Почему цифровой мультиметр точнее осциллографа? При каких условиях. Дискуссия среди профессионалов. Часть 2

Продолжение Части 1

Andrew Daviel

Бывший инженер-радиоэлектронщик

В чем разница между цифровым мультиметром и осциллографом, когда следует использовать каждый из них и какой из них точнее при измерениях в цепях переменного тока?

Вот старенький осциллограф:

А вот это Цифровой Мультиметр:

Цифровой мультиметр гораздо дешевле; его можно купить в автомагазине примерно за 30 долларов (2025 год, Канада).

Исторически осциллографы были строго аналоговыми приборами. Думаю, представленный выше 475A может быть аналоговым. В этом случае точность в значительной степени ограничивалась точностью считывания слегка размытой траектории луча на небольшом экране — около 5%. Хороший аналоговый измеритель с зеркальной шкалой, вероятно, мог бы считывать показания с точностью более 1%.

Цифровой мультиметр имеет цифровой дисплей и, вероятно, имеет точность менее 1% (точность Fluke 83 составляет 0,3% на диапазонах постоянного тока). В последнее время (2000-е годы) аналоговые осциллографы были в значительной степени вытеснены цифровыми запоминающими осциллографами (DSO). В них входной сигнал оцифровывается, поэтому прибор имеет некоторые общие характеристики с цифровым мультиметром, включая точность. Необязательно измерять амплитуду сигнала визуально на экране — прибор можно настроить на отображение размаха сигнала или постоянного напряжения в цифровом виде, что позволяет использовать DSO в качестве цифрового мультиметра для измерения среднеквадратичного значения постоянного или переменного напряжения. Однако DSO обычно не имеет диапазонов измерения тока или сопротивления.

Основное отличие осциллографа от мультиметра заключается в том, что осциллограф показывает изображение — вы можете видеть форму сигнала, в то время как осциллограф с запоминающим устройством позволяет наблюдать переходные процессы, которые происходят редко или однократно. Цифровой мультиметр регистрирует мгновенное напряжение и его сложно использовать для измерения изменяющейся величины. В свою очередь DSO регистрирует последовательные значения изменяющегося напряжения.

Для измерения переменного напряжения, например, синусоидального напряжения бытовой электросети 120 В / 60 Гц, достаточно цифрового мультиметра, который отображает среднеквадратичное значение, пригодное для расчета потребляемой мощности. DSO обычно больше, тяжелее, чувствительнее и дороже, но он покажет, является ли переменное напряжение «чистым» или имеет всплески от коммутационных цепей или, например, представляет собой «модифицированную синусоиду» от инвертора.

Dave Martindale

Увлекаюсь электроникой примерно с 1965 года.

Почему цифровой осциллограф показывает больше шума сигнала, чем осциллограф с ЭЛТ?

Одна из причин: недостаточное вертикальное разрешение.

Многие цифровые осциллографы оцифровывают входящий сигнал, используя всего 8 бит информации об амплитуде. Это означает, что для отображения формы сигнала доступны только 256 различных вертикальных позиций. На типичном дисплее осциллографа, который может иметь 8 вертикальных делений, это означает, что на деление по вертикали приходится всего 32 шага, и каждый шаг достаточно велик, чтобы быть чётко видимым. Количество пикселей на экране часто превышает 256 (например, 600), поэтому наименьший возможный шаг по вертикали может составлять несколько пикселей на экране.

Предположим, что осциллограф оцифровывает практически постоянное напряжение — можно было бы ожидать, что на выходе АЦП всегда будет один и тот же код. Но на самом деле всегда присутствует некоторый шум — либо от самого источника, либо от входного усилителя, либо даже намеренно добавленный. Таким образом, выходной сигнал АЦП часто меняется на один отсчёт, и одно изменение отсчёта в 8-битной записи будет чётко видно на экране.

Между тем, горизонтальное разрешение осциллограммы на экране определяется количеством точек выборки за одну развёртку. Оно определяется частотой дискретизации, умноженной на время одной развёртки. Последнее значение устанавливает пользователь, в то время как первое обычно задаёт осциллограф. Программное обеспечение осциллографа позволяет выбирать между более быстрой дискретизацией и более длительным временем записи, но, как правило, осциллографы, по-видимому, стремятся захватывать не менее 2000 точек на развёртку (отчасти для того, чтобы можно было использовать увеличенную развёртку при остановленном осциллографе). Таким образом, при отображении захваченной осциллограммы разрешение по горизонтали может составлять 200 точек на деление, а по вертикали — всего 32 точки на деление.

Существуют осциллографы, оцифровывающие сигнал с разрядностью более 8 бит на отсчёт, но это значительно увеличивает стоимость АЦП (при той же скорости) или вынуждает использовать более низкую тактовую частоту. Иногда предусмотрен режим «высокого разрешения», который захватывает и усредняет несколько развёрток. Всё это должно сделать осциллограмму более гладкой и, следовательно, менее шумной, когда сигнал представляет собой горизонтальную линию. Я также заметил, что мой старый осциллограф Tektronix TDS 210 (примерно 1997 года выпуска) отображает более плавную осциллограмму, чем гораздо более новый Instek GDS-1062A (примерно 2011 года). Моя теория заключается в том, что разница в выходных данных обусловлена разницей в способах оцифровки сигнала двумя осциллографами.

Tek использует два аналоговых ПЗС-накопителя для первоначального захвата сигнала с тактовой частотой до 1 ГГц. Но после захвата аналоговый сигнал тактируется с ПЗС с гораздо более низкой частотой, и аналого-цифровое преобразование может выполняться одним АЦП (или, возможно, двумя, по одному на канал). Преимущество такого подхода заключается в том, что все отсчёты в одном канале поступают с одного АЦП, поэтому проблем с согласованием не возникает. Это также означает, что осциллограф может захватывать два канала на полной частоте с помощью двух ПЗС-матриц. Но это означает, что один захват ограничен 2500 точками (длина ПЗС-матрицы), а количество регистрируемых сигналов в секунду ограничено несколькими сотнями. В отличие от этого, Instek оцифровывает и сохраняет точки «на лету» в режиме реального времени, поэтому максимальная продолжительность захвата ограничена только объёмом памяти (2 миллиона точек). Однако используемые в нём АЦП недостаточно быстры для работы на частоте 1 ГГц, поэтому вместо этого используются 4 различных АЦП с частотой до 125 МГц, смещенные относительно друг друга, что позволяет производить выборку сигнала каждую наносекунду. Однако 4 преобразователя не будут идеально согласованы, и объединение потоков выборок от 4 преобразователей в одну запись означает, что любая разница между АЦП (которую невозможно компенсировать) будет проявляться в виде низкоуровневого периодического шаблона на выходе.

Другая причина: аналоговые осциллографы отображают сигнал по мере его поступления (с небольшой задержкой, чтобы показать часть сигнала до запуска). После завершения развёртки аналоговый осциллограф очень быстро готов к повторному запуску — ему не нужно никуда копировать данные, и он никогда не пытается записать больше, чем помещается на экране. Благодаря высокой скорости развёртки и большому количеству триггеров аналоговый осциллограф может отображать сотни тысяч сигналов в секунду, все из которых визуально усредняются благодаря инерционности люминофора на экране и усреднению внутри глаза. Существуют цифровые осциллографы, которые имитируют это, также регистрируя сотни тысяч сигналов в секунду, усредняя их в цифровом виде и отображая на дисплее с регулируемой яркостью (Цифровые Люминесцентные Осциллографы). Однако более простые цифровые осциллографы регистрируют гораздо меньше сигналов в секунду и отображают их с полной яркостью, что делает зафиксированные сигналы гораздо более заметными, даже если они нетипичны.

Loring Chien

инженер-электрик и аудиофил на протяжении 45 лет

Чем аналоговый мультиметр отличается от цифрового мультиметра, и какой из них точнее?

Аналоговые измерители используют подвижную катушку и печатную шкалу. В самых простых измерителях, таких как классический Simpson 260, измеритель имеет механизм с сопротивлением 20 000 Ом на вольт, что означает, что для отклонения стрелки измерителя на полную шкалу требуется 50 мкА. При шкале 10 В нагрузка цепи составляет 200 000 Ом. Это влияет на схему гораздо сильнее, чем 10 МОм цифрового измерителя.

Точность считывания шкалы аналогового измерителя редко считается превышающей 1% и зависит от правильного считывания шкалы пользователем. Но цифровые измерители показывают до 3,5 знаков на обычных измерителях и до 4, 5 и 6 знаков на лучших лабораторных измерителях. Таким образом, вы можете легко разрешить 0,01%, что делает цифровые измерители гораздо более высокоразрешающими, и обычно точность соизмерима.

Таким образом, по нагрузке, разрешению и точности цифровой измеритель безоговорочно выигрывает. Однако им требуется батарея, и на них трудно отслеживать тенденции. Некоторые аналоговые счетчики имеют входные каскады с высоким входным импедансом, которые усиливают сигнал и снижают нагрузку на схему до минимального уровня цифровых мультиметров, но они работают от батарей и по-прежнему не обеспечивают высокого разрешения или точности показаний, намного превышающей 1%.

Jeff Robins

Более 15 лет опыта работы в качестве практикующего инженера-электрика. (Аналоговое, цифровое, электропитание)

Это зависит от частоты сигнала и его формы.

Позже я опишу разницу между цифровым мультиметром и осциллографом, а затем сначала отвечу, какой из них точнее. Кроме того, предупреждаю, что я разработал цифровой мультиметр и рассматривал возможность разработки осциллографа. Постараюсь не вдаваться в подробности.

Для сигнала выше 20 кГц современный осциллограф, вероятно, будет точнее. Он будет иметь большее количество (>10) свободных от шума бит. На это влияет множество факторов вплоть до 300 кГц, но главным, вероятно, является входной сигнал. Осциллограф предназначен для высокоскоростных входов, в то время как цифровой мультиметр предназначен для низкого уровня шума и низкого смещения. Если вы посмотрите на характеристики большинства цифровых мультиметров, вы заметите, что точность измерения переменного тока начинает значительно ухудшаться выше 20 кГц. К тому времени, как вы достигнете 100 кГц, она становится ужасной. Погрешность в несколько процентов является нормой. Входной каскад цифрового мультиметра будет иметь несколько паразитных фильтров нижних частот, а сами операционные усилители также не будут очень быстрыми. Другой важный фактор — преобразователь среднеквадратичного значения в постоянное. Многие цифровые мультиметры используют аналоговый преобразователь постоянного тока в среднеквадратичное значение, такой как AD637. Полоса пропускания преобразователя спадает на довольно низкой частоте, и его погрешность также невелика. На самом деле, для достижения хорошей точности требуется немало усилий. Некоторые из новых цифровых мультиметров используют высокоскоростной, но менее разрядный АЦП-преобразователь и используют математические вычисления для вычисления среднеквадратичного значения. Это может обеспечить более высокую точность, чем аналоговый метод, а также функцию DAQ (цифрового сбора данных). Теоретически процессор также может компенсировать паразитные составляющие сигнального тракта с помощью цифровых фильтров. Однако я не видел, чтобы это было реализовано.

После 300 кГц вам действительно нужен осциллограф. Существуют некоторые специальные цифровые мультиметры, которые работают с более высокими частотами (до 2 МГц), но у них фактически два отдельных сигнальных тракта. Высокочастотный — это то, что делает осциллограф. Он имеет вход, рассчитанный на высокую частоту, и разъём BNC для подключения щупов. Для подключения щупа к цифровому мультиметру можно приобрести адаптер, но входная схема устроена иначе.

ПРИМЕЧАНИЕ: Цифровой мультиметр должен иметь плавающий вход, чего нет у большинства осциллографов.

Отличия:

Итак, в общем случае, цифровой мультиметр — это прибор, измеряющий множество различных параметров. DMM расшифровывается как Digital Multi-Meter (цифровой мультиметр). Наиболее распространённые функции: напряжение постоянного тока (Vdc), напряжение переменного тока (Vac), ток постоянного тока (Idc), ток переменного тока (Iac) и сопротивление. Некоторые цифровые мультиметры измеряют другие параметры, такие как частота, ёмкость, напряжение на диоде и т. д. Для некоторых измерений (сопротивление, ёмкость, проверка диода) цифровым мультиметрам требуется генерация входного сигнала. Входные клеммы должны быть изолированы от заземления. Измерения выполняются медленно и имеют «высокое» разрешение, которое указывается в виде нескольких цифр. Это хорошие приборы общего назначения. Они должны быть у каждого. Цены варьируются от 10 до нескольких тысяч долларов. Цифровые мультиметры, как правило, измеряют только один сигнал за раз.

Осциллографы (O-scopes) — это устройства, которые измеряют напряжение с высокой скоростью, запускаясь по сигналу и заполняя буфер. Содержимое буфера можно просматривать (на экране или загрузить). Большинство из них могут выполнять математические функции над полученными данными для вычисления свойств сигнала (частоты, БПФ, среднеквадратичного значения, напряжения размаха и т. д.). Большинство O-scopes могут измерять несколько сигналов одновременно, и их показания синхронизируются. Входы обычно могут быть связаны по переменному или постоянному току. Диапазон частот O-scopes обычно составляет не менее 10 МГц и может расширяться до диапазона нескольких ГГц. Осциллографы, как правило, дороги, что вполне естественно.

Для подключения сигнала к O-scope используются пробники. Различные пробники могут расширить возможности O-scope для измерения более высоких напряжений, токов и отдельных измерений. Для этого существует целая номенклатура опциональных осциллографических пробников, значительно повышающих стандартные характеристики осциллографа.

Vern Shellman

Посвятил годы работы с электроникой, инженер-электрик с 45-летним стажем, старший пожизненный член IEEE

Как цифровой мультиметр измеряет напряжение?

Всё начинается с аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует аналоговое напряжение в двоичное число. Затем это число отображается в двоично-десятичной системе счисления (BCD), чтобы двоичное число отображалось на экране в десятичном виде. И вот вы видите его. Существуют и другие системы измерения силы тока и сопротивления, но все они работают схожим образом с различными аналоговыми входами. В наши дни легко разместить все эти системы для цифрового мультиметра на одном кристалле.

Loring Chien

Инженер-Электрик, старший сотрудник IEEE

Как работает осциллограф?

Вся суть Осциллографа в том, что это электротехнический прибор, отображающий зависимость напряжения от времени. Во многих случаях несколько сигналов можно отображать на общей временной развертке. Хорошие осциллографы имеют функции синхронизации, позволяющие фиксировать сигналы, совпадающие с некоторыми электрическими событиями. Кроме того, их можно использовать для построения графиков зависимости напряжения от х-к напряжения, обычно называемых фигурами Лиссажу.

Раньше первыми осциллографами были осциллографы, входы сигналов которых подключались к гальванометрам, которые приводили в движение зеркала, вращающиеся по осям X и Y. Луч света отражался от зеркала. Напряжение отклоняло зеркало вверх и вниз (Y), а пилообразный сигнал перемещал зеркало слева направо (X), так что точка рисовала сигнал на стене внутри затемнённого ящика.

Усовершенствованные электронно-лучевые осциллографы использовали фосфорный экран и электронный луч от электронно-лучевой трубки. Трубка имела отклоняющие пластины по осям X и Y для перемещения лучей вверх и вниз. На практике Y-пластины управляются входным напряжением, а X-пластины – пилообразным сигналом, увеличивая время на экране. Это немеханический процесс, и он гораздо быстрее.

Современные осциллографы используют цифровую память, которая заполняется отсчетами напряжения с равными временными интервалами. Напряжение отображается компьютерными схемами на ЖК-дисплеях в виде графика в координатах X-Y, где отсчеты напряжения расположены по вертикальной оси Y, а номер отсчета соответствует времени на оси X.

Вот относительно современный ЖК-цифровой запоминающий осциллограф, отображающий три осциллограммы цифровых сигналов на общей временной оси.

Christian Droßmann

Независимый тренер по немецкому и английскому языкам (2001–настоящее время)

Jan Verschueren

Степень магистра в области электронной инженерии.

Как устранить «шум» осциллографа?

Это зависит от ряда факторов:

1. Качественный ли это осциллограф? Если вы собрали знаменитый китайский «набор для цифрового осциллографа», доступный на Banggood, Amazon и т. д., не беспокойтесь, это самая дешевая ерунда, которую вы могли бы получить, радуйтесь, что шум не оглушающий. Вам таки стоит приобрести настоящий осциллограф или (на худой конец) хотя бы раздобыть один из легендарных старых аналоговых. Далее, см. шаг 2.

2. Качественный ли у вас щуп? Опять же, если это дешевая штука Banngood «я измеряю ваши частоты очень долго», ну, вот это и есть ваша проблема, у вас, как вы считаете, появился качественный щуп? Не раздумывая, переходите к шагу 3.

3. Увеличивая изображение шума, можете ли вы распознать его закономерность? Это гул частотой 50 Гц от очень старой люминесцентной лампы в вашем магазине или, может быть, трансформатора, который старше вашего дедушки? Подвигайте щуп по комнате, меняется ли шум в зависимости от того, где вы находитесь, попробуйте найти источник помех, высокочастотные ли они? Может быть, стоит убрать Wi-Fi-роутер подальше? У вас есть телефон в кармане с включёнными Wi-Fi и Bluetooth? Есть ли какое-либо оборудование с генератором? Проблема может быть и в классных винтажных цифровых часах из 80-х… или в дешёвом генераторе сигналов, который вы забыли выключить… в общем, любое плохо экранированное устройство, которое по своей природе может излучать электромагнитное поле, может исказить ваши показания… ничего так, правда? См. шаг 4.

4. Отнесите осциллограф и щуп в магазин и посмотрите, смогут ли продавцы устранить проблему… или, что разумнее всего, возьмите другой (качественный!) осциллограф и используйте его с тем же щупом, чтобы проверить, остался ли шум? Тут такое дело… Сам щуп может быть неисправен… если это так, замените щуп и проверьте, остался ли шум… тогда дело может быть в самом осциллографе… что-то внутри могло состариться или сломаться, и это само по себе вызывает проблему…

Stephen Paulraj

Работает в Центре атомных исследований имени Индиры Ганди (2012–настоящее время)

Зачем калибровать осциллограф?

Если ваш осциллограф даёт неточные результаты, пришло время его откалибровать.

Калибровка осциллографа сохранит целостность ваших исследований. Осциллографы должны точно считывать данные. Если показания осциллографа выходят за пределы допуска (OOT), то измеряемый прибор будет выдавать ложные данные. Ложные данные приводят к трате денег на ремонт и дорогостоящее обслуживание, а также к затягиванию исследований. Калибровка должна быть упреждающим действием. Представьте это как замену масла в велосипеде. Вы бы не рискнули сесть за руль, не сменив масло, не так ли? Большинство из нас меняют масло по графику, чтобы избежать дорогостоящего ремонта. Техническое обслуживание велосипеда позволяет избежать ненужных затрат и расходов. Тот же принцип применим и к вашему осциллографу. Вы бы не рискнули снимать показания, не откалибровав осциллограф?

Что калибровать?

Поскольку калибровка — важный стандарт для эндоскопов, вам необходимо знать, что именно нужно калибровать. Ниже представлен список элементов управления для калибровки вашего устройства.

1. Вертикальные каналы

2. Переключение каналов

3. Диапазон и точность отклонения

4. Полоса пропускания, импульсная характеристика и время нарастания

5. Горизонтальные каналы

6. Точность временной развертки, включая задержку, увеличение и джиттер

7. Функции запуска

8. Точность отклонения по оси X и фазировка по осям X-Y

9. Внутренние калибровочные сигналы

10. Курсоры и показания измерений

11. Полоса пропускания по оси Z

Интервалы калибровки

Владелец прибора определяет интервалы калибровки на основе рекомендаций производителя. Интервалы калибровки, рекомендуемые производителем оригинального оборудования, обычно основаны на таких параметрах, как средние скорости дрейфа показаний различных компонентов прибора.

Ganesh Subramaniam

Радиолюбитель, любитель астрономии

Что такое осциллограф?

Осциллограф — это измерительный прибор.

Основная функция осциллографа — построение графика зависимости напряжения сигнала от времени. Обычно ось Y отображает напряжение, а ось X — время. Это полезно для измерения таких параметров, как тактовая частота, коэффициент заполнения широтно-импульсных сигналов, задержка распространения или время нарастания и спада сигнала в зависимости от входного сигнала. Осциллограф также может предупреждать о наличии сбоев в логике или дребезге контактов. Осциллограф предназначен для наблюдения за работой схемы, поэтому первым шагом является сборка схемы и подключение щупов.

Что нужно знать:

Осциллограф — очень удобный прибор при проектировании и конструировании схем, без него не обойтись в лабораторных работах по электронике.

Его функции:

а) Отображение и расчет частоты и амплитуды осциллирующего сигнала.

б) Отображение напряжения и времени сигнала. Эта функция наиболее часто используется во всех лабораторных работах.

c) Помогает выявлять неисправности компонентов проекта, анализируя ожидаемый выходной сигнал после каждого компонента.

d) Отображает содержание переменного или постоянного напряжения в сигнале.

Самые ранние осциллографы, например, в 1960-х годах, были известны как электронно-лучевые осциллографы, которые создавали изображение, заставляя сфокусированный электронный луч сканировать узоры на поверхности электронно-лучевого экрана. Более современные осциллографы электронно копируют работу ЭЛТ с помощью жидкокристаллического дисплея или ЖК-дисплея.

Существует два основных типа осциллографов: аналоговые и цифровые. Аналоговые используют непрерывно изменяющееся напряжение. Цифровые используют дискретные двоичные числа, представляющие собой отсчеты напряжения. Аналоговый осциллограф работает, напрямую прикладывая измеряемое напряжение к электронному лучу, движущемуся по экрану осциллографа. Напряжение пропорционально отклоняет луч вверх и вниз, отображая форму сигнала на экране. Цифровой осциллограф снимает сигнал и использует аналого-цифровой преобразователь для преобразования измеренного напряжения в цифровой формат. Затем он использует этот цифровой формат для отображения сигнала. Он позволяет фиксировать и просматривать события, которые могут произойти только один раз. Он может обрабатывать данные цифрового сигнала или отправлять их на компьютер для последующей обработки в автономном режиме. Кроме того, осциллограф может сохранять данные цифрового сигнала для последующего просмотра и печати.

Если вы собираетесь приобрести осциллограф, вам необходимо понимать используемые термины и их значение. Понимание терминов позволит сравнить предлагаемые функции и цену. Итак:

a) Полоса пропускания: Полоса пропускания определяет диапазон частот, который осциллограф может точно измерить.

b) Точность усиления: Точность усиления показывает, насколько точно система вертикального сканирования ослабляет или усиливает сигнал. Она отображается в процентах.

c) Точность временной развертки или горизонтальной развертки: Точность временной развертки или горизонтальной развертки показывает, насколько точно система горизонтального сканирования отображает временные характеристики сигнала. Она отображается в процентах.

d) Время нарастания — это ещё один способ описания полезного частотного диапазона осциллографа. Время нарастания необходимо учитывать при измерении импульсов и ступенчатых сигналов. Оно не может точно отображать импульсы с временем нарастания, превышающим заданное время нарастания осциллографа.

e) Вертикальная чувствительность: Вертикальная чувствительность показывает, насколько усилитель вертикальной развёртки может усилить слабый сигнал. Вертикальная чувствительность обычно указывается в милливольтах (мВ) на деление. Наименьшее напряжение, которое может обнаружить универсальный осциллограф, обычно составляет около 1 мВ на вертикальное деление экрана.

f) Скорость развёртки: Эта характеристика указывает, как быстро осциллограмма может перемещаться по экрану. Обычно она измеряется в наносекундах на деление.

g) Частота дискретизации: В цифровом осциллографе частота дискретизации показывает, сколько отсчётов в секунду может получить АЦП. Максимальная частота дискретизации обычно указывается в мегавыборках в секунду (Мвыб/с). Чем быстрее осциллограф может производить выборку, тем точнее он может отображать мельчайшие детали сигнала. Минимальная частота дискретизации также может быть важна, если вам нужно просматривать медленно меняющиеся сигналы в течение длительных периодов времени. Как правило, частота дискретизации изменяется вместе с изменением параметра «сек/дел» для поддержания постоянного количества точек сигнала в записи.

h) Длина записи: Длина записи цифрового осциллографа показывает количество точек сигнала, которые осциллограф может получить за одну запись. Максимальная длина записи зависит от объёма его памяти. Существует возможность получения либо детального изображения сигнала за короткий промежуток времени, либо менее детального изображения за более длительный период времени.

Продолжение следует

Сопутствующие Товары