Измерение амплитуды сигнала с помощью осциллографа: Измерение амплитуды и временных параметров сигнала

Содержание

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

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.

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%.

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.

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.  

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.

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.

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 – 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:

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

Tоп – погрешность установки частоты опорного генератора;
Fд – частота дискретизации;
Tдж – 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:

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:

 Очевидно, что такой алгоритм измерения обеспечивает следующие преимущества:

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 

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

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.

Из исходной осциллограммы С1 можно получить следующие результаты:

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:

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.

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.

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.  

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.

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:

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).

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 бумажном самописце, но без меток реального времени. При необходимости, изменение интервала регистрации производится изменением настроек схемы синхронизации, например установкой задержки синхронизации по числу событий. Это позволяет регистрировать, отображать и анализировать медленные измерения тех или иных параметров входного сигнала. Так, на рисунке 15 осциллограмма F1 представляет тренд изменения частоты входного сигнала С1, полученный из массива измерения частоты Р1.

На рисунке 16 осциллограмма F1 представляет тренд изменения амплитуды входного сигнала С1, полученный из массива измерения среднеквадратического значения Р1.

Способом аналогичным для графика слежения, на осциллограмме тренда так же можно осуществить различные автоматические измерения, далее строить тренды 2-го уровня для этих измерений, 3-го уровня  и так далее.

Осциллографы LeCroy обеспечивают построение тренда в трех режимах:

На рисунке 17, для сигнала С1 частотой 1 МГц, имеющего медленный дрейф, порядка 10 мГц, одновременно представлены все три типа трендов. F2 — полный, F1 — с усреднением полный, F3 — по одной осциллограмме.

Сочетание различных функциональных особенностей осциллографов LeCroy дает самые широкие возможности при исследовании различных сигналов, процессов и  устройств.

Так, например, режим построения тренда возможно использовать для измерения амплитудно-частотной характеристики устройств. Для этого достаточно синхронизировать процесс изменения частоты на генераторе тестового сигнала с разверткой осциллографа, произвести измерения амплитуды и частоты на выходе  устройства. И по полученным результатам построить тренд изменения амплитуды, что и будет являться АЧХ устройства. Синхронный тренд изменения частоты предназначен для формирования частотных меток АЧХ. Так на рисунке 18 осциллограмма F1 представляет собой АЧХ устройства в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц. Осциллограмма F2, являющаяся трендом частоты идентифицирует частотный диапазон АЧХ. Используя курсорные измерения, возможно считать с АЧХ устройства информацию об амплитуде и частоте.      

Гистограммы.  Возможности построения, анализа и измерения гистограмм цифровыми осциллографами LeCroy являются одной из его отличительных особенностей, по отношению к производителям других ЦЗО, и превращающей просто цифровой осциллограф в мощный аналитический инструмент. Построение гистограмм осциллографом LeCroy является элементом математической статистики, специально адаптированного для анализа форм и параметров электрических сигналов. Гистограмма в http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0 title=Математическая статистика>математической статистике — это http://ru. wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F title=Функция>функция http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%BE%D1%8F%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8 title=Плотность вероятности>плотности вероятности некоторого распределения, построенная на основе выборки из него. Или, говоря другими словами, гистограмма – это  график отображающий степень повторяемости данных в больших массивах. Гистограмма позволяет сжать гигантский размер данных в компактный график, удобный для анализа, измерений ли просто визуальной оценки.. В случае цифрового осциллографа массивом данных выступает массив данных измерения выбранного параметра. Так на рисунке 19 приведена гистограмма измерения сигнала частотой 10 МГц (сам исходный сигнал на картинке не присутствует). Массив данных из которого строится данная гистограмма, собран при измерении частоты Р1 и представляет собой массив размером более 6 миллиона значений измерений частоты.

Поскольку сигнал является стабильным и изменения частоты не происходит, то разброс значений частоты вызван естественными причинами хаотического рода. Такая гистограмма является классической и называется нормальной или Гауссовой. Непрерывная случайная величина X имеет нормальный закон распределения с параметрами α (среднее значение) и σ (сигма или стандартное отклонение), если её плотность вероятности f(x) имеет вид:


Основными параметрами гистограммы являются:

Поскольку гистограмма строится из массива измерения, то основные параметры гистограммы связанны со статистическими данными результатов измерений, так:

Измерение таких параметров как верхнее значение и нижнее значение гистограммы дает значение нижней и верхней частоты в ЧМ сигнале (измерения Р4 и Р5).А амплитудное значении гистограммы деленное на два дает значение девиации ЧМ сигнала – измерение Р6 и  значение 198 кГц. Так же возможно для этой гистограммы использовать курсорные измерения для определения других параметров гистограммы, как диапазон гистограммы, нижнее и верхнее значения. А применение режимов измерения вспомогательных параметров гистограммы, как число пиков гистограммы даёт информацию о количестве стабильных состояний сигнала. Так  возвращаясь к рисунку 10, гистограмма F3, индицирует, что частота сигнала входного сигнала имеет 9 стабильных состояний, а измерение параметров гистограммы даст информацию о распределении частоты во входном сигнале.

Итак, как видно, гистограмма способна преобразовать большой объем информации в очень компактный формат, который может быть легко измерен и проанализирован методами математической статистики.

Список измеряемых параметров в базовой комплектации и при инсталляции основных опций в осциллографах LeCroy.

Автор:  Дедюхин А.А.
Дата публикации:  22.11.2006

Параметр Описание Определение Примечания
Amplitude (Амплитуда) Измеряет разность между верхним и нижним уровнем напряжения в двухуровневых сигналах. Отличается от pkpk (размах) тем, что шум, выбросы, провалы и «звон» не влияют на результат измерения. topbase На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), дает то же значение, что и pkpk.
Стандартный параметр.
Ampl asym (Асимметрия амплитуды) Асимметрия амплитуды между taa+ и taa 1 — |(taa+ — taa-)|/(taa+ — taa-) Аргумент гистерезиса, использующийся для того, чтобы отличать уровни напряжения от шума.
Доступен с опцией DDM2.
ACSN Автокорреляционное отношение сигнал/шум — отношение сигнал/шум для периодических сигналов.   Доступен с опцией DDM2.
Area (Площадь) Интеграл данных: вычисляет площадь под осциллограммой между курсорами относительно нулевого уровня. Значения, большие нуля, дают положительный вклад в площадь, меньшие нуля — отрицательный. Сумма значений сигнала от первой до последней точки, умноженная на интервал времени между крайними двумя точками Стандартный параметр
Base (Основание) Нижнее из двух наиболее вероятных состояний (верхнее состояние — top). Измеряет нижний уровень в двухуровневых сигналах. Отличается от min (минимум) тем, что шум, выбросы, провалы и «звон» не влияют на результат измерения. Значение наиболее вероятного нижнего состояния. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), дает то же значение, что и min.
Стандартный параметр.
Cycles (Количество периодов) Определяет количество периодов периодического сигнала между курсорами. Первый период начинается с первого перепада, следующего за левым курсором. Перепад может быть положительным или отрицательным. Количество периодов периодического сигнала Стандартный параметр.
Сyclic Mean (Циклическое среднее) Вычисляет среднее от значений сигнала. В отличие от обычного среднего, cmean рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов. Среднее значение точек осциллограммы кривой за целое число периодов. Чтобы выбрать этот параметр, выберите Mean из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.
Cyclic Median (Циклическая медиана) Среднее от значений основания и вершины. В отличие от median, рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов. Такое значение, что 50% полученных точек находятся выше его, а другие 50% — ниже. Чтобы выбрать этот параметр, выберите Median из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.
Cyclic RMS (Циклическое действующее значение) Вычисляет квадратный корень из суммы квадратов значений сигнала, деленной на количество точек.  В отличие от rms, рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов. vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за учитываемые периоды.
Чтобы выбрать этот параметр, выберите RMS из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.
Cyclic Std Dev (Циклическое среднеквадратичное отклонение) Среднеквадратичное отклонение значений сигнала от среднего значения. В отличие от sdev, рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов. vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за учитываемые периоды.
Чтобы выбрать этот параметр, выберите Std dev из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.
Delay (Задержка) Время от запуска до первого перепада: измеряет промежуток времени между запуском и первым пересечением уровня 50%, которое следует за левым курсором. С помощью этого параметра можно измерять задержку распространения сигнала, осуществляя запуск от одного сигнала и измеряя задержку на другом Интервал времени между запуском и первым пересечением уровня 50% за левым курсором. Стандартный параметр
Delta delay (Разность задержек) Вычисляет интервал между моментами, когда сигналы от двух источников пересекут уровень 50%. Интервал между прохождением средней точки двумя сигналами. Стандартный параметр.
[email protected] (Разность периодов на заданном уровне) Отклонение длительности каждого периода сигнала от соседних (межпериодное дрожание).   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
[email protected] (Разница времен на заданном уровне) Вычисляет время между пересечением заданных уровней Интервал времени между пересечением заданных уровней на двух источниках сигнала или от запуска до пересечения заданного уровня на одном источнике. Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Стандартный параметр.
Duration (Длительность) Для сигналов, зарегистрированных в однократном режиме, duration = 0. Для  последовательного режима оцифровки это интервал времени между запусками первого и последнего сегмента. Для отдельных сегментов — интервал времени от запуска предыдущего сегмента до запуска текущего сегмента. Для осциллограмм из памяти — время от первого до последнего запуска сохраненной осциллограммы. Интервал времени между первым и последним зарегистрированным массивом данных: для усреднения, гистограмм или осциллограмм, зарегистрированных в последовательном режиме. Стандартный параметр.
[email protected] Часть периода, в течение которой значения сигнала оказываются выше или ниже заданного уровня.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Duty cycle (Скважность) Длительность в процентах от величины периода. width / period Стандартный параметр.
[email protected] (Разность длительностей на заданном уровне) Разность длительностей в соседних периодах, измеряемых по заданному уровню.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
[email protected] Количество фронтов в осциллограмме.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Excel Выполняет измерения в Excel путем передачи в программу одной или двух осциллограмм и чтения результирующего значения параметра.   Доступен с опцией XMAP.
В приборе должна быть установлена программа Excel.
Fall time (Время спада) Измеряет интервал времени между моментами, когда отрицательный фронт сигнала пересекает два заданных уровня. Окончательный результат получается путем усреднения значений, полученных для каждого фронта.
Порог Дист. Ниж.
предел
Верх.
предел
По
умолч.
Ниж. Низк. 1% 45% 10%
Верх. Выс. 65% 99% 90%
Пороги определяют два значения на каждом фронте, по которым рассчитывается время спада. Эти координаты рассчитываются по следующим формулам:
Ниж. = нижний порог ? усиление / 100 + base
Верх. = верхний порог ? усиление / 100 + base
Разность времен пересечения нижнего и верхнего порогов, усредненная по всем отрицательным фронтам. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
Fall 80-20% (Время спада 80-20%) Длительность участка отрицательного фронта импульса от 80% до 20%, усредненная по всем отрицательным фронтам между курсорами Средняя длительность участка отрицательного фронта импульса от 80% до 20% На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
[email protected] (Время спада на заданном уровне) Длительность участка отрицательного фронта импульса между двумя заданными пользователем уровнями. См. также [email protected]. Длительность участка отрицательного фронта импульса между двумя уровнями. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
First (Первая точка) Показывает горизонтальную координату левого курсора. Горизонтальная координата левого курсора. Показывает положение левого курсора. Курсоры являются взаимозаменяемыми: например, левый курсор можно переместить правее правого курсора, после чего параметр first будет показывать положение того курсора, который ранее был справа, а теперь находится слева.
Стандартный параметр.
Frequency (Частота) Период периодического сигнала, измеренный как интервал между взятыми через один моментами пересечения сигналом уровня 50%. Начиная с первого пересечения, следующего за левым курсором, период измеряется для каждой пары пересечений. Полученные значения усредняются, а обратное значение от их среднего дает частоту. 1 / period Стандартный параметр.
[email protected] (Частота на уровне) Частота, измеряемая на заданном уровне и по фронту заданной полярности в каждом периоде сигнала.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
FWHM (Ширина на половине высоты) Измеряет ширину пика гистограммы, имеющего наибольшую площадь, по половине высоты (наполнения) самого высокого пика   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Стандартный параметр в DDA-5005.
FWxx (Ширина на уровне xx) Измеряет ширину пика гистограммы, имеющего наибольшую площадь, на уровне xx% от высоты (наполнения) самого высокого пика   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Half period (Полупериод) Половина периода сигнала.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Hist ampl (Амплитуда гистограммы) Разница значений двух пиков гистограммы с наибольшим наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist base (Основание гистограммы) Значение левого из двух пиков гистограммы с наибольшим наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist maximum (Максимум гистограммы) Значение максимального (крайнего правого) интервала гистограммы с ненулевым наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist mean (Среднее значение гистограммы) Среднее значение данных гистограммы.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist median (Медиана гистограммы) Значение на горизонтальной оси гистограммы, делящее ее на две области с равным наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist minimum (Минимум гистограммы) Значение минимального (крайнего левого) интервала гистограммы с ненулевым наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist rms (Средний квадрат гистограммы) Средний квадрат значений гистограммы.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist sdev (Ср.-кв. отклонение гистограммы) Среднеквадратичное отклонение значений гистограммы.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hist top (Вершина гистограммы) Значение правого из двух пиков гистограммы с наибольшим наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Hold time (Время задержки) Интервал времени от фронта тактового импульса до фронта импульса данных. Порог, полярность фронта и гистерезис для тактовых импульсов и данных устанавливаются независимо. См. также параметр Setup.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Last (Последняя точка) Интервал времени от момента запуска до последнего (правого) курсора. Интервал времени от момента запуска до последнего курсора. Показывает положение правого курсора. Курсоры являются взаимозаменяемыми: например, правый курсор можно переместить левее левого курсора, после чего параметр last будет показывать положение того курсора, который ранее был слева, а теперь находится справа.
Стандартный параметр.
[email protected] (Уровень в точке X) Дает значение сигнала в заданной точке x. Если x находится между двумя точками, выдается интерполированное значение. Если установлен флажок Nearest, этот параметр дает значение сигнала в ближайшей точке.   Стандартный параметр
Local base (Локальная базовая линия) Уровень базовой линии для локальной особенности сигнала.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local bsep (Локальное разделение базовой линии) Локальное разделение базовой линии между положительным и отрицательным фронтами.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local max (Локальный максимум) Максимальное значение локальной особенности сигнала.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local min (Локальный минимум) Минимальное значение локальной особенности сигнала.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local number (Число локальных особенностей) Количество локальных особенностей (пар пик/впадина)   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local pkpk (Локальный размах) Разность значений пика и впадины локальной особенности (lmaxlmin)   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tbe (Интервал между локальными событиями) Интервал времени между событиями  (от локального пика до следующей впадины или от локальной впадины до следующего пика).   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tbp (Интервал между локальными пиками) Интервал времени от локального пика до следующего локального пика   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tbt (Интервал между локальными впадинами) Интервал времени от локальной впадины до следующей локальной впадины   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tmax (Время локального максимума) Временная координата максимума локальной особенности.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tmin (Время локального минимума) Временная координата минимума локальной особенности.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tot (Время выше заданного локального уровня) Количество времени, в течение которого локальная особенность находится выше заданного уровня в процентах от амплитуды (вертикального расстояния от пика до впадины)   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tpt (Время от локального пика до впадины) Интервал времени от локального пика до впадины.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local ttp (Время от локальной впадины до пика) Интервал времени от локальной впадины до следующего локального пика   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Local tut (Время ниже заданного локального уровня) Количество времени, в течение которого локальная особенность находится ниже заданного уровня в процентах от амплитуды (вертикального расстояния от пика до впадины)   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
Mathcad Возвращает значение параметра, используя заданную пользователем функцию Mathcad.   Доступен с опцией XMAP.
В приборе должна быть установлена программа Mathcad версии 2001i и выше.
MATLAB Возвращает значение параметра, используя заданную пользователем функцию MATLAB.   Доступен с опцией XMAP.
В приборе должна быть установлена программа MATLAB.
Maximum (Максимум) Дает значение самой высокой точки осциллограммы. В отличие от top, не предполагает наличия двух уровней. Наибольшее значение осциллограммы  между курсорами. Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных. Дает горизонтальную координату крайнего правого интервала гистограммы с ненулевым наполнением — не путать с maxp.
Max populate (Максимальное наполнение) Пик гистограммы с наибольшим наполнением.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Mean Среднее значение точек кривой во временной области. Вычисляется как центроида распределения гистограммы.   Дает сходные результаты при применении к кривой во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных.
Стандартный параметр.
Median (Медиана) Среднее от значений основания и вершины. Среднее от base и top. Стандартный параметр.
Minimum (Минимум) Дает значение самой низкой точки осциллограммы. В отличие от base, не предполагает наличия двух уровней. Наименьшее значение осциллограммы между курсорами. Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме данных той же осциллограмме. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных массивов данных.
Стандартный параметр.
Mode (Мода) Положение самого высокого пика гистограммы.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Nb Phase (Узкополосная фаза) Измеряет фазу на заданной частоте сигнала (в узкой полосе).   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Nb Power (Узкополосная мощность) Измеряет мощность на заданной частоте сигнала (в узкой полосе).   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
NLTS (Нелинейный переходный сдвиг) Измеряет нелинейный переходный сдвиг prml-сигнала   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Npts (Число точек) Число точек осциллограммы между курсорами.   Стандартный параметр
Overshoot- (Выброс-) Величина выброса, следующего за отрицательным фронтом, в процентах от амплитуды. (basemin) / ampl ? 100 Осциллограмма должна иметь по меньшей мере один отрицательный фронт. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), результаты могут быть непредсказуемыми.
Overshoot+ (Выброс+) Величина выброса, следующего за положительным фронтом, в процентах от амплитуды. (maxtop) / ampl ? 100 Осциллограмма должна иметь по меньшей мере один положительный фронт. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), результаты могут быть непредсказуемыми.
Overwrite (Перезапись) Отношение остаточной и исходной мощности низкочастотной осциллограммы, на место которой записывается более высокочастотный сигнал.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Param Script Сценарий на языке VBScript или JavaScript, принимающий на входе одну или две осциллограммы и выдающий на выходе результат измерения.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Peaks (Число пиков) Количество пиков на гистограмме   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Peak to Peak (Размах) Разность между значениями самой высокой и самой низкой точек осциллограммы. В отличие от ampl, не предполагает наличия двух уровней. maximumminimum Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме осциллограммы той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных массивов данных.
Стандартный параметр.
Percentile (Процентиль) Значение на горизонтальной оси гистограммы, делящее ее на две области, левая из которых имеет наполнение xx% от совокупного.   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Period (Период) Период периодического сигнала, измеренный как интервал между взятыми через один моментами пересечения сигналом уровня 50%. Начиная с первого пересечения, следующего за левым курсором, период измеряется для каждой пары пересечений. Окончательный результат получается путем усреднения всех полученных значений. Здесь Mr — количество положительных фронтов, Mf — количество отрицательных фронтов, Trix — момент времени, в который положительный фронт пересекает уровень x%, а Tfix — момент времени, в который отрицательный фронт пересекает уровень x%.
Стандартный параметр
[email protected] (Период на заданном уровне) Период, измеряемый на заданном уровне и по фронту заданной полярности в каждом периоде сигнала.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Phase (Фаза) Разность фаз между анализируемым сигналом и другим сигналом, используемым в качестве опорного. По вашему выбору отображение может осуществляться в процентах, градуса или радианах. Настроив опорный сигнал, дотроньтесь до вкладки More, чтобы задать нужные параметры сигнала. Разность фаз между анализируемым и опорным сигналом Стандартный параметр.
[email protected] (Наполнение в точке X) Наполнение интервала, имеющего заданную горизонтальную координату. Курсор можно поместить на любой интервал и задать его форму — абсолютную (Absolute), относительную (Reference) или дифференциальную (Difference).   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
PW50 (Длительность импульса на 50%) Средняя длительность импульса в точке посередине между локальной базовой линией и локальным пиком или впадиной.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
PW50- (Длительность отр. импульса на 50%) Средняя длительность импульса в точке посередине между локальной базовой линией и локальной впадиной.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
PW50+ (Длительность полож. импульса на 50%) Средняя длительность импульса в точке посередине между локальной базовой линией и локальным пиком.   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Range (Диапазон) Вычисляет диапазон гистограммы (maxmin)   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Resolution (Разрешение) Отношение значений taa для высокочастотной и низкочастотной осциллограммы taa (HF) / mean taa (LF) * 100 Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Стандартный параметр.
Rise (Время нарастания) Измеряет интервал времени между моментами, когда положительный фронт сигнала пересекает два заданных уровня. Окончательный результат получается путем усреднения значений, полученных для каждого фронта.
Порог Дист. Ниж.
предел
Верх.
предел
По
умолч.
Ниж. Низк. 1% 45% 10%
Верх. Выс. 55% 99% 90%
Пороги определяют два значения на каждом фронте, по которым рассчитывается время спада. Эти координаты рассчитываются по следующим формулам:
Ниж. = нижний порог ? усиление / 100 + base
Верх. = верхний порог ? усиление / 100 + base
Разность времен пересечения нижнего и верхнего порогов, усредненная по всем отрицательным фронтам. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
Rise 20-80% (Время нарастания 20-80%) Длительность участка положительного фронта импульса от 20% до 80%, усредненная по всем положительным фронтам между курсорами Средняя длительность участка положительного фронта импульса от 20% до 80% На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
[email protected] (Время нарастания на заданном уровне) Длительность участка положительного фронта импульса между двумя заданными пользователем уровнями. Длительность участка положительного фронта импульса между двумя уровнями. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.
RMS (Действующее значение) Среднеквадратичное значение данных между курсорами — примерно то же, что и sdev, для осциллограммы с нулевым средним значением. Дает сходные результаты при применении к кривой во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных.
vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за найденное количество периодов (до 100).
Стандартный параметр.
Setup (Задержка предустановки) Интервал времени от фронта импульса данных до фронта тактового импульса.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Skew (Рассогласование) Разность времен между ближайшими фронтами двух сигналов тактовой частоты.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
Std dev (Ср.-кв. отклонение) Среднеквадратичное отклонение данных между курсорами — примерно то же, что и rms для сигналов с нулевым средним значением. Дает сходные результаты при применении к кривой во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных.
vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за найденное количество периодов (до 100).
Стандартный параметр.
TAA Средний размах (разность между значениями пика и впадины) всех локальных особенностей   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
TAA- Средняя отрицательная амплитуда (разность между значениями базовой линии и впадины) всех локальных особенностей   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
TAA+ Средняя положительная амплитуда (разность между значениями пика и базовой линии) всех локальных особенностей   Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.
[email protected] (Ошибка временного интервала на заданном уровне) Разность между фактическим временем пересечения заданного фронта на заданном уровне и ожидаемым идеальным временем. Фронт может быть положительный, отрицательный или оба. В качестве единиц измерения результата можно выбрать время или единичный интервал (UI), который соответствует одному периоду сигнала тактовой частоты.
В диалоге Virtual Clock setup можно выбрать стандартный сигнал тактовой частоты (1,544 МГц) или нестандартные сигналы. Можно также использовать математическую систему фазовой автоподстройки частоты Golden FLL, позволяющую отфильтровать низкочастотное дрожание. Частота среза выбирается пользователем.
Частота среза =
= (1 / 1,667·10-3) ? тактовая частота
Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.
[email protected] (Время на заданном уровне) Интервал времени от запуска до момента пересечения сигналом заданного уровня. Интервал времени от запуска до момента пересечения сигналом заданного уровня. Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Стандартный параметр.
Top (Вершина) Верхнее из двух наиболее вероятных состояний (нижнее состояние — base). Является характеристикой прямоугольных сигналов и определяется из статистического распределения значений сигнала. Значение верхнего наиболее вероятного состояния. Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных массивов данных.
Стандартный параметр.
Total Pop (Совокупное наполнение) Совокупное наполнение гистограммы   Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.Стандартный параметр в DDA-5005.
Width (Длительность импульса) Длительность периодического сигнала, определяемая по пересечению уровня 50%. Если первое пересечение, следующее за левым курсором, дает положительный фронт, то прибор считает, что сигнал состоит из импульсов положительной полярности, и длительность импульса измеряется как интервал времени между соседними положительным и отрицательным фронтами. И наоборот, если это отрицательный фронт, импульс считаются отрицательными, а за длительность импульса принимается расстояние между соседними отрицательным и положительным фронтом. В обоих случаях окончательный результат получается путем усреднения длительностей всех зарегистрированных импульсов. Длительность первого положительного или отрицательного импульса, усредненная по всем похожим импульсам Аналогичен fwhm, однако тот, в отличие от width, применяется только к гистограммам.
Стандартный параметр.
[email protected] (Длительность импульса на заданном уровне) Длительность импульса, измеренная на заданном уровне.   Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума. Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
X at max (X в максимуме) Горизонтальная координата максимального значения между курсорами.   Только для осциллограмм во временной и частотной области.
X at min (X в максимуме) Горизонтальная координата минимального значения между курсорами.   Только для осциллограмм во временной и частотной области.
X at peak (X в пике) Значение n-го по высоте пика гистограммы.   Только для гистограмм.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.

Измерение с помощью осциллографа частоты сигнала, напряжения и разности фаз

2.12.  Измерение с помощью осциллографа частоты сигнала, напряжения

 и сдвига фаз между двумя напряжениями

Перед началом измерений необходимо проверить исправность коаксиального кабеля и определить его сигнальный провод. Проверить исправность коаксиального кабеля проще всего с помощью омметра. Сначала измеряют сопротивление между двумя концами центрального проводника и между двумя концами проводящей оболочки. Эти сопротивления должны быть малыми (сотые доли ома). Затем проверяют отсутствие замыкания между центральным проводником и оплеткой кабеля. Иногда при ремонте коаксиального кабеля проводящая оболочка соединяется с проводником не черного цвета. В этом случае возникает задача определения сигнального проводника кабеля. Она может быть решена двумя способами. В первом случае один провод омметра подключают к центральному проводнику коаксиального разъема, а второй провод омметра поочередно подключают к каждому из двух проводников кабеля. Проводник, для которого сопротивление оказывается близким к нулю, и будет сигнальным. При другом способе определения сигнального провода необходимо, чтобы измерительный прибор (электронный осциллограф, электронный вольтметр) уже был включен в сеть и к нему подключен коаксиальный кабель. Затем касаются поочередно рукой каждого из двух проводников кабеля. Сигнальным будет проводник, при касании которого прибор регистрирует напряжение частотой 50 Гц (наблюдается отклонение луча осциллографа или стрелки вольтметра). Человек выступает в этом случае в роли антенны, принимающей электромагнитные волны, излучаемые питающей сетью.

Осциллограф ОМЛ-ЗМ комплектуется коаксиальным кабелем с литым разъемом, который отремонтировать достаточно сложно. В этом случае в осциллографе устанавливается дополнительное гнездо «земля», а коаксиальный кабель с обоих концов имеет по два внешне одинаковых проводника. Обычно проводники-выводы оплетки делают черного цвета, а сигнального провода – любого другого цвета. Если по внешнему виду измерительного кабеля нельзя опередить сигнальный провод, то можно воспользоваться следующим приемом. Выбрав предположительно сигнальный провод, подключают его ко входу «У» осциллографа, а второй проводник – к корпусу. Устанавливают достаточно высокую чувствительность осциллографа. Затем касаются рукой изоляции провода в средней его части (не касаясь при этом самих проводов!). Если на экране наблюдается сигнал наводки, то сигнальный провод выбран неверно. Если на экране нет изменений сигнала, то провод выбран верно.

Для демонстрации необходимости использования коаксиального кабеля для электронного вольтметра и осциллографа необходимо подать на эти приборы сигнал по обычным проводам и коснуться рукой их изоляции. При этом прибор фиксирует наводки.

Для измерения параметров электрических сигналов ручками смещения сигнала совместите сигнал с делениями шкалы так, чтобы было удобно проводить измерения. Выбирают положения переключателей “В/дел” такими, чтобы размер исследуемого сигнала по вертикали получался от 2 до 6 делений.

Рассмотрим определение частоты исследуемого сигнала.  Пусть период исследуемого сигнала занимает два деления, а длительность развертки установлена 10 мс/дел. Тогда период исследуемого сигнала будет равен:  2 дел × 10 мс/дел = 20 мс. Затем из формулы связи периода и частоты исследуемого сигнала ( f = 1/ T ) определим его частоту: f = 1/ 20 мс = 50 Гц

Рассмотрим теперь, как определяется амплитуда напряжения исследуемого сигнала. Пусть исследуемый сигнал имеет синусоидальную форму. Амплитуда синусоидального сигнала равна половине размаха изображения по вертикали. Для ее нахождения определим сначала, сколько делений занимает изображение сигнала по вертикали. Умножив число делений, соответствующее амплитуде, на коэффициент отклонения в вольтах на деление, получим амплитуду сигнала в вольтах. Например, изображение синусоидального сигнала по вертикали занимает 4 деления. Следовательно, амплитуда  исследуемого сигнала на  экране осциллографа будет составлять два деления. Если коэффициент отклонения равен 5 В/дел, то амплитуда сигнала будет равна 10 В.

Для измерения разности фаз между двумя напряжениями существует несколько способов. Остановимся кратко на двух из них: метод эллипса и с помощью двухлучевого осциллографа. При измерении методом эллипса одно напряжение подается на вход Y осциллографа, а другое – на вход X. Синус угла сдвига фаз равен отношению отрезка а к отрезку b (рис. 2.20 а) при условии, что в отсутствии сигнала электронный луч попадет в центр экрана осциллографа. Очень просто измеряется сдвиг фаз между двумя напряжениями с помощью двухлучевого осциллографа (рис. 2.20 б). Для этого отрезок АB делят на отрезок АС и умножают на 2p.

Как на осциллографе измеряется напряжение сигнала. Измерение силы тока с помощью осциллографа

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!

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 10 КЛАСС.

Знакомство с интерфейсом цифрового осциллографа.

Измерение силы тока с помощью осциллографа

1. Вспомните, что перед изъятием устройства «флэш»-памяти из USB-порта, Вы всегда отключаете напряжение на этом порту, используя опцию «Безопасное извлечение».

Будьте внимательны с USB-портом компьютера, короткое замыкание его контактов может привести к выходу из строя не только порта, но и всего компьютера!!!

Источником постоянного тока в работах по электродинамике будет служить один из USB-портов компьютера. Подсоедините блок коммутации USB-порта с электрической цепью (в дальнейшем источник тока ) к одному из USB-портов. Ко второму USB-порту подсоедините кабелем датчик напряжения осциллографический (в дальнейшем осциллограф ).Подключите щупы осциллографа к выходным клеммам источникапостоянного тока.

Если возникают проблемы с настройкой осциллографа или иного датчика, возможно, вы запустили программу раньше установления драйвера датчика, опросите еще раз датчик

(кнопка ) или перезагрузите программу.

2. Запустите программу «Цифровая лаборатория». В открывшемся окне со списком работ выберите сценарий работы 3.1 «Знакомство с интерфейсом осциллографа». Окно со списком работ можно вызвать и нажав кнопку в верхнем меню программы.

3. Осциллограф – устройство позволяющее измерять напряжение постоянного и

меняющегося во времени электрического сигнала. Используя кнопку , откройте окно настроек параметров компьютера (рис.1)


Рис.1 Ознакомьтесь с содержанием вложенных списков параметров настройки в каждом из

окошек настройки параметров. Осциллограф может измерять одновременно напряжение на двух участках цепи по двум каналам. Установите «галочку» в окошке выбора «красного» канала (Канал №1). Режим работы «авто» и развертку «5 мс/дел», чувствительность Канала №1 «1 В/дел», положение нулевой линии «0», вид сигнала «Постоянный» * , установите «галочку» в окошках «Отображение сигнала» и

* Опция «Переменный» в окне «Вид сигнала» при настройке параметров регистрации осциллографического датчика позволяет отсечь постоянную или медленно меняющуюся (с характерным временем около 0,1 с) составляющую напряжения и показывать только быстро меняющийся сигнал (с характерным временем 0,05с и менее). В наборе работ «Цифровая лаборатория. Базовый уровень» такая опция нигде не используется.

«Отображение нулевой линии». Параметры в остальных окнах можно пока не менять. Зафиксируйте выбранные параметры (кнопка )

4. Запустите измерения в программе «Цифровая лаборатория (кнопка ) и после прописывания нулевой линии красной линией подключите выводы осциллографа в «красной» оплетке к клеммам источника тока. Обратите внимание, в какую сторону смещается сигнал при подключении кабеля с синим наконечником к клемме источника

«+», а с красным наконечником – к клемме «минус». Остановите измерения (кнопка )

и левой кнопкой мыши установите желтый вертикальный маркер на рабочем поле на первом делении по горизонтали. Обратите внимание на числовые значения напряжения

и времени в левом верхнем углу (или в нижней части окна) окна регистрации. Время

отсчитывается от зеленого вертикального маркера, стоящего на левой границе рабочего поля. Вы можете сместить зеленый маркер правой кнопкой мыши. Клик правой кнопкой за левой границей окна регистрации возвращает зеленый маркер на левый край поля.

5. Вернитесь в окно установки параметров осциллографа, измените чувствительность по напряжению Канала №1 и временную развертку. Включите регистрацию по Каналу №2, установив в окне вида сигнала (рис.1) – «Постоянный». Приняв параметры, проверьте, как изменились показания осциллографа на рабочем поле. Заменив щупы Канала №1 (красного) на щупы Канала №2, проверьте, как работает Канал №2, затем снимите сигнал с источника обоими каналами, присоединив клеммы каналов так, чтобы сигнал от них был разной полярности.

6. Соберите электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора с сопротивлением 200 Ом, переменного сопротивления (его сопротивление меняется от 0 до 100 Ом), светодиода, ключа и источника тока. К выходным клеммам источника тока подключите клеммы Канала №1 осциллографа, а к концам резистора 200 Ом – клеммы Канала №2 (рис.2). Замкнув ключ и вращая ручку переменного сопротивления, убедитесь, что показания на клеммах источника тока не меняется, а напряжение на резисторе 200 Ом меняется синхронно с изменением яркости светодиода (светодиод будет гореть, только если соблюдена верная полярность подведенного напряжения). Остановите регистрацию при максимальной яркости светодиода и замерьте напряжение на резисторе в 200 Ом.


сопротивлением Rш=10 Ом (рис.3), оставив щупы осциллографа на резисторе 200 Ом. Замкните цепь, запустите регистрацию, и, остановив регистрацию, убедитесь, что напряжение на резисторе в 200 Ом и яркость светодиода не изменились. Резистор в 10 Ом с сопротивлением малым по сравнению с общим сопротивлением цепи будем называть шунтом . Шунт в данной цепи уменьшает силу тока примерно на 5%, то есть

не влияет и на напряжение на элементах в цепи и яркость светодиода. Включая его в участок цепи, через который нужно измерить силу тока, измеряя напряжение на нем, измеряют силу тока, поскольку для резистора выполняется закон Ома I=U/R.

8. Исключите из цепи (рис.3) светодиод. Переключите щупы Канала №1 осциллографа с

источника тока, на шунт. Откройте вкладку «Исходные данные» (кнопка ) и внесите в

таблицу значение сопротивления шунта = 10 Ом (рис.4).


Рис.4 Выберите полярность подключения осциллографического датчика таким образом, чтобы

по каждому из каналов регистрировался положительный сигнал. Запустите регистрацию и, получив сигнал с обоих каналов осциллографа, остановите регистрацию. Установив желтый маркер на экран. Перейдите на вкладку «Таблица окна «Обработка» и выберите ячейку в столбце «U, В» (рис. 5).


(синяя оплетка кабеля осциллографа и синий цвет сигнала на экране) осциллографа в выбранную ячейку Таблицы. Для заполнения столбца с напряжением на шунте выберите ячейку в столбце «Uш, В» (рис.5) и нажмите кнопку красного цвета — значение напряжения измеренного на Канале №1 (красная оплетка и красный цвет сигнала на экране) отправится в соответствующую ячейку Таблицы. Рассчитайте значение силу тока через шунт и внесите ее в ячейку в нижней части таблицы (рис.5). После внесения «Исходных данных» эта «серая» ячейка становится «желтой», при внесении правильного значения – «зеленой», при внесении ошибочного значения – «красной». При «зеленой» ячейке дальнейшие расчеты значения и заполнение соответствующих ячеек в Таблице осуществляется автоматически (рис.6).


9. Запустите регистрацию и, меняя положение ручки резистора с переменным напряжением, добейтесь смены напряжения на резисторе 200 Ом и силы тока (и соответственно напряжения на шунте) в цепи. Останавливая запись, зарегистрируйте несколько значений напряжений на резисторе и шунте. Без заполнения нескольких строк в Таблице построения Графика (см.п.10) не будет осуществляться.

ВНИМАНИЕ! Напоминаем, что увеличение числа строк в Таблице осуществляется кнопкой на клавиатуре при заполнении хотя бы одной ячейки в предыдущей строке.

10. Перейдите на вкладку «График U(Iш) зависимости напряжения на резисторе 200 Ом от силы тока через резистор (она равна силе тока через шунт) и проанализируйте полученный график. Выбрав в окошке подбора функций для описания экспериментального графика функцию Y=AX (подбор наилучшей прямой осуществляется по нажатию на кнопку рядом с окном выбора вида функции, рис.7), убедитесь, что закон Ома U=RI выполняется, а коэффициент пропорциональности А соответствует

значению сопротивлению резистора R 200 Ом.


11. Занесите в Отчет (кнопка ) один из экранов с сигналом осциллографа, содержание вкладок « Исходные данные» и «Таблица», полученный график U(I), а также фото последней электрической цепи, на которой проводились измерении, сделанное с помощью ВЕБ — камеры, и скриншот окна настроек осциллографа (сочетание клавиш Alt-PrtScr), при которых проводились измерения.

ВНИМАНИЕ! Копирование в Отчет содержимого любой вкладки окна «Обработка» и кадр видео с установкой, регистрируемый ВЕБ – камерой, осуществляется в место, указываемое не курсором клавиатуры, а КУРСОРОМ МЫШИ. Содержимое вкладки НЕ ВСТАВЛЯЕТСЯ В ОТЧЕТ, ЕСЛИ ВЫ НЕ ОТКРЫВАЛИ эту вкладку.

Генератор развертки вырабатывает импульсы напряжения пилообразной формы (рис.3). Эти импульсы подаются на пластины, вызывающие отклонение луча по оси X . Под действием напряжения пилообразной формы луч движется медленно с постоянной скоростью слева на право и скачком, незаметно для наблюдающего, в обратном направлении. Медленное движение луча называется прямым ходом, а быстрое — обратным ходом луча. Рис. 3

Если на У пластины напряжение не подано, то при прямом ходе луч на экране осциллографа вычерчивает горизонтальную линию — линию развертки. При одновременной подаче переменного напряжения на У — пластины, на экране вычерчивается кривая изменения входного напряжения во времени. Частота генератора развертки должна соответствовать частоте исследуемого напряжения. Чаще всего частота генератора развертки ниже или равна частоте исследуемого сигнала, кроме этого, каждое новое колебание генератора начинается при одной и той же фазе исследуемого напряжения. В противном случае изображение на экране становится неустойчивым и затрудняет измерения.

Современные осциллографы снабжены генератором развертки с калиброванной частотой. Это означает, что частота генератора изменяется ступенчато и каждому положению переключателя частоты генератора развертки соответствует обозначенное на переключателе значение времени  прохождения луча в горизонтальном направлении (например, = 1 мс/дел.). Известное время прохождения луча по экрану осциллографа позволяет довольно просто измерять интервалы времени между двумя мгновенными значениями напряжения исследуемого сигнала. Например, измеряют время одного или нескольких периодов исследуемого сигнала t = mT и рассчитывают его частоту по формуле

f = m / t = m / , (1) где m число полных колебаний измеряемого сигнала (m = 1, 2, 3…),

Т период колебаний входного напряжения.

Измерение напряжений и токов

Усилитель вертикального отклонения снабжен ступенчатым делителем напряжения. Каждое положение переключателя соответствует определенному значению напряжения k , приходящемуся на одно деление шкалы осциллографа (например k = 1 В/дел.). Для измерения амплитудного значения входного напряжения его изображение рукояткой установить так, чтобы осевая линия проходила симметрично относительно верхнего и нижнего края осциллограммы. Отсчитав расстояние от осевой линии до точки, соответствующей максимальному отклонению луча по вертикали в делениях шкалы осциллографа, рассчитать напряжение, умножив получившееся значение на цену деления шкалы k . При синусоидальном входном напряжении действующее значение напряжения получится путем введения множителя

или, если измерен размах амплитуды – от нижнего края осциллограммы до верхнего,

или (2)

Если измерен размах амплитуды – от нижнего края осциллограммы до верхнего.

Для измерения силы тока в разрыв исследуемой цепи включают резистор минимально возможной величины, напряжение на котором пропорционально протекающему току. Величину тока рассчитывают по закону Ома.

Не следует забывать, что осциллограф в первую очередь предназначен для визуализации электрических процессов. Относительная погрешность измерения напряжений составляет в лучшем случае несколько процентов. Для более точных измерений необходимо использовать соответствующие измерительные приборы.

Базовые измерения времени и амплитуды с помощью осциллографа TBS2000: Часть 3 из 3 серии XYZs

В этом посте рассматриваются основные измерения времени и амплитуды с использованием координатной сетки и экранных курсоров на новом осциллографе TBS2000. Сначала мы шаг за шагом рассмотрим выполнение измерений времени, фазы и амплитуды, а также способы быстрого удаления измерений напряжения и времени с экрана осциллографа, а также с помощью курсоров. Затем мы рассмотрим использование автоматизированных функций, которые могут повысить скорость и точность.

Прежде чем приступить к измерениям, проверьте несколько вещей, чтобы убедиться, что ваши измерения максимально точны. Эти советы полезны независимо от того, измеряете ли вы на глаз или используете автоматические измерения на осциллографе:

  1. Убедитесь, что затухание щупа на осциллографе правильно установлено для используемого щупа.
  2. Убедитесь, что сигнал запускается правильно, чтобы он был стабильным.
  3. Отрегулируйте масштаб по вертикали, чтобы использовать как можно большую часть экрана, не обрезая верх или низ.
  4. Установите масштаб по горизонтали, чтобы расширить интересующую вас часть сигнала. Будьте осторожны, чтобы не слишком сильно замедлить масштаб по горизонтали, так как это может привести к недостаточной выборке и наложению спектров.

Самый простой способ получить быструю оценку результатов измерения времени и амплитуды — использовать масштабную шкалу или сетку на дисплее осциллографа. Масштабная сетка TBS2000 имеет 15 делений по горизонтали, что позволяет вам видеть больше и быстрее оценивать проекты. Большинство базовых прицелов имеют всего 10 делений по горизонтали и 10 делений по вертикали (а у некоторых их всего восемь).Каждое основное подразделение разбито на пять второстепенных подразделений.

Для измерения амплитуды вы подсчитываете количество делений по вертикали, занимаемых вертикальным сигналом сигнала, а затем умножаете на масштаб по вертикали. В приведенном ниже примере показан процесс измерения размаха напряжения сигнала. Чтобы немного упростить подсчет делений, вы можете сдвинуть форму сигнала с помощью ручек вертикального положения, чтобы совместить хотя бы один конец вашего измерения с основными делениями сетки или центральной линией.Теперь вы можете измерить высоту в делениях. Здесь сигнал занимает четыре основных подразделения и два второстепенных подразделения. Каждое второстепенное деление равно 0,2 деления. Таким образом, сигнал имеет 4,4 деления снизу вверх, и поскольку каждое деление представляет 1 В, сигнал составляет 4,4 В от пика к пику.

Измерение амплитуды

Аналогично измерению амплитуды можно также измерять время. Просто подсчитайте количество делений по горизонтали, а затем умножьте на настройку масштаба по горизонтали, как показано на изображении ниже.Это позволяет найти период сигнала.

Один цикл сигнала занимает 2,5 деления по горизонтали. Горизонтальный масштаб установлен на 400 микросекунд на деление. Период составляет 2,5 деления, умноженное на 400 мкс на деление, что равно 1 мс. Когда у вас есть период, вы можете рассчитать частоту — обратную периоду. В этом примере математика довольно проста — период в 1 мс соответствует частоте в 1 кГц.

Период измерения

Вы даже можете получить приблизительное представление о разнице фаз между двумя сигналами с одинаковой частотой.В приведенном ниже примере сигналы выглядят так, будто они сдвинуты по фазе примерно на 45 градусов. Чтобы подтвердить это измерениями, вам может понадобиться калькулятор. Сначала измерьте разницу во времени между двумя сигналами. В этом случае два сигнала сдвинуты по фазе на 120 мкс. Чтобы преобразовать время в угол, умножьте его на 360 градусов, деленное на период. В этом случае 360 градусов представляют собой период в 1 мс. Таким образом, коэффициент преобразования составляет 360 000 градусов в секунду. И 120 мкс, умноженные на 360 000 градусов в секунду, дают разность фаз около 43 градусов (что очень близко к нашему первоначальному предположению!)

Измерение фазы между двумя сигналами

Измерение на глаз выполняется быстро, но не очень точно и, как мы отмечали выше, требует немного математических расчетов.Маркеры на экране, называемые курсорами, могут помочь вам выполнить более точные измерения времени и амплитуды. В этом прицеле вы можете включить маркеры экрана, нажав кнопку курсора.

Осциллограф TBS2000 имеет три типа курсоров:

  1. Временные или вертикальные курсоры
  2. Амплитудные или горизонтальные курсоры
  3. Экранные курсоры

Экранные курсоры представляют собой комбинацию горизонтальных и вертикальных курсоров для измерения времени и амплитуды. Давайте поближе познакомимся с курсорами времени, которые вы, вероятно, будете использовать чаще всего.

Многие прицелы имеют курсоры, но то, как вы их перемещаете, будет различаться в зависимости от инструмента. В этом прицеле вы перемещаете курсоры, поворачивая «многофункциональную ручку». Значение времени, связанное с отдельными позициями курсора, и разница между ними отображаются на экране. Несмотря на то, что они называются «курсорами времени», они также отслеживают форму сигнала и показывают напряжение.

Курсоры времени

Чтобы измерить период сигнала с помощью курсоров, поместите их ровно на один цикл сигнала.Разница во времени между курсорами указывает период сигнала. Курсоры времени также можно использовать для вычисления разницы во времени между двумя каналами путем выравнивания курсоров по точкам пересечения нуля одним и тем же фронтом на двух каналах.

Выравнивание временных курсоров

Далее идут курсоры амплитуды. Эти курсоры отлично подходят для измерения уровня или разности напряжений без отслеживания формы сигнала. Вы измеряете размах напряжения сигнала, устанавливая курсоры на положительные и отрицательные пики.Отдельные курсоры дадут вам максимальное и минимальное значения, а значение разности курсоров даст вам размах напряжения.

Амплитудные курсоры

Наконец, экранные курсоры содержат два курсора времени и два курсора амплитуды, которые можно перемещать по отдельности для получения измерений времени и амплитуды.

Экранные курсоры

Использование масштабной сетки или курсоров обеспечивает отличные оценки напряжения и времени.Однако точность ограничена разрешением координатной сетки, выравниванием курсора и разрешением экрана. Современные цифровые осциллографы имеют встроенные функции автоматического измерения, которые выполняют измерения данных цифрового сигнала, преобразованного аналого-цифровым преобразователем в осциллографе. Поскольку измерения выполняются на оцифрованных значениях сигнала, они не подвержены ошибкам, вносимым глазом.

В осциллографе TBS2000 доступ к функциям измерения можно получить, нажав кнопку MEASURE.В меню измерений представлен разбитый на категории список всех доступных функций измерения. Вы можете прокручивать измерения и выбирать нужные. Полезные советы также отображаются внизу, чтобы объяснить различия между каждым измерением.

Меню измерений

В приведенном ниже примере показаны некоторые из наиболее распространенных автоматических измерений — частота, период, размах, амплитуда, максимум и минимум. Измерения отображаются на дисплее вместе с осциллограммой.

Отображение основных измерений

Изменение масштаба по вертикали, чтобы максимально использовать диапазон вашего прицела, повысит точность ваших измерений. Однако осциллограмма должна оставаться внутри экрана осциллографа. Если сигнал обрезан, измерения будут ненадежными, и вы получите предупреждение. Точно так же, если горизонтальный масштаб слишком мал, а осциллограф не имеет более полного цикла, он не сможет вычислить измерения периода или частоты.

Некоторые измерения включают более одного канала, например измерения фазы или задержки. Для этих измерений необходимо указать, какие каналы использовать. Первый канал, который вы указываете, обычно является эталонным. В этом примере мы выполняем измерение фазы от канала 1 до канала 2, включив измерения частоты и периода для сигнала на канале 2.

В этом случае измерение фазы дает отрицательное значение, что означает, что канал 1 отстает от канала 2.Некоторые измерения для канала 2 показаны голубым цветом на изображении ниже, того же цвета, что и осциллограмма.

Измерение фазы

В некоторых осциллографах, в том числе в TBS2000, функции автоматического измерения позволяют определить часть формы сигнала, используемую для расчета измерения, которая называется GATING измерения. Опцией по умолчанию является вся осциллограмма (или полная запись). Это означает, что любое выбранное вами измерение будет применяться ко всем данным сигнала.

Подменю ОТДЕЛЕНИЕ

Другим вариантом стробирования является применение измерения к той части сигнала, которая отображается на экране, как показано на рисунке ниже:

Опция GATING для применения измерения к отображаемому сигналу

Вы также можете использовать стробирование курсора, чтобы ограничить измерение частью сигнала между курсорами.

На этом мы завершаем наше руководство по измерению амплитуды и времени с использованием координатной сетки, экранных курсоров и функций измерения на цифровом осциллографе.Чтобы просмотреть видеоверсию этого руководства, обязательно ознакомьтесь с учебными пособиями по осциллографам XYZ на канале Tektronix на YouTube.

Определение амплитудно-частотного измерения осциллографа

Инженеры-электрики считают осциллограф одним из самых важных приборов в своей лаборатории. Работать без него все равно что работать вслепую, поскольку осциллограф дает инженерам четкое представление о скрытом мире электронных сигналов.

Помимо визуального отображения уровня напряжения цепи в определенной точке, осциллограф также обеспечивает визуальное отображение выходного сигнала датчика.Поскольку большинство сигналов носят циклический характер или повторяются в определенный период времени, знание частоты повторения сигналов имеет первостепенное значение.

Чтобы измерить амплитудную частоту осциллографа, пользователь должен сначала подать сигнал на входной порт осциллографа. Сигналы можно использовать через специальный зонд или через менее сложный кабель.

Затем пользователь должен установить источник запуска, чтобы осциллограф начал сканирование. Это время, когда осциллограф начинает отображать кривую.Исходя из порогового уровня, триггер может изменять наклон самого сигнала. Он также может исходить из другого источника.

Шкала напряжения должна быть установлена ​​таким образом, чтобы весь вертикальный диапазон сигнала отображался как можно больше, но при этом помещался на экране осциллографа. Временная развертка также должна быть установлена ​​так, чтобы можно было легко распределить отображение полного цикла сигнала по экрану — слева направо.

Затем пользователь должен выбрать начальную и конечную точки для полного цикла.Точкой может быть максимальное напряжение до следующего максимума или точка, в которой напряжение проходит через нуль на пути к отрицательному от положительного, или любая другая легко идентифицируемая особенность сигнала.

Следует отметить, что сигналы бывают различной формы. Таким образом, пользователи должны «отмечать» или определять начальную и конечную точки. Эту маркировку можно выполнить, сделав снимок экрана, поместив «метки» на осциллограф или просто взглянув на дисплей осциллографа, в зависимости от осциллографа.Это также может быть выполнено с помощью осциллографа, который будет автоматически измерять частоту.

Затем пользователь должен измерить количество делений по горизонтали между начальной и конечной точками. Чтобы определить период сигнала, количество делений необходимо умножить на временную развертку.

Обратное отношение периода дает частоту. Например, измеренное значение 2,5 мс (2,5 тысячных секунды или 2,5 миллисекунды) соответствует частоте 1/(2.-6 сек) или 400 000 циклов в секунду, или 400 килогерц. В зависимости от осциллографа расчет может быть выполнен с помощью карандаша и бумаги или мгновенно определен и проанализирован статистически для тысяч импульсов и предложен как часть дисплея.

Прежде чем остановиться на конкретном измерении частоты, пользователи должны убедиться, что они тщательно изучили сигнал, чтобы определить, является ли измерение точным представлением всего сигнала, а не артефактом определенного триггера или выбранной характеристики сигнала.

Как определить, какая полоса пропускания необходима для моего приложения?

Полоса пропускания цифрового осциллографа, часто называемая аналоговой полосой пропускания, относится к полосе пропускания усилителя переднего входа осциллографа и эквивалентна фильтру нижних частот. Полоса пропускания осциллографа определяется как частота, при которой амплитуда наблюдаемого сигнала падает на -3 дБ (или падает до 70,7% от ее фактического значения) при увеличении частоты тестового сигнала, как показано на амплитудно-частотной характеристике (рис. 1). ).


Рис. 1: Амплитудно-частотная характеристика.

Если входной сигнал представляет собой синусоиду, полоса пропускания осциллографа должна быть равна или больше основной частоты входного сигнала. Для несинусоидальных сигналов (прямоугольные волны, импульсы, цифровая связь и т. д.) полоса пропускания, в 5 и более раз превышающая основную частоту, является адекватной отправной точкой, но может быть слишком малой для точных измерений времени нарастания. Полоса пропускания, в 10 раз превышающая основную частоту (гармоника 1-го порядка), может быть более подходящей.

Частотный состав (или ширина полосы) сигнала влияет на измерение двумя способами:

1. Гармоники более высокого порядка фильтруются из-за узкой полосы пропускания, а исходная форма сигнала искажается, становясь похожей на синусоиду.

2. Отображаемое и измеренное время нарастания будет искажено, а погрешность амплитуды увеличится.

На рис. 2 показан прямоугольный сигнал с полосой пропускания 10 МГц, который отображается на полосе пропускания 200 МГц и осциллографе с полосой пропускания 10 МГц.


Осциллограф с полосой пропускания 200 МГц – правильный


Осциллограф с полосой пропускания 10 МГц – искажение

Рис. 2. Прямоугольная волна с частотой 10 МГц, наблюдаемая на осциллографе с полосой пропускания 200 МГц, в сравнении с осциллографом с полосой пропускания 10 МГц. Обратите внимание, как осциллограф с полосой пропускания 10 МГц ослабляет более высокочастотные компоненты, которые искажают форму волны при просмотре на приборе.

Время нарастания обычно определяется как время, за которое сигнал переходит от 10 % до 90 % от своего максимального значения.


Рис. 3 Время нарастания

Возможность измерения времени нарастания осциллографа напрямую связана с его полосой пропускания.

Связь следующая:

T (нарастание) = 0,35 / полоса пропускания осциллографа (ниже 1 ГГц)

Погрешность измерения легко вычислить. Давайте посмотрим на полосу пропускания 100 МГц, время нарастания прямоугольной волны 3,5 нс, как это было бы измерено осциллографом с полосой пропускания 100 МГц:

Время нарастания осциллографа 100 МГц = 0,35/100 МГц = 3,5 нс

Время нарастания входного сигнала =

Ошибка измерения = (4,95 нс – 3,5 нс) / 3,5 нс = 0.414 = 41%

Для повышения точности измерения проведем те же расчеты, но на этот раз выберем осциллограф с полосой пропускания в 5 раз выше:

Время нарастания осциллографа 500 МГц = 0,35/500 МГц = 0,7 нс

Отображаемое время нарастания сигнала =

Погрешность измерения = (3,569 нс – 3,5 нс) / 3,5 нс = 0,0198 = 2 %

Это иногда называют пятикратным правилом выбора полосы пропускания осциллографа:

Требуемая полоса пропускания осциллографа = самая высокая частотная составляющая измеряемого сигнала x 5

Погрешность измерения осциллографа с использованием пятикратного правила будет меньше ± 2%, что достаточно для большинства измерений.

Почему измеренная амплитуда меньше реальной? | Лилипут (OWON)

Попробуйте небольшой тест. Используйте осциллограф на 100 МГц для измерения сигнала с частотой 100 МГц и амплитудой 3,3 В. Измеренная амплитуда неточна. Эта проблема относится к полосе пропускания осциллографа.

 

Что такое пропускная способность?

Полоса пропускания — важный параметр осциллографа, но что такое полоса пропускания? Полоса пропускания относится к аналоговой полосе пропускания аналогового входного каскада осциллографа и напрямую определяет возможности измерения сигнала осциллографом.В частности, полоса пропускания осциллографа является самой высокой частотой, когда амплитуда синусоидальной волны, измеренная осциллографом, не ниже амплитуды истинного синусоидального сигнала в 3 дБ (т. е. 70,7% истинной амплитуды сигнала), также известного как -3 дБ. вне частотной точки. По мере увеличения частоты сигнала способность осциллографа точно отображать уровень сигнала снижается.

 

Когда измеренная частота синусоиды равна ширине полосы осциллографа (усилитель осциллографа для гауссовой характеристики), мы видим, что погрешность измерения составляет около 30%.Если требуется, чтобы погрешность измерения составляла 3%, частота измеряемого сигнала должна быть намного ниже полосы пропускания осциллографа. Например, при использовании осциллографа с частотой 100 МГц для измерения синусоидального сигнала частотой 100 МГц, 1 В пик-пик, измерения будут иметь синусоидальный сигнал 100 МГц, 0,707 Впик-пик. Это относится только к синусоидальной волне, поскольку большинство форм волны намного сложнее, чем синусоидальная волна, они будут содержать более высокие частоты. Поэтому для достижения определенной точности измерения мы используем общий закон осциллографов, который обычно называют 5-кратным стандартом:

Требуемая полоса пропускания осциллографа = максимальная частота измеряемого сигнала * 5

 

2.Выберите пропускную способность правильно

 

Сложные сигналы в волновой форме формируются множеством различных гармонических синусоидальных сигналов, и полоса пропускания этих гармоник может быть очень широкой. Когда полоса пропускания недостаточно велика, гармонические составляющие не будут эффективно усиливаться (блокироваться или ослабляться), что может вызвать искажение амплитуды, потерю фронта, потерю данных и т. д. Характеристики сигнала, такие как звонки, тона и т. д., будут искажены. не имеют эталонного значения.

Таким образом, для измерений сигналов различных частот очень важна правильная полоса пропускания.При измерении высокочастотных сигналов, таких как измерение кварцевого резонатора 27 МГц, следует использовать измерение полной полосы пропускания.

Если ограничение полосы пропускания включено, то есть ограничение полосы пропускания установлено на 20 МГц, кривая кристалла будет искажена, и измерение не будет иметь значения. При измерении низкочастотных сигналов следует установить ограничение полосы пропускания, чтобы включить фильтр помех высокочастотных сигналов, чтобы сигнал отображался более четко.

 

3.Полоса пропускания и время нарастания

 

Что касается пропускной способности, нельзя игнорировать время нарастания. Время нарастания обычно определяется как время, за которое амплитуда сигнала изменяется от 10 % от максимального устойчивого значения до 90 %.

 

Полоса пропускания осциллографа может напрямую отображать минимальное время нарастания сигнала. Время нарастания осциллографической системы можно оценить по указанной полосе пропускания. Вы можете использовать формулу: RT (время нарастания) = 0.35 / BW (полоса пропускания) (осциллограф ниже 1 ГГц) для расчета.

 

Где 0,35 — масштабный коэффициент между полосой пропускания осциллографа и временем нарастания (10–90 % времени нарастания в модели Гаусса первого порядка). Согласно приведенной выше формуле, если полоса пропускания осциллографа составляет 200 МГц, можно вычислить RT = 1,75 нс, то есть минимальное наблюдаемое время нарастания.

Советы по использованию БПФ с осциллографом