Осциллограф — самый мощный инструмент общего назначения, доступный в мире электроники, позволяющий выполнять простые и достаточно точные измерения напряжения и времени, особенно если они являются постоянными или периодическими.
Диагностика и проверка электрических цепей различаются в зависимости от их конкретного применения. Таким образом, в различных отраслях промышленности используется ряд специальных средств, которые предназначены для измерения текущих характеристик или функциональных и пользовательских параметров.
У подавляющего большинства измерительных приборов есть одна большая проблема: они измеряют обычно только одну физическую величину. Результатом является числовое значение.
Но как измерять быстрые и динамичные события? Как запечатлеть те события, которые не повторяются? Отчасти это стало возможным благодаря цифровым измерительным приборам, дополненным памятью. Но настоящие измерения и анализ быстрых и изменяющихся электрических величин можно провести с помощью осциллографов.
Что такое осциллограф
Энергия, вибрирующие частицы и другие невидимые силы присутствуют повсюду в нашей физической вселенной. Датчики преобразуют проявления этих сил в электрические сигналы, которые можно наблюдать и изучать с помощью осциллографа.
Осциллографы позволяют «видеть» события, происходящие за доли секунды. Точнее, осциллограф — это универсальное электронное измерительное устройство с экраном, на котором отображается временной ход измеренного сигнала напряжения. Таким образом, осциллографы измеряют формы сигналов напряжения.
Они отличаются от других измерительных устройств, прежде всего, своей способностью отображать изменение сигнала во времени. Таким образом, результатом является не значение, а его динамика, обычно во времени. Для некоторых типов осциллографов отображаемый результат может не зависеть от времени.
Длительные и интенсивные усилия по разработке осциллографов, возможно, сравнимы только с усилиями и временем, посвященным хронометрии. Интересно, что приборов, выпущенных более 25 лет назад по-прежнему достаточно для более чем 90% сегодняшних измерений.
Основная функция осциллографа — представление значений электрических сигналов в виде координат через экран. Как правило, «ось X» обозначает время, а «ось Y» представляет входное напряжение в вольтах, минивольтах, микровольтах и т. д. Набор этих изображений называется осциллограммой. Кроме того, включена «ось Z», которая отвечает за управление яркостью луча, позволяя улучшать или исключать определенные сегменты графика.
Применение осциллографов
Осциллографы чаще всего используется в электротехнике, автомобильной и аэрокосмической промышленности, при сервисных вмешательствах на различных типах распространенных и современных электронных устройств, а также в медицине.
Осциллографы можно приобрести во многих вариантах - в виде комплектного устройства или измерительного модуля, а также изготовить из отдельных компонентов до окончательной формы в соответствии с собственными потребностями. Комплектные приборы, как правило, оснащены панелью управления и дисплеем, который явно более совершенен в случае цифровых осциллографов.
Применение осциллографа
Какие бывают осциллографы
Существует множество критериев для классификации осциллографов по различным категориям, так как они являются сложными и комбинированными устройствами.
Основное деление осциллографов в основном включает их портативность.
С этой точки зрения различают две категории осциллографов, а именно:
- собственно, сами осциллографы (статические, корпусные - непереносные),
- скопометры (ручные - переносные).
Оба типа устройств работают по схожему принципу и отображают ход сигналов электрического поля (напряжения) в виде синусоидальной диаграммы.
Скопометр
Метод отображения использует современный цифровой или аналоговый дисплей. Точность обеих категорий при разных способах отображения, как правило, одинакова.
И осциллографы, и скопометры позволяют проводить измерения в нескольких частотных диапазонах. Они могут быть изменены или расширены в соответствии с текущими потребностями измерения.
Также осциллографы делятся на аналоговые и цифровые, одноканальные и многоканальные.
Аналоговый осциллограф
К старейшим типам этих электроизмерительных приборов относится аналоговый осциллограф (CRO, Cathode ray oscilloscope, Электронно-лучевой осциллограф). Он работает по принципу вакуумного экрана (ЭЛТ, электроонно-лучевой трубки) с электростатическим отклонением, где измеряемое напряжение прикладывается к горизонтальным отклоняющим пластинам.
Далее на вертикальные отклоняющие пластины подается пилообразный сигнал с временной базы. Благодаря этому на экране отображается кривая напряжения.
Популярный советский аналоговый осциллограф С1-83
Недостатком электростатического отклонения по сравнению с магнитным отклонением, используемым, например, в телевизорах, является необходимость большего напряжения на отклоняющих электродах и невозможность такого большого угла отклонения (обычно 110° для черно-белых экранов телевизоров, обычно 90° для цветных). Поэтому экраны осциллографов намного длиннее (относительно размера экрана), чем экраны телевизоров.
Как и телевизионный экран, экран осциллографа нуждается в катодном свечении, фокусирующие электроды и источник высокого напряжения для ускорения электронного луча так, чтобы он создавал светящийся след после попадания на люминофор, нанесенный с внутренней стороны экрана.
Развитие аналогового осциллографа прошло несколько этапов от чисто лампового прибора, через комбинацию ламп и полупроводниковых элементов до современных конструкций, где единственным вакуумным компонентом является электронно-лучевая трубка.
Современные высококачественные аналоговые осциллографы в так называемом режиме реального времени работают на частоте до 1 ГГц.
Также они имеют ряд других усовершенствований, таких как отображение на экране осциллографа настроек усиления по вертикали обоих каналов и скорости отсчета времени, встроенный мультиметр, с помощью которого можно измерять напряжение, например, между пиками отображаемой формы сигнала или даже между установленными вручную метками.
Кроме того, осциллографы обычно имеют встроенный считыватель, который можно использовать для измерения частоты отображаемого сигнала.
Современный аналоговый осциллограф
Элементы управления аналоговых осциллографов в основном одинаковы для разных типов. Двух- и многоканальные осциллографы имеют управление входом Y для каждого канала отдельно, временная развертка общая.
Аналоговые осциллографы все еще производятся из-за их более низкой стоимости по сравнению с цифровыми осциллографами, а также из-за того, что они отображают фактическую форму волны напряжения.
По мере улучшения свойств цифровых осциллографов интерес к аналоговым осциллографам значительно снижается.
Преимущество аналоговых осциллографов заключается в том, что они отображают фактический сигнал в режиме реального времени, и сигнал не искажается аналого-цифровым преобразованием.
Недостатком является трудная обработка измеренных значений и проблема контроля нечастых явлений, если осциллограф не имеет экрана памяти.
Цифровой осциллограф
Цифровые осциллографы работают по другому принципу, чем аналоговые.
В цифровых осциллографах аналоговый сигнал модифицируется и подается на аналого-цифровой преобразователь, который преобразует сигнал в цифровую форму и передает его микроконтроллеру, который сохраняет его в памяти, из которой результирующий прогресс чаще всего отображается на ЖК-дисплее.
Такая конструкция позволяет отображать непериодические формы сигналов, а также есть возможность останавливать изображение, лучше анализировать или обрабатывать его.
Из названия этих электроизмерительных приборов может показаться, что цифровые осциллографы полностью цифровые. На самом деле оцифровка аналоговых электрических сигналов происходит только в аналого-цифровом преобразователе.
Этот преобразователь является сердцем цифрового измерительного устройства и играет важную роль в качестве предоставляемой информации.
Наиболее важными для аналого-цифрового преобразователя являются следующие свойства:
- разрешающая способность преобразователя, которая определяется количеством различимых уровней аналогового сигнала. Для n-разрядного двоичного преобразователя это 2n уровней,
- шаг квантования, иногда называемый чувствительностью, представляет собой разность между двумя значениями входного аналогового напряжения, когда происходит переход от одного цифрового выхода к другому.
- скорость, определяющаяся временем передачи, или по количеству передач в секунду,
- точность, определяющаяся погрешностью преобразователя.
4-канальный цифровой осциллограф Tektronix TDS 540 500 МГц
Преимуществом цифровых осциллографов является объем памяти, простота обработки измеренных значений, более удобное управление, возможность автоматизации измерений и легко реализуемые другие функции (например, спектральный анализ).
Недостаток в том, что при неправильных настройках осциллограф может показать совершенно неправильные результаты.
В области оцифровки частота дискретизации является альфой и омегой. Оно должно в два раза превышать частоту (время) явления, которое мы хотим исследовать. Поэтому, если необходимо исследовать быстрые переходные процессы, нужна высокая частота дискретизации.
Но есть загвоздка: большое количество значений нужно быстро записать в память. И памяти должно быть очень много. Запись значений в память должна осуществляться максимально быстро. Это условие предъявляет требования к шине, соединяющей вход с процессором и памятью.
Характерным для цифровых осциллографов способом управления является использование систем меню.
В цифровых осциллографах этого типа панель выглядит менее громоздкой, поскольку доступ ко многим функциям осуществляется через меню на экране
За исключением системы меню, элементы управления цифрового осциллографа аналогичны элементам управления аналогового осциллографа.
Цифровые запоминающие осциллографы (Digital storage oscilloscopes, DSO) - это базовый тип цифровых осциллографов с описанными выше плюсами и минусами.
Цифровые запоминающие осциллографы являются самой простой формой цифровых осциллографов, но даже они обычно имеют возможность выполнять расширенную обработку сигналов и обеспечивать постоянное хранение измеренных сигналов.
Двухканальный цифровой запоминающий осциллограф HP 54610B
Осциллографы, как и все другое электронное контрольно-измерительное оборудование, с течением времени стали более универсальными, сложными и дорогими, и это развитие особенно заметно в области запоминающих осциллографов, которые позволяют обеспечивать отображаемые в цифровом виде дисплеи.
Возможность «заморозить» переходную форму волны, чтобы ее можно было измерить или исследовать на досуге, искали в течение очень многих лет, и первые приборы пытались удовлетворить эту потребность за счет использования экранных люминофоров с длительным послесвечением для отображения формы сигнала на экране, хотя и с гораздо меньшей яркостью, в течение минуты или более после выключения.
Улучшение характеристик экранов с длительным послесвечением было достигнуто за счет использования экранного покрытия с двойным люминофором, в котором обычно неактивный люминофорный слой можно повторно активировать, чтобы отобразить его последнее изображение, заполнив его инфракрасным излучением.
Однако современные цифровые технологии и быстродействующие аналого-цифровые преобразователи позволяют захватывать и сохранять фактический сигнал в числовой форме.
Первые цифровые запоминающие осциллографы состояли из обычного аналогового электронно-лучевого осциллографа с дополнительной возможностью преобразования измеренного аналогового сигнала в цифровой формат и сохранения в памяти внутри прибора.
Затем эти сохраненные данные могут быть повторно преобразованы в аналоговую форму с частотой, необходимой для обновления аналогового отображения на экране, что обеспечивает непрерывное отображение сигнала на экране.
Сохраненный сигнал может быть передан на компьютер или принтер для немедленного распечатывания.
Хотя примеры таких ранних цифровых осциллографов все еще можно найти на некоторых рабочих местах, современные цифровые запоминающие осциллографы больше не используют электронно-лучевые трубки и являются полностью цифровыми по конструкции и работе.
В современных цифровых запоминающих осциллографах также распространено использование микропроцессорной системы в управляющей электронике для отображения шкалы времени по оси X на дисплее осциллографа, а также параметров постоянного и переменного тока, включая частоту входного сигнала.
Частота дискретизации входного сигнала до 500 мегавыборок/с доступна в инструментах высшего класса, хотя они и дороги.
Цифровые осциллографы послесвечения (Digital Phosphor Oscilloscope, DPO) отличаются от DSO методом обработки сигналов (параллельная или последовательная), что позволяет улавливать даже короткие переходные процессы, что ранее было привилегией аналоговых осциллографов.
Tektronix TDS 754D, четырехканальный осциллограф с цифровым люминофором
Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя поступает в блок памяти цифрового люминофора, который на самом деле полностью электронный и не состоит из химического люминофора, как можно было бы предположить из его названия.
После этого данные следуют двумя параллельными путями. Во-первых, микропроцессор обрабатывает данные, полученные в каждый момент выборки, в соответствии с настройками на панели управления и отправляет обработанный сигнал на блок индикации прибора.
В дополнение к этому моментальный снимок входного сигнала отправляется непосредственно на блок отображения со скоростью 30 изображений в секунду.
Эти расширенные возможности обработки позволяют прибору иметь более высокуюскорости захвата формы сигнала и для обнаружения очень быстрых переходных процессов сигнала, которые пропускаются цифровыми запоминающими осциллографами.
Осциллографы смешанных сигналов (Mixed signal oscilloscopes, MSO). Помимо обычных аналоговых входов, они имеют еще и цифровые входы и, таким образом, выполняют функцию цифрового осциллографа и логического анализатора.
Таким образом, можно легко одновременно контролировать, например, аналоговые выходы датчиков и сигналы цифровой шины, которые можно декодировать и использовать для запуска на измеряемом устройстве.
Осциллограф смешанных сигналов Hewlett Packard 54645D
Логический анализатор обладает некоторыми характеристиками осциллографа, поскольку он также может отображать значение входного сигнала в зависимости от времени. Однако предполагается, что входной сигнал является цифровым, поэтому дисплей может принимать только одно из двух значений: логический 0 или логическая 1.
Автономные логические анализаторы имеют до сотен (в исключительных случаях тысяч) входов.
Осциллографы для смешанных доменов (Mixed domain oscilloscopes, MDO) -это собственно осциллографы для смешанных сигналов, дополненные функцией спектрального анализа. Во временной области они могут отображать синхронизированные аналоговые сигналы, цифровые сигналы и декодированные последовательные протоколы.
Осциллограф Tektronix MDO4000
Для анализа в частотной области они включают встроенный сигнальный тракт анализатора спектра.
Специальный вход анализатора спектра и сигнальный тракт обеспечивают этим приборам гарантированный динамический диапазон на 10–15 дБ лучше, чем у типичного входного канала осциллографа, а элементы управления на передней панели обеспечивают быстрый доступ к функциям анализатора спектра.
Такие осциллографы особенно полезны в области радиосистем, т. к. благодаря им можно получить коррелированное по времени представление аналоговых и цифровых сигналов и частотного спектра в одном месте.
Цифровые стробоскопические осциллографы (Digital storage oscilloscope, DSA) отличаются по конструкции от других цифровых осциллографов тем, что усилитель вертикальной развертки стоит не на входе, а после схемы дискретизации.
4-канальный цифровой осциллограф BK Precision 2553
С одной стороны, входной усилитель не ограничивает нашу полосу пропускания, а с другой стороны, входную чувствительность изменить нельзя.
Таким образом, схема дискретизации должна обрабатывать весь диапазон входного напряжения, и поэтому она обычно ограничена 1 В (пик-пик) в отличие от обычных цифровых осциллографов с диапазоном до 100 В.
Такие осциллографы используются в высокочастотном диапазоне порядка десятков ГГц.
USB-осциллографы
Сегодня осциллографы, использующие персональный компьютер (ПК), принято называть так называемыми USB-осциллографами (иногда можно встретить модели, которые подключаются к параллельному порту).
Программный осциллограф
Преимуществом USB-осциллографов являются небольшая занимаемая площадь, простота дальнейшей обработки результатов измерений на компьютере, большой дисплей (монитор ПК) и низкая цена.
Недостаток USB-осциллографов в том, что помимо необходимости наличия ПК все нужно настраивать программно.
Однако огромным преимуществом является передача данных на компьютер, где можно проводить дальнейший анализ и обработку с помощью различных специализированных программ.
USB-осциллографы имеют технические характеристики и функции, которые могут конкурировать с автономными настольными и портативными осциллографами.
Популярные электронные конструкторы (например, осциллографы на Arduino) также могут использоваться для записи электрических сигналов, однако существуют ограничения, накладываемые используемыми технологиями (датчики, преобразователи, частота, точность).