Почему цифровой мультиметр точнее осциллографа? Где и когда. Окончание
Eric Hakanson
Бакалавр наук в области электротехники, Политехнический университет Вирджинии (выпуск 1979 г.)
Есть ли у ЭЛТ-осциллографа еще полезные применения там, где цифровой осциллограф не может конкурировать?
Цифровые осциллографы прошли долгий путь. Существует очень мало (если вообще существуют) областей применения, где аналоговый осциллограф хоть в чём-то был лучше. Вот несколько примеров, где аналоговый осциллограф всё-таки может быть лучше:
1. Отсутствие наложения спектров на низких скоростях развёртки. В современных цифровых осциллографах эта проблема практически решена благодаря пиковому детектированию, высокому разрешению (цифровой фильтрации нижних частот) и большой памяти. Но это всё ещё может произойти, особенно если вы не знаете, как пользоваться осциллографом. Я несколько удивлён, что нет осциллографа (по крайней мере, я не видел ни одного), который бы обладал тем, что постоянно делают анализаторы спектра — автоматически отображал огибающую сигнала, используя детектирование положительных и отрицательных пиков для каждой отображаемой точки выборки и проводя линии между ними.
2. Много лет назад я слышал, как некоторые представители правительства США умоляли Tektronix продолжить выпуск двухлучевых осциллографов серии 7000, поскольку для разных каналов можно было бы использовать разные скорости развёртки. Я не знаю ни одного цифрового осциллографа, который бы это делал.
У моего бывшего коллеги много лет на рабочем столе стоит отличный микроканальный аналоговый осциллограф Tektronix. Он хранит его «на всякий случай», но не пользовался им уже несколько десятилетий. Думаю, это довольно красноречиво говорит о его состоянии.
Dave Martindale
Увлекаюсь электроникой примерно с 1965 года
Имеет ли осциллограф с синхронизацией на основе ЭЛТ (например, Tektronix) какие-либо преимущества перед цифровым осциллографом с той же полосой пропускания и входами?
До недавнего времени аналоговые осциллографы имели преимущество в количестве развёрток, которые они могли захватить и отобразить в секунду, а также в том, что при изменении сигнала во времени яркость осциллограммы показывала, как часто сигнал проходил по этому пути.
После того, как аналоговый осциллограф завершил одну развёртку, он практически сразу готов к запуску следующей развёртки. Если посмотреть на характеристики аналогового осциллографа с произвольной частотой (Tek 2465A), то минимальная задержка запуска составляет 1 мкс, что означает, что при отображении достаточно высокочастотного сигнала (например, 100 МГц) с высокой частотой развёртки он может отображать почти 1 миллион развёрток в секунду.
Для сравнения, ранние цифровые осциллографы с запоминающим устройством могли захватывать и отображать лишь несколько тысяч развёрток в секунду, поэтому они не очень хорошо отображали весь диапазон имеющихся сигналов, поскольку большую часть времени были «слепыми». Кроме того, дисплей мог отображать только один бит интенсивности на пиксель — без уровней серого.
Современные цифровые осциллографы с запоминающим устройством значительно усовершенствовались. Теперь они могут захватывать сотни тысяч сигналов в секунду и суммировать все эти данные для создания изображения, где интенсивность отображается как частота, и отображать это на дисплее с градацией интенсивности. Другими словами, теперь они могут делать то единственное, для чего аналоговый осциллограф был лучше. В то же время цифровые осциллографы могут выполнять всевозможные виды анализа сигнала, выходящие за рамки возможностей аналогового осциллографа.
(Однако у меня на самом деле есть пара винтажных аналоговых осциллографов 1980-х годов и недорогой цифровой осциллограф с однобитным дисплеем. Я, возможно, никогда не куплю хороший цифровой осциллограф с градацией интенсивности, поскольку он мне не нужен для хобби. Так что, возможно, я оставлю хотя бы один аналоговый осциллограф навсегда.)
Joe Ting
Зажимы для достижения наилучших результатов
Какой метод измерения сопротивления цифрового мультиметра (ЦММ) существует без использования другого ЦММ?
Подключите внешний источник питания к цифровому мультиметру (DMM). Затем используйте провода для измерения напряжения батареи и тока, потребляемого во время работы мультиметра. У меня есть провода с зажимами именно для этого
Обычно требуется двойная батарея типа AA или AAA. Однако, если батарея перезаряжаемая, её будет сложнее разобрать.
Для измерения внутренних параметров используется тот же цифровой мультиметр, что удовлетворяет вашим критериям для одного режима. Получив данные о напряжении и токе, вы можете рассчитать сопротивление. Я предполагаю, что падение тока в цифровом мультиметре будет незначительно меняться во всех режимах. Для проверки этой гипотезы вам понадобится второй цифровой мультиметр.
Jim.Moore
Физик, математик, системный инженер, педагог
Каковы три области применения осциллографа для измерений, которые не может выполнить цифровой мультиметр?
Существует множество способов использования визуального представления, которые цифровой мультиметр не может обнаружить.
Анализ формы сигнала, например, ЭКГ, может дать врачу мгновенную информацию.
Искаженная форма сигнала наложенного на другой сигнал может указывать на наличие информации, помех или наличие носителя данных. Это также может указывать на плавающее заземление.
Сигналы можно накладывать друг на друга для сравнения. Фактически, можно накладывать несколько сигналов для сравнения одновременно.
Измерение частоты, джиттера частоты (когда частота изменяется) и временных интервалов.
Я, наверное, мог бы придумать сотни приложений, для которых вместо цифрового мультиметра потребуется осциллограф.
Steven J Greenfield
Изучаю электронику до тех пор, пока могу сам выбирать себе книги.
Почему цифровой осциллограф показывает больше шума сигнала, чем осциллограф с ЭЛТ?
Потому что аналоговый осциллограф с ЭЛТ по своей природе постоянно усредняет результаты измерений. Каждая кривая не сильно освещает экран. Повторяющиеся кривые делают её достаточно яркой. Но это означает, что случайный шум просто делает линию немного шире и немного расфокусированной. Вы когда-нибудь замечали, что при отсутствии сигнала, когда вы переключаетесь с низкой чувствительности, например, 1 В/дел, на максимальную, линия выглядит немного размытой? Если вы подаёте прямоугольный сигнал, вы можете заметить, что вертикальные линии во время нарастания и спада кажутся менее подверженными этому, поскольку шум представляет собой амплитудный шум и, следовательно, горизонтальный.
Большинство людей, использующих недорогие цифровые запоминающие осциллографы (DSO) в любительских условиях, используют однократный захват. Большинство недорогих DSO при непрерывном захвате просто перерисовывают линии на экране без усреднения. Но если каждая отдельная кривая на ЭЛТ-осциллографе очень тусклая, на цифровом экране DSO каждая кривая имеет одинаковую яркость, и это не делает кривую ярче или тусклее. Эта функция была и в более дорогих DSO, если вы знаете о её существовании. Многие недорогие DSO теперь включают её. В моём старом Rigol её не было, а в новом Rigol она есть.
Дэйв Джонс из EEVBlog снял отличный выпуск, иллюстрирующий это.https://youtu.be/Znwp0pK8Tzk
Roy McCammon
Более 40 лет работы инженером-электриком
Почему потенциометр измеряет ЭДС точнее, чем вольтметр?
Давным-давно, примерно в 1930 году, вольтметры использовали гальванометры для измерения напряжения. Гальванометр должен был потреблять ток от измеряемого источника, чтобы получить отклонение стрелки. Если сопротивление источника было достаточно велико, ток, потребляемый от источника, приводил к падению напряжения источника. Например, предположим, что входное сопротивление вольтметра составляет 1 МОм на шкале 100 вольт. Если напряжение источника составляет 50 В, то вольтметр потреблял бы от источника ток силой 50 микроампер. Если выходное сопротивление источника составляет 100 кОм, оно упало бы до 45 вольт, и вольтметр показывал бы 45 В с погрешностью 10%.
При использовании потенциометра гальванометр подключается между измеряемым источником и выходом потенциометра. Выход потенциометра регулируется до тех пор, пока отклонение стрелки гальванометра не станет нулевым. Это означает, что через гальванометр не протекает нулевой ток, а выходное напряжение потенциометра точно такое же, как и у измеряемого источника. Таким образом, если напряжение источника составляет 50 В, потенциометр также будет настроен на 50 В. Если бы вы знали, что выход потенциометра составляет 50 В, то вы бы знали, что и источник тоже составляет 50 В, даже если сопротивление источника составляет мегаом. Так как же узнать напряжение на выходе потенциометра? Я не буду вдаваться в подробности, но даже в 1930 году существовали способы узнать, что выходное напряжение имеет определенное значение по замыслу. Точность в 0,1% была приемлемой.
Конечно, потенциометр не был идеальным. Вы настраивали его до тех пор, пока гальванометр не показывал никакого отклонения, но это была визуальная точность. Если бы отклонение действительно составляло 0,1% от полной шкалы, вы бы его не заметили. Но даже при отклонении 0,1% потенциометр потреблял гораздо меньше тока от измеряемого источника.
Но в 2017 году у нас появились вольтметры с полевыми транзисторами на входе. Они больше не потребляют заметного тока от измеряемого источника. Они обладают всеми видами самокалибровки. Их точность выше, чем непреднамеренные ошибки термопары, возникающие при неправильном подключении. Преобладание потенциометра утрачено.
James Bell
Loring Chien
Инженер-электрик с 45-летним стажем, старший пожизненный член IEEE
Как цифровой мультиметр измеряет напряжение?
Примерно в 1974 году я спроектировал 4,5-разрядный (20 000 отсчётов) цифровой вольтметр (ЦВМ), включая разработку печатной платы для его сборки.
Он был основан на технологии «двойного наклона», которая использует инвертирующий операционный усилитель (ОУ) для «интегрирования» входного сигнала за десятки миллисекунд, а затем опорное напряжение для «деинтегрирования» накопленного значения за разное время.
Он использовал 4-разрядный счётчик mk5002 Mostek и некоторую логику на основе клея.
Вы можете спросить, зачем я это построил? В то время, когда я только начинал изучать электронику, мне было очень неловко использовать любую технику, принцип работы которой я не понимал. Продемонстрировать себе, что я понимаю, как что-то работает, можно было, сделав это самостоятельно.
Примерно в 1972 году я построил термостат с постоянной температурой для занятий по химии, поскольку химия была моим основным интересом. Пару лет спустя я спроектировал и построил четырёхразрядный частотомер. Начиная с 1978 года, я проектировал и построил компьютер на базе микропроцессора z80, который в итоге состоял примерно из 600 интегральных схем. Он использовал 6-мегагерцовый z80B, который мне удалось разогнать до 12 мегагерц. Я охлаждаю микропроцессор термоэлектрическим устройством, купленным в магазине электронных товаров b&f electronics в Массачусетсе.
https://www.eeeguide.com/dual-slope-integrating-type-dvm/
Kenneth Lundgren
Бакалавр наук в области электротехники, Иллинойсский технологический институт, Чикаго (выпуск 1963 г.)
Почему мультиметр может измерять гораздо более высокое постоянное напряжение, чем осциллограф на том же контакте?
Вы уверены, что осциллограф настроен на связь по постоянному току?
Чтобы проверить, не нагружает ли щуп осциллографа какую-либо цепь с высоким импедансом, оставьте мультиметр подключенным, пока подключаете щуп осциллографа. Если оба щупа откалиброваны, показания должны совпадать.
Вам нужно уточнить. Что это за цепь, и какие фактические напряжения вы считываете с помощью мультиметра и осциллографа?
Возможно, напряжение слишком высокое для осциллографа, и его входной усилитель перегружен.
Loring Chien
Инженер-электрик с 45-летним стажем и старший пожизненный член IEEE
В чем разница между графическим мультиметром и DSO (цифровым осциллографом)?
Обычно это временная шкала. Мультиметры могут выполнять лишь около 60 измерений в секунду, но осциллографы обычно выполняют от нескольких тысяч до миллиардов измерений в секунду.
Графический мультиметр может быть полезен для мониторинга напряжения в течение нескольких минут или часов, в то время как цифровые запоминающие осциллографы (DSO) предназначены для измерения изменений напряжения в течение нескольких наносекунд или нескольких минут с высоким разрешением.
Isaac Wingfield
Вышел на пенсию после долгой карьеры в области исследований и разработок в области электроники
Каким образом портативный цифровой мультиметр может достаточно точно измерять колебательный постоянный ток?
Если установить измеритель на переменный ток, то (вероятно, в зависимости от модели) будет измеряться переменная составляющая сигнала, а это, похоже, не то, что вам нужно.
Пропустите «колеблющийся постоянный ток» через резистор в конденсатор и измерьте напряжение на нём — это позволит проинтегрировать изменяющийся во времени сигнал и получить среднее значение. Вам потребуется подобрать постоянную времени RC-цепи в соответствии со скоростью изменения сигнала. (Аналоговый измеритель д’Арсонваля — с перемещающейся по шкале стрелкой — автоматически выполнит интегрирование).
Или используйте осциллограф — именно с такими сигналами он справляется лучше всего.
Loring Chien
Инженер-электрик с 45-летним стажем и старший пожизненный член IEEERelated
Чем полезен осциллограф?
Он обеспечивает беспрецедентное отображение зависимости напряжения от времени для одного или нескольких синхронизированных каналов. Графики могут отображаться как очень быстро, так и очень медленно, с интервалом от наносекунд до нескольких часов. Без осциллографа было бы сложно получить точное представление о том, что происходит в этот промежуток времени.
График можно запускать комбинациями сложных сигналов, чтобы увидеть взаимосвязь отображаемых сигналов с событием запуска.
Это, несомненно, самый важный инструмент на рабочем столе большинства инженеров-электронщиков.
Ferenc Valenta
Работает в Mentor Graphics (компания)
Каковы недостатки электронно-лучевого осциллографа (ЭКО)?
ЭЛТ — это технология отображения, которая может использоваться в любых осциллографах, даже в цифровых запоминающих осциллографах. Представляем осциллограф смешанных сигналов Agilent 54641D, по сути, высокопроизводительный цифровой запоминающий осциллограф (DSO) и логический анализатор, интегрированные в одном корпусе. Дисплей — зелёный ЭЛТ.
Вы имели в виду осциллографическую трубку, представляющую собой специальный ЭЛТ с электростатическим отклонением, способный работать на разных частотах и коэффициентах заполнения. Даже это может быть непросто, взгляните на Goldstar OS3020:
Этот красавец оснащен настоящей осциллографической трубкой и имеет как аналоговый, так и цифровой режимы работы. Его цифровая система дискретизации была довольно примитивной, что было обычным явлением того времени. Для высокочастотных периодических сигналов можно было использовать аналоговый режим.
Аналоговые осциллографы достаточно хороши для аналоговых схем и периодических сигналов, но очень неудобны для цифровых схем с непериодическими сигналами. В этом цифровом мире им мало места. Цифровые запоминающие осциллографы полностью вытеснили аналоговые осциллографы.
Аналоговому осциллографу требуется периодическое событие запуска, и он может отображать только периодический сигнал. В противном случае изображение становится беспорядочным и непригодным для использования. Цифровой запоминающий осциллограф может зафиксировать одну «развертку» по событию запуска, которую можно анализировать автономно. Можно проверить, что происходило до срабатывания триггера, захватить длинную развертку, а затем увеличить масштаб для просмотра деталей, захватить несколько коротких разверток при различных событиях триггера и сравнить их и т. д. Несмотря на то, что существовали некоторые гениальные решения для хранения аналоговых данных с использованием осциллографов на основе трубок, а также некоторые приемы, возможные с двойной временной разверткой, вышеуказанные функции невозможно реализовать без цифровой системы выборки.
Loring Chien
инженер-электрик и аудиофил на протяжении 45 лет
Какие факторы ограничивают точность осциллографа при измерении напряжения?
Предположим, у нас есть аналоговый входной цифровой осциллограф (и вы не указали точность переменного или постоянного тока)
1. Разрешение АЦП обычно 8 бит или, возможно, 10 бит.
2. Выборки АЦП и алгоритмы (среднеквадратичное значение, пиковое значение и т.д.), используемые для расчётов переменного тока.
3. Опорная точность АЦП.
4. Точность входного усилителя.
5. Входное сопротивление и допуск на сопротивление щупа 10X.
6. Ограничения полосы пропускания усилителя.
Manjunath Pai H
Электричество, моя «земля»-мать
Для каких задач нужен осциллограф?
1. Визуальное исследование искажений/сдвига постоянной составляющей в форме сигнала.
2. Разность фаз относительно другого сигнала.
3. Наблюдение за процессом синхронизации в аналоговой системе ФАПЧ (с использованием встроенного ГУН, а также синусоидальных входов) с использованием фигуры Лиссажу (X-Y) на КРЦ.
4. Отображение вольт-амперных характеристик диодов (некоторые КРЦ имеют функцию отображения выходных характеристик транзисторов).
5. Постоянное напряжение, представленное в синусоиде, можно напрямую определить, переключив переключатель DC/AC и зафиксировав результирующее смещение в форме сигнала.
6. Наблюдение за амплитудно-модулированным или частотно-модулированным сигналом.
7. Измерение задержки распространения между входом и выходами в цифровой комбинационной схеме.
8. Измерение времени нарастания и спада острого импульса после прохождения через схему/фильтр.
Вышеуказанные задачи можно выполнить только на CRO (в основном) довольно легко.
Roy McCammon
Изучал электротехнику и физику
Зачем калибровать осциллограф?
У меня на этот счёт другой взгляд. Хотя мой опыт связан только с Tektronix. Годами моя лаборатория отправляла осциллографы на калибровку по их рекомендуемому циклу. Просто из любопытства я делал несколько измерений перед отправкой и сравнивал результаты по прибытии. Ничего не менялось. И вот однажды мне захотелось узнать, какие характеристики переменного тока были на вертикальном канале. Я не смог их найти. Я позвонил в Tektronix. Оказалось, что у них нет характеристик переменного тока на вертикальном канале. Если вы хотите проводить измерения переменного тока, калибровка — ваша забота. Сейчас я говорю об осциллографах в моей лаборатории. Это обычные цифровые стробоскопические осциллографы. Возможно, у топового осциллографа есть характеристики переменного тока, я не знаю. Так что они, похоже, не дрейфуют, и вы сами определяете переменный ток. Поэтому мы решили, что осциллографы — это индикаторы и визуализаторы. Они показывают вам, что происходит, но мы не зависим от них для точных измерений. Поэтому мы перестали отправлять их на калибровку и сэкономили кучу денег.
Есть пара нюансов. Во-первых, мы — научно-исследовательская лаборатория, а не метрологическая и не лаборатория контроля качества. Им нужна прослеживаемость, а нам — нет. Во-вторых, у меня есть очень хороший мультиметр и высокочастотный вольтметр, которые мы отправляем на калибровку, что позволяет мне проверять работоспособность осциллографа, если это действительно важно.
Howard B. Evans, Jr.
Степень бакалавра по электротехнике и когнитивной психологии, Дейтонский университет (выпуск 1978 г.)
Почему потенциометр измеряет ЭДС точнее, чем вольтметр??
Я поставил плюс ответу Роя Маккаммона, поскольку он был точным и полным. Но я не согласен с недоказанным предположением автора вопроса о том, что потенциометр будет измерять ЭДС точнее вольтметра.
Самые точные измерения ЭДС производятся с использованием точного эталона напряжения. Долгие годы это был очень точно сконструированный электрохимический «стандартный элемент», ЭДС которого (напряжение на клеммах) считалась известной и стабильной. К сожалению, такие стандартные элементы имеют очень высокое внутреннее сопротивление, и нулевой ток может отбираться от них без изменения напряжения на клеммах.
Чтобы избежать нагрузки на стандартный элемент, можно использовать потенциометр для точной балансировки выхода потенциометра (от отдельной внешней батареи) и, следовательно, отбирать нулевой ток как от стандартного элемента, так и от потенциометра. Очевидно, что потенциометр должен возбуждаться от батареи с более высоким напряжением на клеммах, чем у стандартного элемента, чтобы он выдавал (более низкое) напряжение, равное напряжению на клеммах стандартного элемента без нагрузки. «Дано», что потенциометр выдаёт выходной сигнал, линейная функция которого зависит от расстояния между «рычагом стеклоочистителя» и одним из его концов. Используя эту информацию, а также зная потенциал холостого хода (ЭДС) стандартного элемента, можно рассчитать потенциал батареи, возбуждающей потенциометр. Используя аналогичный расчёт, можно рассчитать потенциал в любой точке потенциометра.
Фактически, потенциометр используется для калибровки относительно потенциала стандартного элемента. После достижения нулевого значения (состояния нулевого тока) стандартный элемент больше не нужен, поскольку напряжение батареи, возбуждающее потенциометр, теперь определено. Измерение меньшего напряжения сводится к регулировке потенциометра и определению соотношения длин между рычагом стеклоочистителя и каждым из двух концов. Точность этого зависит от устройства, используемого для определения нулевого значения между неизвестным измеряемым напряжением и напряжением, создаваемым потенциометром. Этот нуль-измерительный прибор может быть весьма чувствительным: широко распространены пикоамперные электронные гальванометры.
Однако другим фактором, влияющим на точность измерений, является напряжение, создаваемое эталонной ячейкой. Оно подвержено погрешностям, вызванным возрастом и температурой окружающей среды, поэтому даже если для калибровки потенциометра ток с ячейки берётся нулевым, его ЭДС всё равно остаётся неопределённостью.
Эта проблема была решена в прошлом веке с помощью квантово-механических устройств для создания стабильных опорных напряжений, но это выходит за рамки данного ответа, который, я надеюсь, опровергает предположение, что «измерение ЭДС потенциометром точнее, чем вольтметром». Всё зависит от того, как каждый прибор изготовлен, откалиброван и используется.
