Всё новые и новые возможности этих замечательных приборов

Dr. Michael Lauterbach & Arthur Pini, LeCroy

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

Вводная часть
Датчики и приводы используются в самых разных электронных продуктах, от оборонных/аэрокосмических до медицинских приборов, робототехники, биотехнологий и других приложений. В этой статье приведены примеры просмотра и тестирования сигналов с использованием нескольких конкретных типов датчиков, но методы применимы ко всем типам датчиков и приводов. 
В настоящей статье датчик определяется как преобразователь, который обнаруживает стимул (движение, давление, температуру и т. д.) и выдает электронный сигнал. Сигнал обычно представляет собой напряжение, но также может быть током, частотой или фазой. Привод получает выходной сигнал датчика и может — или не может — инициировать действие на основе значения сигнала от датчика. Многие приводы могут быть привязаны к выходному сигналу одного датчика (например, несколько разбрызгивателей могут быть активированы на основе выходного сигнала одного датчика, который обнаруживает дым или тепло), или несколько датчиков могут предоставлять входные данные одному приводу (несколько датчиков могут определять положение элемента на сборочной линии и активировать одну роботизированную руку для выполнения, когда все датчики «согласятся», что элемент находится в правильном положении).
Цифровые осциллографы являются прекрасными приборами для просмотра, измерения, характеристики и устранения неисправностей электрических сигналов, вырабатываемых датчиками. Они также могут исследовать входные сигналы для приводов. Большинство инженеров-проектировщиков и специалистов по тестированию обязательно имеют под рукой цифровой запоминающий осциллограф (DSO).
В этой статье мы попытаемся дать хорошие советы о методах применения мощности DSO к типам сигналов, которые обычно генерируются/обнаруживаются датчиками и приводами, начиная с более простых примеров и переходя к более сложным. Если инженер начинает новый проект, требующий более быстрых измерений или большей точности, чем обеспечивает его текущий объем, мы дадим советы по выбору осциллографа.

Использование визуальных инструментов
Обычно первое, что хочет сделать инженер при тестировании датчика или привода, — это посмотреть на электрический сигнал, чтобы убедиться, что его форма правильная и соответствует некоторым основным критериям. Основные свойства осциллографа, которые вступают в игру, — это полоса пропускания, частота дискретизации, длина памяти и дисплей. Наличие достаточной полосы пропускания означает, что осциллограф (и любые используемые пробники) имеют достаточно быструю реакцию, чтобы точно отслеживать форму сигнала. Если осциллограф/пробники имеют недостаточную полосу пропускания, изображение сигнала будет искажено.

Советы о том, «какой полосы пропускания достаточно», см. в заключительном разделе этой статьи. Частота дискретизации осциллографа отражает, как часто аналого-цифровой преобразователь (АЦП) измеряет размер сигнала. Чтобы получить хорошее представление о форме сигнала, вам нужно, чтобы осциллограф обеспечивал множество точек выборки, которые «рисуют» картину по принципу «соедини точки» амплитуды сигнала во времени. Длина памяти также важна, поскольку большая память позволяет осциллографу обеспечивать множество точек выборки, охватывающих длительность интересующего сигнала. Наконец, дисплей, очевидно, является важным инструментом для просмотра сигналов, поскольку форма сигнала рисуется на экране. Но есть и другие соображения. Одним из них является возможность использования дисплея для увеличения и просмотра важных деталей сигнала.
На рисунке 1 канал 1 цифрового осциллографа фиксирует выходной сигнал датчика (силового преобразователя), который обнаруживает импульс от короткого (около 1 мс) резкого удара.
Канал 2 показывает выходной сигнал другого датчика (акселерометра), расположенного примерно в 1 м от исходной точки удара. В этой точке исходный короткий, резкий импульс был преобразован в звон с меньшей амплитудой, но гораздо более продолжительный. Используя только визуальные инструменты, инженер может разместить курсоры на двух формах сигнала, чтобы измерить задержку времени между исходным ударом и первым существенным пиком переданного звона.

Рисунок 1: C1 отображает выходной сигнал датчика силы, а C2 — выходной сигнал акселерометра. C1 (желтая кривая с самым высоким пиком) обнаруживает внезапный резкий импульс. C2 показывает задержку, затем длинный звон

Красный блок в правом нижнем углу рисунка показывает показания курсоров. В этом примере высокий пик на канале 1 находится на 215 мкс (измерено относительно времени срабатывания осциллографа), а первый большой отрицательный пик на канале 2 находится на 1,455 мс. Это дает «дельта t» 1,240 мс между событиями на двух датчиках. Инженер может получить лучший обзор — и более точное измерение — используя самый простой инструмент просмотра в цифровом осциллографе — функцию масштабирования.
На рисунке 2 осциллограф имеет две сетки. На верхней сетке находятся полученные формы сигналов и курсоры. На нижней сетке — масштабирование передней части форм сигналов. Поскольку курсоры были размещены вблизи передней части форм сигналов, они также отображаются на масштабировании. Первое, что вы можете заметить, это то, что визуальное размещение курсоров не точно на вершине пика канала 1 или на нижней части пика канала 2. Масштабирование, помимо того, что позволяет пользователю более четко видеть детали сигнала, также позволяет более точно размещать курсоры.



Рисунок 2: Те же сигналы, что и на рисунке 1, но теперь нижняя сетка показывает масштабирование обоих сигналов. Обратите внимание, что масштабирование показывает, что курсоры, которые были размещены с использованием представления общего сигнала, не совсем на пиках датчика

На рисунке 3 курсоры были перемещены, и осциллограф показывает более точное измерение прошедшего времени между пиками двух датчиков, которое составляет 1,260 мс.

Рисунок 3: Масштабное изображение позволяет пользователю визуально увидеть больше деталей сигнала, а также точнее размещать курсоры.

Простая математика — чтение выходных данных курсора в реальных единицах измерения
Датчики преобразуют обнаружение активности «реального мира» (изменение температуры, ускорение и т. д.) в электрический сигнал. Чтобы лучше понять, что говорит датчик, часто бывает полезно преобразовать сигнал, обычно в вольтах, в реальные единицы измерения, которые описывают то, что обнаружил датчик. Это простое математическое уравнение y = mx+b, где x — показания датчика в вольтах, m — коэффициент перевода в реальные единицы измерения, а b — любое смещение, которое присутствует. Результат этого расчета, y, — это число, которое описывает то, что происходит в реальном мире. Например, если акселерометр, используемый в предыдущих примерах, имеет выходной сигнал один вольт на 10 G ускорения, преобразование из «вольт» в «G» будет y = 10x. Простая математическая функция, преобразующая формы сигналов напряжения датчика в физические единицы, называется «перемасштабированием». Форма сигнала напряжения перемасштабируется в единицы, имеющие прямой физический смысл. На рисунке 4 показан пример. Верхний след — это форма сигнала напряжения с выхода датчика. Это акселерометр, прикрепленный к корпусу вентилятора. Нижняя форма сигнала имеет точно такую же форму, но все числа в этой форме сигнала в десять раз больше, а единицы измерения второй формы сигнала указаны в «гравитации», а не в «вольтах». Мера амплитуды от пика до пика верхней формы сигнала составляет 5,25 милливольт.

Для нижней формы сигнала она составляет 52,5 миллигравитации.



Рисунок 4: Форма сигнала напряжения от датчика (верхняя форма сигнала) преобразована в физические единицы (нижняя форма сигнала)

Продвинутая математика
Возможность перемасштабирования формы сигнала в физические единицы, которые обнаруживает датчик, также позволяет цифровому осциллографу выполнять более сложные математические операции, которые имеют полезное значение относительно функционирования датчика в реальном мире. Датчик, который измеряет ускорение, измеряет математическую производную скорости. А скорость является производной положения. Таким образом, если осциллограф имеет форму сигнала, которая показывает выходной сигнал акселерометра за определенный период времени, то осциллограф может интегрировать эту форму сигнала, чтобы получить новую форму сигнала, которая показывает скорость, испытываемую датчиком в каждый момент времени за тот же период времени. При желании осциллограф может интегрировать форму сигнала скорости, чтобы показать смещение положения как функцию времени. Конечно, осциллограф, вероятно, не будет знать, является ли определение «силы тяжести» земным стандартом 32 фута/сек2, поэтому функцию перемасштабирования, возможно, придется использовать снова.

Пример математической настройки для двойного интегрирования показан на рисунке 5.

Рисунок 5: Легко выполнять математические операции на выходе датчика. Некоторые цифровые осциллографы позволяют выполнять две математические операции «цепочкой», как показано выше

Другим распространенным типом математического анализа является рассмотрение частотной области показаний датчика. Это особенно верно, если датчик показывает какую-то повторяющуюся структуру в значении своих показаний или если пользователь подозревает, что есть какой-то источник шума, мешающий работе датчика. В этом случае БПФ сигнала датчика может дать указание на источник шума. В случае сигналов акселерометра, показанных на рисунках 1-3, пользователю осциллографа может быть интересно узнать частотный спектр звона. Поведение звона будет различным для разных типов связи (т. е. защитных материалов) между точкой воздействия импульса и датчиком. Если бы мы выполнили БПФ примера, показанного на рисунке 4, частотные спектры дали бы представление о физическом сотрясении вентилятора. На рисунке 6 показана настройка этого типа частотного анализа с использованием того же сигнала, что был показан на рисунке 4. Канал 1 осциллографа захватывает выход датчика, прикрепленного к корпусу вентилятора. Это верхняя трасса. Математическая настройка показывает изменение масштаба, а затем БПФ. Целью перемасштабирования является вычисление параметра P2 - "макс" пере-масштабированной математической трассы.
Это максимальное ускорение, обнаруженное датчиком, 5,5009 милли гравитации.

Рисунок 6: Преобразование Фурье используется для нахождения спектральных компонентов показаний датчика акселерометра, прикрепленного к корпусу вентилятора.

БПФ может быть выполнено либо на графике зависимости напряжения от времени, либо на масштабированном графике. Оба графика имеют одинаковую форму и одинаковые спектральные компоненты. В этом примере пик БПФ приходится на 120 Гц, как показано курсором, считывающим в нижнем правом углу изображения на экране. После того, как пользователь настроит нужную математическую функцию, меню математики можно закрыть, чтобы можно было использовать всю область просмотра экрана для изучения полученной формы сигнала и БПФ. Это показано на рисунке 7.



Рисунок 7: Те же сигналы, что и на рисунке 6, но меню настройки FFT закрыто. Сигналы можно просматривать с большей детализацией, используя полный экран

Проверка параметров сигнала на соответствие спецификациям
Большинство продуктов должны соответствовать определенным спецификациям или должны реагировать определенным образом при воздействии определенного стимула. Цифровой осциллограф может оказать большую помощь в тестировании ключевых характеристик сигнала или в документировании реакции продукта на определенный стимул. Все цифровые осциллографы измеряют параметры сигнала - некоторые выполняют больше измерений и более сложные измерения, чем другие. На рисунках 4, 6 и 7 показаны некоторые основные измерения параметров от пика до пика и максимального отклонения сигнала. Осциллографы также могут измерять время нарастания сигнала, время спада, выброс, ширину импульса, интервал между двумя фронтами сигнала, время между фронтом одного сигнала и поступлением фронта другого сигнала и множество других параметров. Иногда пользователь просто хочет, чтобы осциллограф измерял параметры для сбора данных, которые отображаются на экране. Но в других случаях необходимо протестировать работу устройства в течение многих итераций, чтобы доказать, что интересующие параметры всегда находятся в пределах спецификации.

На рисунке 8 на верхнем графике показана форма сигнала напряжения от акселерометра. Нижняя трасса — это «пере-масштабированная» форма сигнала с использованием физических единиц (гравитации). Этот пример применим в равной степени к любому типу датчика, для которого инженеры хотят протестировать определенные ключевые характеристики сигнала. В этом конкретном примере осциллограф получил 238 захватов формы сигнала (параметр «num» около нижней части — это количество захватов)

Рисунок 8: Верхняя трасса — это сигнал напряжения с датчика. Ниже — пере-масштабированная трасса с использованием физических единиц. Параметры «mean», «sdev» и «pkpk» вычисляются на пере-масштабированной трассе. Статистика параметров является результатом 238 захватов сигнала. Зеленые фигуры под статистикой показывают форму распределения измерений параметров

Для каждого сбора данных осциллограф вычисляет среднее значение, стандартное отклонение (среднеквадратичное отклонение от среднего значения) и пик-пик выходного сигнала датчика. «Значение» в верхней части таблицы — это значение параметра для самого последнего сбора данных на экране. Другие статистические параметры основаны на всех 238 сборах данных. Зеленые фигуры в нижней части экрана — это «гистиконы» — значки, показывающие миниатюрные виды распределения каждого параметра. «Среднее», P1, и пик-пик, P3, параметры имеют распределение, подобное гауссовскому (гауссово, но не истинно гауссово, поскольку физические измерения не простираются до бесконечности). Параметр sdev, P2, представляет собой распределение Рэлея. Если вы тестируете датчик или исполнительное устройство, чтобы нагрузить его наихудшими условиями, параметры со статистической информацией очень полезны. В частности, «макс» и «мин» покажут экстремальные значения наихудшего случая производительности датчика для набора тестов — столько, сколько вы хотите провести. "Макс" и "мин" также покажут, есть ли какие-либо прерывистые очень высокие или очень низкие показания из-за выпадений или других редких явлений. Форма гистограммы также весьма полезна. В большинстве случаев ожидаемая форма распределения параметра известна — например, центральное значение с некоторым шумом обычно приводит к форме, похожей на гауссову. Если осциллограф показывает какую-то неожиданную форму распределения значений параметра, это часто является очень хорошей подсказкой для использования при устранении неполадок. Вы можете увидеть формы гистограммы, которые указывают на некоторую синусоидальную модуляцию или, возможно, на наличие двух конкурирующих процессов (два пика на гистограмме, где ожидался только один) или другие типы неожиданных явлений. Не все осциллографы предлагают возможность использовать статистику параметров или гистограммы.
На рисунке 9 показано меню настройки для выбора того, какие параметры следует вычислять и следует ли отображать статистику параметров и гистограммы.

Рисунок 9: Метод настройки измерений параметров, показанный на рисунке 8. Пользователь может выбрать шесть параметров для измерения. Статистику и Histicons можно "отметить", чтобы они отображались

Статистику параметров и гистограммы можно легко включить, установив флажок.

Расширенная математика — фильтрация сигналов для получения более высокой точности
Многие типы датчиков изменяют свои выходные значения со скоростью, намного более медленной, чем частота дискретизации современных цифровых осциллографов. В таких случаях пере-дискретизация может использоваться для получения более точного измерения значения датчика. В качестве крайнего примера, если выход датчика представляет собой постоянный ток, для измерения напряжения потребуется только один отсчет. Более одного отсчета — это пере-дискретизация. АЦП осциллографа имеют целочисленные шаги. Для восьми-битного осциллографа существует 256 возможных выходных кодов АЦП. Возможно, гипотетическое постоянное напряжение от датчика соответствует 100,5 отсчетам АЦП. Поскольку нет половинных отсчетов АЦП, один отсчет будет составлять 100 или 101 отсчет. Фактически, даже если на уровне постоянного тока сигнала датчика нет шума, шум от входного усилителя осциллографа может поднять показание до 99 или 102 отсчетов.

Если осциллограф настроен на захват 100 выборок постоянного напряжения, среднее значение, вероятно, будет близко к 100,5. Дополнительные отсчеты используются для «усреднения» шума, а также для получения лучшего вертикального разрешения.
На рисунке 10 показан пример использования улучшенного разрешения (ERES) для добавления 2,5 бит разрешения при захвате сигнала датчика.



Рисунок 10: Улучшенное разрешение используется для снижения шума и увеличения вертикального разрешения. Обратите внимание, что в красном поле установлен фильтр шума ERES, который увеличивает разрешение на 2,5 бита, но компромиссом является уменьшение полосы пропускания. Нижняя трасса — это сигнал, захваченный при полной полосе пропускания. Верхняя трасса (которая явно имеет гораздо меньше шума) — это вид ERES

ERES — это линейный фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Если пользователь осциллографа хочет измерить некоторое медленно изменяющееся свойство сигнала датчика и хочет уменьшить шум в сигнале датчика (а также уменьшить шум входного каскада осциллографа), улучшенное разрешение — полезный инструмент. Но пользователь должен помнить, что он, вероятно, исключил некоторую часть реального сигнала — содержимое сигнала, которое находится выше полосы пропускания фильтра ERES.

Выбор правильного осциллографа

Предыдущее обсуждение показывает несколько из множества типов представлений, измерений и анализа, которые могут быть выполнены цифровыми осциллографами. Большинство инженеров имеют несколько осциллографов в своих лабораториях, и еще больше их можно купить у поставщиков осциллографов. Различные приборы имеют различные возможности для захвата сигналов, их просмотра, проведения измерений и создания документов, таких как процедуры испытаний или отчеты о ходе разработки. Чтобы выбрать осциллограф, который хорошо соответствует потребностям приложения, необходимо обратить внимание на несколько основных свойств прибора. Сначала подумайте, что именно вы хотите измерить. Возможно, измерения не требуются — вам просто нужно просмотреть сигнал. Или, возможно, нужно только несколько основных измерений. Но если вам нужно охарактеризовать свойства устройства или устранить неполадки в каком-то прерывистом поведении, которое вызывает странную производительность сигнала, то вам может понадобиться осциллограф с большими возможностями измерения. Например, линейка осциллографов WaveAce от LeCroy предлагает базовый выбор из 32 измерений параметров. Он может выполнять базовые математические операции с сигналами, такими как +, -, x, / и FFT. В том же ценовом диапазоне, что и осциллографы WaveAce, есть осциллографы других компаний, предлагающие от 11 до 23 измерений параметров, что может быть вполне приемлемо для некоторых приложений. Но если вам нужно измерить время от фронта сигнала 1 до фронта сигнала 2 (на двух разных каналах осциллографа), вы можете пожелать, чтобы у вас был WaveAce. С другой стороны, если вы хотите иметь возможность просматривать форму «гистикон» распределения значения параметра или выполнять сложные математические операции, такие как интегрирование, на WaveAce это невозможно. Вам понадобится WaveSurfer. WaveSurfer предназначен для приложений, где будет выполняться больше типов измерений и устранения неполадок. В дополнение к типичным параметрам осциллографа и математике, WaveSurfer имеет опции для декодирования последовательных потоков данных (USB, RS232, I2C и т. д.) и добавления до 36 цифровых каналов для работы со смешанными сигналами.

Как только вы узнаете, что осциллограф может измерять то, что вам нужно измерить, следующим шагом будет выбор модели, которая может точно захватывать интересующий сигнал. Это означает, что передняя часть осциллографа должна иметь достаточно быстрый усилитель (и, возможно, зонды), чтобы отслеживать форму сигнала, достаточно высокую частоту дискретизации и достаточно большую память. Полоса пропускания усилителя является наиболее распространенным способом оценки осциллографов. Обычно линейка осциллографов предлагает несколько вариантов полосы пропускания, поэтому, если вы нашли прибор, который выполняет все необходимые вам измерения, вы можете выбрать один из нескольких вариантов полосы пропускания. Например, серия WaveAce имеет выбор от 40 МГц до 300 МГц, в то время как WaveSurfer охватывает диапазон от 200 МГц до 1 ГГц. Осциллограф с полосой пропускания 400 МГц может точнее отслеживать форму быстрых фронтов, чем осциллограф с полосой пропускания 40 МГц. В общем, для проведения измерений с разумной точностью вам бы хотелось, чтобы время нарастания вашего осциллографа (которое тесно связано с его полосой пропускания) было существенно быстрее, чем время нарастания сигналов, которые захватываются. Для осциллографов с полосой пропускания 1 ГГц и ниже вполне разумно предположить, что полоса пропускания осциллографа и время нарастания связаны уравнением BW x TR = 0,35. Осциллограф с полосой пропускания 1 ГГц будет иметь время нарастания около 0,35 наносекунд. Осциллограф с полосой пропускания 100 МГц будет иметь время нарастания примерно в 10 раз больше; около 3,5 нс. Существует множество способов определить, насколько быстрой должна быть частота дискретизации АЦП. Большинство поставщиков помещают АЦП в осциллограф, который имеет достаточно высокую частоту дискретизации для полосы пропускания усилителей в этом приборе. Если максимальная частота дискретизации АЦП в 10 раз превышает полосу пропускания осциллографа, этого более чем достаточно. Например, максимальная частота дискретизации 1 Гвыб/с для осциллографа 100 МГц. Наконец, осциллограф должен иметь достаточно памяти для работы с максимальной частотой дискретизации в течение времени, равного длительности вашего самого длинного сигнала. Если осциллограф может захватывать сигнал со скоростью 1 Гвыб/с, то ему потребуется 1 Мточек памяти для захвата сигнала длительностью 1 мс при использовании максимальной частоты дискретизации. Если длина памяти слишком коротка, то АЦП все равно захватит сигнал длительностью 1 мс, но он сделает это, замедлив частоту дискретизации, чтобы выборки АЦП растянулись на более длительный период времени.

Можно сказать гораздо больше о выборе осциллографа. В