097-888-02-66
095-888-02-66

Осциллограф: работа и методика измерений". Часть 2. 

"Основы осциллографов. Принципы работы и методики измерений". Часть 2. 

 

ЧАСТЬ 1 >>

 

Синусоиды

Синусоида является основной природной формой волны по нескольким причинам. Она обладает гармоническими математическими свойствами – это та же самая синусоидальная форма, которую вы изучали на уроках тригонометрии. Напряжение, присутствующее в ваших стенных розетках варьируется точно также, как и синусоида. Тестовые сигналы, продуцируемые осциллирующими цепями генератора сигналов, обычно являются синусоидами. Большинство источников переменного тока (AC) продуцируют синусоиды. (AC означает переменный ток, хотя напряжение также чередуется. DC означает постоянный ток, что означает устойчивые значения тока и напряжения, как то генерируется от батареек). Затухающая синусоидальная волна – отдельный случай, который можно наблюдать в колеблющихся цепях, со временем «свёртывающихся».

 

Квадратичные и прямоугольные волны

Квадратичная волна является другим типом распространённой формы сигнала. В целом, квадратичная волна представляет собой напряжение, которое включается и отключается (становится высоким или низким) в регулярные интервалы. Такой сигнал – стандартный для испытательных усилителей – хороший усилитель увеличивает амплитуду квадратичного сигнала с минимальным искажением. ТВ, радио и компьютерные цепи часто задействуют квадратичные волны как синхронизирующие сигналы.

Прямоугольные волны точно такие же как и квадратичные за исключением того, что временные интервалы высоких и низких значений не одинаковы по длине. Это особенно важно при анализе цифровых схем.

 

Пилообразные и треугольные волны 

Пилообразные и треугольные волны исходят от цепей, предназначенных для линейного управления напряжениями, как то горизонтальная развёртка аналогового или растровое сканирование на устройствах ТВ. Переходы между уровнями напряжения в этих волнах изменяются с постоянной скоростью. Эти переходы называются пилами (рампами).

 

Ступенчатые и импульсные формы

Сигналы, как то ступени и импульсы, которые происходят редко или не периодично, называются одиночными или переходными сигналами. Шаг означает мгновенное изменение значения напряжения, схожее с тем, что можно увидеть при включении переключателя подачи питания.

Импульс указывает на мгновенное изменение напряжения, схожее с изменением напряжения, которое можно наблюдать при периодическом включении и выключении переключателя. Импульс может представлять один бит информации, проходящий по компьютерным цепям, либо это может быть какой-то сбой или дефект на цепи. Множество импульсов, проходящих вместе, создают импульсную последовательность. Компоненты компьютерной цепи связываются между собой посредством импульсов. Импульсы могут быть в форме потока последовательных данных или в форме множественных каналов сигнализации, которые могут быть задействованы на шине параллельной передачи данных (значений). Импульсы обязательно присутствуют на рентгеновских установках, радарах и коммуникационном оборудовании.

 

 

Периодические и непериодические сигналы

Повторяющиеся сигналы относятся к категории периодических сигналов, в то время, как сигналы, постоянно изменяющиеся известны как непериодические. Устойчивая картинка соответствует периодическим сигналам, в то время как динамическая картинка приравнивается к непериодическим.

 

 

Синхронные и Асинхронные Сигналы

Когда имеет место соотношение в синхронизации между двумя сигналами, то эти сигналы считаются синхронными. Сигналы блока синхронизации, данные и адресные сигналы самого компьютера – яркий пример синхронных сигналов.

Асинхронные – термин, применяемый для обозначения таких сигналов, между которыми не существует синхронизации. Из-за отсутствия временной корреляции между прикосновением к клавише на компьютерной клавиатуре и блоком синхросигналов этого же компьютера, такие сигналы относятся к асинхронным.


Ступенчатые и импульсные формы

Сигналы, как то ступени и импульсы, которые происходят редко или не периодично, называются одиночными или переходными сигналами. Шаг означает мгновенное изменение значения напряжения, схожее с тем, что можно увидеть при включении переключателя подачи питания. 

Импульс указывает на мгновенное изменение напряжения, схожее с изменением напряжения, которое можно наблюдать при периодическом включении и выключении переключателя. Импульс может представлять один бит информации, проходящий по компьютерным цепям, либо это может быть какой-то сбой или дефект на цепи. Множество импульсов, проходящих вместе, создают импульсную последовательность. Компоненты компьютерной цепи связываются между собой посредством импульсов. Импульсы могут быть в форме потока последовательных данных или в форме множественных каналов сигнализации, которые могут быть задействованы на шине параллельной передачи данных (значений). Импульсы обязательно присутствуют на рентгеновских установках, радарах и коммуникационном оборудовании.

 

Периодические и непериодические сигналы

Повторяющиеся сигналы относятся к категории периодических сигналов, в то время, как сигналы, постоянно изменяющиеся известны как непериодические. Устойчивая картинка соответствует периодическим сигналам, в то время как динамическая картинка приравнивается к непериодическим.

 

Синхронные и Асинхронные Сигналы

Когда имеет место соотношение в синхронизации между двумя сигналами, то эти сигналы считаются синхронными. Сигналы блока синхронизации, данные и адресные сигналы самого компьютера – яркий пример синхронных сигналов.

Асинхронные – термин, применяемый для обозначения таких сигналов, между которыми не существует синхронизации. Из-за отсутствия временной корреляции между прикосновением к клавише на компьютерной клавиатуре и блоком синхросигналов этого же компьютера, такие сигналы относятся к асинхронным.

Комплексные волны

Некоторые формы волны включают в себя характеристики синусоид, квадратичных волн, ступенчатых и импульсов для продуцирования комплексных форм. Информация о сигнале может быть встроена в форму амплитуды, фазы и/или вариаций частоты. В качестве примера можно глянуть на рис. 6, где представлен обычный композитный видеосигнал, тем не менее, он состоит из множества циклов высокочастотных форм волны, встроенных в низкочастотный кадр.

На этом примере видно, что самым важным является чёткое представление об относительных уровнях и соотношениях синхронизаций ступеней. Для анализа такого сигнала необходим осциллограф, захватывающий в цветоразностном режиме низкочастотные кадры и элементы сопряжения высокочастотных волн, таким образом, что становится возможным увидеть их общую комбинацию в картинке, которую можно интерпретировать визуально. Цифровые люминесцентные осциллографы наиболее приспособлены для обзора комплексных волн, как то: видеосигналы на рис. 6. Их экраны обеспечивают необходимую частоту появления информации или градуировку интенсивности, что обязательно для понимания того, что же на самом деле происходит с волной.

Некоторые осциллографы способны специфическим образом выводить на свои экраны определённые типы комплексных форм волн. Например, телекоммуникационные данные могут отображаться как глазковые диаграммы или диаграммы созвездий. 

Цифровые телекоммуникационные сигналы данных могут быть представлены на экране осциллографа в виде специфических тип форм, называемых глазковыми диаграммами. Это название происходит из схожести формы сигнала с некоей последовательностью глаз, как это видно на рис. 7. Глазковые диаграммы продуцируются, когда цифровые данные от приёмника отбираются и применятся к вертикальному входу, в то время как скорость передачи данных применяется для запуска горизонтальной развёртки. Глазковая диаграмма общей картинкой отображает один бит или интервал данных со всеми возможными краевыми передачами и наложенными состояниями.

Диаграмма созвездий представляет сигнал, модулированный через цифровую схему модуляции как то: квадратурная амплитудная модуляция или фазовая манипуляция.

 

Измерения формы волны        

                               


Для описания типов измерений используются множество терминов, связанных с осциллографом. Этот раздел описывает некоторые из наиболее распространённых их них.


Частота и период

Если сигнал повторяется, то это частота. Частота измеряется в Герц (Hz) и соответствует количеству раз повторения сигнала самого себя в течение 1 сек, что называется циклом за секунду. Повторяющийся сигнал также имеет период, что есть кол-во времени, необходимое сигналу для завершения одного цикла. Период и частота взаимообратные друг другу, так что, 1/период эквивалентна частоте, а 1/частоту эквивалентна периоду. Например, синусоида на рис. 8 имеет частоту в 3 Hz, а период 1/3 секунды.

 

Напряжение

Напряжение это кол-во электрического потенциала или силы сигнала между двумя точками на цепи. Обычно одна из этих точек земля или ноль вольт, но не всегда. Возможно, вам потребуется измерить напряжение на форме волны от его максимального значения до минимального, то это называется измерение между пиковых значений.

 

Амплитуда

Амплитуда - кол-во напряжения между двумя точками на цепи. Амплитуда относится к максимальному напряжению сигнала, измеряемому от земли или от ноля вольт. Форма волны, представленная на рис 9, имеет амплитуду 1 V, а между пиковое напряжение 2 V.

Фаза

Лучше всего этот термин объясняется при взгляде на синусоиду. Уровни напряжения синусоид выводятся из кругового движения. Учитывая, что круг 360°, то один цикл синусоиды имеет 360°, как это показано на рис. 9. Применяя термин «градус», можно определять фазовый угол синусоиды при определении кол-ва истёкшего периода.

Сдвиг по фазе означает разницу в синхронизации между двумя схожими сигналами. Форма волны на рис. 10 под ярлыком “ток” обозначена как сдвинута по фазе на 90° от формы волны под ярлыком «напряжение», поскольку обе волны достигают одних точек в своих циклах в точности в 1/4 смещения от полного цикла (360°/4 = 90°). Сдвиг по фазе обычно измеряется в электронике.

 

Измерение форм сигналов посредством цифровых осциллографов

Современные цифровые осциллографы обладают функциями, значительно упрощающими измерения различных сигналов. У этих приборов имеются клавиши на фронтальной панели и/или всплывающие на экране меню, через которые можно устанавливать режимы полностью автоматических измерений. Сюда входят амплитуда, период, время нарастания/падения фронта импульса и множество иных режимов. Большинство цифровых осциллографов имеют функции расчёта усреднённых и среднеквадратических значений, рабочих циклов и иные математические операции. Режимы автоматических измерений появляются на экране в виде алфавитно-цифровых показателей. Практически всегда эти показатели гораздо более точные, чем те, которые можно вывести при интерпретации точек на графической сетке.  

 

Перечень полностью автоматизированных измерений форм сигналов:

• Период               • Рабочий цикл +        • Высота                  
• Частота               • Рабочий цикл -        • Пониженный сигнал
• Ширина +           • Задержка                 •  Мин
• Ширина -            •  Фаза                       • Max
• Время нарастания                               • Ширина всплеска                    • Выброс импульса +
• Время падения                                    • Между пиковое значение        • Выброс импульса -
• Амплитуда                                           • Усреднённое значение             • Среднеквадратичн. значение
• Коэффициент затухания                    • Среднее значение цикла         • Цикл RMS
• Средняя оптическая мощность         • Область цикла                          • Джиттер


Типы осциллографов

Электронное оборудование может быть классифицировано по двум категориям: аналоговое и цифровое. Аналоговое оборудование работает с непрерывно меняющимися значениями напряжения, в то время как цифровое оборудование работает с дискретными бинарными номерами, представляющими собой выборки напряжения.

Обычный фонограф является аналоговым устройством, в то время как компактный дисковый проигрыватель - цифровым.

Осциллографы могут быть классифицированы точно также – как аналоговые и цифровые. В отличие от аналогового осциллографа, цифровой осциллограф задействует аналогово-цифровой преобразователь (ADC) для преобразования измеренного напряжения в цифровой формат. Прибор захватывает формы волны в виде серии выборок и сохраняет эти выборки до того момента как их набралось достаточно для описания формы волны. После этого цифровой осциллограф восстанавливает форму волны для отображения её на экране, как это видно на рис.11

Цифровые осциллографы могут быть классифицированы как цифровые запоминающие (DSOs), цифровые люминесцентные (DPOs), осциллографы смешанных сигналов (MSOs) и с цифровой выборкой.

Технология «цифры» предполагает способность осциллографа отображать любую частоту по всему её спектру с надлежащей стабильностью, яркостью и чистотой. Для повторяющихся сигналов полоса пропускания цифрового осциллографа есть функция аналоговой полосы фронтальной компоненты осциллографа, обычно называемой как  точка –3 dB. Для однократных и переходных событий, как то импульсы и пороги, полоса пропускания цифрового осциллографа ограничивается его частотой выборки. Эта тема подробно описана в разделе Частота Выборки.

 

Цифровые запоминающие осциллографы

Обычный цифровой осциллограф известен как цифровой запоминающий осциллограф (DSO). Дисплеи таких приборов обычно растрового типа, а не технологии люминесцентного фосфора, присутствующего на старых аналоговых осциллографах.

 

DSO позволяют захватывать и изучать события, которые случаются лишь один раз и известных как переходные. Поскольку форма волны присутствует в цифровом формате в качестве сохранённых бинарных значений, то этот сигнал можно анализировать, архивировать, распечатывать, обрабатывать любым способом, как самим осциллографом, так и на любом компьютере. Форме волны нет необходимости быть непрерывной; сигнал может быть выведен на экран даже тогда, когда сам этот сигнал уже исчез.  В отличие от аналоговых осциллографов, их цифровые собратья обеспечивают непрерывную сохранность данных в цифровом виде и их многофункциональную обработку. Однако, DSOs обычно не обладают градацией по интенсивности в реальном времени, тем самым, не способны выявить варьирующиеся уровни интенсивности в живом сигнале.

.