Основы осциллографических измерений — Technical Support Knowledge Center Open

Operational «How to» Guides

Summary

Электронные технологии проникают во все области нашей жизни. Миллионы и миллиарды людей ежедневно пользуются мобильными телефонами, телевизорами, компьютерами и другими электронными устройствами. По мере совершенствования электронных технологий увеличивается быстродействие этого оборудования. Сегодня в большинстве современных устройств используются высокоскоростные цифровые интерфейсы. Инженеры должны иметь возможность правильно проектировать и достоверно тестировать компоненты своих высокоскоростных цифровых устройств. Контрольно-измерительное оборудование, которое используется инженерами в процессе разработки и испытаний, должно быть пригодно для работы в условиях высоких частот и высоких скоростей передачи данных. И осциллограф является примером именно такого рода приборов.

Description

Осциллографы — это мощные инструменты, которые доказали свою полезность при проектировании и тестировании электронных устройств. Эти приборы крайне необходимы для оценки состояния системы, с их помощью становится возможным определить, какие из компонентов работают корректно, а какие являются источником ошибок. Кроме того, они помогают узнать, функционирует ли новый компонент так, как было спроектировано. Осциллографы намного более функциональны по сравнению с мультиметрами, потому что они позволяют вам увидеть, как на самом деле выглядят электронные сигналы.

 

Осциллографы используются в самых различных сферах — от автомобильной промышленности до университетских научно-исследовательских лабораторий и оборонной и аэрокосмической отраслей. Специалисты доверяют осциллографам, которые помогают им более эффективно выявлять неполадки устройств и создавать продукты с широкими функциональными возможностями.

 

Что такое осциллограф и для чего он нужен инженерам?

Основным назначением осциллографа является точное визуальное представление сигналов. По этой причине целостность сигнала является очень важной характеристикой. Понятие целостности сигнала относится к способности осциллографа воспроизводить форму сигнала так, чтобы он максимально точно отображал исходный сигнал. Осциллограф с низкой целостностью сигнала бесполезен, потому что бессмысленно выполнять измерения, если осциллограмма на экране осциллографа отличается по форме и характеристикам от реального сигнала. При этом, однако, важно помнить, что осциллограмма на экране прибора никогда не будет точным представлением реального сигнала вне зависимости от того, насколько хорош осциллограф. Это происходит потому, что при подключении осциллографа к схеме, сам осциллограф становится частью этой схемы. Другими словами, имеет место некоторое влияние нагрузки. Производители приборов стремятся свести к минимуму воздействие нагрузки, но оно, в той или иной степени, существует всегда.

Как выглядит осциллограф

 

В большинстве случаев современные цифровые осциллографы похожи на осциллограф, показанный на рисунке 1. Вместе с тем, на рынке представлены самые различные модели осциллографов, поэтому ваш прибор может выглядеть совсем иначе. Несмотря на это, есть некоторые характерные признаки, свойственные большей части такого рода приборов.

 

Передняя панель большинства осциллографов может быть разделена на несколько основных частей: входы каналов, дисплей, органы управления системой горизонтального отклонения, органы управления системой вертикального отклонения и органы управления системой синхронизации (запуска). Если ваш осциллограф работает под управлением операционной системы, отличной от Microsoft Windows, то он, скорее всего, будет иметь набор функциональных клавиш для управления меню на экране.

Рис. 1. Передняя панель осциллографа Keysight серии InfiniiVision 2000 X

 

 

Сигналы подаются на осциллограф через входы каналов, которые являются разъемами для подключения пробников. Дисплей — это просто экран, на котором отображаются исследуемые сигналы. Блоки органов управления системами горизонтального и вертикального отклонения содержат регуляторы и клавиши, с помощью которых осуществляется настройка параметров горизонтальной (которая обычно представляет собой ось времени) и вертикальной (которая представляет напряжение) оси при отображении сигналов на экране дисплея. Органы управления системой запуска указывают осциллографу, при каких условиях он должен начинать захватывать данные.

 

Пример того, как выглядит задняя панель осциллографа, показан на рисунке 2. Как можно заметить, многие осциллографы имеют такие же возможности подключения, как и персональные компьютеры. Здесь и приводы CD-ROM, CD-RW и DVD-RW, и USB порты, и последовательные порты, а также разъемы для подключения внешнего монитора, мыши и клавиатуры.
 

Рис. 2. Задняя панель осциллографа Keysight серии Infiniium 9000
 

Назначение осциллографов

Осциллограф — это контрольно-измерительный прибор, который используется для отображения графика зависимости одной переменной от другой. Например, можно построить на дисплее график зависимости напряжения (ось Y) от времени (ось X). На рисунке 3 показан пример такого графика. Это может быть полезным, если вы хотите проверить какой-либо электронный компонент и определить, насколько корректно он функционирует. Если вы знаете, какая форма сигнала должна быть на выходе данного компонента, вы можете использовать осциллограф, чтобы удостовериться, что компонент на самом деле выдает правильный сигнал. Обратите внимание, что оси X и Y разбиты на деления и образуют сетку. Сетка позволяет проводить визуальные измерения параметров сигнала, хотя при использовании современных осциллографов большинство из этих измерений могут быть сделаны автоматически и более точно самим осциллографом.
 

Рис. 3. Изображение зависимости напряжения прямоугольного сигнала от времени на экране осциллографа

Возможности осциллографа не ограничиваются только построением графика зависимости напряжения от времени. Осциллограф имеет несколько входов, называемых каналами, и каждый из них способен работать независимо. Поэтому вы можете подключить канал 1 к одному устройству, а канал 2 — к другому. В этом случае осциллограф позволяет построить график зависимости напряжения, измеренного на канале 1, от напряжения, измеряемого на  канале 2. Такой режим называется режимом XY осциллографа. Этот режим полезен для графического представления вольт-амперных характеристик или построения фигур Лиссажу, по форме которых можно судить о разности фаз и отношении частот двух сигналов. На рисунке 4 показаны примеры фигур Лиссажу и значения разности фаз и отношения частот, которым они соответствуют.
 

Рис. 4. Фигуры Лиссажу
 

 

Типы осциллографов

Аналоговые осциллографы

Первые осциллографы были аналоговыми, в которых для отображения сигнала использовались электронно-лучевые трубки. Фотолюминесцентный люминофор, которым покрыт экран, светится при попадании на него электрона, и по мере того как загорается каждый последующий участок люминофора, вы можете видеть изображение сигнала. Система синхронизации (запуска) осциллографа необходима для того, чтобы изображение сигнала на экране выглядело стабильным. По окончании вывода на экран всей осциллограммы осциллограф ждет наступления следующего определенного события запуска (например, пересечения нарастающим фронтом сигнала заданного значения напряжения), а затем запускает развертку снова. Несинхронизированный запуск развертки бесполезен, потому что изображение сигнала на экране будет нестабильным (это верно также и для цифровых запоминающих осциллографов DSO и осциллографов смешанных сигналов MSO, о которых будет рассказано ниже).
 

Рис. 5. Пример аналогового осциллографа
 

Аналоговые осциллографы полезны, в первую очередь, потому, что свечение люминофора исчезает не мгновенно. Вы можете наблюдать несколько осциллограмм, которые накладываются друг на друга, что позволяет отслеживать глитчи и другие аномалии сигнала. Поскольку отображение сигнала происходит, когда электрон сталкивается с экраном, яркость отображаемой осциллограммы непосредственно связана с интенсивностью реального сигнала. Это позволяет рассматривать осциллограмму как трехмерный график (то есть, ось X — время, ось Y — напряжение, ось Z — интенсивность).

 

Недостаток аналоговых осциллографов состоит в том, что они не позволяют зафиксировать изображение на экране и хранить осциллограмму в течение длительного периода времени. Поскольку вещество люминофора быстро гаснет, часть сигнала может теряться. Кроме того, вы не можете выполнять автоматические измерения параметров сигнала. Вместо этого обычно приходится выполнять измерения с использованием сетки на дисплее. Аналоговые осциллографы могут отображать не все типы сигналов, так как существует верхний предел скорости вертикальной и горизонтальной развертки электронного луча. И хотя аналоговые осциллографы до сих пор используются многими инженерами, их не часто можно увидеть в продаже. Им на смену пришли более современные цифровые осциллографы.

 

Цифровые запоминающие осциллографы (DSO — digital storage oscilloscopes)

Цифровые запоминающие осциллографы (DSO или ЦЗО) были созданы для того, чтобы можно было компенсировать недостатки, присущие аналоговым осциллографам. В цифровом осциллографе подаваемый на вход сигнал оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). На рисунке 6 показан пример архитектуры одного из цифровых осциллографов компании Keysight Technologies, Inc.
 

Рис. 6. Архитектура цифрового осциллографа

Аттенюатор предназначен для масштабирования сигнала. Усилитель вертикального отклонения обеспечивает дополнительное масштабирование сигнала перед его подачей на АЦП. Аналого-цифровой преобразователь производит выборку и оцифровку входного сигнала. Эти данные затем сохраняются в памяти прибора. Система синхронизации осуществляет поиск событий запуска, а блок временной развертки определяет длительность интервала времени, отображаемого на экране осциллографа. Микропроцессор выполняет заданную пользователем дополнительную пост-обработку, после чего сигнал, наконец, воспроизводится на экране осциллографа.

 

Наличие данных в цифровой форме позволяет осциллографу выполнить множество измерений различных параметров сигнала. Кроме того, сигналы могут храниться в памяти сколь угодно долго. Данные могут быть распечатаны или переданы на компьютер с помощью флеш-накопителя или диска DVD-RW, а также через интерфейсы LAN и USB. В настоящее время программное обеспечение позволяет управлять осциллографом с компьютера с использованием виртуальной передней панели.

 

Осциллографы смешанных сигналов (MSO)

В цифровых осциллографах входной сигнал является аналоговым, и аналого-цифровой преобразователь производит его оцифровку. Вместе с тем, по мере развития технологий цифровой электроники существенно возросла необходимость одновременного наблюдения аналоговых и цифровых сигналов. В результате производители осциллографов начали выпускать осциллографы смешанных сигналов, которые способны отображать и аналоговые, и цифровые сигналы, и осуществлять запуск по ним. Как правило, типовой осциллограф смешанных сигналов содержит два или четыре аналоговых и большее количество цифровых каналов (рис. 7).

 

 

 

Рис. 7. Входные разъемы на передней панели осциллографа смешанных сигналов: четыре аналоговых канала и восемь или шестнадцать цифровых каналов

 

Преимущество осциллографов смешанных сигналов состоит в том, что они позволяют осуществлять запуск по комбинации аналоговых и цифровых сигналов и отображать их в едином масштабе времени.

 

Органы управления на передней панели

Как правило, для управления осциллографом используются регуляторы и клавиши на передней панели. В дополнение к органам управления на передней панели многие современные высокопроизводительные осциллографы теперь оснащаются операционными системами, в результате чего они ведут себя как компьютеры. Вы можете подключить к осциллографу мышь и клавиатуру и использовать их для настройки органов управления с помощью выпадающих меню и кнопок на дисплее. Кроме того, некоторые осциллографы имеют сенсорные экраны, поэтому для доступа к меню вы можете использовать стилус или прикосновение пальцами.

 

Перед началом измерений…

Когда вы приступаете к работе с осциллографом, прежде всего проверьте, что используемый входной канал включен. Для установки осциллографа в исходное состояние по умолчанию нажмите клавишу [Default Setup] (Настройки по умолчанию), если она есть. Затем, при ее наличии, нажмите клавишу [Autoscale] (Автоматическое масштабирование). Это позволяет автоматически настроить вертикальный и горизонтальный масштаб, так, чтобы сигнал отображался на дисплее наилучшим образом. Эти настройки могут рассматриваться в качестве отправной точки, и в них затем можно вносить необходимые изменения. Если сигнал вдруг будет потерян, или возникнут проблемы с отображением сигнала, рекомендуется повторить эти шаги. Передние панели большинства осциллографов включают, по крайней мере, четыре основных блока: органы управления системами вертикального и горизонтального отклонения, органы управления системой запуска и органы управления входными каналами.

 

Органы управления системой вертикального отклонения

Органы управления системой вертикального отклонения осциллографа обычно объединяются в блок, который обозначен как «Vertical». Эти элементы позволяют настраивать параметры отображения сигнала по вертикальной оси дисплея. Так, например, среди них есть регуляторы, с помощью которых задается число вольт на деление (коэффициент отклонения) по оси Y сетки экрана. Вы можете растягивать осциллограмму по вертикали, уменьшая значение коэффициента отклонения, или, наоборот, сжимать ее, увеличивая эту величину. Кроме того, в блок «Vertical» входят органы управления положением (смещением) сигнала по вертикали. Эти регуляторы позволяют просто перемещать всю осциллограмму вверх или вниз по дисплею. На рисунке 7 показан блок органов управления системой вертикального отклонения осциллографа Keysight серии InfiniiVision 2000 Х.
 

Рис. 8. Блок органов управления системой вертикального отклонения осциллографа Keysight серии InfiniiVision 2000 X

Органы управления системой горизонтального отклонения

Органы управления системой горизонтального отклонения на передней панели осциллографа обычно объединяются в блок, который обозначен как «Horizontal». Эти органы управления обеспечивают настройку горизонтального масштаба осциллограммы. Один из элементов этого блока позволяет задавать масштаб по оси X — число секунд на деление (или коэффициент развертки). Уменьшая величину коэффициента развертки, вы можете уменьшить интервал времени, отображаемый на экране. Еще один регулятор этого блока предназначен для управления положением (смещением) осциллограммы по горизонтали. Он позволяет перемещать осциллограмму по экрану слева направо и наоборот точно в нужное положение. На рисунке 9 показан блок органов управления системой горизонтального отклонения осциллографа Keysight серии InfiniiVision 2000 Х.
 

Рис. 9. Блок органов управления системой горизонтального отклонения осциллографа  Keysight серии InfiniiVision 2000 X

Особенности эксплуатации осциллографа для изучения электрической цепи

Любому человеку, профессионально занимающемуся или просто увлекающемуся электротехникой, придётся работать со множеством различных измерительных приборов. Такое устройство, как осциллограф, служит инструментом изучения сигналов в электрических цепях. Он позволяет измерить напряжение, проанализировать его форму и амплитуду, найти неисправности в схеме.

Перед тем как начать использовать любое измерительное оборудование, в том числе и осциллограф, его необходимо настроить и подготовить к эксплуатации. Если вы можете заземлить прибор, то рекомендуется сделать это, после чего осуществить калибровку в соответствии с инструкцией. Далее необходимо подключить устройство к исследуемой цепи с помощью шнура, который представляет собой провод, имеющий на одном из своих концов специальный щуп для соединения с сетью. Для того чтобы обеспечить высокую точность измерений, рекомендуется использовать коаксиальный провод, предназначенный для работы с данным оборудованием, так как неподходящие шнуры могут оказать негативное влияние на достоверность получаемых данных.

Самой главной частью осциллографа является его дисплей, позволяющий пользователю видеть отображаемые импульсы. Экран разделяется на несколько прямоугольников, масштаб которых вы можете регулировать по своему усмотрению. Горизонтальные клетки отвечают за параметры времени, то есть служат показателями периодичности. Вертикальные прямоугольники, которые располагаются между границами импульсов, отображают напряжение сигнала цепи. Благодаря информации, которую видно на дисплее устройства, вы можете рассчитать характеристики амплитуды и периодичности электрической цепи или, если позволяют технические возможности устройства, сравнить частоты двух сигналов.

К наиболее важным элементам управления, позволяющим пользователю проводить калибровку, относятся:

• Регулятор сигнала. Он служит для масштабирования входящего изображения. Для того чтобы избежать проблем с невидимостью сигнала, рекомендуется выстроить диапазон в соответствии с величинами, которые вы хотите измерить.
• Блок управления синхронизацией. Принцип вывода осциллограммы на дисплей заключается в отображении графика до конца экрана, после чего картинка показывается заново. Из-за того, что всё это происходит с большой скоростью, пользователи часто могут наблюдать двигающееся изображение или нечто непонятное, так как новые линии накладываются на старые, что затрудняет измерения. Чтобы устранить подобную проблему, примите напряжение синхронизации за 0 вольт. Таким образом, вы добьётесь того, что сигнал будет повторять уже пройденный путь от начала и до конца экрана, но только с нуля. Это поможет получить стабильную и чёткую картину.
• Регулятор развёртки. Он позволяет осуществлять действия с горизонтальной осью, которая отвечает за временные параметры. Уменьшая значение, вы сможете более детально рассмотреть небольшие участки выведенного сигнала и наоборот.

На сайте нашей компании представлены новейшие модели осциллографов, заказать которые можно, заполнив соответствующую форму.

RTB2002: Цифровой осциллограф

Популярные осциллографы Rohde

• Бренд: Rohde & Schwarz;
• Каналы: 2 канала;
• Полоса пропускания: 70 МГц;
• Частота дискретизации: 2,50 ГВыб/с;
• Тип: Цифровой;
• Форм-фактор: Настольный;

Цена зависит от комплектации

RTC1002: Цифровой осциллограф

В наличии

Популярные осциллографы Rohde

• Бренд: Rohde & Schwarz;
• Каналы: 2 канала;
• Полоса пропускания: 50 МГц;
• Частота дискретизации: 2 ГВыб/с;
• Тип: Цифровой;
• Форм-фактор: Настольный;

Цена зависит от комплектации

RTh2002: Портативный цифровой осциллограф

Популярные осциллографы Rohde

• Бренд: Rohde & Schwarz;
• Каналы: 2 канала;
• Полоса пропускания: 60 МГц;
• Частота дискретизации: 5 ГВыб/с;
• Тип: Цифровой;
• Форм-фактор: Портативный;

Цена зависит от комплектации

RTB2004: Цифровой осциллограф

Популярные осциллографы Rohde

• Бренд: Rohde & Schwarz;
• Каналы: 4 канала;
• Полоса пропускания: 70 МГц;
• Частота дискретизации: 2,50 ГВыб/с;
• Тип: Цифровой;
• Форм-фактор: Настольный;

Цена зависит от комплектации

RTh2004: Портативный цифровой осциллограф

Популярные осциллографы Rohde

• Бренд: Rohde & Schwarz;
• Каналы: 4 канала;
• Полоса пропускания: 60 МГц;
• Частота дискретизации: 5 ГВыб/с;
• Тип: Цифровой;
• Форм-фактор: Портативный;

Цена зависит от комплектации

RTM3002: Цифровой осциллограф

Популярные осциллографы Rohde

• Бренд: Rohde & Schwarz;
• Каналы: 2 канала;
• Полоса пропускания: 100 МГц;
• Частота дискретизации: 5 ГВыб/с;
• Тип: Цифровой;
• Форм-фактор: Настольный;

Цена зависит от комплектации

RTP044: Цифровой осциллограф высшего класса

Популярные осциллографы Rohde

• Бренд: Rohde & Schwarz;
• Каналы: 4 канала;
• Полоса пропускания: 4 ГГц;
• Частота дискретизации: 20 ГВыб/с;
• Тип: Цифровой;
• Форм-фактор: Настольный;

Цена зависит от комплектации

RTA4004: Цифровой осциллограф

Популярные осциллографы Rohde

• Бренд: Rohde & Schwarz;
• Каналы: 4 канала;
• Полоса пропускания: 200 МГц;
• Частота дискретизации: 5 ГВыб/с;
• Тип: Цифровой;
• Форм-фактор: Настольный;

Цена зависит от комплектации

Что измеряет осциллограф?

Большинство потребительских товаров включают электронные схемы или компоненты, и осциллограф используется на протяжении всего процесса проектирования продукта для проверки этих компонентов. Но что такое осциллограф? А что измеряет осциллограф?

Осциллограф — это прибор, который графически отображает электрические сигналы и показывает, как эти сигналы изменяются во времени. Инженеры используют осциллографы для измерения электрических явлений и быстрого тестирования, проверки и отладки своих схем. Основная функция осциллографа заключается в измерении волн напряжения. Эти волны отображаются на графике, который может многое рассказать о сигнале, например:

• Значения времени и напряжения сигнала.
• Частота колебательного сигнала.
• «Движущиеся части» цепи, представленные сигналом.
• Частота появления определенной части сигнала относительно других частей.
• Является ли неисправный компонент искажающим сигнал.
• Какая часть сигнала представляет собой постоянный ток (DC) или переменный ток (AC).
• Какая часть сигнала является шумом и меняется ли шум со временем.

На самом базовом уровне график, отображаемый на осциллографе, показывает, как сигнал изменяется во времени, при этом напряжение отображается вертикально по оси Y, а время — по горизонтали по оси X.

 

 

Интенсивность или яркость сигнала на дисплее осциллографа иногда называют осью Z. В осциллографах с цифровым люминофором (DPO) ось Z может быть представлена ​​цветовой градацией дисплея.

 

 

Для получения дополнительной информации о восстановлении сигналов, целостности сигнала и измерениях формы сигнала прочтите основные сведения об осциллографах.

Хотя осциллографы в первую очередь предназначены для измерения напряжения, они могут обнаруживать и измерять множество других сигналов, в том числе:

Ток

Существует несколько способов использования осциллографа для измерения тока; можно было бы измерить падение напряжения на шунтирующем резисторе. Другой — просто использовать токовый пробник.

Звук

Звук можно измерять с помощью осциллографа. Вам понадобится преобразователь (для «преобразования» аудиосигнала в напряжение), который вы затем подключите к каналу на осциллографе. Затем вы отобразите сигнал как соответствующее напряжение в зависимости от времени.

Емкость

Хотя осциллограф не дает прямого измерения емкости, его можно использовать для измерения постоянной времени, чтобы найти реальную емкость электрической системы или компонента с помощью генератора сигналов произвольной формы.

Напряжение постоянного тока

Большинство современных осциллографов позволяют автоматически измерять напряжение постоянного тока. Однако вы можете измерить его вручную, «подсчитав» вертикальные сетки и умножив на вольты на деление.

Частота

Подобно постоянному напряжению, большинство современных осциллографов измеряют частоту автоматически. Однако можно рассчитать частоту вручную, рассчитав период сигнала (используя курсоры или горизонтальную сетку) и разделив 1 на период, чтобы получить частоту.

Индуктивность

Если у вас нет измерителя LCR, вы можете измерить индуктивность с помощью осциллографа и функционального генератора. Это будет простое измерение со значением неопределенности от 3 до 5%.

Найдите осциллограф, подходящий для вашего приложения

Не все осциллографы одинаковы. Поэтому, прежде чем принимать решение о том, в какую машину инвестировать, важно понять требования вашего проекта и тип осциллографа, который вам может понадобиться для получения наиболее эффективных и точных измерений.

При выборе осциллографа следует учитывать ряд факторов, включая полосу пропускания, время нарастания, частоту дискретизации, плотность каналов и совместимые пробники. Прочтите наш обзор того, как выбрать осциллограф, или изучите всю линейку осциллографов, чтобы найти тот, который подходит для вашего приложения.

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Главная
• Нихил де Нихило подходят

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

SparkFun GPS Logger Shield

31 в наличии GPS-13750

$52,50 26,25 долл. США

4

Избранное Любимый 20

Список желаний

Кабель Qwiic — макетная перемычка (4-контактная)

В наличии ПРТ-14425

Избранное Любимый 35

Список желаний

Комплект переменной нагрузки SparkFun

Осталось всего 10! КОМПЛЕКТ-14449

48,50 $

1

Избранное Любимый 20

Список желаний

Аппаратный стартовый комплект SparkFun Raspberry Pi 4 — без Raspberry Pi

Осталось всего 8! КОМПЛЕКТ-17726

106,95 $

Избранное Любимый 4

Список желаний

Упрощение движения с помощью сервоприводов

17 марта 2020 г.