кратко исследуется взаимосвязь между полосой, частотой дискретизации и глубиной памяти. В результате вы узнаете о тех компромиссах, которые существуют между этими величинами, и как можно их смягчить, чтобы выполнить максимально достоверные измерения.

Материалы по теме:

• Расширение возможностей осциллографов АКТАКОМ серии ADS-6ххх с помощью дополнительных опций
• Tektronix: analog+digital+RF = неожиданное решение. Один удивительный осциллограф
• Специалисты FLUKE расскажут о своих осциллографах

• Компания Tektronix объявила о выпуске новой версии осциллографа смешанных сигналов MSO серии 5
• Tektronix опубликовал результаты глобального опроса инженеров, проведенного в 2021 году
• Новый осциллограф в стандарте AXIe-1 от Холдинг «Информтест»

Как выбрать цифровой осциллограф

При выборе цифрового осциллографа необходимо учитывать их особенности. В отличие от аналоговых осциллографов, данные приборы имеют ряд функций и преимуществ, наличие или отсутствие некоторых из которых, может либо сильно усложнить процесс измерения, либо добавить к стоимости внушительную сумму за функции, которыми вы пользоваться не будете. Ниже, будут приведены вопросы, ответив на которые, вы сможете выбрать тот осциллограф, который вам требуется.

1. Какая полоса пропускания Вам необходима?

Такие приборы, как осциллографы, которые измеряют переменные сигналы, обладают некоторой максимальной частотой, после кторой точность измерения начинает ухудшаться. Эта частота определяет полосу пропускания прибора и определяется, обычно, как частота, на которой амплитуда сигнала уменьшается на ЗдБ. Требуемая Вам полоса пропускания определяется в зависимости от того, какие сигналы вы собираетесь измерять и какая точностью этих результатов необходима.

Для измерений временных параметров справедливо следующее правило: чем больше соотношение длительности фронта сигнала и фронта осциллографа, тем меньше ошибка измерения.

Соотношение Тг сигнала к Тг осциллографа	Вычисленная ошибка
1:1 (50МГц сигнала и 50МГц осциллографа)	41.4%
1:3 (50МГц сигнала и 150МГц осциллографа)	5.4%
1:5 (50МГц сигнала и 250МГц осциллографа)	2.0%
1:10 (50МГц сигнала и 500МГц осциллографа)	0.5%

Таким образом, чем больше полоса пропускания осциллографа (тем короче фронт), тем более точными будут результаты измерений.

Некоторые полезные замечания:

· На точность конечных результатов измерений также оказывают влияние параметры пробников;

· В спецификациях некоторых осциллографов указываются наилучшие значения полосы пропускания для определенных диапазонов чувствительности;

· Цифровые осциллографы могут имеют полосу пропускания до 50ГГц.

2. Какое количество каналов Вам необходимо?!

Необходимое количество каналов зависит от исследуемого изделия. Наиболее популярные модели — двухканальные осциллографы. Однако, многие инженеры считают, что четырехканальные осциллографы могут быть полезными для решения широкого круга задач.

3. Какая частота дискретизации Вам необходима?!

Для задач, которые связаны с измерением однократных или переходных процессов, первостепенное значение имеет частота дискретизации. Параметром «частота дискретизации» обозначается скорость, с которой осциллограф оцифровывает входной сигнал. Для однократных сигналов, более высокая частота дискретизации переводится в более широкую полосу пропускания и дает лучшее разрешение.

Большинство производителей осциллографов используют для однократных сигналов соотношение дискретизации между частотой и полосой на уровне 4:1 (если есть средства интерполяции) или 10:1 (без средств встроенной интерполяции) для недопущения искажений сигнала или появления ложных сигналов.

4. Какой объем памяти Вам необходим?!

Требуемый объем памяти рассчитывается в зависимости от общей длительности сигнала, который необходимо исследовать, и желаемого разрешения. Если существует необходимость исследовать продолжительные по времени сигналы с высоким разрешением, то в таких случаях требуется память большего объема. Это позволяет поддерживать более высокую частоту дискретизации на медленных коэффициентах развертки, при этом, уменьшая вероятность искажения сигнала и получая больше информации об исследуемом сигнале. Однако, большой объем памяти довольно сильно замедляет реакцию такого осциллографа на действия оператора или изменение входного сигнала.

5. Какие возможности по запуску прибора Вам необходимы?!

Для подавляющего большинства пользователей осциллографов общего назначения запуск по фронту (перепаду) является достаточным. Однако, могут потребоваться дополнительные возможности по запуску для решения более сложных задач.

— Запуск по комбинации логических состояний по всем каналам осциллографа;

— Запуск по импульсной помехе — позволяет запустить прибор по нарастающему или спадающему фронту импульсной помехи с меньшей, равной или большей длительностью определенной величины;

— Запуск по телевизионному или видео-сигналу — позволит настроить прибор на определенный кадр или строку такого сигнала;

Если требуется более широкий диапазон возможностей по запуску, то в таких случаях вам необходимо использовать логический анализатор.

6. Какие возможности по обнаружению импульсных помех Вам требуются?!

Существуют три важнейших фактора, которые влияют на способность осциллографа обнаруживать импульсные помехи.

Частота отображения сигналов на экране: Сначала цифровой осциллограф должен оцифровать входной сигнал, после этого обработать его и, наконец, воспроизвести на экране. Частота отображения сигналов на экране определяется как частота выполнения этих трех операций. Осциллограф, обладающий высокой частотой обновления экрана, имеет наибольшее количество шансов обнаружить редкие по природе импульсные помехи.

Возможности определения амплитуды: большинство цифровых осциллографов умеют уменьшать частоту дискретизации на медленных коэффициентах развертки благодаря простому игнорированию промежуточных выборок. Это приводит к тому, что короткие импульсы или помехи, которые выявляются на быстрых скоростях развертки, могут быть не видны, когда уменьшается скорость развертки. Специальный режим, который называется «режим обнаружения пиковой амплитуды» или «режим обнаружения помех», поддерживает частоту дискретизации на максимальном уровне на всех скоростях развертки. В случае использования такого режима в память записываются минимальные и максимальные значения выборок сигнала. При этом, минимальный импульс, который может быть обнаружен, является функцией частоты дискретизации осциллографа.

Возможности запуска по импульсной помехе: осциллографы с возможностями такого запуска позволяют пользователю изолировать труднообнаруживаемые импульсные помехи и производить запуск осциллографа по этим помехам. Это дополнительная возможность помогает обнаружить причины ненормальной работы исследуемой схемы.

7. Какие возможности анализа сигналов Вам требуются?!

Встроенные функции автоматических измерений и средства анализа сигналов помогают значительно сэкономить время и делают работу более легкой. Цифровые осциллографы обладают целым набором функциональных возможностей, которые были бы невозможны на аналоговых осциллографах. Например, цифровые осциллографы обладают:

— Математическими функциями (прибавление, вычитание, деление, умножение, интеграция и дифференцирование);

— Статистикой измерений (максимальное, минимальное и среднее значения);

— Анализом сигналов в частотной области с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ).

8. Какие возможности по документированию результатов измерений Вам требуются?!

Большинство цифровых осциллографов оснащены интерфейсами GP-IB, RS-232 или Centronics, через которые они могут взаимодействовать с персональным компьютером, принтером или плоттером. Вам остается только определить, какой интерфейс Вам больше подходит и какие принтеры могут быть совместимы.

Вам также следует обратить внимание на цифровые осциллографы с flash-накопителем, usb-выходом, или другим, возможно даже беспроводным, интерфейсом или программным обеспечением, которое позволит быстро перенести данные и/или изображения сигналов на компьютер для дальнейшей обработки, или на принтер для печати, не требуя специального программирования.

Надеемся, что наши вопросы и рекомендации помогли вам выбрать модель цифрового осциллографа. К вышесказанному следует только добавить то, что во время использования прибора обратите внимание на простоту его использования и на скорость реакции экрана. Ведь во многом от того, насколько удобно и приятно пользоваться осциллографом будет зависеть Ваша конечная оценка того, насколько прибор удовлетворяет именно Вашим потребностям.

Однако, если у Вас осталась некоторая неуверенность, то Вы можете обсудить вопрос выбора с другими инженерами или обратиться в ТД «Автоматика», где на ваши вопросы ответят профессионалы.