Осциллограф

редактировать
Электронно-лучевая трубка осциллографа Внутренняя часть электронно-лучевой трубки для использования в осциллографе. 1. Отклоняющие пластины; 2. Электронная пушка; 3. Электронный пучок; 4. Фокусирующая катушка; 5. Внутренняя сторона экрана с люминофорным покрытием. A Портативный аналоговый осциллограф Tektronix модели 475A, типичный прибор конца 1970-х. Осциллограф, отображающий разряд конденсатора

осциллограф, ранее назывался осциллограф и неофициально известный как scope или o-scope, CRO (для электронно-лучевого осциллографа), или DSO (для более современного цифрового запоминающего осциллографа ), представляет собой тип электронного испытательного прибора, который графически отображает изменяющиеся напряжения сигналов, обычно в виде откалиброванного двухмерного графика одного или нескольких сигналов как функции времени. Затем отображаемая форма сигнала может быть проанализирована на предмет таких свойств, как амплитуда, частота, время нарастания, временной интервал, искажение и другие. Первоначально для расчета этих значений требовалось вручную измерить форму волны по шкале, встроенной в экран прибора. Современные цифровые инструменты могут вычислять и отображать эти свойства напрямую.

Осциллограф можно настроить так, чтобы повторяющиеся сигналы можно было наблюдать на экране в виде постоянной формы волны. Осциллограф с памятью может фиксировать отдельное событие и отображать его непрерывно, поэтому пользователь может наблюдать события, которые в противном случае появлялись бы слишком быстро, чтобы увидеть их напрямую.

Осциллографы используются в науке, медицине, машиностроении, автомобилестроении и телекоммуникационной отрасли. Инструменты общего назначения используются для обслуживания электронного оборудования и лабораторных работ. Осциллографы специального назначения могут использоваться, например, для анализа автомобильной системы зажигания или для отображения формы волны сердцебиения в виде электрокардиограммы.

Ранние осциллографы использовали электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в качестве элемента отображения (поэтому их обычно называли CRO) и линейные усилители для обработки сигналов. В запоминающих осциллографах использовались специальные запоминающие ЭЛТ для стабильного отображения одного краткого сигнала. Позднее CRO были в значительной степени вытеснены цифровыми запоминающими осциллографами (DSO) с тонкопанельными дисплеями, быстрыми аналого-цифровыми преобразователями и процессорами цифровых сигналов. DSO без встроенных дисплеев (иногда называемых дигитайзерами) доступны по более низкой цене и используют компьютер общего назначения для обработки и отображения сигналов.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Функции и использование
    • 2.1 Описание
      • 2.1.1 Размер и портативность
      • 2.1.2 Входы
      • 2.1.3 Датчики
    • 2.2 Передняя панель Элементы управления
      • 2.2.1 Управление фокусировкой
      • 2.2.2 Управление интенсивностью
      • 2.2.3 Астигматизм
      • 2.2.4 Поиск луча
      • 2.2.5 Сетка
      • 2.2.6 Элементы управления временной разверткой
      • 2.2.7 Регулировка задержки
      • 2.2.8 Регулировка вертикальной чувствительности, связи и полярности
      • 2.2.9 Регулировка горизонтальной чувствительности
      • 2.2.10 Регулировка вертикального положения
      • 2.2.11 Регулировка горизонтального положения
      • 2.2.12 Элементы управления двойной трассой
      • 2.2.13 Элементы управления отложенной разверткой
      • 2.2.14 Элементы управления запуском развертки
    • 2.3 Основные типы развертки
      • 2.3.1 Запуск развертки
      • 2.3.2 Задержка
        • 2.3.2.1 Пример
      • 2.3.3 Автоматический режим развертки
      • 2.3.4 Рекуррентные развертки
      • 2.3.5 Одинарные развертки
      • 2.3.6 Развертки с задержкой
    • 2.4 Осциллографы с двумя и несколькими трассами
    • 2.5 Вертикальный усилитель
      • 2.5.1 Режим XY
      • 2.5.2 Z-вход
    • 2.6 Полоса пропускания
  • 3 Другие функции
    • 3.1 Примеры использования
      • 3.1.1 Фотографии использования
    • 3.2 Использование в автомобилях
    • 3.3 Выбор
    • 3.4 Программное обеспечение
  • 4 Типы и модели
    • 4.1 Электронно-лучевой осциллограф (CRO)
    • 4.2 Двухлучевой осциллограф
    • 4.3 Аналоговый запоминающий осциллограф
    • 4.4 Цифровые осциллографы
    • 4.5 Осциллографы смешанных сигналов
    • 4.6 Осциллографы смешанного диапазона
    • 4.7 Портативные осциллографы
    • 4.8 Осциллографы на базе ПК
    • 4.9 Сопутствующие инструменты
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

История

Трубка Брауна была известна в 1897 году, а в 1899 году Джонатан Зеннек оборудовал ее с лукообразующими пластинами и магнитным полем для заметания следа. Первые электронно-лучевые трубки применялись экспериментально для лабораторных измерений еще в 1920-х годах, но страдали от плохой стабильности вакуума и катодных эмиттеров. В. К. Зворыкин описал в 1931 году прочно герметичную электронно-лучевую трубку высокого вакуума с термоэлектронным эмиттером. Этот стабильный и воспроизводимый компонент позволил General Radio изготавливать осциллограф, который можно было использовать вне лаборатории. После Второй мировой войны излишки электронных компонентов стали основой возрождения Heathkit Corporation, и комплект осциллографа за 50 долларов, сделанный из таких частей, стал первым успехом на рынке.

Особенности и использование

Стандартная передняя панель осциллографа осциллограф, отображающий кривую со стандартными входами и элементами управления

Описание

Аналоговый осциллограф, как показано на рисунке, обычно разделен на четыре части: дисплей, вертикальные элементы управления, горизонтальные элементы управления и элементы управления триггером. Дисплей обычно представляет собой ЭЛТ с горизонтальными и вертикальными контрольными линиями, называемыми сеткой. ЭЛТ-дисплеи также имеют элементы управления для фокусировки, интенсивности и луча.

Вертикальная секция регулирует амплитуду отображаемого сигнала. Эта секция имеет ручку переключения вольт на деление (Вольт / деление), переключатель переменного / постоянного тока / заземления и вертикальный (первичный) вход для прибора. Кроме того, эта секция обычно оснащена ручкой вертикального положения луча.

Горизонтальная секция управляет временной разверткой или "разверткой" инструмента. Первичным элементом управления является селекторный переключатель «Секунды на деление» (Sec / Div). Также имеется горизонтальный вход для построения сигналов двойной оси X-Y. Ручка горизонтального положения луча обычно находится в этой секции.

Секция триггера управляет начальным событием развертки. Триггер может быть настроен на автоматический перезапуск после каждого цикла или может быть настроен на реакцию на внутреннее или внешнее событие. Основными элементами управления этой секции являются переключатели источника и селектора связи, а также вход внешнего триггера (вход EXT) и регулировка уровня.

В дополнение к базовому прибору большинство осциллографов поставляются с пробником. Пробник подключается к любому входу прибора и обычно имеет резистор, в десять раз превышающий входное сопротивление осциллографа. Это дает коэффициент затухания 0,1 (–10X); это помогает изолировать емкостную нагрузку, создаваемую кабелем зонда, от измеряемого сигнала. У некоторых пробников есть переключатель, позволяющий оператору при необходимости обходить резистор.

Размер и портативность

Большинство современных осциллографов - это легкие портативные приборы, достаточно компактные, чтобы их мог носить один человек. Помимо портативных устройств, рынок предлагает ряд миниатюрных инструментов с батарейным питанием для полевых сервисов. Осциллографы лабораторного класса, особенно более старые модели, в которых используются вакуумные лампы, обычно являются настольными устройствами или устанавливаются на специальных тележках. Осциллографы специального назначения могут быть монтированы в стойку или постоянно в корпусе специального прибора.

Входы

Измеряемый сигнал подается на один из входных разъемов, который обычно представляет собой коаксиальный разъем, например, BNC или типа UHF. Связующие стойки или банановые заглушки могут использоваться для низких частот. Если у источника сигнала есть собственный коаксиальный разъем, то используется простой коаксиальный кабель ; в противном случае используется специальный кабель, называемый «пробник », поставляемый с осциллографом. В общем, для повседневного использования испытательный провод с открытым проводом для подключения к наблюдаемой точке не подходит, и, как правило, необходим зонд. Осциллографы общего назначения обычно имеют входной импеданс 1 МОм параллельно с небольшой, но известной емкостью, например 20 пикофарад. Это позволяет использовать стандартные пробники осциллографа. Осциллографы для использования с очень высокими частотами могут иметь входы 50 Ом. Они должны быть либо напрямую подключены к источнику сигнала 50 Ом, либо использоваться с Z 0 или активными пробниками.

Менее часто используемые входы включают один (или два) для запуска развертки, горизонтальное отклонение для дисплеев в режиме X ‑ Y и осветление / затемнение трассы, иногда называемые входами оси z.

Датчики

Открытые измерительные провода (гибкие провода) могут воспринимать помехи, поэтому они не подходят для сигналов низкого уровня. Кроме того, выводы имеют высокую индуктивность, поэтому они не подходят для высоких частот. Для сигналов низкого уровня лучше использовать экранированный кабель (например, коаксиальный кабель). Коаксиальный кабель также имеет меньшую индуктивность, но более высокую емкость: типичный кабель с сопротивлением 50 Ом имеет около 90 пФ на метр. Следовательно, прямой коаксиальный пробник длиной один метр (1x) нагружает цепь с емкостью около 110 пФ и сопротивлением 1 МОм.

Для минимизации нагрузки используются зонды аттенюатора (например, зонды 10X). В типичном пробнике используется последовательный резистор 9 МОм, зашунтированный конденсатором малой емкости для создания RC-компенсированного делителя с емкостью кабеля и входом осциллографа. Постоянные времени RC настроены для соответствия. Например, резистор серии 9 МОм шунтируется конденсатором 12,2 пФ на постоянную времени 110 микросекунд. Емкость кабеля 90 пФ параллельно входу осциллографа 20 пФ и 1 МОм (общая емкость 110 пФ) также дает постоянную времени 110 микросекунд. На практике существует регулировка, позволяющая оператору точно согласовать низкочастотную постоянную времени (так называемая компенсация датчика). Согласование постоянных времени делает затухание независимым от частоты. На низких частотах (где сопротивление R намного меньше реактивного сопротивления C) схема выглядит как резистивный делитель; на высоких частотах (сопротивление намного больше реактивного) схема выглядит как емкостный делитель.

В результате получился пробник с частотной компенсацией для умеренных частот. Он представляет собой нагрузку около 10 МОм, шунтированную на 12 пФ. Такой пробник является усовершенствованием, но он не работает хорошо, когда шкала времени сокращается до нескольких времен прохождения кабеля или меньше (время прохождения обычно составляет 5 нс). В этот период времени кабель выглядит как его характеристический импеданс, и отражения от несоответствия линии передачи на входе осциллографа и зонда вызывают звон. В современном осциллографе используются линии передачи с низкой емкостью и сложные схемы формирования частоты, чтобы пробник 10X хорошо работал на нескольких сотнях мегагерц. Следовательно, существуют другие настройки для завершения компенсации.

Пробники с ослаблением 10: 1 являются наиболее распространенными; для больших сигналов (и немного меньшей емкостной нагрузки) можно использовать пробники 100: 1. Существуют также пробники, которые содержат переключатели для выбора соотношения 10: 1 или прямого (1: 1), но последняя настройка имеет значительную емкость (десятки пФ) на конце пробника, потому что тогда емкость всего кабеля подключается напрямую.

В большинстве осциллографов предусмотрены коэффициенты ослабления пробника, отображающие эффективную чувствительность на конце пробника. Исторически сложилось так, что в некоторых схемах автоопределения использовались индикаторные лампы за полупрозрачными окнами на панели для освещения различных частей шкалы чувствительности. Для этого на разъемах пробника (модифицированные BNC) был дополнительный контакт для определения затухания пробника. (Определенное значение резистора, подключенного к земле, «кодирует» затухание.) Из-за износа пробников и несовместимости схем автоопределения осциллографов разных производителей масштабирование пробников с автоопределением не является надежным. Точно так же ручная установка ослабления пробника может привести к ошибке пользователя. Неправильная установка масштабирования пробника является распространенной ошибкой и приводит к искажению показаний в 10 раз.

Специальные высоковольтные пробники образуют компенсированные аттенюаторы на входе осциллографа. Они имеют большой корпус зонда, и некоторые из них требуют частичного заполнения контейнера, окружающего последовательный резистор, летучим жидким фторуглеродом для вытеснения воздуха. На торце осциллографа есть коробка с несколькими настройками подстройки формы сигнала. В целях безопасности защитный диск удерживает пальцы пользователя подальше от исследуемой точки. Максимальное напряжение находится в нижних десятках кВ. (Наблюдение за скачком высокого напряжения может создать ступенчатую форму волны со ступенями в разных точках при каждом повторении, пока наконечник датчика не соприкоснется. До этого момента крошечная дуга заряжает наконечник датчика, а его емкость удерживает напряжение (разомкнутая цепь). напряжение продолжает расти, другая крошечная дуга заряжает наконечник дальше.)

Существуют также токовые пробники с сердечниками, которые окружают проводник, по которому проходит ток, который необходимо исследовать. Один тип имеет отверстие для проводника и требует, чтобы провод был пропущен через отверстие для полупостоянного или постоянного монтажа. Однако другие типы, используемые для временного тестирования, имеют сердечник, состоящий из двух частей, который можно закрепить вокруг провода. Внутри зонда катушка, намотанная вокруг сердечника, подает ток на соответствующую нагрузку, и напряжение на этой нагрузке пропорционально току. Этот тип датчика определяет только переменный ток.

Более сложный датчик включает в себя датчик магнитного потока (датчик Холла ) в магнитной цепи. Зонд подключается к усилителю, который подает (низкочастотный) ток в катушку, чтобы погасить воспринимаемое поле; величина тока обеспечивает низкочастотную часть формы волны тока вплоть до постоянного тока. Катушка по-прежнему улавливает высокие частоты. Есть объединяющая сеть, похожая на кроссовер громкоговорителей.

Элементы управления на передней панели

Управление фокусом

Этот элемент управления регулирует фокус ЭЛТ для получения наиболее резких и детализированных кривых. На практике при наблюдении очень разных сигналов фокус необходимо немного отрегулировать, поэтому это должен быть внешний контроль. Управление изменяет напряжение, подаваемое на фокусирующий анод внутри ЭЛТ. Плоские дисплеи не нуждаются в этом элементе управления.

Управление яркостью

Регулирует яркость следа. Для медленных кривых на осциллографах с ЭЛТ требуется меньше, а для быстрых, особенно если они не часто повторяются, требуется большая яркость. Однако на плоских панелях яркость следа по существу не зависит от скорости развертки, поскольку внутренняя обработка сигнала эффективно синтезирует отображение из оцифрованных данных.

Астигматизм

Вместо этого этот элемент управления может называться «формой» или «формой пятна». Он регулирует напряжение на последнем аноде ЭЛТ (непосредственно рядом с отклоняющими пластинами Y). Для круглого пятна последний анод должен иметь тот же потенциал, что и обе Y-образные пластины (для центрированного пятна напряжения Y-образных пластин должны быть одинаковыми). Если анод сделать более положительным, пятно станет эллиптическим в X-плоскости, поскольку более отрицательные Y-пластины будут отражать луч. Если анод сделать более отрицательным, пятно станет эллиптическим в Y-плоскости, поскольку более положительные Y-пластины будут притягивать луч. Этот контроль может отсутствовать в более простых конструкциях осциллографов или даже может быть внутренним контролем. Это не обязательно для плоских дисплеев.

Устройство поиска луча

Современные осциллографы имеют усилители отклонения с прямой связью, что означает, что трасса может отклоняться за пределы экрана. Их луч также может быть отключен без ведома оператора. Чтобы помочь в восстановлении видимого изображения, схема искателя луча отменяет любое гашение и ограничивает отклоненный луч видимой частью экрана. Схемы поиска луча часто искажают трассу при активации.

Сетка

Сетка - это сетка из линий, которые служат в качестве ориентиров для измерения отображаемой кривой. Эти отметки, независимо от того, расположены они непосредственно на экране или на съемном пластиковом фильтре, обычно состоят из сетки размером 1 см с более близкими отметками (часто 2 мм) по центральной вертикальной и горизонтальной оси. Ожидается, что на экране появится десять основных разделов; количество основных вертикальных делений варьируется. Сравнение разметки сетки с осциллограммой позволяет измерить как напряжение (вертикальная ось), так и время (горизонтальная ось). Частоту также можно определить путем измерения периода формы сигнала и вычисления его обратной величины.

На старых и более дешевых осциллографах с ЭЛТ сетка представляет собой лист пластика, часто со светорассеивающей маркировкой и скрытыми лампами на краю сетки. Лампы имели регулировку яркости. В более дорогих инструментах на внутренней стороне ЭЛТ нанесена сетка для устранения ошибок параллакса ; у лучших также было регулируемое краевое освещение с рассеивающей маркировкой. (Рассеивающие маркировки выглядят яркими.) Цифровые осциллографы, тем не менее, генерируют сеточные маркировки на дисплее так же, как и кривые.

Внешние сетки также защищают стеклянную поверхность ЭЛТ от случайных ударов. Некоторые осциллографы с ЭЛТ с внутренней сеткой имеют немаркированный светофильтр из тонированного листового пластика для повышения контрастности следа; это также служит для защиты лицевой панели ЭЛТ.

Точность и разрешающая способность измерений с использованием координатной сетки относительно ограничены; у лучших инструментов иногда есть подвижные яркие маркеры на следе. Это позволяет внутренним схемам выполнять более точные измерения.

И калиброванная чувствительность по вертикали, и калиброванное время по горизонтали устанавливаются с шагом 1–2–5–10. Однако это приводит к некоторым неудобным интерпретациям второстепенных подразделений.

Цифровые осциллографы генерируют сетку в цифровом виде. Таким образом, масштаб, интервал и т. Д. Сетки можно изменять, и точность показаний может быть улучшена.

Элементы управления временной разверткой

Компьютерная модель воздействия увеличения временной развертки / деления

Они выбирают горизонтальную скорость пятна ЭЛТ при создании кривой; этот процесс обычно называют разверткой. Во всех современных осциллографах, кроме самых дешевых, скорость развертки выбирается и калибруется в единицах времени на одно деление основной сетки. Обычно обеспечивается довольно широкий диапазон скоростей развертки, от секунд до пикосекунд (в самом быстром) на деление. Обычно бесступенчатый регулятор (часто ручка перед откалиброванной ручкой переключателя) предлагает неоткалиброванные скорости, обычно более низкие, чем откалиброванные. Этот элемент управления обеспечивает диапазон несколько больший, чем калиброванные шаги, делая доступной любую скорость между шагами.

Контроль задержки

Некоторые аналоговые осциллографы более высокого уровня имеют контроль задержки. Это устанавливает время после запуска, в течение которого схема развертки не может быть запущена снова. Это помогает обеспечить стабильное отображение повторяющихся событий, в которых некоторые триггеры могут создавать запутанные изображения. Обычно его устанавливают на минимум, потому что большее время уменьшает количество разверток в секунду, что приводит к более тусклому следу. См. Задержка для более подробного описания.

Элементы управления вертикальной чувствительностью, связью и полярностью

Чтобы приспособиться к широкому диапазону входных амплитуд, переключатель выбирает калиброванную чувствительность вертикального отклонения. Другой элемент управления, часто расположенный перед ручкой калиброванного селектора, предлагает плавно изменяемую чувствительность в ограниченном диапазоне от калиброванных до менее чувствительных настроек.

Часто наблюдаемый сигнал смещается устойчивой составляющей, и интерес представляют только изменения. Переключатель входной связи в положении «AC» подключает конденсатор последовательно со входом. При этом проходят только изменения (при условии, что они не слишком медленные («медленный» означает видимый). Однако, когда сигнал имеет фиксированное смещение, представляющее интерес, или изменяется довольно медленно, пользователь обычно предпочитает связь «постоянного тока», которая обходит любой такой конденсатор. Большинство осциллографов предлагают вариант входа постоянного тока. Для удобства, чтобы увидеть, где в настоящее время отображается вход нулевого напряжения на экране, многие осциллографы имеют третье положение переключателя (обычно обозначается "GND" для заземления), которое отключает вход и заземляет его.. Часто в этом случае пользователь центрирует кривую с помощью регулятора вертикального положения.

Лучшие осциллографы имеют переключатель полярности. Обычно положительный вход перемещает кривую вверх; переключатель полярности предлагает опцию «инвертирования», в котором положительный сигнал отклоняет кривую вниз.

Регулятор чувствительности по горизонтали

Этот регулятор присутствует только в более сложных осциллографах; он предлагает регулируемую чувствительность для внешних горизонтальных входов. активный wh en прибор находится в режиме X-Y, т.е. внутренняя развертка по горизонтали отключена.

Управление вертикальным положением

Компьютерная модель вертикального смещения y-положения, изменяющегося синусоидальным образом

Управление вертикальным положением перемещает всю отображаемую трассу вверх и вниз. Он используется для установки трассы без ввода точно по центральной линии координатной сетки, но также позволяет смещать по вертикали на ограниченную величину. При прямом подключении регулировка этого элемента управления может компенсировать ограниченную составляющую постоянного тока на входе.

Управление положением по горизонтали

Компьютерная модель управления положением по горизонтали с увеличением смещения по x

Элемент управления положением по горизонтали перемещает дисплей вбок. Обычно он устанавливает левый конец трассы на левом краю координатной сетки, но при желании может сместить всю трассу. Этот элемент управления также перемещает кривые режима X-Y в сторону в некоторых инструментах и ​​может компенсировать ограниченную составляющую постоянного тока для вертикального положения.

Элементы управления с двумя трассами

* (См. Ниже Осциллографы с двумя и несколькими трассами.)

Элементы управления с двумя трассами зеленая трасса = y = 30 sin (0,1t) + 0,5 бирюзовый след = y = 30 sin (0.3t)

Каждый входной канал обычно имеет свой собственный набор элементов управления чувствительностью, связью и положением, хотя некоторые осциллографы с четырьмя кривыми имеют минимальные элементы управления для третьего и четвертого каналов.

Осциллографы с двумя трассами имеют переключатель режима для выбора одного канала, обоих каналов или (в некоторых случаях) отображения X ‑ Y, который использует второй канал для отклонения по оси X. Когда отображаются оба канала, на некоторых осциллографах можно выбрать тип переключения каналов; в других тип зависит от настройки временной развертки. При выборе вручную переключение каналов может быть автономным (асинхронным) или между последовательными развертками. Некоторые аналоговые осциллографы Philips с двумя трассами имели быстрый аналоговый умножитель и отображали произведение входных каналов.

Осциллографы с несколькими трассами имеют переключатель для каждого канала, позволяющий включать или отключать отображение кривой канала.

Элементы управления разверткой с задержкой

* (см. Раздел «Развертка с задержкой» ниже.)

К ним относятся элементы управления разверткой развертки с задержкой, которая откалибрована и часто также может изменяться.. Самая низкая скорость на несколько шагов выше, чем самая низкая скорость основной развертки, хотя самая быстрая, как правило, такая же. Калиброванный многооборотный регулятор времени задержки предлагает широкий диапазон настроек задержки с высоким разрешением; он охватывает всю длительность основной развертки, и его показания соответствуют делениям сетки (но с гораздо большей точностью). Его точность также превосходит точность дисплея.

Переключатель выбирает режимы отображения: только основная развертка, с более яркой областью, показывающей, когда идет развертка с задержкой, только развертка с задержкой или (в некоторых) комбинированный режим.

Хорошие осциллографы с ЭЛТ включают регулятор интенсивности развертки с задержкой, чтобы обеспечить более диммерную трассу гораздо более быстрой развертки с задержкой, которая, тем не менее, происходит только один раз за основную развертку. Такие осциллографы также, вероятно, будут иметь управление разделением трасс для мультиплексированного отображения одновременно как основной развертки, так и развертки с задержкой.

Элементы управления триггером развертки

* (См. Раздел «Запуск развертки» ниже.)

Переключатель выбирает источник запуска. Это может быть внешний вход, один из вертикальных каналов осциллографа с двойной или множественной трассировкой или частота сети переменного тока. Другой переключатель включает или отключает режим автоматического запуска или выбирает однократную развертку, если она предусмотрена в осциллографе. Либо положение переключателя с пружинным возвратом, либо кнопка активирует одиночные проходы.

Регулятор уровня триггера изменяет напряжение, необходимое для генерации триггера, а переключатель наклона выбирает положительную или отрицательную полярность на выбранном уровне запуска.

Основные типы развертки

Синхронизированная развертка

Тип 465 Осциллограф Tektronix. Это был популярный портативный аналоговый осциллограф, который является показательным примером.

Для отображения событий с неизменяющимися или медленно (заметно) изменяющимися формами сигналов, но происходящих в моменты, которые могут быть неравномерно распределены, современные осциллографы запускают развертку. По сравнению с более старыми, более простыми осциллографами с непрерывно работающими генераторами развертки, осциллографы с синхронизацией развертки заметно более универсальны.

Запуск развертки начинается в выбранной точке сигнала, обеспечивая стабильное отображение. Таким образом, запуск позволяет отображать периодические сигналы, такие как синусоидальные и прямоугольные волны, а также непериодические сигналы, такие как одиночные импульсы или импульсы, которые не повторяются с фиксированной частотой.

При срабатывании развертки осциллограф закрывает луч и начинает сбрасывать схему развертки каждый раз, когда луч достигает крайней правой стороны экрана. В течение периода времени, называемого задержкой (который можно продлить с помощью элемента управления на передней панели некоторых лучших осциллографов), схема развертки полностью сбрасывается и игнорирует триггеры. По истечении времени задержки следующий триггер запускает развертку. Событием триггера обычно является входной сигнал, достигающий определенного пользователем порогового напряжения (уровня триггера) в указанном направлении (положительное или отрицательное - полярность триггера).

В некоторых случаях переменное время задержки может быть полезно, чтобы развертка игнорировала мешающие триггеры, возникающие перед наблюдаемыми событиями. В случае повторяющихся, но сложных сигналов, переменная задержка может обеспечить стабильное отображение, которое иначе не было бы достигнуто.

Задержка

Задержка триггера определяет определенный период после триггера, в течение которого развертка не может быть запущена снова. Это упрощает создание стабильного вида сигнала с несколькими фронтами, которые в противном случае могли бы вызвать дополнительные триггеры.

Пример

Представьте себе следующую повторяющуюся форму сигнала:. Scope Holdoff Waveform.gif . Зеленая линия представляет собой форму сигнала, красная вертикальная частичная линия представляет положение триггера, а желтая линия представляет уровень триггера. Если бы осциллограф был просто настроен на запуск по каждому нарастающему фронту, эта форма волны вызывала бы три триггера для каждого цикла:. Scope Holdoff Trigger1.gif . Trigger2.gif . Scope Holdoff Trigger3.gif . Предполагая, что сигнал достаточно высок частота, осциллограф, вероятно, будет выглядеть примерно так:. Scope Holdoff Alltriggers.gif . На реальном осциллографе все триггеры будут одного и того же канала, поэтому все будут одного цвета.

Желательно, чтобы осциллограф запускался только по одному фронту за цикл, поэтому необходимо установить задержку немного меньше, чем период формы сигнала. Это предотвращает запуск более одного раза за цикл, но позволяет запускать его по первому фронту следующего цикла.

Режим автоматической развертки

При запуске развертки может отображаться пустой экран, если нет триггеров. Чтобы избежать этого, эти развертки включают схему синхронизации, которая генерирует автономные триггеры, поэтому след всегда виден. В элементах управления это называется «автоматическая развертка» или «автоматическая развертка». Как только появляются триггеры, таймер перестает предоставлять псевдотриггеры. Пользователь обычно отключает автоматическую развертку при низкой частоте повторения.

Повторяющиеся развертки

Если входной сигнал периодический, частоту повторения развертки можно отрегулировать для отображения нескольких циклов формы сигнала. Ранние (ламповые) осциллографы и недорогие осциллографы имеют генераторы развертки, которые работают непрерывно и не откалиброваны. Такие осциллографы очень просты, сравнительно недороги и были полезны при обслуживании радио и некоторых телевизоров. Измерение напряжения или времени возможно, но только с дополнительным оборудованием, что довольно неудобно. Это в первую очередь качественные инструменты.

У них есть несколько (широко разнесенных) частотных диапазонов и относительно широкий диапазон непрерывного управления частотой в пределах заданного диапазона. При использовании частота развертки устанавливается немного ниже некоторой доли входной частоты, чтобы обычно отображалось не менее двух периодов входного сигнала (чтобы все детали были видны). Очень простое управление подает регулируемое количество вертикального сигнала (или, возможно, соответствующего внешнего сигнала) на генератор развертки. Сигнал запускает гашение луча и обратный ход развертки раньше, чем это могло бы произойти в режиме холостого хода, и дисплей становится стабильным.

Одиночная развертка

Некоторые осциллографы предлагают это. Пользователь вручную включает схему развертки (обычно с помощью кнопки или аналогичного средства). «Включен» означает, что он готов среагировать на триггер. После завершения развертки она сбрасывается и не выполняет развертку до повторного включения. Этот режим в сочетании с камерой осциллографа фиксирует однократные события.

Типы триггера включают:

  • внешний триггер, импульс от внешнего источника, подключенного к выделенному входу на осциллографе.
  • триггер фронта, детектор фронта, который генерирует импульс, когда входной сигнал пересекает заданное пороговое напряжение в заданном направлении. Это наиболее распространенные типы триггеров; регулятор уровня устанавливает пороговое напряжение, а регулятор наклона выбирает направление (отрицательное или положительное). (Первое предложение описания также применяется к входам некоторых цифровых логических схем; эти входы имеют фиксированный порог и полярность.)
  • запуск по видеосигналу, схема, которая извлекает синхронизирующие импульсы из видео форматы, такие как PAL и NTSC, и запускает временную развертку для каждой строки, указанной строки, каждого поля или каждого кадра. Эта схема обычно находится в устройстве монитора формы сигнала, хотя некоторые лучшие осциллографы включают эту функцию.
  • запуск с задержкой, который ожидает заданное время после запуска по фронту перед запуском развертки. Как описано в разделе «развертки с задержкой», схема задержки запуска (обычно основная развертка) увеличивает эту задержку до известного и регулируемого интервала. Таким образом, оператор может исследовать конкретный импульс в длинной последовательности импульсов.

Некоторые современные конструкции осциллографов включают более сложные схемы запуска; они описаны в конце этой статьи.

Развертка с задержкой

Более сложные аналоговые осциллографы содержат вторую временную развертку для развертки с задержкой. Развертка с задержкой дает очень подробный обзор некоторой небольшой выбранной части основной временной развертки. Основная временная развертка служит управляемой задержкой, после которой начинается отсроченная временная развертка. Это может начаться, когда истечет задержка, или может быть запущено (только) после истечения задержки. Обычно развертка с задержкой устанавливается на более быструю развертку, иногда намного быстрее, например, 1000: 1. При экстремальных соотношениях дрожание задержек при последовательных основных развертках ухудшает отображение, но триггеры с задержкой развертки могут это преодолеть.

На дисплее отображается вертикальный сигнал в одном из нескольких режимов: основной временной развертке, или только временной развертке с задержкой, или их комбинации. Когда активна развертка с задержкой, основная кривая развертки становится ярче, а развертка с задержкой продвигается. В одном комбинированном режиме, доступном только на некоторых осциллографах, кривая изменяется с основной развертки на развертку с задержкой после начала развертки с задержкой, хотя при более длительных задержках видно меньше развернутой быстрой развертки. Другой комбинированный режим мультиплексирует (чередует) основной и отложенный развертки, так что оба появляются одновременно; их смещает элемент управления разделением следов. Таким образом, DSO могут отображать формы сигналов, не предлагая как таковую отложенную временную развертку.

Осциллографы с двумя и несколькими трассами

Осциллографы с двумя вертикальными входами, называемые осциллографами с двумя трассами, чрезвычайно полезны и широко распространены. Используя однолучевую ЭЛТ, они мультиплексируют входы, обычно переключаясь между ними достаточно быстро, чтобы отобразить сразу две трассы. Реже встречаются осциллографы с большим количеством кривых; Среди них обычно четыре входа, но некоторые (например, Kikusui) предлагают отображение сигнала запуска развертки, если это необходимо. Некоторые осциллографы с несколькими трассами используют вход внешнего запуска в качестве дополнительного вертикального входа, а некоторые имеют третий и четвертый каналы с минимальными элементами управления. Во всех случаях входы, когда они отображаются независимо, мультиплексируются по времени, но осциллографы с двумя трассами часто могут добавлять свои входы для отображения аналоговой суммы в реальном времени. Инвертирование одного канала при их сложении приводит к отображению различий между ними, при условии, что ни один канал не перегружен. Этот разностный режим может обеспечить дифференциальный вход с умеренными характеристиками.)

Каналы переключения могут быть асинхронными, то есть автономными, относительно частоты развертки; или это можно сделать после завершения каждого горизонтального сканирования. Асинхронное переключение обычно обозначается как «Chopped», а синхронизированное с разверткой обозначается как «Alt [ernate]». Данный канал попеременно подключается и отключается, что приводит к термину «прерванный». Осциллографы с несколькими трассами также переключают каналы либо в прерывистом, либо в альтернативном режимах.

В общем, режим с прерыванием лучше подходит для более медленных разверток. Возможно, что внутренняя частота прерывания будет кратной частоте повторения развертки, что приведет к появлению пропусков на трассах, но на практике это редко является проблемой. Промежутки в одной трассе заменяются трассами следующей развертки. Некоторые осциллографы имели модулированную частоту прерывания, чтобы избежать этой случайной проблемы. Однако альтернативный режим лучше подходит для более быстрого сканирования.

Настоящие двухлучевые осциллографы с ЭЛТ существовали, но не были распространены. Один тип (Cossor, Великобритания) имел пластину светоделителя в ЭЛТ и несимметричное отклонение после светоделителя. У других было две укомплектованные электронные пушки, что требовало жесткого контроля осевого (вращательного) механического выравнивания при изготовлении ЭЛТ. Типы светоделителей имели горизонтальное отклонение, общее для обоих вертикальных каналов, но осциллографы с двумя пушками могли иметь отдельные временные развертки или использовать одну временную развертку для обоих каналов. Многозарядные ЭЛТ (до десяти пушек) производились в последние десятилетия. У десяти пушек оболочка (луковица) была цилиндрической по всей длине. (Также см. «Изобретение ЭЛТ» в История осциллографа.)

Вертикальный усилитель

В аналоговом осциллографе вертикальный усилитель получает сигнал [ы] для отображения. и обеспечивает достаточно сильный сигнал, чтобы отклонить луч ЭЛТ. В лучших осциллографах он задерживает сигнал на доли микросекунды. Максимальное отклонение, по крайней мере, несколько выходит за границы сетки и, как правило, на некотором расстоянии от экрана. Усилитель должен иметь низкие искажения для точного отображения входного сигнала (он должен быть линейным), и он должен быстро восстановиться после перегрузок. Кроме того, его характеристика во временной области должна точно отображать переходные процессы - минимальное перерегулирование, округление и наклон плоской вершины импульса.

Вертикальный входной сигнал поступает на ступенчатый аттенюатор с частотной компенсацией для уменьшения сильных сигналов и предотвращения перегрузки. Аттенюатор питает один или несколько каскадов низкого уровня, которые, в свою очередь, питают каскады усиления (и драйвер линии задержки, если есть задержка). Последующие каскады усиления приводят к финальному выходному каскаду, который развивает большой размах сигнала (десятки вольт, иногда более 100 вольт) для электростатического отклонения ЭЛТ.

В осциллографах с двумя и несколькими трассами внутренний электронный переключатель выбирает выход относительно низкого уровня одного канального усилителя раннего каскада и отправляет его на следующие каскады вертикального усилителя.

В автономном («срезанном») режиме генератор (который может быть просто другим режимом работы драйвера переключателя) заглушает луч перед переключением и разблокирует его только после того, как установятся переходные процессы переключения.

Частично усилитель проходит через схемы запуска развертки для внутреннего запуска от сигнала. Этот сигнал будет поступать от усилителя отдельного канала в осциллографе с двумя или несколькими трассами, причем канал будет зависеть от настройки селектора источника запуска.

Эта подача предшествует задержке (если она есть), что позволяет схеме развертки разблокировать CRT и начать прямую развертку, чтобы CRT мог отображать событие запуска. Высококачественные аналоговые задержки добавляют осциллографу скромную стоимость и не используются в недорогих осциллографах.

Сама задержка исходит от специального кабеля с парой проводников, намотанных вокруг гибкого магнитомягкого сердечника. Обмотка обеспечивает распределенную индуктивность, а проводящий слой рядом с проводами обеспечивает распределенную емкость. Комбинация представляет собой широкополосную линию передачи со значительной задержкой на единицу длины. Оба конца кабеля задержки требуют согласованного импеданса, чтобы избежать отражений.

Режим XY

A 24-часовые часы, отображаемые на ЭЛТ-осциллографе, настроенном в режиме XY как векторный монитор с двумя ЦАП R2R для генерации аналоговые напряжения

Большинство современных осциллографов имеют несколько входов для напряжений, поэтому их можно использовать для построения графика зависимости одного переменного напряжения от другого. Это особенно полезно для построения графиков ВАХ (характеристики тока в зависимости от напряжения ) для таких компонентов, как диоды, а также шаблонов Лиссажу. Фигуры Лиссажу - это пример того, как осциллограф можно использовать для отслеживания разницы фазы между несколькими входными сигналами. Это очень часто используется в инженерии вещания для построения левого и правого стереофонических каналов, чтобы гарантировать, что стереогенератор правильно откалиброван.. Исторически стабильные фигуры Лиссажу использовались, чтобы показать, что две синусоидальные волны имеют относительно простое соотношение частот, численно небольшое отношение. Они также указали разность фаз между двумя синусоидальными волнами одинаковой частоты.

Режим X-Y также позволяет осциллографу выполнять функции векторного монитора для отображения изображений или пользовательских интерфейсов. Во многих ранних играх, таких как Tennis for Two, в качестве устройства вывода использовался осциллограф.

Полная потеря сигнала на XY ЭЛТ-дисплее означает, что луч неподвижен, попадая в небольшое пятно.. При слишком высокой яркости люминофор может сгореть. Такие повреждения чаще наблюдались в старых прицелах, поскольку ранее использовавшиеся люминофоры горели легче. Некоторые специализированные дисплеи XY значительно уменьшают ток луча или полностью закрывают дисплей, если нет входов.

Z-вход

Некоторые аналоговые осциллографы имеют Z-вход. Обычно это входной терминал, который подключается непосредственно к решетке ЭЛТ (обычно через конденсатор связи). Это позволяет внешнему сигналу либо увеличивать (если положительный), либо уменьшать (если отрицательный) яркость следа, даже позволяя ему полностью погаснуть. Диапазон напряжений, обеспечивающий отключение до яркого дисплея, составляет порядка 10–20 вольт в зависимости от характеристик ЭЛТ.

Пример практического применения: пара синусоидальных волн известной частоты используется для генерации круглой фигуры Лиссажу, а более высокая неизвестная частота применяется к входу Z. Это превращает непрерывный круг в круг из точек. Количество точек, умноженное на частоту XY, дает частоту Z. Этот метод работает только в том случае, если частота Z представляет собой целочисленное отношение частоты X-Y, и только если она не настолько велика, что точек становится настолько много, что их трудно сосчитать.

Полоса пропускания

Как и все практические приборы, осциллографы не реагируют одинаково на все возможные входные частоты. Диапазон частот, который может отображать осциллограф, называется его полосой пропускания. Полоса пропускания применяется в первую очередь к оси Y, хотя развертки по оси X должны быть достаточно быстрыми, чтобы отображать сигналы с самой высокой частотой.

Полоса пропускания определяется как частота, на которой чувствительность составляет 0,707 чувствительности при постоянном токе или самой низкой частоте переменного тока (падение на 3 дБ ). Отклик осциллографа быстро падает, когда входная частота поднимается выше этой точки. В пределах заявленной полосы частот отклик не обязательно будет точно однородным (или «плоским»), но всегда должен находиться в диапазоне от +0 до –3 дБ. Один источник сообщает, что это заметно влияет на точность измерений напряжения только на 20 процентах заявленной полосы пропускания. Спецификации некоторых осциллографов включают более узкий диапазон допуска в пределах заявленной полосы пропускания.

У датчиков также есть ограничения по полосе пропускания, и их необходимо выбирать и использовать для правильной обработки интересующих частот. Для достижения максимально ровного отклика большинство пробников должны быть "скомпенсированы" (регулировка выполняется с использованием тестового сигнала от осциллографа), чтобы учесть реактивное сопротивление кабеля пробника.

Другая связанная спецификация - время нарастания. Это длительность самого быстрого импульса, который может определить осциллограф. Это связано с шириной полосы примерно следующим образом:

Полоса пропускания в Гц x время нарастания в секундах = 0,35.

Например, осциллограф, предназначенный для разрешения импульсов с временем нарастания 1 наносекунды, будет иметь полоса пропускания 350 МГц.

В аналоговых приборах полоса пропускания осциллографа ограничена вертикальными усилителями и ЭЛТ или другой подсистемой отображения. В цифровых приборах частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является фактором, но заявленная полоса пропускания аналогового сигнала (и, следовательно, общая полоса пропускания прибора) обычно меньше, чем у АЦП Частота Найквиста. Это связано с ограничениями усилителя аналогового сигнала, преднамеренной конструкцией сглаживающего фильтра, который предшествует АЦП, или того и другого.

Для цифрового осциллографа практическое правило состоит в том, что непрерывная частота дискретизации должна быть в десять раз больше максимальной частоты, которую необходимо разрешить; например, скорость 20 мегагерц в секунду может быть применима для измерения сигналов до 2 мегагерц. Это позволяет разработать фильтр сглаживания с понижением на 3 дБ на 2 МГц и эффективным срезом на 10 МГц (частота Найквиста), избегая артефактов очень крутого ("кирпичная стена") фильтра.

A стробоскопический осциллограф может отображать сигналы со значительно более высокой частотой, чем частота дискретизации, если сигналы точно или почти повторяются. Для этого он берет одну выборку из каждого последовательного повторения входной формы волны, причем каждая выборка находится в увеличенном временном интервале от события запуска. Затем отображается форма волны из собранных образцов. Этот механизм называется «выборкой за эквивалентное время». Некоторые осциллографы могут работать либо в этом режиме, либо в более традиционном режиме «реального времени» по выбору оператора.

Другие особенности

Компьютерная модель развертки осциллографа

Некоторые осциллографы имеют курсоры. Это линии, которые можно перемещать по экрану для измерения временного интервала между двумя точками или разницы между двумя напряжениями. Несколько старых осциллографов просто осветляли кривую в подвижных местах. Эти курсоры более точны, чем визуальные оценки, относящиеся к линиям сетки.

Осциллографы общего назначения лучшего качества включают калибровочный сигнал для настройки компенсации тестовых пробников; это (часто) прямоугольный сигнал частотой 1 кГц с определенным размахом напряжения, доступный на испытательном выводе на передней панели. Некоторые лучшие осциллографы также имеют прямоугольную петлю для проверки и настройки токовых пробников.

Иногда пользователь хочет видеть событие, которое случается лишь изредка. Чтобы уловить эти события, некоторые осциллографы, называемые осциллографами, сохраняют на экране самые последние развертки. Первоначально это было достигнуто с помощью специальной ЭЛТ, «трубки хранения », которая сохраняла изображение даже очень короткого события в течение длительного времени.

Некоторые цифровые осциллографы могут выполнять развертку с такой низкой скоростью, как один раз в час, имитируя полосовой самописец. То есть сигнал прокручивается по экрану справа налево. Большинство осциллографов с этой функцией переключаются из режима развертки в режим ленточной диаграммы примерно с одной разверткой в ​​десять секунд. Это потому, что в противном случае область видимости выглядит разбитой: она собирает данные, но точка не видна.

Все современные осциллографы, кроме самых простых, чаще используют дискретизацию цифрового сигнала. Образцы поступают на быстрые аналого-цифровые преобразователи, после чего вся обработка (и хранение) сигналов осуществляется в цифровом виде.

Многие осциллографы содержат сменные модули для различных целей, например, высокочувствительные усилители с относительно узкой полосой пропускания, дифференциальные усилители, усилители с четырьмя или более каналами, модули выборки для повторяющихся сигналов очень высокой частоты и специальные -целевые плагины, в том числе аудио / ультразвуковые анализаторы спектра и каналы с прямой связью со стабильным напряжением смещения и относительно высоким коэффициентом усиления.

Примеры использования

фигур Лиссажу на осциллографе с разностью фаз 90 градусов между входами x и y

Одно из наиболее частых применений осциллографов - устранение неисправностей неисправное электронное оборудование. Например, если вольтметр может показать совершенно неожиданное напряжение, осциллограф может показать, что цепь колеблется. В других случаях важна точная форма или время импульса.

В электронном оборудовании, например, соединения между каскадами (например, электронные смесители, электронные генераторы, усилители ) могут «зондировать» ожидаемый сигнал, используя осциллограф в качестве простого средства отслеживания сигналов. Если ожидаемый сигнал отсутствует или неверен, это означает, что какой-то предыдущий этап электроники работает неправильно. Поскольку большинство отказов происходит из-за одного неисправного компонента, каждое измерение может показать, что некоторые ступени сложного оборудования либо работают, либо, вероятно, не вызвали неисправность.

После обнаружения неисправной ступени дальнейшее зондирование обычно позволяет квалифицированному специалисту точно определить, какой компонент вышел из строя. После замены компонента устройство может быть восстановлено в рабочем состоянии или, по крайней мере, устранена следующая неисправность. Этот вид поиска и устранения неисправностей типичен для радио и телевизионных приемников, а также усилителей звука, но может применяться к совершенно другим устройствам, таким как электронные приводы двигателей.

Другое применение - проверка вновь разработанной схемы. Часто вновь разработанная схема ведет себя неправильно из-за ошибок конструкции, плохих уровней напряжения, электрических шумов и т. Д. Цифровая электроника обычно работает от часов, поэтому полезен осциллограф с двумя трассами, показывающий как тактовый сигнал, так и тестовый сигнал, зависящий от часов. Объемы памяти полезны для «фиксации» редких электронных событий, вызывающих неисправность.

Фотографии использования

Использование в автомобилях

Впервые появившись в 1970-х годах для анализа системы зажигания, автомобильные осциллографы становятся важным инструментом мастерской для тестирования датчиков и выходных сигналов в электронном управлении двигателем системы, системы торможения и устойчивости. Некоторые осциллографы могут запускать и декодировать сообщения последовательной шины, например, CAN-шина, обычно используемая в автомобильных приложениях.

Выбор

Для работы на высоких частотах и ​​с быстрыми цифровыми сигналами, полоса пропускания вертикальных усилителей и частота дискретизации должны быть достаточно высокими. Для универсального использования обычно достаточно полосы пропускания не менее 100 МГц. Гораздо более низкая полоса пропускания достаточна только для приложений, использующих звуковые частоты. Полезный диапазон развертки составляет от одной секунды до 100 наносекунд с соответствующим запуском и (для аналоговых приборов) задержкой развертки. Для стабильного отображения требуется хорошо продуманная и стабильная схема запуска. Основным преимуществом качественного осциллографа является качество схемы запуска.

Ключевыми критериями выбора DSO (помимо входной полосы пропускания) являются глубина памяти выборки и частота дискретизации. Ранние DSO в середине и конце 1990-х годов имели всего несколько КБ памяти выборки на канал. Этого достаточно для отображения базовой формы сигнала, но не позволяет, например, детально изучить форму сигнала или проверить длинные пакеты данных. Даже аналоговые осциллографы начального уровня (<$500) modern DSOs now have 1 MB or more of sample memory per channel, and this has become the expected minimum in any modern DSO. Often this sample memory is shared between channels, and can sometimes only be fully available at lower sample rates. At the highest sample rates, the memory may be limited to a few tens of KB. Any modern "real-time" sample rate DSO typically has 5–10 times the input bandwidth in sample rate. So a 100 MHz bandwidth DSO would have 500 Ms/s – 1 Gs/s sample rate. The theoretical minimum sample rate required, using SinX/x interpolation, is 2.5 times the bandwidth.

были почти полностью вытеснены цифровыми осциллографами, за исключением использования исключительно на более низких частотах. Значительно увеличенные частоты дискретизации в значительной степени устранили отображение некорректных сигналов, известных как "наложение спектров", которое иногда присутствовала в первом поколении цифровых осциллографов. Проблема все еще может возникать, когда, например, при просмотре короткого участка повторяющегося сигнала, который повторяется с интервалами в тысячи раз дольше, чем просматриваемый участок (например, короткий импульс синхронизации на начало конкретной телевизионной линии), с осциллографом, который не может хранить чрезвычайно большое количество выборок между одним экземпляром короткого участка и другим.

Рынок подержанного испытательного оборудования, особенно в местах проведения аукционов в Интернете, обычно имеется широкий выбор старых аналоговых осциллографов. Однако становится все труднее приобретать запасные части для этих приборов, и услуги по ремонту обычно Это полностью недоступно от оригинального производителя. Используемые инструменты обычно не калиброваны, а повторная калибровка компаниями, имеющими оборудование и опыт, обычно стоит дороже, чем стоимость прибора, бывшего в употреблении.

По состоянию на 2007 год полоса пропускания 350 МГц (BW), 2,5 гига отсчета в секунду (Гвыб / с), новый двухканальный цифровой накопитель стоит около 7000 долларов США.

На самом низком уровне недорогой одноканальный DSO для хобби можно было купить по цене менее 90 долларов по состоянию на июнь 2011 года. Они часто имеют ограниченную полосу пропускания и другие возможности, но выполняют основные функции осциллографа.

Программное обеспечение

Сегодня многие осциллографы имеют один или несколько внешних интерфейсов для удаленного управления прибором с помощью внешнего программного обеспечения. Эти интерфейсы (или шины) включают GPIB, Ethernet, последовательный порт и USB.

Типы и модели

В следующем разделе приводится краткое описание различных типов и моделей. Для подробного обсуждения обратитесь к другой статье.

Электронно-лучевой осциллограф (CRO)

Пример фигуры Лиссажу аналогового осциллографа, показывающий гармоническое соотношение 1 цикла горизонтальных колебаний к 3 циклам вертикальных колебаний Для аналогового телевидения, аналоговый осциллограф можно использовать в качестве вектороскопа для анализа сложных свойств сигнала, таких как отображение цветных полос SMPTE.

. Самый ранний и самый простой тип осциллографа состоял из катода лучевая трубка, вертикальный усилитель, опорный сигнал, горизонтальный усилитель и источник питания . Теперь их называют «аналоговыми», чтобы отличить их от «цифровых» прицелов, которые стали обычным явлением в 1990-х годах и позже.

Аналоговые осциллографы не обязательно включают калиброванную эталонную сетку для измерения размера волн, и они могут не отображать волны в традиционном смысле отрезка линии, проходящего слева направо. Вместо этого они могут использоваться для анализа сигналов, подавая эталонный сигнал на одну ось, а сигнал для измерения - на другую ось. Для колеблющегося эталонного и измерительного сигнала это приводит к сложной петлевой схеме, называемой кривой Лиссажу. Форма кривой можно интерпретировать, чтобы идентифицировать свойства измерительного сигнала по отношению к опорному сигналу, и может быть использовано в широком диапазоне частот колебаний.

Двухлучевой осциллограф

Двухлучевой аналоговый осциллограф может отображать два сигнала одновременно. Специальная двухлучевая ЭЛТ генерирует и отклоняет два отдельных луча. Аналоговые осциллографы с несколькими трассами могут моделировать двухлучевой дисплей с прерыванием и чередованием развертки, но эти функции не обеспечивают одновременное отображение. (Цифровые осциллографы реального времени обладают теми же преимуществами, что и двухлучевые осциллографы, но для них не требуется двухлучевой дисплей.) Недостатки двухканального осциллографа заключаются в том, что он не может быстро переключаться между графиками и не может захватывать два быстрых переходных процесса. События. Двухлучевой осциллограф позволяет избежать этих проблем.

Аналоговый осциллограф с памятью

Сохранение графика - это дополнительная функция, доступная на некоторых аналоговых осциллографах; они использовали ЭЛТ для хранения с прямым обзором. Хранение позволяет образцу следа, который обычно распадается за доли секунды, оставаться на экране в течение нескольких минут или дольше. Затем можно намеренно активировать электрическую цепь, чтобы сохранить и стереть след на экране.

Цифровые осциллографы

В то время как аналоговые устройства используют постоянно меняющиеся напряжения, цифровые устройства используют числа, соответствующие отсчетам напряжения. В случае цифровых осциллографов аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует измеренные напряжения в цифровую информацию.

Цифровой запоминающий осциллограф, или сокращенно DSO, сегодня является стандартным типом осциллографов для большинства промышленных приложений, и благодаря низкой стоимости осциллографов начального уровня даже для любителей. Он заменяет электростатический метод хранения в аналоговых накопителях на цифровую память, которая хранит данные выборки столько, сколько требуется, без ухудшения качества и отображает их без проблем с яркостью, характерных для ЭЛТ-накопителей. Он также позволяет выполнять комплексную обработку сигнала с помощью высокоскоростных схем цифровой обработки сигналов.

Стандартный DSO ограничен захватом сигналов с полосой пропускания менее половины частоты дискретизации АЦП. (так называемый предел Найквиста). Существует разновидность DSO, называемая цифровым стробоскопическим осциллографом, которая может превышать этот предел для определенных типов сигналов, таких как сигналы высокоскоростной связи, где форма волны состоит из повторяющихся импульсов. Этот тип DSO намеренно производит выборку на гораздо более низкой частоте, чем предел Найквиста, а затем использует обработку сигнала для восстановления составного изображения типичного импульса.

Осциллографы смешанного сигнала

смешанный сигнал Осциллограф (или MSO) имеет два типа входов, небольшое количество аналоговых каналов (обычно два или четыре) и большее количество цифровых каналов (обычно шестнадцать). Он обеспечивает возможность точной временной корреляции аналоговых и цифровых каналов, что дает явное преимущество перед отдельным осциллографом и логическим анализатором. Обычно цифровые каналы могут быть сгруппированы и отображены в виде шины, при этом каждое значение шины отображается в нижней части дисплея в шестнадцатеричном или двоичном формате. На большинстве MSO триггер можно установить как по аналоговым, так и по цифровым каналам.

Осциллографы со смешанной областью

Осциллограф со смешанной областью (MDO) - это осциллограф с дополнительным ВЧ-входом, который используется исключительно для специализированного анализатора спектра на основе БПФ функциональность. Часто этот РЧ-вход предлагает более широкую полосу пропускания, чем обычные аналоговые входные каналы. Это отличается от функции БПФ обычных цифровых осциллографов, которые используют обычные аналоговые входы. Некоторые MDO допускают временную корреляцию событий во временной области (например, определенный пакет последовательных данных) с событиями, происходящими в частотной области (например, радиочастотные передачи).

Портативные осциллографы

Ручные осциллографы полезны для многих приложений тестирования и полевого обслуживания. Сегодня ручной осциллограф - это обычно цифровой стробоскопический осциллограф, использующий жидкокристаллический дисплей.

Многие ручные и настольные осциллографы имеют заземление опорного общее напряжение на всех входных каналах. Если более чем один измерительный канал используется в то же время, все входные сигналы должны иметь один и тот же источник опорного напряжения, а общий опорный по умолчанию является «землей». Если нет дифференциального предусилителя или внешнего изолятора сигналов, этот традиционный настольный осциллограф не подходит для плавающих измерений. (Иногда пользователь осциллографа ломает контакт заземления в шнуре питания настольного осциллографа, пытаясь изолировать общий сигнал от заземления. Эта практика ненадежна, поскольку вся паразитная емкость приборного шкафа подключается к цепи. Кроме того, опасность для разорвать соединение заземления безопасности и инструкция руководство настоятельно советует против него.)

Некоторые модели осциллографов имеют изолированные входы, где терминалы опорного сигнала уровня не связаны друг с другом. Каждый входной канал можно использовать для выполнения «плавающих» измерений с независимым опорным уровнем сигнала. Измерения могут быть сделаны без связывания с одной стороны входа осциллографа к общему сигнальной цепи или заземления в качестве ссылки.

Доступная изоляция классифицируется, как показано ниже:

Категория перенапряженияРабочее напряжение (действующее значение переменного / постоянного тока относительно земли)Пиковое мгновенное напряжение (повторяется 20 раз)Испытательный резистор
CAT I600 В2500 В30 Ом
CAT I1000 В4000 В30 Ом
CAT II600 В4000 В12 Ом
CAT II1000 В6000 В12 Ом
CAT III600 В6000 В2 Ω

Осциллографы на базе ПК

Цифровой осциллограф на базе ПК PicoScope 6000 с использованием портативного компьютера для отображения и обработки данных

Некоторые цифровые осциллографы полагаются на платформу ПК для отображения и управления прибором. Это может быть автономный осциллограф с внутренней платформой ПК (материнская плата ПК) или внешний осциллограф, который подключается через USB или LAN к отдельному ПК или ноутбуку.

Сопутствующие инструменты

Большое количество инструментов, используемых в различных областях техники, на самом деле представляют собой осциллографы со входами, калибровкой, элементами управления, калибровкой дисплея и т. Д., Специализированными и оптимизированными для конкретного приложения. Примеры таких приборов на основе осциллографов включают в себя мониторы формы сигналов для анализа уровней видеосигнала в телевизионных программах и медицинские устройства, такие как мониторы жизненно важных функций, электрокардиограммы и электроэнцефалограммы. При ремонте автомобилей используется анализатор зажигания, чтобы показать формы искры для каждого цилиндра. По сути, все они являются осциллографами, выполняющими основную задачу по отображению изменений одного или нескольких входных сигналов с течением времени на дисплее X ‑ Y.

Другие приборы преобразуют результаты своих измерений в повторяющийся электрический сигнал и включают осциллограф в качестве элемента отображения. Такие сложные измерительные системы включают в себя анализаторы спектра, транзисторные анализаторы и рефлектометры (TDR) во временной области. В отличие от осциллографа, эти инструменты автоматически генерируют стимул или изменяют параметр измерения.

См. Также

Ссылки

  • US 2883619, Kobbe, John R. William J. Polits, «Электрический пробник», выпущенный 21 апреля 1959 г.
  • Tektronix (1983), Tek Products, Tektronix
  • Tektronix (1998), Каталог измерительной продукции 1998/1999, Tektronix
  • Wedlock, Bruce D.; Роберж, Джеймс К. (1969), Электронные компоненты и измерения, Прентис-Холл, стр. 150–152, ISBN 0-13-250464-2
  • US 3532982, Зейдлхак, Дональд Ф. и Ричард К. Уайт, «Схема завершения линии передачи», опубликовано 6 октября 1970 г.

.

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, относящиеся к Осциллографам.
Викибук School Science имеет страницу по теме: Демонстрация свойств волн на осциллографе

.

Последняя правка сделана 2021-06-01 03:39:14
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте