8 Измерение электрических сигналов с помощью осциллографа » СтудИзба

ЛЕКЦИЯ 6

Тема:-Измерение электрических сигналов с помощью осциллографа

При исследовании переменных и импульсных электрических сигналов необходимо уметь измерять не только их напряжение, но и форму. Временную зависимость переменной величины можно записать в виде U= f (t). Для гармонического сигнала это будет U= U_{MSin (t +), где UM – амплитудное значение гармонического сигнала,  -круговая частота,  — начальная фаза гармонического сигнала. Полную информацию обо всех этих параметрах получить измерением только напряжения мы не можем. Кроме того, если с гармоническим сигналом просуммирована постоянная составляющая, то обычными вольтметрами переменного тока мы эту составляющую оценить не сможем, так как они предназначены, как правило, для измерения напряжений в заданном интервале частот. Полученный результат измерения будет ошибочным. Получить полную информацию о сигналах более сложной формы невозможно.}

Осциллограф позволяет визуально наблюдать форму электрического сигнала, измерить все параметры, выделить постоянную составляющую сигнала, и в случае двулучевого осциллографа измерить фазовый сдвиг одного сигнала относительно другого.

В основе осциллографа лежит электронно-лучевая трубка – прибор, обеспечивающий формирование движения электронного луча по люминесцирующему экрану, на котором траектория движения рисуется в виде светящейся кривой. Для получения изображения на экране  необходимо перемещать луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В одном направлении скорость перемещения луча должна быть постоянной, назовем это направление горизонтальным Рис.1. Для этого, путь, пройденный лучом по экрану должен подчиняться закону — X=Vt, а напряжение, формирующее скорость перемещения луча по горизонтали подчиняться закону — U=U₀t.

-31-

Рис.1. Схематическое изображение отклоняющей системы электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением движением луча

Амплитуда отклоняющего напряжения должна быть достаточной, для перемещения луча от левой границы экрана до правой. Сигнал, подаваемый на пластины горизонтального отклонения, должен быть периодическим. Это позволяет путем многократного наложения траекторий луча получать устойчивое изображение исследуемого сигнала. Структурная схема осциллографа приведена на Рис.2.

Исследуемое напряжение поступает на вход усилителя вертикального отклонения. Входной разъем подключается ко входу усилителя вертикально развертки – У1 переключателем – П1. Положение переключателя ~ позволяет не пропустить на вход усилителя У1 постоянную составляющую входного сигнала, если она в нем имеется. В положении переключателя – П1 – обозначенном знаком   на вход усилителя проходят и постоянная и переменная составляющие сигнала. Положение  переключателя присоединяет вход усилителя к корпусу, что позволяет установить, в каком месте экрана осциллографа находится нулевой уровень сигнала. Положение нулевого уровня входного сигнала на экране осциллографа можно изменить, используя потенциометр (на  Рис.2. не показан) «».

Рис. 2. Структурная схема осциллографа

Задача  усилителя У1 обеспечить возможность довести амплитуду напряжения, которое поступает с его выхода на пластины вертикального отклонения до такого значения, при котором

-32-

электронный луч отклоняется в пределах экрана по вертикали. Правильный выбор уровня

переключателя позволяет получить отклонение луча в пределах всего экрана.

 Переключатель «В/дел» обеспечивает ступенчатее изменение размеров изображения. Он совмещен с потенциометром плавной регулировки, который позволяет плавно изменять вертикальный размер изображения, и используется для настройки осциллографа при его калибровке. Большинство осциллографов имеют в своей структуре генератор калибровочного сигнала. Он используется для текущей проверки работы прибора. Стабильность параметров генератора обеспечивается его схемным решением. При проверке осциллографа этот сигнал подается на вход осциллографа.

 Усилитель У2, своим выходным напряжением, обеспечивает перемещение луча в пределах горизонтальных размеров экрана осциллографа с постоянной скоростью. На вход усилителя горизонтальной развертки подается линейно изменяющееся напряжение заданной частоты, которое формируется генератором ГПН, показанном на Рис.2.

Форма выходного напряжения генератора ГПН приведена на рис .3.

Рис.3. Форма напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения.

Напряжение, поступающее с генератора на пластины горизонтальной развертки, состоит из нескольких участков;

— T – период следования импульсов линейно изменяющегося напряжения,

—  t_раб – рабочий участок,

—  t_обр. – длительность обратного хода луча,

 — t_п – длительность паузы между импульсами линейно изменяющегося напряжения.

На рабочем участке t_раб электронный луч рисует форму входного напряжения в функции времени. При обратном ходе луча t_обр по экрану, луч гасится сигналом гашения обратного хода луча. Формирователь этого сигнала входит в структуру ГПН. Время паузы t_п формируется блоком синхронизации.

Блок синхронизации «синхр» обеспечивает совмещение времени начала рабочего хода луча с определенной фазой (моментом времени) входного сигнала. При несовпадении этих моментов изображение на экране будет неустойчивым. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу блока синхронизации, показаны на Рис.4.

-33-

Рис.4.Временные диаграммы работы блока синхронизации (а – сигнал развертки и исследуемый сигнал не синхронизированы, б – сигналы синхронны).

 В режиме, задаваемом переключателем вида синхронизации «внутр», работа блока синхронизации заключается в том, что усиленный исследуемый сигнал поступает на один из входов блока. Ко второму входу этого же блока подводится заранее выбранное напряжение. Устройство сравнения этого блока формирует стартовый импульс запуска генератора линейно нарастающего напряжения. Частота следования сигнала горизонтальной развертки определяется периодом Т (см. Рис.3) и задается дискретно переключателем « время/дел», плавная подстройка частоты осуществляется потенциометром «частота плавно». Сигналом, служащим для формирования импульса запуска генератора линейно изменяющегося напряжения может служить напряжение питания осциллографа 50 Гц. Для перехода в режим синхронизации от сети необходимо перевести переключатель вида синхронизирующего сигнала в положение 50 Гц. Режим синхронизации от сетевого напряжения не удобен при исследовании сигналов повышенных частот, он не обеспечивает устойчивой работы, изображение на экране будет «плавать». Осциллографы имеют входной разъем для подключения внешнего источника сигнала синхронизации. Этот способ синхронизации внешним сигналом используется в том случае, когда исследуемый короткие сигналы следуют с большими интервалами, а также при исследовании сигналов имеющих случайную природу происхождения. В этом случае, для запуска генератора линейно изменяющегося напряжения, используется сигнал, по времени, предшествующий исследуемому.

Блок синхронизации позволяет выбрать начальную фазу исследуемого сигнала, при которой формируется импульс старта рабочего хода луча, для этого он имеет переключатель «+»,«-», позволяющий выбрать участок сигнала, на котором напряжении нарастает или падает см. Рис.5.

-34-

Рис.5 Иллюстрация работы блока синхронизации.

На Рис.5. жирной линией выделены: —  «+» — зона нарастания исследуемого сигнала на которой выбирается уровень синхронизации, определяющий момент запуска генератора линейно нарастающего напряжения А, в случае если  исследуемый сигнал совпадает по уровню с заданным напряжением (уровнем синхронизации).

Второй выделенный жирной линией на Рис.5. участок «-» соответствует режиму синхронизации на спадающем участке исследуемого сигнала, импульс старта, в приведенной ситуации, совпадет с точкой Б.

Частота следования импульсов горизонтальной развертки в том и другом случае задается независимо переключателем «время/дел». На линейном участке импульса линейно изменяющегося напряжения число периодов исследуемого сигнала может уложиться несколько раз. Количество периодов определяется соотношением периода развертки и периода исследуемого сигнала.

Калибровку вертикального отклонения луча осциллографа можно осуществить подключением к его входу сигнала встроенного генератора или сигнала от любого источника сигнала, принимаемого за эталон. Отклонение луча от нулевого положения на экране осциллографа должно отвечать условию – N дел =, где; — В_кал – значение напряжения калибрующего сигнала,

— В/дел – положение переключателя «Вольт/дел».

Если отклонение луча не совпадает с полученным значением, совпадения результатов добиваются вращением ручки потенциометра «плавно».

Аналогично выполняется и калибровка скорости горизонтальной развертки. Калибрующий сигнал подается на вход осциллографа. Выполняется операция настройки изображения (получается устойчивое изображение входного сигнала на экране осциллографа). Период следования калибрующего сигнала сравнивается с положением переключателя «Время/дел». Если число клеток, занимаемое периодом калибрующего сигнала, не совпадает расчетным числом клеток, полученным из выражения N_дел =Т_сек/t_/дел, — где Т_сек –период калибрующего сигнала,

—t_/дел – положение переключателя длительности развертки, то потенциометром плавной регулировки длительности развертки производят подстройку.

Калибровка осциллографа осуществляется при необходимости выполнить измерения амплитудных и временных параметров исследуемого сигнала. Точность измерения не превышает 10%. При необходимости получения более достоверной информации необходимо использовать специальные измерительные приборы.

-35-

Управление  такими параметрами осциллографа, как яркость луча и фокусировка осуществляется потенциометрами «Яркость», «фокус». Потенциометр «Яркость» регулирует яркость изображения, наблюдаемого на экране. Потенциометр «Фокус» -регулирует четкость изображения, устраняя размытие изображения. Операция настройки яркости и четкости изображения может потребоваться после длительного хранения осциллографа на складе или при повышенной освещенности рабочего места.

Расположение органов управления осциллографом приведено на Рис.6 (для примера взят эскиз передней панели осциллографа ОСУ -10А)

Рис.6. Эскиз лицевой панели осциллографа ОСУ-10А.

1-            Кнопка включения питания осциллографа.

2-            Потенциометр регулировки яркости луча.

3-            Потенциометр регулировки фокуса.

4-            Выходной разъем генератора калибровочного напряжения.

5-            Потенциометр регулировки положения нулевого уровня усилителя вертикального отклонения луча.

6-            Калиброванный переключатель коэффициента усиления усилителя вертикальной развертки.

7-            Потенциометр плавной регулировки калибрующего напряжения.

8-            Входной разъем усилителя вертикальной развертки.

9-            Переключатель входной цепи усилителя вертикальной развертки.

10-        Переключатель заземления входа усилителя вертикальной развертки.

11-        Потенциометр плавной регулировки частоты генератора горизонтального отклонения.

12-        Ступенчатый переключатель уровня синхронизации.

13-        Потенциометр смещения точки начала развертки на экране осциллографа.

14-        Потенциометр плавной регулировки уровня синхронизации.

15-        Переключатель блокировки развертки.

16-        Ступенчатый переключатель длительности развертки.

17-        Входной разъем усилителя горизонтального отклонения луча.

18-        Переключатель способа запуска осциллографа.

19-        Переключатель типа синхронизации.

20-        Переключатель синхронизации в режим работы с телевизионными сигналами.

21-        Переключатель синхронизации сигналом питающего напряжения.

-36-

22-        Переключатель источника синхронизирующего напряжения.

23-        Экран осциллографа.

В лекции рассмотрены вопросы:

— преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, позволяющий исследовать изменение электрического сигнала во времени,

— рассмотрена структурная схема осциллографа,

— назначение органов управления на примере осциллографа ОСУ-10А.

Основная литература

1.      Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы электрических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2005. Электронная версия.

2.    Осциллограф сервисный универсальный ОСУ-10А. Руководство по эксплуатации. М. 2006.

1.             

Измерения с помощью осциллографа

Осциллограф – многоцелевой прибор, который используется при исследовании формы и измерении параметров сигналов, при исследовании характеристик различных электронных устройств.

Измерение напряжения. Измерение напряжения с помощью осциллографа может проводиться как методом прямого преобразования, так и методом сравнения.

Метод прямого преобразования (метод калиброванного отклонения) предусматривает предварительную калибровку канала Y с помощью калибратора амплитуды. При этом устанавливается требуемое значение коэффициента отклонения К_d. Измеряемое напряжение подается на вход канала Y, и определяется размер изображения на экране ЭЛТ по вертикали l_B (в делениях или в единицах длины). Зная коэффициент отклонения К_d или чувствительность S_u, при симметричном (или постоянном) напряжении можно найти его амплитуду

(5.9)

При измерении амплитуд несимметричного напряжения необходимо зафиксировать с помощью масштабной сетки при отсутствии измеряемого напряжения начальное положение горизонтальной линии (или светового пятна) на экране осциллографа. Затем, подав измеряемое напряжение на вход Y и установив неподвижное изображение, измерить амплитуды каждой полуволны в отдельности.

Метод сравнения можно реализовать с помощью двухлучевого (двухканального) осциллографа. Для этого на один вход, например Y

1, подается исследуемый сигнал, а на вход Y₂ – образцовое напряжение, которое может быть как постоянным, так и переменным. Затем, изменяя значение образцового напряжения, нужно добиться совмещения калибровочной линии, создаваемой образцовым напряжением, с границами измеряемого участка осциллограммы. Значение искомого напряжения определяют по значению образцового напряжения [9].

Измерение интервалов времени может быть проведено методом прямого преобразования (методом калиброванного коэффициента развертки) аналогично случаю измерения напряжения. Перед измерением с помощью калибратора времени устанавливается требуемое значение коэффициента развертки, являющееся ценой деления шкалы по горизонтали. В этом случае

(5.10)

где l_x – размеры исследуемого участка осциллограммы.

Измерение частоты переменного сигнала может быть произведено путем измерения периода. Частота находится как величина, обратная периоду.

При использовании двухлучевого (двухканального) осциллографа измерение частоты может быть произведено путем сравнения

исследуемых колебаний с колебаниями известной частоты. При этом осуществляется одновременная фиксация на экране осциллографа двух колебаний. Недостаток этого метода – невысокая точность.

Более точными являются модификации метода сравнения: метод фигур Лиссажу (метод интерфенционных фигур) и метод круговой развертки. При реализации этих методов осциллограф выполняет функции индикатора равенства или кратности измеряемой f_X и образцовой частот f₀ и погрешности в результат измерения f_X практически не вносит.

Для получения фигур Лиссажу сигнал неизвестной частоты подается на вход Y осциллографа. Внутренняя развертка осциллографа отключается и на горизонтально отклоняющие пластины подается синусоидальное напряжение от измерительного генератора высокой точности. При этом луч на экране ЭЛТ совершает сложное движение. Частота измерительного генератора подбирается так, чтобы на экране осциллографа получилось неподвижное изображение (

фигура Лиссажу). Это происходит при целочисленном отношении между частотами двух входных сигналов, и вид фигуры Лиссажу зависит от кратности f_X/f₀, соотношения амплитуд напряжений и фазового сдвига между ними. Отношение частот находится как отношение числа точек пересечения фигуры на экране с горизонтальной n_X и вертикальной m_Y опорными линиями (отношение числа касаний фигуры с наложенными на экран горизонтальной и вертикальной осями).

На рис. показаны примеры фигур Лиссажу для различных значений соотношения частот f_X/f₀.

Если напряжение измеряемой частоты f_X подано на вход Y осциллографа, а напряжение известной частоты f₀ – на вход Х, получим соотношение

(5.11)

из которого может быть определено значение частоты f_X.

Рис. 5.13

Обычно стремятся подобрать частоту образцового генератора равной измеряемой частоте, так как при этом фигура имеет простейший вид – прямую линию, круг, эллипс.

Метод, характеризующийся высокой точностью, прост, удобен и экономичен. Его недостатком является сложность расшифровки фигур при соотношении частот более 10 и, следовательно, возрастает по­грешность измерения за счет установления истинного отношения частот [5]. Этот метод, целесообразно применять только при относительно небольшой кратности измеряемой и известной частоты, обычно не превышающей 6–8.

Рис. 5.14

В случае большой разницы измеряемой и образцовой частот можно использовать круговую развертку. Она создается напряжением образцовой частоты f₀, которое через фазосдвигающую цепь подается на входы Х и Y, как показано на рис. . Напряжение более высокой частоты (неизвестной) f_Х подводится к модулирующему яркость электроду ЭЛТ (канал Z). Изображение окружности на экране при этом получается пунктирным. По числу n светящихся штрихов по окружности судят о соотношении сравниваемых частот:

(5.12)

Измерение фазовых сдвигов

Для гармонического сигнала U(t) = Uo sin(t + ₀) фазой назы­вают выражение (t + ₀) – аргумент синуса, где ₀ – начальная фаза колебаний. Значение фазы зависит от выбранного начала отсчета времени, поэтому физический смысл имеет сдвиг фаз  или раз­ность фаз ₁ – ₂ двух сигналов с одинаковыми частотами (рис. Рис. 5 .15а). Измеряется фаза в угловых единицах – радианах или градусах. Методом измерения сдвига фаз с помощью двухканального осциллографа является

метод наложения, который заключается в получении на экране осциллографа и совмещении осциллограмм напряжений U₁ и U₂ подаваемых на вход А и выход В (рис. 5.9). Из рис. Рис. 5 .15а видно, что в этом случае

(5.13)

Если, кроме того, амплитуды U₁ и U₂ равны, то

(5.14)

Разность фаз двух сигналов можно определить по временному сдвигу. На экране получают неподвижную картину двух осциллограмм (рис. Рис. 5 .15б). Поскольку весь период Т соответствует углу 360, разность фаз определяется из соотношения  = 360Т/Т. При этом важным является вопрос, какой из сигналов опережает «по фазе» другой сигнал. На Рис. 5 .15б напряжение U₁ опережает напряжение U₂ по фазе на  > 0, так как сигнал U₁ достигает своего максимума раньше, чем сигнал U₂ (сигнал U₁ также достигает своего минимума раньше, чем сигнал U₂).

а	б
Рис. 5.15

Сдвиг фаз можно определить и по интервалу Т₁, но если во время проведения измерений один сигнал, например U₂, на экране осциллографа будет несколько смещен по вертикали вниз, как показано на рис. Рис. 5 .15б, то измерение сдвига фаз по временному сдвигу Т₁ оказывается неверным. Это становится очевидным, если учесть, что Т

1 оказывается не равен временному сдвигу между этими же сигналами, отсекаемому горизонтальной прямой, справа от Т₁.

Измерение сдвига фаз может быть осуществлено и на однолучевом осциллографе методом эллипса. Эллипс является частным случаем фигуры Лиссажу при f₁ = f₂. Пусть на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины поданы напряжения U_x = U₀sint и U_y = U₀sin(t + φ). При равных амплитудах и частотах сигналов на входах Y и Х осциллографа изменение фазового сдвига приводит к изменению формы фигуры Лиссажу от прямой линии (φ = 0) через эллипс к окружности (φ = 90^о), как показано на рис. Рис. 5 .16.

φ = 0о		φ = 45о		φ = 90о		φ = 135		φ = 180о
	φ = 225о		φ = 270о		φ = 315о		φ = 360о
Рис. 5.16

В общем случае фазовый сдвиг можно определить по эллипсу следующим образом. Коэффициенты усиления вертикального и горизонтального отклонения подбираются так, чтобы эллипс вписался в квадрат (рис. ). Значение фазового сдвига находится как отношение параметров эллипса по формуле

(5.15)

Рис. 5.17

При определении  нужно учесть направление наклона эллипса. Погрешность метода резко возрастает при углах, близких 90, когда размеры Y₁ и Y₂ (X₁ и X₂) сближаются. Поэтому методом эллипса целесообразно измерять сдвиги фаз до 40–50. При этом погрешность измерений, как правило, не превышает 2–3 %. Систематическую ошибку, возникающую из-за неодинаковости фазовых сдвигов в каналах Х и Y осциллографа, можно легко учесть. Для этого на оба канала одновременно подают один и тот же сигнал. Если на экране наблюдается не прямая линия, а эллипс, значит, в осциллографе имеется постоянный фазовый сдвиг, величину которого можно определить по параметрам получившегося эллипса. Этот сдвиг представляет систематическую ошибку, которую нужно вычитать из полученного результата [13].

Недостатком данного метода является его неоднозначность. Результаты измерения φ однозначны лишь в пределах 0–180^о, далее (в пределах 180–360^о), фигуры будут повторяться, но изменится направление движения луча.

Для измерения разности фаз может быть использована и круговая развертка, создаваемая напряжением U₁ как опорным. В этом случае измеряется угловое положение светящейся полуокружности, создаваемой напряжением U₂ при подаче его на вход канала Z ЭЛТ.

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

Автор:  Дедюхин А.А.
Дата публикации:  22.11.2006 Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

А.А. Дедюхин, АО «ПриСТ»

Современные цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО), построенные на базе открытой платформы дают возможность пользователю визуально наблюдать исследуемый сигнал, зачастую достаточно сложной формы. Использование длинной памяти, расширенных режимов синхронизации и сегментированной развертки позволяют инженеру фиксировать различные артефакты во входном сигнале или  же наоборот «отлавливать» полезные сигналы, имеющие определенные параметры. Эти возможности в том или ином виде присутствуют практически в любом современном цифровом осциллографе.

Но исключительная полезность цифрового осциллографа определяется не только его способностью визуально отображать форму входного сигнала, но и производить различного рода измерения, что, в общем, и классифицирует осциллограф как «средство измерения».

Большинство ЦЗО способно производить измерения достаточно большого типа параметров, так например, осциллографы серии WaveRunner производства компании LeCroy способен производить измерения до 40 параметров сигнала, с одновременной индикацией 8 результатов измерений в штатном режиме, а при инсталляции дополнительных опций осциллографы LeCroy старших серий способны приводить измерения до 170 различных параметров. Это широкий набор различных амплитудно-временных измерений вполне достаточных для удовлетворения потребностей широкого круга пользователей. Список измерений доступных для осциллографов LeCroy приведен в Приложении 1.

В основе всех видов измерений современного осциллографа лежат два вида измерений – это амплитудные и временные. Так же цифровые осциллографы способны осуществлять безразмерные виды измерений, например подсчет числа целых периодов сигнала, числа точек дискретизации, числа пиков гистограммы и пр.    Амплитудные измерения предназначены для измерений параметров амплитуды входного сигнала (или же результатов математической обработки) – это такие как, непосредственно, амплитуда, нижнее значение, верхнее значение, пиков значение, выбросы, среднеквадратическое значение и многие другие. Временные измерения предназначены для измерений параметров сигнала нормированных по времени – это частота, период, длительность, фазовые сдвиги, время нарастания и спада, параметры джиттера и многие другие. Так же современные ЦЗО имеют некоторые производные виды измерений от  амплитуды и времени, например измерение площади сигнала, что применительно к импульсному сигналу определяет его энергию, измерение числа периодов сигнала на заданном участке или измерение числа точек дискретизации образующих форму сигнала на всем экране или на заданном участке. В ЦЗО так же присутствуют специализированные виды измерений, предназначенные для измерения параметров специфических устройств или режимов, например измерение параметров мощности электрического сигнала, измерение параметров систем последовательной передачи данных, измерение параметров дисковых или оптических приводов, измерения джиттера и многие другие. Но и даже эти  специализированные виды измерений базируются на основных результатах измерения амплитудно-временных параметров сигнала.

Измерения амплитудных параметров

Погрешность измерения амплитудных параметров определяется тем, что в большинстве современных ЦЗО используются 8-и битные АЦП, что дает теоретическую относительную погрешность измерения

,

с учетом нелинейности входных усилителей, нелинейности АЦП, температурного дрейфа, погрешности коэффициента усиления входных усилителей и т.д., погрешность измерения постоянного напряжения составляет порядка 3 % , а погрешность дифференциальных измерений напряжения (читай как амплитуды), составляет порядка 1,5%. Это достаточно большое значение погрешности измерения, учитывая тот факт, что средний вольтметр обеспечивает погрешность измерения постоянного напряжения около 0,025%. Но принимая во внимание, что осциллограф, первично, это визуальный прибор и то, что линейность АЧХ большинства современных осциллографов составляет порядка 0,7 от значения  полосы пропускания, а полоса пропускания современного ЦЗО может достигать 18 ГГц (LeCroy SDA 18000), то очевидно, что даже на частотах около 1000 МГц, ЦЗО составляет конкуренцию вольтметрам переменного тока или измерителями мощности имеющим погрешность порядка 3%. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф способен производить измерения среднеквадратического значения напряжения сигнала любой формы, а ВЧ вольтметры переменного тока только сигнала синусоидальной формы, то преимущества осциллографа при измерении амплитудных параметров сигнала становятся очевидными.

Так на рисунке 1 приведена осциллограмма синусоидального сигнала частотой 350 МГц и уровнем 1 Вольт полученная с экрана осциллографа LeCroy WaveRunner WR-6051A с полосой пропускания 500 МГц. Измерения СКО (окно измерения Р1) индицирует значение 970 мВ. Погрешность измерения амплитуды в данном случае  составляет 3%.

Рисунок 1 (здесь и далее щелчок по изображению — увеличение)

Для того, что бы пользователь не воспринимал осциллограф,  в режиме измерения как вещь саму в себе или же наоборот четко представлял какие параметры и какой алгоритм измерения используется в данный момент, компания LeCroy в своих осциллографах при включении измерений сопровождает осциллограмму, на которой производятся измерения, автоматическими маркерами помощи. Так на рисунке 1 при измерении циклического СКЗ, виды маркеры, выделяющие полный цикл (полное число периодов) измеряемого сигнала. Но сигнал представленный на рисунке 1 достаточно простой. На рисунке 2 приведена осциллограмма одиночного радиоимпульса в режиме измерения циклического СКЗ, видны области измерения СКЗ и результат измерения  – 355 мВ.

Рисунок 2

Если же для данного сигнал применить алгоритм полного измерения СКЗ, то результат измерения будет абсолютно другой. Так на рисунке 3 изображена осциллограмма измерения полного СКЗ,  результат измерения составляет 182 мВ.  

Рисунок 3

Напомним,  что среднеквадратическое значение сигнала переменного тока эквивалентно значению постоянного напряжения, способного выделять такое же значение тепла на нагрузке, как и исходный сигнал переменного тока. Очевидно, что для режима измерения циклического СКЗ, расчет значения напряжения производится только на полезной части сигнал, обладающей энергией и  способной производить работу (в том числе выделять тепло). Для полного СКЗ в расчет принимаются и участки сигнала, имеющие нулевое значение амплитуды, и не способные совершать работу, что уменьшает значение СКЗ с 355 мВ до 182 мВ. Это становится наиболее очевидным и наглядным именно при использовании осциллографов способных дать инженеру подсказку в виде маркеров, которые кроме всего прочего индицируют в виде горизонтальной зоны значение СКЗ, именно  в виде эквивалентного постоянного напряжения.

Ранее уже отмечалось, что любой средний вольтметр способен производить измерения амплитуды гораздо более точно, чем цифровой осциллограф. Но это справедливо только для измерения постоянного напряжения или НЧ напряжения переменного тока синусоидальной формы. При измерении СКЗ сигналов сложной формы погрешность измерения вольтметра увеличивается исходя их коэффициента формы сигнала. Для стандартных сигналов, коэффициент формы можно учесть при определении дополнительной погрешности измерения напряжения и погрешность может возрастать в десятки раз, так, например, для вольтметра Agilent Technologies 34401 при измерении импульсных сигналов погрешность измерения напряжения может составлять 46%.  Для сигналов непредсказуемой формы коэффициент формы учесть невозможно, поэтому и погрешность измерения напряжения становится неопределенной. Цифровой осциллограф производит математическое вычисление среднеквадратического значения формы сигнала из массива данных, полученных в процессе сбора информации, по формуле:

,

где X1 ;X2 ; X3 ….. Xn  отсчеты амплитуды полученные в результате дискретизации входного сигнала, а n –  число отсчетов,  и такой алгоритм измерения СКЗ не требует никаких дополнительных поправочных коэффициентов. Для однократных и редких сигналов цифровой осциллограф остается единственным средством измерения СКЗ, да и других амплитудных параметров сигнала тоже. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф при измерении СКЗ производит «полное» измерение сигнала, имея ввиду одновременное измерение как постоянной составляющей DC, так и переменной составляющей AC, а большинство вольтметров производит измерения отдельно DC  и AC, и лишь за редким исключением некоторые типы вольтметров способны производить измерения  DC +AC, то становится очевидным, что возможности амплитудных измерений ЦЗО дают пользователю значительные преимущества по отношению к универсальным вольтметрам.

Как ни странно, но даже среди опытных инженеров существует мнение, что цифровой осциллограф производит измерение напряжения по одному периоду периодического сигнала, но как видно из выкладок выше, это не соответствует действительности. Для определения различных амплитудных параметров сигнала, измерения производятся по всему массиву данных составляющих форму сигнала, но в силу особенности измерения амплитудных параметров, осциллограф действительно может выдать только один результат измерения за один проход развертки, поскольку именно это и является циклом измерения. Так на рисунке 4 приведен пример измерения пикового значения напряжения. Пиковое значение — это разность межу минимальным и максимальным значениями формы сигнала на одной развертке. Очевидно, что вычисления этого параметра прежде всего необходимо определить как минимальное так и максимальное значение на всей форме сигнала, а для этого опять же необходим анализ всего массива данных точек образующих форму сигнала.

Рисунок 4

Очевидно, что для обеспечения достоверных и быстрых измерения при большом массиве данных, осциллограф должен обладать достаточным быстродействием для обеспечения необходимых вычислений. И в этой ситуации не все осциллографы ведут себя одинаково. Так, например, осциллограф LeCroy, осциллограммы которого приведены выше, при длине памяти 10 М при отсутствии измерений обеспечивает время сбора осциллограмм 210 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 340 мс, а при включении четырех одновременных измерений увеличивается до 430 мс. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм увеличивается в 2,04 раза. Если же аналогичные режимы измерений произвести используя осциллограф Tektronix DPO-4034, то результата получаются следующие – при отсутствии измерений время сбора осциллограмм составляет 170 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 16 секунд, а при включении одновременно четырех измерений — увеличивается до 40 секунд. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм у осциллографа Tektronix DPO-4034  увеличивается в 235  раз…         
Современные профессиональные осциллографы, например LeCroy, в штатной комплектации (т.е. без дополнительных опций) могут обеспечить возможность измерения 11 амплитудных параметров, подробный перечень параметров приведен в [2].

Важной особенность обеспечения измерений является возможность проведения измерения в выделенной области. В этом случае измерения параметров производятся не по всему массиву данных осциллограммы, а только в пределах указанной области. Большинство же пользователей привыкло, что измерения с использованием ЦЗО нужно производить для простого периодического сигнала по всей осциллограмме, что присутствует на экране ЦЗО и только в этом случае результат измерения будет достоверным. На рисунке 5 проведен наглядный пример сложного сигнала, представляющего собой прямоугольный сигнал с модулированными базой и верхом. На первый взгляд автоматические измерения амплитудных параметров такого сигнала должно вызвать сложности у пользователя, но только не у пользователей осциллографов LeCroy.

Рисунок 5

Для измерения некоторых  амплитудных параметров модулирующего сигнал задействуем измерения Р1, Р2 и Р3.  Для измерения СКЗ модулирующего сигнала базы (измерения Р1) выделяется только часть модулирующего  сигнал базы. Результат составляет 147 мВ. Для измерения СКЗ модулирующего сигнала верха (измерения Р2) выделяется только часть модулирующего  сигнал верха. Результат составляет 1,01 В. Для измерения пикового значения модулирующего сигнала верха (измерения Р3) выделяется только часть модулирующего  сигнал верха. Результат составляет 482 мВ. Измерения Р4 и Р5 обеспечивают измерения амплитудных параметров основного прямоугольного сигнала  — уровня верха и уровня базы и эти измерения производятся без выделения области.

Таким образом, обеспечивая возможность одновременного измерения до 8 параметров сигнала, осциллографы LeCroy так же обеспечивают возможность измерения в 8 различных областях этого сигнала. Справедливости ради отметим, что и другие осциллографы, например Tektronix DPO-7000 или DPO-4000, так же дают возможность измерения параметров в выделенной области, но для всех измерения (DPO-7000 это 8 измерения, а для DPO-4000 это 4 измерения) существует всего одна выделенная область, что существенного ограничивает возможности измерения сложных сигналов.

Измерения временных параметров

Измерения временных параметров – это набор наиболее расширенных и точных видов измерений цифрового осциллографа. Так уже сложилось, что при анализе сигнала по временной оси существует наибольший набор параметров, в штатной комплектации осциллографы  LeCroy способны обеспечить до 69 видов измерения, а при инсталляции дополнительных опций общее число всех видов измерений может достигать 180. Основными отличиями цифровых осциллографов по отношению к традиционным аналоговым осциллографам при измерении временных интервалов являются:

1. Цифровой осциллограф обеспечивает автоматическое измерение временных параметров (не стоит забывать и про автоматическое измерение амплитудных параметров), аналоговый осциллограф обеспечивает измерения временных интервалов, используя деления временной шкалы на экране.
2. Цифровой осциллограф обеспечивает погрешность измерения временных до 0,0001%, а лучшие экземпляры аналоговых осциллографов имеют погрешность измерения всего 1,5%.

Погрешность измерения временных параметров (ΔT) цифрового осциллографа определяется погрешностью опорного генератора, частотой дискретизации и собственным джиттером, что может быть выражено формулой:

 (1) , где

T_оп – погрешность установки частоты опорного генератора;
F_д – частота дискретизации;
T_дж – собственный джиттер осциллографа.

Современные технологии электронных элементов дают возможность применения в осциллографах опорных генераторов с погрешностью установки до 10-6 в год (или 1 ppm), частота дискретизации для наиболее массовых моделей ЦЗО составляет 5 ГГц  или 10 ГГц, собственный джиттер современного осциллографа удается снизить до значений 3 пс (хотя есть «уникальные» модели ЦЗО, например DPO-4000 серии, имеющие джиттер 400 пс). Из этих выкладок следует, что наиболее существенным при определении погрешности измерения временных интервалов как раз и является погрешность установки частоты опорного генератора.

Но на этом и заканчивается идентичность подходов при измерения  временных интервалов различных производителей цифровых осциллографов. Разные производители при измерении временных интервалов накладывают дополнительные требования для достижения декларируемой погрешности измерения. Так, например, компания  Tektronix для своих осциллографов серии TDS-5000B для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует:

1. Обеспечить амплитуду сигнала не менее 5 делений;
2. Должен быть установлен режим сбора информации «усреднение», с числом усреднений не менее 100;
3. Результат измерения определяется как среднее из массива данных при накоплении 1000 результатов измерения частоты. Это требование в общем, тоже понятно, поскольку классический частотомер, при измерении частоты имеет такой параметр как «время счета», за это время происходит определение среднего значения частоты за весь период измерения, и чем больше время счета, тем более точный результат можно получить. Поскольку осциллограф не имеет времени счета при измерении частоты, то эквивалентом этого параметра является накопление статистики измерения частоты.

Но и это еще не все, различные производители ЦЗО использую различные алгоритмы измерения временных интервалов. Большинство производителей, например Tektronix или Agilent Technologies, используют алгоритм измерения частоты по одному периоду сигнала, находящегося сразу после точки запуска развертки или по первому целому периоду сигнала в левой части экрана. При таком алгоритме измерения, первое, что приносится в жертву время измерения – оно бесспорно увеличивается. Так, практические измерения показывают, что для упомянутого выше осциллографа Tektronix серии TDS-5000B (при длине памяти 2000 точек для минимизации временных затрат на вычислительный процесс), измерение частоты 10 МГц, полученной от рубидиевого стандарта частоты с погрешностью воспроизведения 10-10, время измерения, при выполнении всех требований производителя, составляет 1 минута 23 секунды. Компания LeCroy в своих осциллографах использует алгоритм измерения временного интервала не по одному периоду, а по всем периодам сигнала присутствующим в массиве данных.

Кроме того, компания LeCroy для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует выполнения двух условий:

1. Обеспечить амплитуду сигнала не менее 5 делений;
2. Результат измерения определяется как среднее из массива данных при накоплении 1000 результатов измерения частоты.

 Очевидно, что такой алгоритм измерения обеспечивает следующие преимущества:

1. Значительно повышается скорость измерений;
2. Обеспечивается возможность создания и обработки статистических данных полученных на основе массивов результатов измерений;
3. Возможность получения результатов измерения для динамических сигналов.

Практическое измерение, показывает, что для накопления статистики и получения достоверного результата при измерении частоты 10 МГц, при частоте дискретизации 5 ГГц, необходимо время 100 мс, что в 930 раз меньше, чем требовалось осциллографу Tektronix. Тем более, что за время измерения 1,23 минуты осциллограф Tektronix обеспечил погрешность измерения 27,64 ppm (при допустимой погрешности измерения 15 ppm) смотри рисунок 6 

Рисунок 6

А осциллограф LeCroy WR-6051А, за время измерения 100 мс обеспечил погрешность измерения 1 ppm (при допустимой погрешности измерения 10 ppm) смотри рисунок 7.

Рисунок 7

Практическая ценность измерения временных интервалов по всему числу периодов существующих во входном сигнале, обусловлена не только увеличением скорости измерений, но и увеличением достоверности измерения – очевидно, что если сигнал имеет вандер (медленная флуктуация во времени), то при достаточно большом времени измерения и тем более при использовании функции усреднения, достоверность измерения будет уменьшаться.

Так же совместно совмещение особенности измерения временных интервалов по всей осциллограмме и  режима измерения в выделенной области, дает новые возможности в измерениях сигналов. Так например, на рисунке 8 праведен пример частотно-модулированного сигнала (осциллограмма С1) и модулирующего сигнала (осциллограмма С2). Очевидно, что поскольку модулирующий сигнал имеет вид «ступенька», то и частоты в модулируемом сигнале так же изменяются дискретно.  

Рисунок 8

Включив режим измерения частоты осциллограммы С1 для всех восьми измерений Р1…Р8, с той лишь разницей, что для каждого измерения Р1…Р8 измерения частоты производятся в пределах выделенного окна равного времени одной ступеньки, возможно измерить частоту модулируемого сигнала, соответствующей каждому уровню модулирующего сигнала.

В заключение обзора «простых» режимов измерения хочется особо отметить, что для получения результатов измерения сложных сигналов, иногда не достаточно просто включить тот или иной режим измерения. Комбинирование различных режимов работы цифрового осциллографа, включая математическое операции над сигналом, может оказать существенную пользу при измерении параметров сигнала. Так, например, существует задача измерения временных параметров радиоимпульса – частоты заполнения и периода повторения и длительности импульсов. Если для измерения частоты заполнения, можно использовать методы, описанные выше, то автоматическое измерение периода повторения и длительности радиоимпульсов может вызвать затруднение. Для решения этой задачи необходимо выделить огибающую радиоимпульса и измерить период повторения и длительность. Огибающую радиоимпульса можно выделить используя математическую функцию «прореживание».

Так на рисунке 9 приведен пример радиоимпульса представляющего собой пакет синусоидальных колебаний частотой 1 МГц и периодом повторения 1,543 мс, каждый пакте содержит 428 колебаний частоты 1 МГц.

Рисунок 9

• Осциллограмма С1 – осциллограмма исходного сигнала.
• Осциллограмма Z1 – растяжка одного пакта исходного сигнала.
• Осциллограмма F1 – результат математической обработки функции «прореживание».

Из исходной осциллограммы С1 можно получить следующие результаты:

1. Измерение частоты сигнала заполнения. Измерение производится по всему экрану и результат представлен в окне Р1 – 1,0000062 МГц
2. Числа периодов сигнала в одном пакете  — для этого используется измерение в выделенном окне (крайнего левого пакета) и результат представлен в окне Р5 – 428 периодов сигнала.

Из осциллограммы растяжки Z1 можно визуально оценить форму сигнала заполнения и так же измерить частоту сигнала заполнения (но более точно), результат представлен в окне Р2  — 1,0000004 МГц.

Из осциллограммы математики F1 можно получить следующие результаты:

1. Измерение периода повторения радиоимпульсов. Измерение производится по всему экрану и результат представлен в окне Р3 – 1,5425064 мс.
2. Длительности одного пакета радиоимпульса,  результат представлен в окне Р4 – 428,2652 мкс.

Пост-обработка результатов измерения

В отличие от цифровых осциллографов других производителей, осциллографы LeCroy способны хранить результаты измерения всего массива данных, а это в зависимости от установленных, опций до 6 миллионов результатов измерений. Это массив данных можно представлять в графическом виде, обрабатывать методами математической статистики и выводить результаты статистической обработки, сохранять в виде файлов данных для экспорта в другие программные приложения операционной среды Windows. Все это дает пользователю осциллографов LeCroy широкие дополнительные возможности по анализу сигнала.

График слежения.  Например, существует широтно-импульсно модулированный сигнал (ШИМ), в котором по некоторому закону изменяется длительность импульса и необходимо оценить партеры этого сигнала. Несколько периодов исходного сигнала захвачены осциллографом о отображаются на осциллограмме С1 на рисунке 10.

Рисунок 10

Очевидно, что «широта» импульса в ШИМ сигнале это длительность импульса, измерение Р1, как раз, и обеспечивает измерение длительности импульса сигнала С1. Для наглядности возможностей режима измерения осциллограмма получена в режиме однократного пуска. Из статистического окна измерения Р1 видно, что на всем сигнале произведено 249 измерений длительностей импульса, а поскольку сигнал является динамическим (его параметр «длительность импульса» изменяется во времени), то окошко измерения Р1 дает только общие представления о длительности импульса, как последнее измерение, минимальное значение, максимальное значение и т.д., но не отражает динамики изменения самого параметра «длительность импульса». Осциллографы LeCroy имеют возможность формирования из массива данных измерения так называемого «графика слежения». Этот график представляет собой функцию в которой горизонтальная ось (ось X) представляет собой временную ось, полностью совпадающую с временною осью развертки, а по оси Y (вертикальной оси) располагаются значения результата измерения заданного параметра. В результате чего получается временной график измерений выбранного параметра в пределах одной развертки осциллографа. Из рисунка 10 четко видно, что ШИМ сигнал модулируется по закону близкому к логарифмическому. Используя режим курсорных измерений, достаточно просто подвести курсор к нужному значению длительности на графике слежения (само значение будет отображаться в дескрипторе графика слежения, в данном случае это F4, а положение курсора по временной оси индицируется во временном поле курсора)  и на осциллограмме входного сигнала этим же маркером будет отмечена точка сигнала соответствующая выбранной длительности. Используя растяжку сигнала можно получить изображение сигнала в удобном для визуального наблюдения масштабе – курсор также будет присутствовать на сигнале растяжки.

Для режима измерений возможно задать регистрацию только значений находящихся в пределах указанного допуска. Так, если для сигнала приведенного на рисунке 10 ограничить значения измеренной длительности пределом 440..505 нс, то осциллограф регистрирует только значения длительности находящиеся в этом пределе и тренд F4 приобретает вид, отличный от рисунка 10.

Рисунок 11

Такой вид графика слежения позволяет более наглядно обнаружить на исходном сигнале С1 участки соответствующие заданным пределам длительности.

Если же вернуться к частотно модулированному сигналу, приведенному на рисунке 8, и применить график слежения к результатам измерения частоты в пределах всей осциллограммы (см. рисунок 12), то полученный график даст более наглядный результат изменения частоты в модулированном сигнале, с учетом динамики изменения сигнала в пределах одной модулирующей ступеньки.  

Рисунок 12

На осциллограмме графика слежения так же представляется возможным произвести различные автоматические измерения, характеризующие изменение выбранного параметра. Например, на рисунке 13 осциллограмма С1 представляет собой частотно-модулированный сигнал с несущей 1 МГц, девиацией 200 кГц и частотой модулирующего синусоидального сигнала 1,234 кГц.

Рисунок 13

Осциллограмма F4 представляет собой график слежения изменения частоты в сигнале С1, форма осциллограммы F1 отображает форму модулирующего сигнала. Используя автоматические измерения для данного графика можно определить – минимальное значение частоты (Р4=800 кГц), максимальное значение частоты (Р3= 1,1999 МГц)и частоту модулирующего сигнала (Р2=1,233 кГц). Что совпадает с заданными параметрами ЧМ сигнала.

График слежения образуется из массива измерения амплитудных или временных измерений, он позволяет визуально отследить изменения выбранного параметра в пределах одной развертки, он позволяет, используя курсоры, получить результаты измерения выбранного параметра в точке нахождения курсора, но все же он не является реальным массивом результатов измерения. Так же учитывая алгоритм амплитудных измерений (одни полученный результат из одного прохода развертки осциллографа), график слежения обеспечивает наглядное отображение только временных измерений, при индикации амплитудных измерений график слежения сводится в одну точку, как раз и являющуюся результатом измерений.  Реальный массив измерений в графическом виде  в осциллографах LeCroy может быть представлен так называемым «трендом».

Тренд.  Этот график представляет собой функцию, в которой горизонтальная ось (ось X) представляет ось номера измерения – 1,2,3,4,…n, (эта ось не связана с временною осью развертки осциллографа), а по оси Y (вертикальной оси) располагаются значения результата измерения выбранного параметра. В результате получается график.

Отличиями тренда от графика слежения являются:

1. Тренд стоится по любому выбранному виду измерения амплитудному, временному или вспомогательному. График слежения строится только по временным измерениям.
2. Тренд состоит только из реальных точек значений результатов измерений и представляет собой развернутый массив данных результатов измерений. Число точек тренда задается пользователем и может составлять от 1 до 6 миллионов (в зависимости от типа осциллографа и установленных опций).
3. В зависимости от выбранного режима, тренд может строиться по результатам измерения одного прохода развертки или по всем значения, полученным в результате измерений.
4. При сохранении тренда в файл, сохраняется весь выбранный массив результатов измерений с указанием номера измерения. Далее эти данные можно использовать для обработки внешними средствами.
5. Тренд не имеет возможности регистрации значений находящихся в пределах указанного допуска, он отображает все значения результата измерения.

Так, например, при построении тренда и графика слежения для измеренных значений длительности импульса в нерегулярной последовательности в пределах одной развертки, тренд и график слежения практически совпадают по форме — см. рисунок 14. Разница состоит в том, что график слежения отображает изменение длительности импульсов во времени и имеет более сглаженный вид, а тренд отображает измеренное значение длительности импульса и имеет более «остроконечный» вид).

Рисунок 14

Практическая ценность тренда заключается в возможности не только в кратковременной, но и длительной регистрации и индикации результатов измерений выбранного параметра. В этом случае тренд будет выглядеть как регистрация данных на б

Работа с приборами ЛР 4

Установка требуемых в рабочем задании сигналов с помощью генератора GFG-3015

1. Включить генератор. Включение осуществляется кнопкой СЕТЬ (первая кнопка слева в нижнем ряду).

2. Выбрать форму выходного сигнала генератора. Генератор может формировать сигналы трёх видов: синусоидальный, треугольный и прямоугольный.

Форма выходного сигнала генератора отображается соответствующим значком в верхней строке на экране генератора:

Выбор формы выходного сигнала осуществляется последовательным нажатием кнопки ФОРМА.

3. Установка параметров выходного сигнала: амплитуды и частоты.

Установка частоты:

• Нажать кнопку ЧАСТОТА (первая кнопка во втором ряду справа от экрана), при этом слово «Част» на экране генератора начнет мигать.

• Набрать требуемое цифровое значение частоты,

• Нажать кнопку, соответствующую размерности: Гц, кГц, МГц (кнопки расположены в столбце справа от цифровых кнопок).

При этом на экране генератора будет показано заданное значение частоты (первая строка).

Установка амплитуды:

• Нажать кнопку АМПЛ (вторая кнопка в верхнем ряду), при этом слово «Ампл» на экране генератора начнет мигать.

• Набрать требуемое значение амплитуды сигнала,

• Нажать кнопку В, соответствующую размерности (нижняя кнопка в столбце справа от цифровых кнопок).

При этом на экране генератора будет показано заданное значение амплитуды в вольтах (вторая строка).

Измерение амплитуды и сдвига фазы с помощью осциллографа GDS-2062

Подготовка осциллографа к измерениям

1. Включить осциллограф. Включение осциллографа осуществляется кнопкой ВКЛ/ВЫКЛ (первая кнопка справа от экрана осциллографа в верхнем ряду). При включении осциллографа на его экране появляются:

• осциллограммы сигналов, подаваемых по первому СН1 (подсветка жёлтым светом) и по второму СН2 (подсветка голубым цветом) каналам;

• информация о видах связи по входу каналов СН1 и СН2 с исследуемым сигналом (внизу под масштабной сеткой).

Связь любого канала с исследуемым сигналом может быть установлена по переменному напряжению (сигнал на входной усилитель осциллографа подаётся через конденсатор) или по постоянному и переменному напряжению (сигнал непосредственно подаётся на вход усилителя осциллографа). Изменение вида связи любого канала с сигналом выполняется с помощью кнопки КАН (у канала СН1 кнопка подсвечивается жёлтым светом, а у канала СН2 – голубым) и кнопки F1. Нажатием кнопки КАН вызывается меню, содержащее режимы: (соответственно закрытый вход – на экран осциллографа подается только переменная составляющая сигнала, открытый вход – на экран подаются все составляющие сигнала, и заземление сигнала), а нажатием кнопки F1 устанавливается требуемый вид связи.

• Масштабы по вертикальной и горизонтальной осям. Масштаб по вертикальной оси устанавливается в вольтах – U или милливольтах – mU и соответствует одному большому делению сетки осциллографа. Изменение масштаба на каждом канале выполняется с помощью ручки ВОЛЬТ/ДЕЛ. Меняя масштабы, следует установить оптимальные (как можно лучше использующие поле экрана, но не выходящие за его пределы) размеры изображения сигналов по вертикали на первом и втором каналах. Масштаб по горизонтальной оси устанавливается в миллисекундах – mS или микросекундах S. Изменение масштаба по горизонтальной оси выполняется с помощью ручки ВРЕМЯ/ДЕЛ;

• Функциональное меню, расположенное справа от масштабной сетки (пять окон, соответствующих кнопкам F1÷F5), служит для задания режимов работы осциллографа, различных видов измерений, а также для представления результатов измерений. Все выполняемые осциллографом функции задаются с помощью кнопок четырёх верхних рядов и кнопок F1÷F5.

Ручками СМЕЩЕНИЕ Y установить необходимое положение нулевого уровня как на первом, так и на втором канале.

Ручкой СМЕЩЕНИЕ Х установить оптимальное положение изображения сигнала по горизонтальной оси.

Для улучшения качества измерений выполнить усреднение измеряемых сигналов:

• Нажать кнопку СБОР ИНФ (первая кнопка в верхнем ряду), появится меню;

• С помощью кнопки F3 задать усреднение по выборке из 8 сигналов.

Измерение амплитуды с помощью осциллографа

1. Установить осциллограф в режим измерения нажатием кнопки ИЗМЕРЕНИЯ (вторая слева во втором ряду сверху). При этом на экране появится меню ИЗМЕРЕН.

2. Нажатием одной из кнопок F1÷F5 (первый столбец слева) выбрать окно, в котором будут представлены результаты необходимого вида измерения.

3. Кнопками F1 и F2 установить следующие соответствия источников и каналов:

Источник 1 – Канал 1

Источник 2 – Канал 2.

4. С помощью кнопки F3 из представленного меню видов измерений: АМПЛИТУДЫ, ВРЕМЕНА, ЗАДЕРЖКИ, выбрать вид измерения – АМПЛИТУДЫ.

5. С помощью кнопки F4 из представленного меню выбрать необходимые виды измерения: Vmax, Vmin, Vamp, Vcp, Vp-p (pic to pic – от максимума до минимума) или др.

6. Нажать кнопку F5 для возврата в режим измерения. После этого в выбранном окне появятся результаты измерения выбранного вида.

7. Если в описании лабораторной работы не указан рекомендуемый вид измерений, то для уменьшения погрешности измерения амплитудных значений сигналов рекомендуется измерять параметр Vp-p, тогда амплитуду сигнала можно определить по формуле: U_m = Vp-p / 2. Если при обработке результатов эксперимента будут вычисляться отношения напряжений, то в качестве результатов измерений можно использовать величины Vp-p.

Измерение сдвига фазы с помощью осциллографа

1. Установить осциллограф в режим курсорных измерений. Установка осциллографа в этот режим осуществляется кнопкой КУРСОРЫ (первая кнопка во втором ряду сверху). При этом на экране появляется меню режима КУРСОРЫ:

ГОРИЗОНТ

ВЕРТИК

2. При измерении сдвига фазы одного сигнала относительно другого один из сигналов принимается за опорный (этот сигнал подается на первый канал осциллографа). Фаза этого сигнала принимается равной нулю, а фазы остальных сигналов измеряются относительно выбранного опорного. Рекомендуется в качестве опорного выбирать тот сигнал, фаза которого при выполнении подготовки к работе принималась равной нулю.

3. Для измерения фазы выбираются горизонтальные курсоры. Выбор горизонтальных курсоров осуществляется кнопкой F2. Повторным нажатием кнопки F2 курсорам задаётся активное или пассивное состояние. Если курсор изображен сплошной линией, то он находится в активном состоянии и может перемещаться по горизонтали. Управление перемещением курсора выполняется с помощью вращения ручки УСТАНОВКА (справа наверху). Если курсор изображен штриховой линией, то он в пассивном состоянии и зафиксирован.

4. Перед измерением сдвига фаз необходимо установить закрытые входы осциллографа на обоих каналах (см. раздел «Подготовка осциллографа к измерениям») и совместить нули обоих сигналов на центральной горизонтальной оси сетки осциллографа. Затем с помощью ручки изменения масштаба по горизонтальной оси ВРЕМЯ/ДЕЛ развернуть изображения сигналов так, чтобы расстояние между сигналами в одной фазе занимало не менее 2/3 экрана. Для увеличения точности измерений следует с помощью ручек изменения масштаба по вертикальной оси ВОЛЬТ/ДЕЛ увеличить сигналы так, чтобы их пересечение с центральной горизонтальной осью сетки осциллографа было видно четко. При этом сигналы могут выходить за пределы экрана – это не влияет на точность измерения временных интервалов. Установить курсор, находящийся в активном состоянии на нулевом уровне опорного сигнала. Повторным нажатием кнопки F2 поменять состояние курсоров. Затем другой курсор, находящийся теперь в активном состоянии установить на нулевом уровне сигнала, подаваемого по второму каналу. Результаты измерения сдвига по времени: Т1, Т2, Т=Т1–Т2, представляются в нижней трети окна КУРСОРЫ. Сдвиг фазы, равный фазе сигнала второго канала, можно определить по следующей формуле (в градусах):

=,

где Т – период сигналов, а f – частота генератора.

Измерение АЧХ, ФЧХ с помощью осциллографа GDS-2062

Измерение АЧХ и ФЧХ с помощью осциллографа

1. При измерении АЧХ и ФЧХ в ЛР4 на вход схемы надо подавать синусоидальный сигнал с рекомендованной в описании лабораторной работы амплитудой. Значения частоты вычисляются и записываются в соответствующую таблицу перед началом эксперимента, причем для схем первого порядка в качестве f₀ берутся рассчитанные при выполнении подготовки к работе граничные частоты, а для схемы второго порядка – резонансная частота, найденная при выполнении п. 3.3 рабочего задания. При выполнении эксперимента на генераторе устанавливаются вычисленные значения частоты.

2. При определении АЧХ H(f)= U_вых/U_вх для уменьшения погрешности измерений целесообразно на входе и на выходе измерять параметр V_p—p (размах напряжения).

3. При определении ФЧХ следует измерять сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного, руководствуясь принципами, изложенными в разделе «Измерение сдвига фазы с помощью осциллографа».

4. При измерении t =T – сдвига выходного сигнала относительно входного, необходимо также определять отстает или опережает выходной сигнал входной и вносить в таблицу соответственно знак «+» или «–».

Лабораторная работа по теме «измерение фазовых сдвигов электрических сигналов с помощью осциллографов»

1. Цели занятия

1. Изучить конструкцию, принцип действия и основные технические характеристики универсальных осциллографов.

2. Приобрести практические навыки работы с универсальными осциллографами.

2. Пояснения к занятию

2.1 Краткие теоретические сведения

Фазовым сдвигом двух гармонических сигналов одинаковой частоты

u₁ =U₁ и u₂ =U₂ называется модуль разности их начальных фаз Δ = |φ₁ – φ₂|.

Для измерения фазового сдвига используют способ линейной развертки и способ синусоидальной развертки. Кроме того, известен компенсационный метод измерения фазового сдвига.

2.1.1 Измерение фазового сдвига способом линейной развертки

Для измерения фазового сдвига между двумя гармоническими сигналами способом линейной развертки используются двухканальные или двухлучевые осциллографы. Указанные выше сигналы u₁ и u₂ подаются в каналы вертикального отклонения осциллографа. Генератор развертки при этом включен. Амплитуды обоих сигналов выравнивают, изменяя коэффициенты усиления каналов вертикального и горизонтального отклонения. Осциллограмма на экране осциллографа будет иметь вид, как показано на рис 1.

u₁

u₂

Рис. 1.

Как видно из рис.1, от фазового сдвига Δφ зависит сдвиг сигналов во времени Δt. Измерив сдвиг осциллограмм во времени, зная частоту исследуемого сигнала , определяют фазовый сдвиг по формуле

Δφ = ω Δt = , (1)

где Т = 2π/ω – период исследуемых колебаний.

2.2.2 Измерение фазового сдвига способом синусоидальной развертки

Способ синусоидальной развертки может быть осуществлен с помощью однолучевого осциллографа. В канал вертикального отклонения подается напряжение u_y = U_y sin (ωt + φ), а в канал горизонтального – u_x = U_x sin ωt. Генератор развертки выключен. На экране осциллографа появляется осциллограмма в виде эллипса (рис. 2), уравнение которого имеет вид

y = , (2)

где В и А – максимальные отклонения по вертикали и горизонтали .

Из формулы (2) видно, что если положить x = 0, то получим вертикальный отрезок y₀ = B sin , а положив х = 0, получим горизонтальный отрезок х₀ = А sin φ. Отсюда: sin φ = ± y₀/B = ± x₀/A.

На практике для вычисления фазового сдвига измеряют отрезки 2x₀ или 2y₀ и 2А или 2В, соответственно и по формуле

φ =± arcsin 2х₀ /2А =± arcsin 2y₀/2B (3)

Рис. 2.

2 Задание на лабораторную работу:

2.1. Измерить фазовый сдвиг между двумя гармоническими сигналами с помощью осциллографа с1-83 методом линейной развертки

Собрать схему, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерения фазовых сдвигов

Выбрать режим работы осциллографа таким, при котором на экране ЭЛТ наблюдаются два сигнала, а их переключение осуществляется в конце каждого прямого хода развертки. Установить режим синхронизации «ВНУТР. І». Подать на входы Y каждого из каналов осциллографа сигналы от низкочастотных генераторов Г3-36А и Г3-118 в соответствии с данными таблицы 1. Установить переключатели входов каналов в одинаковое положение. Установить амплитуду изображения на экране ЭЛТ 6-7 делений. Добиться устойчивого изображения. Установить по одному периоду исследуемых сигналов по горизонтали. Расположить кривые по центру экрана. Измерить период опорного сигнала в делениях шкалы. Измерить разность по горизонтали между соответствующими точками сигнала в делениях шкалы. Вычислить фазовый сдвиг по формуле

Δφ = * 360⁰

Выполнить указанные мероприятия для каждого значения сигналов, как указано в таблице 1, полученные результаты занести в таблицу 1. Сделать выводы по проделанной работе.

Таблица 1

	Установленные значения по шкалам генераторов НЧ
Г3-118	Амплитуда, В	3	3	4
	Частота, Гц	10000	20000	30000
Г3-36А	Амплитуда, В	3	3	4
	Частота, Гц	10000	20000	30000
	Δφ , 0	28,8	22,5	33,75

Вывод:

Изучил конструкцию, принцип действия и основные технические характеристики универсальных осциллографов, а также приобрёл практические навыки работы с ними. Измерил фазовый сдвиг между двумя гармоническими сигналами с помощью осциллографа С1-83 методом линейной развёртки.

Основы осциллографических измерений (продолжение) | Keysight Community

В прошлой статье мы познакомились с назначением и областями применения осциллографов, рассмотрели какие бывают осциллографы и что из себя представляют современные цифровые осциллографы.

 

Теперь обсудим более принципиальные для проведения точных и адекватных измерений моменты. Познакомимся с тем, что такое запуск осциллографа и разберемся, как основные характеристики цифровых осциллографов влияют на проведение измерений.

 

Как уже упоминалось ранее, система запуска обеспечивает стабильное, удобное для работы представление сигнала и позволяет синхронизировать систему захвата осциллографа с той частью осциллограммы, которую необходимо исследовать. Органы управления этой системой позволяют подобрать вертикальный уровень запуска (например, напряжение, при котором должен запускаться процесс захвата данных осциллографом) и выбирать между различными возможностями запуска. Ниже рассматриваются примеры наиболее распространенных типов запуска.

 

Запуск по фронту сигнала

Запуск по фронту сигнала является наиболее часто используемым видом запуска. Событие запуска наступает, когда входной сигнал пересекает заданный пороговый уровень напряжения. Вы можете выбрать запуск по нарастающему или по спадающему фронту сигнала. На рисунке 1 показано графическое представление запуска по нарастающему фронту.

 

Рис. 1. При использовании запуска по нарастающему фронту запуск осциллографа осуществляется при достижении напряжения сигнала заданного порогового значения

 

Запуск по импульсной помехе (глитчу)

Запуск по глитчу позволяет осуществлять запуск по событиям или импульсам, длительность которых больше или меньше некоторого заданного промежутка времени. Эта функция очень полезна для поиска случайных импульсных помех или ошибок. Если такие аномалии проявляются не очень часто, то увидеть их бывает довольно затруднительно. Между тем, запуск по глитчу позволяет успешно захватывать бóльшую часть из этих ошибок. На рисунке 2 показана импульсная помеха, захваченная с помощью осциллографа Keysight серии InfiniiVision 6000.

 

Рис. 2. Редкая случайная импульсная помеха, захваченная с помощью осциллографа Keysight серии InfiniiVision 6000

 

Запуск по длительности импульса

Запуск по длительности импульса похож на запуск по глитчу и используется для обнаружения импульсов определенной длительности. Вместе с тем, это более общий вид запуска, так как он дает возможность осуществлять запуск по импульсам любой заданной длительности. При этом может быть выбрана полярность импульса — положительная или отрицательная. Кроме того, можно установить положение запуска по горизонтальной оси. Это позволяет увидеть события, которые произошли до события запуска или после него. Так, например, можно настроить запуск по глитчу, а затем, обнаружив ошибку, исследовать сигнал, предшествующий событию запуска, чтобы найти причину возникновения этой импульсной помехи. Если установить задержку по горизонтальной оси равной нулю, то событие запуска будет расположено в центре экрана. События, произошедшие непосредственно перед событием запуска, будут отображаться в левой части экрана, а те, которые произошли после события запуска, — в правой. Кроме того, пользователь может настроить режим входа запуска, а также установить источник сигнала, по которому будет осуществляться запуск. При этом совсем не обязательно запуск должен осуществляться по исследуемому сигналу, для этого можно использовать любой другой сигнал, имеющий отношение к данной измерительной задаче. На рисунке 3 показан блок органов управления системой запуска на передней панели осциллографа.

 

Рис. 3. Блок органов управления системой запуска осциллографа Keysight серии 2000 X

 

В современных цифровых осциллографах есть и базовые, и расширенные возможности запуска. Например, по определенным последовательным протоколам или ошибкам в этих цифровых сигналах. Также есть и революционные технологии запуска, такие как запуск по прямоугольной зоне, которую сигнал пересекает на экране осциллографа. О таких весьма интересных и продвинутых вещах мы поговорим в других статьях нашего блога.

 

Органы управления входными каналами

Как правило, осциллограф имеет два или четыре аналоговых канала. Они пронумерованы, при этом для каждого канала обычно имеется отдельная кнопка, которая позволяет включать или отключать соответствующий канал (рис. 4).

 

Рис. 4. Блок органов управления входными каналами осциллографа Keysight серии 2000 X

 

На передней панели может располагаться специальный переключатель (или функциональная клавиша), который позволяет задавать тип входа: закрытый (AC) или открытый (DC). Если выбран режим открытого входа, входной сигнал не подвергается обработке и подается непосредственно на усилитель системы вертикального отклонения осциллографа. В режиме закрытого входа фильтруется постоянная составляющая сигнала, и осциллограмма центрируется относительно уровня приблизительно 0 вольт («земля»). Кроме того, с помощью клавиши выбора может быть задан импеданс пробника для каждого канала. Органы управления позволяют также установить тип дискретизации входного сигнала. Используется два основных метода дискретизации сигнала: дискретизация в режиме реального времени и дискретизация в эквивалентном масштабе времени.

 

Дискретизация в режиме реального времени

При дискретизации в режиме реального времени осциллограф захватывает выборки сигнала с частотой, достаточной для точного отображения формы сигнала. Некоторые современные высокопроизводительные осциллографы способны захватывать одиночные сигналы с частотой до 63 ГГц, оцифровывая их в режиме реального времени.

 

Дискретизация в эквивалентном масштабе времени

Дискретизация в эквивалентном масштабе времени позволяет построить форму сигнала по данным нескольких захватов. Одна часть сигнала оцифровывается в процессе первого захвата данных, другая часть — в ходе второго захвата и так далее. Затем все эти данные собираются воедино для воссоздания формы сигнала. Режим дискретизации в эквивалентном масштабе времени особенно полезен для изучения высокочастотных сигналов, которые слишком быстры для использования дискретизации в режиме реального времени (частота более 63 ГГц).

 

Функциональные клавиши

Функциональными клавишами оснащены осциллографы, операционная система которых основана не на ОС Windows. Эти клавиши позволяют перемещаться по меню, отображаемому на дисплее осциллографа. На рисунке 5 показано, как выглядит всплывающее меню, когда нажата функциональная клавиша. Показанное на рисунке конкретное меню предназначено для выбора режима запуска. Вы можете циклически перемещаться по пунктам меню, непрерывно нажимая на функциональную клавишу или вращая поворотный регулятор на передней панели.

 

Рис. 5. Меню выбора типа запуска появляется при нажатии на функциональную клавишу,  расположенную под соответствующим пунктом меню запуска.

 

Основные виды измерений

Цифровые осциллографы позволяют выполнять широкий спектр измерений параметров сигналов. Виды и степень сложности доступных измерений зависят от набора функциональных возможностей вашего осциллографа. Большинство современных осциллографов позволяют выполнять все основные виды измерений.

 

Полный размах (амплитуда) напряжения

При выполнении этого вида измерений определяется разность между самым низким и самым высоким значением напряжения сигнала в течение некоторого периода времени.

 

Рис. 6. Измерение амплитуды сигнала

 

Среднеквадратичное значение напряжения

При выполнении этого вида измерений определяется среднеквадратичное значение напряжения сигнала. Эта величина может использоваться затем для вычисления мощности.

 

Время нарастания

Этот вид измерений позволяет определять интервал времени, в течение которого напряжение сигнала меняется от самого низкого до самого высокого предельного значения. Обычно измеряется время, необходимое для перехода с 10% до 90% от полного размаха сигнала.

 

Рис. 7. Пример измерения времени нарастания (показано измерение по уровню 0-100%  вместо обычно используемого 10-90%).

 

Длительность импульса

При измерении длительности положительного импульса вычисляется промежуток времени, в течение которого напряжение сигнала возрастает от уровня, соответствующего 50% от амплитуды, до его максимального значения, а затем уменьшается до уровня 50%. При измерении длительности отрицательного импульса вычисляется промежуток времени, в течение которого напряжение сигнала снижается от уровня, соответствующего 50% от амплитуды, до его минимального значения, а затем возрастает до уровня 50%.

 

Период

Этот вид измерений служит для определения периода, т.е. интервала времени, через который периодический сигнал повторяет свои значения.

 

Частота

Данный вид измерений служит для определения частоты, т.е. величины, обратной периоду.

 

Этот перечень приведен здесь для того, чтобы дать вам общее представление о том, какие виды измерений можно выполнять с помощью осциллографа. Вместе с тем, следует иметь в виду, что большинство осциллографов обеспечивают намного большее количество измерительных функций.

 

Основные математические функции

Помимо описанных выше видов измерений существует множество других математических операций функций, которые можно производить над сигналами. Ниже приведены примеры таких операций.

 

Преобразование Фурье

Эта математическая функция позволяет видеть гармонические компоненты (частоты), из которых состоит исследуемый сигнал.

 

Абсолютное значение

Эта математическая функция показывает абсолютное значение величины сигнала, выраженное в единицах напряжения.

 

Интегрирование

Эта математическая функция позволяет вычислить интеграл исследуемого сигнала.

 

Сложение и вычитание

Эти математические функции позволяют складывать или вычитать мгновенные значения исследуемых осциллограмм и отображать на дисплее результирующий сигнал.

 

Хотелось бы еще раз отметить, что это — лишь небольшая часть измерительных возможностей, доступных при использовании современных цифровых осциллографов.

 

Основные технические характеристики осциллографов

Многие характеристики осциллографа оказывают значительное влияние на производительность прибора и, соответственно, на вашу способность выполнять точные измерения параметров разрабатываемых устройств. В этом разделе рассматриваются самые важные из этих характеристики. Кроме того, здесь вы ознакомитесь с терминологией, используемой в осциллографии, а также узнаете, как принять обоснованное решение по выбору осциллографа, наилучшим образом отвечающего потребностям тестирования.

 

Полоса пропускания

Полоса пропускания является самой важной характеристикой осциллографа, так как именно она дает представление о диапазоне прибора в частотной области. Иначе говоря, она определяет частотный диапазон, которые осциллограф способен корректно отображать и правильно измерять параметры сигналов. Полоса пропускания измеряется в герцах. Если полоса пропускания не достаточно широка, то осциллограф не сможет точно представить реальный сигнал. Так, например, в этом случае амплитуда сигнала может быть искажена, фронты осциллограммы окажутся не вполне чистыми, а некоторые детали сигнала могут быть потеряны. Полоса пропускания осциллографа — это самое низкое значение частоты, на которой входной сигнал ослабляется на 3 дБ. Другими словами полосу пропускания можно определить так: если на вход осциллографа подается чистый синусоидальный сигнал, то полоса пропускания будет равна минимальной частоте, на которой измеренная амплитуда составляет 70,7% от фактической амплитуды сигнала.

 

В отдельной статье блога мы рассмотрим, как определить минимальную требуемую полосу пропускания для анализа аналоговых или цифровых сигналов.

 

Количество каналов

Термин «канал» означает независимый вход осциллографа. Количество каналов в осциллографе может изменяться в пределах от двух и до двадцати. Обычно в осциллографе два или четыре канала. Каналы могут различаться также в зависимости от типа подаваемого сигнала. Некоторые осциллографы имеют только аналоговые каналы, и такие приборы называются «цифровые запоминающие осциллографы» (DSO). Другие, которые называются «осциллографы смешанных сигналов» (MSO), содержат как аналоговые, так и цифровые каналы. Так, например, осциллографы смешанных сигналов Keysight серии InfiniiVision могут иметь до двадцати каналов, из которых шестнадцать — цифровые, а четыре — аналоговые каналы.

 

Очень важно, чтобы в осциллографе было достаточное для решения данной прикладной задачи количество каналов. Если используется двухканальный прибор, но при этом требуется отображать четыре сигнала одновременно, то это, очевидно, может привести к проблемам.

 

Частота дискретизации

Частота дискретизации осциллографа — это количество выборок, которые осциллограф может захватить за одну секунду. Рекомендуется, чтобы частота дискретизации осциллографа была, по крайней мере, в 2,5 раза больше полосы пропускания прибора. В идеале частота дискретизации должна быть в 3 и более раза больше полосы пропускания.

 

Нужно быть очень осторожным при оценке заявляемых производителем характеристик приборов, в том числе, частоты дискретизации осциллографа. Производители, как правило, указывают максимальное значение частоты дискретизации, которое может обеспечить осциллограф, но иногда эта максимальная скорость оцифровки доступна только при использовании одного или двух каналов. Если одновременно используется большее число каналов, то частота дискретизации может уменьшаться. Поэтому было бы целесообразно проверить, сколько каналов можно использовать, сохраняя при этом указанное максимальное значение частоты дискретизации. Если частота дискретизации слишком низкая, сигнал может не совсем точно отображаться на экране осциллографа. В качестве примера представьте, что вы хотите посмотреть форму сигнала, но частота дискретизации такова, что захватывается всего две точки на период (рис. 8).

 

Рис. 8. Осциллограмма, полученная при частоте дискретизации, обеспечивающей оцифровку двух точек за период

 

Теперь рассмотрим тот же сигнал, но захваченный при более высокой частоте дискретизации, обеспечивающей оцифровку семи точек за период (рис. 9).

 

Рис. 9. Осциллограмма, полученная при частоте дискретизации, обеспечивающей оцифровку семи точек за период

 

Понятно, что чем больше выборок захватывается за секунду, тем более точно будет отображаться сигнал. Если бы мы продолжили увеличивать частоту дискретизации для сигнала, рассмотренного в ранее приведенном примере, то выборки, в конечном счете, выглядели бы практически непрерывными. На самом деле, чтобы заполнить промежутки между выборками, в осциллографах, как правило, используется интерполяция sin(x)/x.

Для получения более подробной информации, касающейся частоты дискретизации в осциллографах, советуем ознакомиться с рекомендациями по применению «Сопоставление частоты дискретизации осциллографа и достоверности оцифровки: как выполнять самые точные измерения цифровых сигналов».

 

Глубина памяти

Как уже упоминалось ранее, в цифровом осциллографе для оцифровки входного сигнала используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Оцифрованные данные затем сохраняются в быстродействующей памяти осциллографа. Глубина памяти указывает, какое точное количество выборок или точек и, соответственно, какой продолжительности временной интервал могут быть сохранены.

 

Глубина памяти имеет большое значение для частоты дискретизации осциллографа. В идеальном мире частота дискретизации будет оставаться постоянной вне зависимости от настроек осциллографа. Между тем, такой идеальный осциллограф потребует огромного объема памяти при больших значениях коэффициента развертки, и, соответственно, будет иметь такую цену, которая способна сильно ограничить количество возможных заказчиков. Вместо этого частота дискретизации уменьшается по мере увеличения интервала времени. Величина объема памяти важна потому, что чем больше глубина памяти осциллографа, тем больше времени можно затратить на захват осциллограмм на полной скорости оцифровки.

 

Математически это можно представить следующим выражением:

 

Глубина памяти = (частота дискретизации) × (продолжительность временного интервала)

 

Таким образом, если вы хотите просматривать длительные интервалы времени с большим разрешением (т.е. малым расстоянием между точками), то вам потребуется прибор с большой глубиной памяти. Также важно проверить быстроту реакции осциллографа на управляющие воздействия, когда он настроен на максимально большой доступный объем памяти. В этом режиме у осциллографов обычно наблюдается серьезное снижение скорости обновления, поэтому многие инженеры используют глубокую память только тогда, когда это критически важно для решения стоящих перед ними задач.

 

Скорость обновления сигналов на экране

Скорость обновления показывает, насколько быстро осциллограф способен запустить сбор данных, обработать захваченную информацию, отобразить ее, а затем подготовиться к следующему запуску. Иногда человеческому глазу может казаться, что осциллограф отображает «живой» сигнал, но это происходит потому, что обновления происходят так быстро, что человеческий глаз просто не успевает заметить изменения. На самом деле, между захватами сигнала существует некоторое мертвое время (рис. 10). В течение этого мертвого времени часть осциллограммы не отображается на экране осциллографа. В результате, если какое-либо редкое событие или глитч произойдут именно в этот момент времени, то их невозможно будет увидеть.

 

Легко понять, почему так важно иметь высокую скорость обновления сигналов на экране. Чем выше скорость обновления сигналов, тем меньше у него величина мертвого времени, что означает более высокую вероятность того, что осциллограф сможет захватить и отобразить редкую аномалию или глитч.

 

Предположим, например, что требуется отобразить сигнал, который содержит глитч, появляющийся один раз на 50 000 циклов. Если осциллограф обеспечивает скорость обновления сигналов на экране 100 000 осциллограмм в секунду, то вы сможете захватить эту аномалию в среднем два раза в секунду. Однако если бы осциллограф имел скорость обновления 800 осциллограмм в секунду, то для того, чтобы увидеть помеху потребуется в среднем одна минута. Это слишком долго.

 

Нужно очень внимательно читать технические характеристики, касающиеся скорости обновления сигналов на экране. В осциллографах некоторые производителей для достижения «баннерных» характеристик скорости обновления требуется обеспечить особые режимы сбора данных. Такие режимы захвата сигналов могут серьезно ограничивать производительность осциллографа, в том числе, сократить объем памяти, уменьшить частоту дискретизации и ухудшить достоверность восстановления формы сигнала. Поэтому было бы целесообразно проверить характеристики осциллографа по отображению осциллограмм при максимальной скорости обновления сигналов на экране.

 

Рис. 10. Графическое представление мертвого времени. Кружками выделены две редкие аномалии, которые не могут быть отображены на дисплее прибора

 

Возможности подключения осциллографов

Современные осциллографы обеспечивают широкий выбор возможностей подключения. Часть из них оснащена портами USB, дисководами DVD-RW, возможностью подключения внешних жестких дисков, портами для подключения внешних мониторов и многим другим. Все эти функциональные возможности упрощают использование осциллографов и передачу данных. Некоторые осциллографы также оснащены операционными системами, которые позволяют осциллографу  функционировать в качестве персонального компьютера. Благодаря внешнему монитору, мыши и клавиатуре вы можете смотреть на дисплей своего осциллографа и управлять своим осциллографом так, как будто он встроен в корпус компьютера. Кроме того, в ряде случаев вы можете также передавать данные с осциллографа на ПК через интерфейсы USB и LAN.

 

Хорошие возможности подключения помогают сэкономить массу времени и упростить выполнение стоящих перед вами задач. Так, например, они позволяют быстро и легко передавать данные на ноутбук или делиться полученными данными с коллегами, находящимися в других странах или даже на других континентах. Они обеспечивают также дистанционное управление осциллографом с компьютера. В мире, в котором эффективная передача данных во многих случаях является настоятельной потребностью, приобретение осциллографа с качественными возможностями подключения представляется очень хорошим вложением средств.

 

Подведем итоги. Мы познакомились с устройством современных цифровых осциллографов, с тем, как выглядит их передняя панель, где находятся и за что отвечают различные органы управления: кнопки и рукоятки. Также мы затронули вопросы правильного запуска осциллографа, основных автоматических измерений и математических функций. И, кроме того, рассмотрели основные характеристики осциллографов, которые в первую очередь влияют на возможность и точность тех или иных измерений.

 

Конечно, в нашем блоге вы еще много раз встретите уже описанные функции и характеристики, и мы будем затрагивать эти вопросы более подробно. Надеемся, каждый найдет для себя что-нибудь полезное. Так что в добрый путь и удачи в ваших измерениях!

2. Измерения синусоидальных сигналов | Техническая библиотека lib.qrz.ru

ЭКСПЕРИМЕНТ 17 Измерения синусоидальных сигналов

Цели

После проведения данного эксперимента Вы сможете измерять при помощи мультиметра и осциллографа напряжения синусоидальных сигналов и осуществлять преобразование эффективных значении в значения размаха и наоборот.

Необходимые принадлежности

* Мультиметр (цифровой мультиметр)

* Осциллограф

* Генератор функций

* Источник постоянного напряжения

* Резистор 2,7 кОм

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Имеется два основных метода измерения напряжений синусоидальных сигналов — при помощи мультиметра и при помощи осциллографа. Если используется мультиметр, показания прибора осуществляются непосредственно в вольтах, которые отмечаются на шкале указателем аналогового прибора или в виде десятичного числа на жидкокристаллическом или светодиодном индикаторе цифрового прибора. При этом представляемое на индикации значение является эффективным значением или среднеквадратическим значением. Оно является также более точным показанием.

Осциллограф визуализирует на экране синусоидальный сигнал. Это наиболее легкий и более точный метод для измерения размаха сигнала. Из двух этих устройств значение мультиметра является более точным, как уже упоминалось. Тем не менее, осциллограф позволяет Вам видеть сигнал, а также любой шум, искажение или помехи, которые могут сопровождать сигнал.

Ограничения приборов

Мультиметр имеет ограничение по высокой частоте. Это предельное значение частоты варьирует от прибора к прибору, однако оно не превышает обычно нескольких тысяч герц. Осциллограф же может выполнять измерения напряжений сигналов с частотой до нескольких мегагерц.

Мультиметр позволяет Вам также измерять ток, тогда как осциллограф нет. При включении мультиметра последовательно с цепью или с компонентом Вы можете получить индикацию эффективной величины тока. Единственным способом измерить ток при помощи осциллографа является косвенный способ, а именно, надо измерить напряжение на резисторе, преобразовать значение размаха в эффективное значение, а затем разделить его на сопротивление резистора.

Формулы преобразования

При выполнении тестов и измерений в электронике обычно является необходимым преобразование

эффективных значении в значения размаха и наоборот. Для преобразования эффективных значении в значения размаха используйте следующие формулы:

Vpp = 2,828 Vrms Ipp = 2,828 Irms

(где: РР — размах, rms — эффективное значение) Для преобразования значений размаха, в эффективные значения используйте следующие формулы:

Vrms= 0,3535 Vpp

Irms= 0,3535 Ipp

Пример: Пусть требуется преобразовать показание 6,3 Vpp в эффективное значение:

Vrms= 0,3535 Vpp = 0,3535 (6,3) = 2,23 В

Пример: Пусть требуется преобразовать эффективное значение тока 7 мА в значение размаха:

Ipp = 2,828 Irms = 2,828 (7) = 19,8 мА

Осциллограф может выполнять также измерения по постоянному току. Смещение горизонтальной линии по вертикали относительно нулевой линии на экране осциллографа представляет собой входной уровень по постоянному току. Для измерения постоянного тока горизонтальную линию развертки совместите с линией координатной сетки, соответствующей нулю. Подайте входной сигнал постоянного тока, затем измерьте смещение по вертикали в делениях и преобразуйте в напряжение.

Краткое содержание

Вы познакомитесь с измерением токов и напряжений синусоидальных сигналов и выполните преобразования единиц в следующей процедуре.

ПРОЦЕДУРА

1. Включите осциллограф и визуализируйте горизонтальную линию.

2. Включите генератор функций, выберите формирование синусоидального сигнала и установите поворотный селектор на 1 кГц. Подключите выход генератора ко входу осциллографа. Визуализируйте сигнал. Отрегулируйте осциллограф для получения стабильной индикации. Отрегулируйте выход генератора до получения значения сигнала 4 V

3. Вычислите эффективное значение (rms) этого синусоидального сигнала. Измерьте эффективное значение при помощи цифрового мультиметра. Сравните Ваши расчетное и измеренное значения.

Vэфф(расчетное) = ______ В

Vэфф (измеренное) = ______ В

4. Измерьте период синусоидального сигнала при помощи осциллографа. Т = _______ секунд

5. Рассчитайте частоту синусоидального сигнала при помощи измеренного Вами периода. Сравните Ваши расчетное и измеренное значения и установку регулятора на генераторе функций.

f = ______ Гц

6. Повторите шаги 2—5 с синусоидальным сигналом 500 мВ на частоте 60 Гц и прямоугольным сигналом 15кГц, 3В Какое значение имеет эффективное напряжение в связи с синусоидальным сигналом?

7. Подключите выход генератора функции к резистору 2, 7 кОм. Отрегулируйте генератор для формирования 9 V с частотой 120 Гц. Проконтролируйте напряжение при помощи осциллографа.

8. Рассчитайте ток через резистор, используя закон Ома.

I = ______ мА

9. Измерьте ток через резистор, используя цифровой мультиметр. Сравните Ваши расчетное и измеренное значения. I = ______ мА

10. Отключите резистор от генератора. Включите один из лабораторных источников постоянного напряжения. Отрегулируйте его на формирование выходного напряжения+ 6 В. Измерьте это выходное напряжение при помощи цифрового мультиметра и осциллографа. Повторите действия для выходного постоянного напряжения-12 В.

11. Подключите выход генератора функций последовательно с источником постоянного напряжения и визуализируйте результирующий сигнал. Установите выходное напряжение источника питания на + 5 В и отрегулируйте генератор функций на 400 Гц и 2 Vpp. Начертите диаграмму комбинированного сигнала.

12. Приведите список источников возможных погрешностей, которые могут быть причиной раз

личий между расчетными и измеренными значениями в предыдущих шагах.

ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чему равно напряжение размаха 85 мВ в переводе на эффективное значение?

а) 6 мВ,

б) ЗОмВ,

в) 170 мВ,

г) 240 мВ.

2. Чему равно эффективное значение 16 мкА в пересчете на значение размаха?

а) 5, 7 мкА,

б) 11, 3 мкА,

в) 7, 07 мкА,

г) 45, 23 мкА.

3. Мультиметр дает индикацию:

а) значений амплитуды,

б) «значений размаха (двойной амплитуды),

в) эффективных значений,

г) средних значений.

4. Осциллограф может измерять постоянный ток:

а) высказывание истинно,

б) высказывание ложно.

5. Какое устройство дает более точные измерения?

а) осциллограф,

б) мультиметр.