Осциллограф, изучение основ самого главного прибора в электронике. Часть 1

(Рекомендуемые модели осциллографов со склада Магазина Gtest(R), а также статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце раздела)

Материалы универсальны по природе и доступны пониманию любого пользователя с минимальными техническими навыками. Ознакомившись с изложенными принципами работы осциллографов, читатель сможет сделать осознанный выбор в пользу той или иной модели прибора от того или иного производителя,  соотнося имеющийся бюджет с предстоящими задачами. 

 Содержание

 ЧАСТЬ 1  >> 

• Введение

• Целостность сигнала

• Значимость Целостности Сигнала

• Почему Целостность Сигнала представляет собой проблему?

• Аналоговые источники цифровых сигналов. Обзор.

• Осциллограф

• Понятия «формы сигналов» и «измерения форм сигналов» 

• Типы волн

 

ЧАСТЬ 2  >> 

• Синусоиды

• Квадратичные и прямоугольные

• Пилообразные и треугольные

• Ступенчатые и пульсирующие формы

• Периодические и непериодические сигналы

• Синхронные и асинхронные сигналы

• Комплексные формы сигналов

• Измерения форм сигналов

• Частота и период

• Напряжение

• Амплитуда

• Фаза

• Измерения форм сигналов цифровыми осциллографами

• Типы осциллографов 

• Цифровой запоминающий осциллограф

 

ЧАСТЬ 3  >> 

• Цифровой люминесцентный осциллограф

• Осциллографы смешанных доменов

• Осциллографы смешанных сигналов

• Осциллографы цифровой выборки
• Системы и органы управления осциллографа

• Система управления по вертикали и органы управления

• Позиционирование и вольты на деление

• Соединительная муфта

• Ограничения по полосе пропускания

• Усиление полосы пропускания

• Система управления по горизонтали и органы управления

• Органы управления сбором данных

• Режимы сбора данных

• Органы управления по горизонтали

• Типы режимов сбора данных

• Запуск и остановка системы сбора данных

• Выборка

• Органы управления выборкой

• Методика выборки в реальном времени

• Методика выборки в эквивалентном времени

• Позиционирование и секунды на деление

• Выбор длительности развёртки

• Масштабирование и панорамирование

• Поиск

• Режим XY

• Ось Z

• Режим XYZ с режимом DPO и отображением регистрируемых данных XYZ

• Система синхронизации и органы управления

• Положение триггера

• Уровень триггера и угол наклона

• Режимы триггера

• Соединение триггера

• Удержание триггера

• Система экранного отображения и органы управления

• Иные органы управления осциллографом

• Математические операции и измерения

• Цифровая синхронизация и состояние захвата

• Полноценная измерительная система
• Пробники
• Пассивные пробники
• Активные и дифференциальные пробники
• Логические пробники
 • Специальные пробники
• Аксессуары к пробникам

• Толкование терминологии  
• Полоса пропускания
• Время нарастания фронта импульса
• Частота выборки
• Скорость захвата формы сигналов
• Длина записи
• Возможности синхронизации

• Биты, несущие информацию

• Частотная характеристика

• Чувствительность развёртки по вертикали

• Скорость развёртки

• Точность усиления

• Точность развёртки по горизонтали (временная развёртка)

• Разрешение по вертикали (Аналого-цифровой конвертер)

• Разрешение по времени (MSO)
• Возможности связи
• Расширяемость
• Простота использования

• Работа с осциллографом
• Надлежащее заземление
• Установка органов управления
• Калибровка прибора
• Подстыковка пробников
• Компенсация пробников
• Методики измерений на осциллографе

• Измерения напряжения
• Измерения времени и частоты
• Измерения ширины импульса и времени нарастания фронта импульса
• Измерения фазового сдвига
• Иные методики измерений 
• Письменные упражнения

Часть I

A: Словарные упражнения

B: Прикладные задачи

Часть II

A: Словарные упражнения

B: Прикладные задачи

Ключ к ответам
Глоссарий

Основы осциллографов. Принципы работы и методики измерений

 Введение

Любое движение в природе происходит в форме синусоидальных волн, будь то океанские волны, землетрясение, ударная волна, взрыв, звук через воздух или же естественная частота тела в процессе перемещения. Энергия, вибрирующие частицы и иные невидимые глазу силы пропитывают нашу физическую вселенную. Даже белый свет, состоящий из частиц и волн, обладает фундаментальными частотами, который могут быть различимы как цвета.

Сенсоры способны конвертировать эти явления в электрические сигналы, которые можно рассматривать и исследовать при помощи осциллографа.  Осциллографы предоставляют возможность учёным, инженерам, техникам, учителям и иным специалистам «увидеть» события, изменяющиеся во времени. 

Осциллографы – чрезвычайно важный инструмент для специалиста, занимающегося разработками, производством или ремонтом электронного оборудования. В современном бурно развивающемся мире инженерам требуются самые эффективные приборы для решения задач измерений быстро и с высокой точностью. Выполняя роль «всевидящего ока» инженера, осциллографы являются ключом в решении сложных задач получения достоверных данных от объекта под тестированием.  

Полезность осциллографа не ограничена одним лишь миром электроники. При наличии надлежащего сенсора осциллограф способен измерять характеристики любого природного и физического явления. Сенсор (чувствительный элемент) представляет собой устройство, генерирующее электрический сигнал как реакция на физические факторы, как то: звук, механическое воздействие, давление, свет или тепло.  Микрофон является таким сенсором, конвертирующим звук в электрический сигнал. На рис. 1 показан пример как посредством осциллографа происходит сбор научных данных. 

Осциллографы применяются всеми, от физиков до техников-ремонтников.  Автомеханики задействуют осциллографы для выявления соотношения аналоговых данных от сенсоров с цифровыми данными последовательной передачи от устройства управления двигателем. Врачи-диагностики используют осциллографы для измерения волн головного мозга человека. Возможности прибора безграничны.

В настоящем Курсе для начинающих даются общие понятия, освоение которых формирует отличную стартовую площадку в понимании инженером-новичком что такое осциллограф и как он работает.
 

Рис.1 Пример научных данных, собранных осциллографом

 

Глоссарий, расположенный в конце Курса, содержит толкования незнакомых терминов. Словарь и многоуровневые письменные упражнения по теории осциллографов и задачам его управления превращают настоящий Курс в очень эффективный учебник для самостоятельного пользования. При этом для понимания всего изложенного нет необходимости в каких-то специальных знаниях в области математики или электроники. 

 

После изучения настоящего Курса вы будете способны:

• Представлять себе как функционирует осциллограф

• Понимать разницу между различными типами осциллографов

• Понимать разницу между различными типами электрических форм сигналов

• Управлять основными органами контроля осциллографом

• Самостоятельно осуществлять простые измерения

Инструкция по эксплуатации, поставляемая с каждым осциллографом, предоставит вам больше специфической информации о том, как применять этот прибор в своей повседневной деятельности. Некоторые производители осциллографов также предоставляют описания решений для множества прикладных задач, что поможет вам оптимизировать свой осциллограф под конкретные приложения. 

 

Целостность Сигнала

 Значимость целостности сигнала 

Ключевым фактором для любого хорошего осциллографа или осциллографической системы является их способность в точности воспроизводить форму сигнала, что собственно и обозначает термин «целостность сигнала». Любой осциллограф аналогичен по своим функциям фотографической камере, которая захватывает образы сигналов, которые впоследствии можно рассматривать и изучать. Три ключевых фактора лежат в основе термина «целостность сигнала»:

• Когда вы фотографируете картинку, то соответствует ли эта картинка в точности тому, что произошло?

• Картинка имеет ясное изображение или размытое?

• Какое количество ясных и точных картинок вы можете сделать за секунду?

Все вместе различные системы осциллографа, его функции и работоспособность вносят кумулятивный вклад в способность прибора формировать наивысшую из возможной целостность измеряемого сигнала. Пробники также воздействуют на уровень целостности сигнала, генерируемого всей системой измерений. 

Целостность сигнала влияет на большинство научных дисциплин, связанных с электронными разработками.  Но до недавнего времени это не составляло большой проблемы для разработчиков цифровых систем. Разработчики при проектировании логических цепей могли полагаться на то, что они и будут функционировать как логические схемы. Различного рода шумы и паразитные сигналы считались чем-то таким, что больше присуще для схем с высокоскоростной передачей данных – то есть явлений, которые должны больше волновать разработчиков РЧ устройств. Коммутации в цифровых системах происходили относительно медленно, а сами сигналы предсказуемо стабилизировались. 

С тех времён тактовая частота процессоров увеличилась на порядки. Компьютерные приложения, как-то графика 3D, видео и серверные вводы-выводы требуют наличия широких полос пропускания. Практически всё современное телекоммуникационное оборудование цифровое, соответственно также требует наличия массивных полос пропускания. Это же напрямую относится к цифровому ТВ высокого разрешения. Все современные семейства микропроцессорных устройств имеют скорости передачи данных 2, 3, 5 GS/s (гига самплов в сек), в то время как устройства памяти DDR3 задействуют тактовую частоту свыше 2 GHz и сигналы с 35 ps временем нарастания фронта импульса.

Лавинообразное нарастание скоростей присутствует во всех IC устройствах на автомобилях, бытовой электроники, контроллерах и пр. цифровых устройствах. 
 

Процессор с тактовой частотой в 20 MHz может вполне работать с сигналами со скоростью переключения, присущим процессорам с 800 MHz тактовой частоты. Разработчики цифровых устройств давно перешагнули ранее установленные пороги производительности, что означает, что практически каждая схема высокоскоростная. 

Без принятия определённых мер предосторожности, проблемы, присущие высокоскоростным цепям, так или иначе могут просочиться в обычные цифровые схемы. Если цепь периодически испытывает сбои в своей работе или сталкивается с неполадками при экстремальных значениях напряжения и температуры, то велика вероятность того, что там присутствуют проблемы, связанные с согласованностью сигналов. Всё это может привести к задержкам вывода на рынок новой продукции, проблемам с её надёжностью, требованиям к электромагнитной совместимости и т.д. Такого рода «высокоскоростные» проблемы могут воздействовать на целостность потока последовательной передачи данных в цифровой системе, что потребует принятия определённых мер для корреляции специфических шаблонов данных при возможности изучения характеристик высокоскоростных сигналов. 

 

Почему целостность сигнала представляет собой проблему?

Давайте рассмотрим некоторые специфические причины деградации сигнала в современных цифровых схемах. Почему эти проблемы сегодня значительно превалируют, чем это было ранее? 

Ответ: скорость. В «добрые старые медленные времена» поддержка допустимой целостности цифровых сигналов означала необходимость обращения внимания на такие детали как распределение значений синхросигналов, схема тракта сигнала, вносимые шумы, воздействие нагрузок, воздействие х-к тракта передачи, х-к клемм шины передачи данных, распределение развязок и мощностей и т.д. Все эти правила актуальны, но…

    Время цикла каналов передачи информации в настоящее время в 1000 раз выше, чем это было, скажем, 20 лет назад. Микросекундные транзакции стали наносекундными. Это привело к тому, что граничные скорости тоже увеличились: они в 100 раз быстрее, чем 20 лет назад. 

Всё это замечательно, однако, определённые физические реалии удерживают технологии пр-ва печатных плат от того, чтобы соответствовать существующим скоростям. Время прохождения сигнала по каналам чипов осталось почти неизменным за десятилетия. Геометрические размеры печатных плат, конечно же,  скукожились, но остаётся необходимость в наличии на платах физических площадей для уст-в интегральных микросхем (IC), коннекторов, пассивных компонентов и, конечно же, самих трактов передачи данных. Эти физические площади предполагают существование расстояний, а расстояние означает время – враг скорости.
     Очень важно не забывать, что граничная скорость-время нарастания цифрового сигнала может нести значительно более высокие частотные составляющие, чем это предполагает его частота повторения. По этим причинам некоторые разработчики отчаянно нуждаются в таких устройствах IC (интегр. микросхемы), которые имели бы относительно низкие характеристики времени переключения цифровых сигналов. 

Схемы с сосредоточенными параметрами всегда являлись базисом для большинства расчётов, делавшихся для предсказания поведения того или иного сигнала при его прохождении по цепи. Но когда граничные скорости более чем в 4-6 раз выше задержки сигнала при его прохождении по тракту, то такие схемы более не работают.  

Траки печатных плат 6 дюймов длиной становятся линиями передачи, когда управляются с сигналами, демонстрирующими граничные скорости ниже 4-6 наносекунд, вне зависимости от скорости цикла. В результате создаются новые сигнальные траки. Такого рода «нематериальные» соединения не присутствуют на схеме, но темнее менее, обеспечивают среду, где сигналы непредсказуемо влияют друг на друга.

Порой даже естественные погрешности как результат комбинации пробник/прибор могут оказать значительное влияние на характеристики измеряемого сигнала. Однако, применяя формулу «квадратный корень суммы квадратов» к измеряемому значению, становится возможным определить, находится ли устройство под тестированием близко к состоянию сбоя как результат несоответствия характеристик времени нарастания и падения фронта импульса. Следует добавить, что современные осциллографы задействуют специальную фильтрацию для де-встраивания воздействия измерительного прибора на сигнал, отображая на экране его временные и иные х-ки.  
 
В то же самое время выделенные траки сигналов не работают таким образом, как они для того предназначались. Заземляющие слои и энергетические слои как то траки передачи сигналов становятся индуктивными и работают как трансмиссионные каналы; развязка питания гораздо менее эффективна. Электромагнитные помехи (EMI) увеличиваются, поскольку высокие пороговые скорости продуцируют более короткие длины волн относительно длины канала передачи импульсов. Перекрёстные помехи увеличиваются.   

Следует добавить, что высокие пороговые скорости требуют более высоких значений токов для их же (скоростей) генерации. Более высокие токи имеют тенденцию вызывать скачки общего потенциала схемы, что особенно характерно на широких каналах передачи, где происходит множество одновременных коммутаций сигналов. Более того, высокие токи повышают количество излучаемой магнитной энергии, а вместе с этим и перекрёстные помехи. 

 

Аналоговые источники цифровых сигналов. Обзор. 

Что же в целом имеют все эти характеристики? Все они – классический аналоговый феномен. Для решения проблем целостности сигнала, разработчикам цифровых устройств необходимо шагнуть в их аналоговый домен. А чтобы сделать такой шаг, этим самым разработчикам необходим инструментарий, показывающий как взаимодействуют между собой цифровые и аналоговые составляющие сигнала.

Погрешности на «цифровом поле» обычно имеют своё происхождение из проблем целостности на аналоговой составляющей сигнала. Для точного отслеживания неполадок «цифры», часто необходимо обратиться к осциллографу, который представит на экране все детали формы сигнала, его края и шумы, выявит и покажет переходные характеристики, поможет точно измерить соотношения синхронизации, как то время установки и время удержания. Современные осциллографы способны помочь в упрощении процедур отладки тестируемого объекта через выставление режима на захват специфических явлений при параллельной или последовательной передаче данных и отображении аналогового сигнала, соответствующего по времени конкретному событию. 

Понимание каждой функции в составе своего осциллографа и как их правильно применять гарантирует максимально эффективное использование прибора при решении специфических задач измерений.  
 

Осциллограф

 Что такое осциллограф и как он работает? Данный раздел отвечает на эти основополагающие вопросы.

По большому счёту осциллограф – устройство, в графическом виде отображающее результаты измерений – прибор рисует графы электрических сигналов. В большинстве применений графы демонстрируют как сигналы изменяются во времени: вертикальная ось (Y) представляет собой напряжение, горизонтальная ось (X) представляет время. Интенсивность или яркость экранного отображения иногда соотносится с осью Z, как это показано на рис. 2.

В осциллографах DPO (цифровых люминесцентных) ось Z может соотноситься с цветоразностной х-кой дисплея, как это представлено на рис. 3.

• Эта простейшая графика может многое рассказать о сигнале, как то:

• Значения времени и напряжения сигнала

• Частота колебательного сигнала

• Перемещающиеся участки” цепи, представленной сигналом

• Частота, с которой определённый участок сигнала проявляется относительно других его участков

• Происходит ли искажение сигнала как результат воздействия на него неисправного компонента 

• Какую часть сигнала составляет постоянный ток (DC) или переменный ток (AC)

• Какую часть сигнала составляет шум и изменяется ли этот шум во времени

 

Понятия о формах волны и их измерениях

Обобщающий термин характеристики (явления), которое повторяется во времени – это волна:  звуковые волны, мозговые волны, океанские волны и волны напряжения – все они имеют повторяющиеся характеристики. Осциллограф измеряет волны напряжения. Как ранее уже упоминалось, такие физические явления как вибрации или температура или электрические явления как то: ток или мощность могут быть конвертированы в показатели напряжения с помощью сенсора. Один цикл волны является частью повторяющейся волны. Форма волны является графическим представлением волны как явления. Сигнал напряжения представлен по оси времени (горизонтальная) и по оси со значениями напряжения (вертикальная). 
 

Формы сигналов раскрывают множество подробностей об их природе. Каждый раз, когда происходит изменение в высоте формы сигнала, это значит, что х-ка напряжения изменилась. Каждый раз, когда присутствует прямая горизонтальная линия, то понятно, что на протяжении всей длины этой линии никаких изменений х-к сигнала не происходило. Прямые, диагональные линии означают наличие линейных изменений – нарастание либо падение напряжения с устойчивой скоростью. Острые углы на форме сигнала указывают на внезапные изменения. На рис. 4 представлены существующие формы сигналов, а на рис. 5 ссылки на источники таких сигналов.
 
Типы волн

Можно классифицировать большинство волн по следующим типам:

• Синусоиды

• Квадратичные и прямоугольные волны

• Пилообразные и треугольные волны

• Пошаговые и пульсирующие волны

• Периодические и непериодические 

• Синхронные и асинхронные 
• Комплексные волны.

 

ЧАСТЬ 2  >>> 

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