Вводный курс для новичков

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования  

Что каждый инженер-электронщик обязан знать об осциллографах

________________________________________

Из всего набора испытательного оборудования, имеющегося в распоряжении инженеров-электронщиков и техников, наиболее полезным, несомненно, является осциллограф. Это устройство очень мощное и может помочь очень быстро и точно измерять напряжение с течением времени – то, что нелегко сделать с помощью любого другого устройства в метрологической лаборатории. Осциллограф — это важный инструмент, используемый при производстве, проектировании, поиске и устранении неисправностей, обеспечении целостности сигнала и, наконец, при простом понимании того, как вообще работают электронные схемы.

Несмотря на то, что современный осциллограф выглядит сложным и пугающим со всем своим набором кнопок, ручек, щупов и связанных с ними точек крепления, а также и цветным дисплеем, на самом деле это очень простое в использовании устройство. Не позволяйте навороченному виду осциллографа запугать вас! 

Ключ к тому, чтобы стать экспертом по осциллографам, заключается в том, чтобы сначала освоить основные принципы работы этого прибора, а затем развивать обретённые базовые знания. 

В связи с этим в настоящей краткой статье будут рассмотрены некоторые ключевые моменты и распространенные подводные камни, с которыми сталкиваются пользователи-новички, связанные с базовым использованием осциллографов. Надеемся, что эта статья поможет направить ваши действия в правильном направлении. Со временем, когда вы будете больше времени уделять практическому применению осциллографа, вы в конечном итоге, обретёте бесценный личный опыт и станете чувствовать себя комфортно, проводя измерения любого уровня сложности.

Для простоты изложения, в настоящей статье рассматриваются только обычные цифровые осциллографы, известные как цифровые запоминающие осциллографы (DSO), с дисплеем растрового типа. В статье не рассматриваются старые аналоговые осциллографы, в которых для отображения информации использовался люминофор, а также новые специализированные осциллографы, такие как цифровые люминофорные осциллографы (DPO), осциллографы смешанной области (MDO) или осциллографы смешанных сигналов (MSO).

Пока остановимся на главном. 

Заземление и безопасность

Прежде чем углубляться в основы осциллографов, понимание правильного заземления и безопасности поможет не повредить безвозвратно ваш DSO или его зонды. Неправильное подключение заземления пробника через шасси /защитное заземление может создать путь для тока, что приведет

к повреждению этого пробника.  Короче говоря, проблема в том, что металлическая часть разъема, к которому подключается пробник на осциллографе, напрямую связан с защитным заземлением через шнур питания осциллографа. Вы можете самостоятельно изменить это соединение с помощью омметра. Это соединение с низким импедансом и, когда цепь, которую вы исследуете, также подключена к защитному заземлению, образуется петля, и очень низкое сопротивление позволяет току из цепи стать чрезмерным. Пропускная способность заземляющего провода зонда быстро превышается , и провод резко размыкается, и вы, вероятно, услышите громкий хлопок! Лучшим решением этой проблемы является разрыв заземляющего контура путем изоляции тестируемой цепи или изоляции заземления осциллографа . Поскольку это проблема безопасности, если защитное заземление на осциллографе отключено, лучшим вариантом будет убедиться, что тестируемая вами схема плавающая (т. е. не подключена к защитному заземлению земли ). Примите решение, подавать ли питание на тестируемую схему с помощью изолированного источника питания или батареи. Будьте осторожны, подавая питание на тестируемую схему с помощью чего-то вроде разъема USB, поскольку такие типы устройств обычно не изолированы от земли , и у вас все равно будет проблема с контуром заземления . 

Что такое осциллограф?

Осциллограф измеряет формы напряжения от датчиков напряжения, таких как щупы напряжения осциллографа, которые поставляются в комплекте с устройством, или некоторых других датчиков, таких как тензодатчики, датчики тока, шумомер или другой датчик. Графическая шкала осциллографа измеряет напряжение по вертикальной оси и время по горизонтальной. Из захваченной формы сигнала мы можем получить такую информацию, как частота, амплитуда, период, фаза, искажения, шум , постоянный ток, переменный ток , рабочий цикл (время включения и время выключения), время нарастания/спада и т. д.

Основные элементы управления

Помимо дисплея, в обычный осциллограф входят еще три важных функциональных блока. Этими функциональными блоками являются блок триггера, блок Вольт на деление и Блок секунд на деление.

Триггер

Функция триггера используется для синхронизации горизонтальной развертки в точном положении сигнала, что жизненно важно для точного представления тестируемого сигнала. Триггер заставляет повторяющиеся формы волн выглядеть неподвижными на дисплее, повторно отображая соответствующую часть входного сигнала. Наиболее элементарная и общепринятая форма триггера называется триггером по фронту. Это то, что вы, скорее всего, будете использовать, когда впервые начнете использовать осциллограф. Существует много других специализированных и сложных типов триггеров, которые реагируют на определенные условия, настраиваемые пользователем, и которые действительно могут сделать DSO мощным инструментом. Эти триггеры включают в себя триггер скорости нарастания, глитч, ширину импульса, тайм-аут, рант-импульс, логику, установку и удержание и коммуникационный триггер, и это всего лишь некоторые из них. 

Вольт/дел

Регулятор вольт на деление (вольт/дел) позволяет перемещать форму сигнала вверх или вниз на дисплее в зависимости от коэффициента масштабирования. Например, если ручка установлена на 1 вольт, а дисплей состоит из 10 вертикальных делений, то сверху вниз на дисплее может отображаться 10 вольт. Обратите внимание, что показания могут меняться в зависимости от коэффициента затухания зонда, снимающего показания . Если используется зонд 10X (то есть 10-кратный) и осциллограф не делает автоматическую коррекцию, то вам необходимо умножить результирующее показание формы сигнала на 10, чтобы получить правильную амплитуду этого показания. Вряд ли вам придется беспокоиться об этой проблеме, если используется относительно современный осциллограф.

Входная муфта

Входная связь — еще одна простая, но часто неправильно интерпретируемая функция, представленная в разделе «Вольт/дел» осциллографа. Это относится к методу, используемому для подключения электрического сигнала от одной цепи к другой, т. е. к подключению тестовой схемы к осциллографу. Вы можете настроить входную связь как постоянный ток, переменный ток или землю .  Связь по переменному току просто блокирует часть сигнала постоянного тока, и на дисплее вы видите форму сигнала с центром около нуля вольт. Установка заземления отключает входной сигнал от вертикального контроля, тем самым позволяя увидеть, где на дисплее находится ноль вольт. Настройка постоянного тока позволяет отображать весь входной сигнал (постоянный и переменный ток).

Сек/дел

Функция секунд на деление (сек/дел) определяет скорость, с которой сигнал перемещается по дисплею. Как и в случае с управлением «Вольт/дел», описанным выше, настройка управления «с/дел» также является масштабным коэффициентом. Если на ручке установлено значение 10 мс, то каждое горизонтальное деление на дисплее соответствует 10 мс, а общая ширина экрана (также при условии, что на дисплее всего 10 делений) равна 100 мс. Наблюдение более длинных и более коротких временных интервалов входного сигнала легко достигается путем изменения ручки управления настройками секунд/дел.

Производительность

Время нарастания механизмов переключения в компонентах, которые мы используем, становится все быстрее и быстрее, и возможность эффективного измерения этого времени нарастания оказывается под вопросом. Часто возникает вопрос, имеет ли осциллограф достаточную полосу пропускания . 

Типичная формула, используемая для определения адекватной полосы пропускания осциллографа, равна 0,35, разделенному на время нарастания фронта импульса. 

Например, необходимость измерения импульса с временем нарастания 1 нс означает, что минимальная полоса пропускания осциллографа должна составлять около 350 МГц. 

Конечно, чем больше пропускная способность, тем лучше.

Частота выборки, выраженная в выборках в секунду (S/s), также является еще одним важным фактором, который следует учитывать при использовании осциллографа. Число выборок в секунду означает, как часто DSO делает снимок или выборку входного сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем выше разрешение и детализация отображаемого сигнала и тем меньше вероятность потери важной информации. 

Хорошее эмпирическое правило, если вы измеряете синусоидальный сигнал, заключается в том, что ваш осциллограф должен иметь частоту дискретизации, по крайней мере, в 2,5 раза превышающую самую высокочастотную составляющую сигнала, который вы собираетесь измерить, и в 10 раз (!) превышающую самую высокочастотную составляющую сигнала, который вы тестируете (если вы измеряете прямоугольные волны, импульсы и другие типы сигналов).

Пробники

Про щупы осциллографа можно было бы написать отдельную статью. Самый простой тип датчиков общего назначения, с которым вы столкнетесь, — это пассивные пробники 1X или 10X. Будьте осторожны с чрезмерной ёмкостной нагрузкой тестируемой цепи этими пробниками. Для высокоскоростного зондирования сигналов необходимы активные и дифференциальные пробники. Логические пробники доступны, когда необходим захват нескольких каналов данных.

Расходы

Соотношение Цена/Качество осциллографов становятся все лучше и лучше. Беглый просмотр Интернета показывает, что вы можете получить пропускную способность в сотни мегагерц при функциональности прибора профессионального уровня менее чем за 500 долларов. Этой производительности может быть достаточно, чтобы выполнить большую часть вашего алгоритма измерений.

По мере увеличения времени нарастания и усложнения измерений вам придется платить за производительность. При составлении бюджета на новый осциллограф обязательно включите затраты на приобретение необходимых вам датчиков, калибровку эндоскопа и датчиков, а также доставку эндоскопа и датчиков туда и обратно вашему поставщику услуг по калибровке.

Заключение

Осциллографы — рабочие лошадки «заточенные» на разработку и тестирование продукции. На первый взгляд приборы кажутся сложными, но на самом деле ими довольно легко пользоваться. Просто запомните основы, и вскоре вы станете штатным экспертом по осциллографам в своей фирме. Надеюсь, вам понравится работать с этим типом приборов, и вы сможете улучшить свои навыки их использования по мере продвижения по карьерной лестнице инженера! 

Удачи.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy