Чому цифровий мультиметр точніше за осцилограф? Де та коли. Закінчення

Eric Hakanson

Бакалавр наук в галузі електротехніки, Політехнічний університет Вірджинії (випуск 1979 р.)

Чи є в ЕПТ-осцилографа ще корисні застосування там, де цифровий осцилограф не може конкурувати?

Цифрові осцилографи пройшли довгий шлях. Існує дуже мало (якщо взагалі існують) областей застосування, де аналоговий осцилограф хоч у чомусь був кращим. Ось кілька прикладів, де аналоговий осцилограф все-таки може бути кращим:

1. Відсутність накладання спектрів на низьких швидкостях розгортки. У сучасних цифрових осцилографах цю проблему практично вирішено завдяки піковому детектування, високому дозволу (цифрової фільтрації нижніх частот) і великої пам'яті. Але це все ще може статися, особливо якщо ви не знаєте, як користуватися осцилографом. Я дещо здивований, що немає осцилографа (принаймні, я не бачив жодного), який би володів тим, що постійно роблять аналізатори спектру — автоматично відображав огинаючу сигналу, використовуючи детектування позитивних і негативних піків для кожної точки вибірки, що відображається, і проводячи лінії між ними.

2. Багато років тому я чув, як деякі представники уряду США благали Tektronix продовжити випуск двопроменевих осцилографів серії 7000, оскільки для різних каналів можна було б використовувати різні швидкості розгортки. Я не знаю жодного цифрового осцилографа, який би це робив.

У мого колишнього колеги багато років на робочому столі стоїть чудовий мікроканальний аналоговий осцилограф Tektronix. Він зберігає його «про всяк випадок», але не користувався ним уже кілька десятиліть. Думаю, це досить промовисто говорить про його стан.

Dave Martindale

Захоплююсь електронікою приблизно з 1965 року

Чи має осцилограф із синхронізацією на основі ЕПТ (наприклад, Tektronix) якісь переваги перед цифровим осцилографом з тією ж смугою пропускання та входами?

Донедавна аналогові осцилографи мали перевагу в кількості розгорток, які вони могли захопити і відобразити за секунду, а також у тому, що при зміні сигналу в часі яскравість осцилограми показувала, як часто сигнал проходив цим шляхом.

Після того, як аналоговий осцилограф завершив одну розгортку, він відразу готовий до запуску наступної розгортки. Якщо подивитися на характеристики аналогового осцилографа з довільною частотою (Tek 2465A), мінімальна затримка запуску становить 1 мкс, що означає, що при відображенні досить високочастотного сигналу (наприклад, 100 МГц) з високою частотою розгортки він може відображати майже 1 мільйон розгорток в секунду.

Для порівняння, ранні цифрові осцилографи із пристроєм могли захоплювати і відображати лише кілька тисяч розгорток за секунду, тому вони не дуже добре відображали весь діапазон наявних сигналів, оскільки більшу частину часу були «сліпими». Крім того, дисплей міг відображати лише один біт інтенсивності на піксель без рівнів сірого.

Сучасні цифрові осцилографи із пристроєм значно вдосконалилися. Тепер вони можуть захоплювати сотні тисяч сигналів за секунду та підсумовувати всі ці дані для створення зображення, де інтенсивність відображається як частота, і відображати це на дисплеї з градацією інтенсивності. Іншими словами, тепер вони можуть робити те єдине, для чого аналоговий осцилограф був кращим. У той же час цифрові осцилографи можуть виконувати різні види аналізу сигналу, що виходять за рамки можливостей аналогового осцилографа.

(Однак у мене насправді є пара вінтажних аналогових осцилографів 1980-х років і недорогий цифровий осцилограф з однобітним дисплеєм. Я, можливо, ніколи не куплю хороший цифровий осцилограф з градацією інтенсивності, оскільки він мені не потрібен для хобі. Так що, можливо, я залишу хоча б один).

Joe Ting

Затискачі для досягнення найкращих результатів

Який метод вимірювання опору цифрового мультиметра існує без використання іншого ЦММ?

Підключіть зовнішнє джерело живлення до цифрового мультиметра (DMM). Потім використовуйте дроти для вимірювання напруги батареї та струму, що споживається під час роботи мультиметра. У мене є дроти із затискачами саме для цього

Зазвичай потрібна подвійна батарея типу AA або AAA. Однак, якщо батарея перезаряджається, її буде складніше розібрати.

Для вимірювання внутрішніх параметрів використовується той самий цифровий мультиметр, що відповідає вашим критеріям для одного режиму. Отримавши дані про напругу та струм, ви можете розрахувати опір. Я припускаю, що падіння струму в цифровому мультиметрі незначно змінюватиметься у всіх режимах. Для перевірки цієї гіпотези вам знадобиться другий цифровий мультиметр.

Jim.Moore

Фізик, математик, системний інженер, педагог

Які три сфери застосування осцилографа для вимірювань, які не може виконати цифровий мультиметр?

Існує безліч способів використання візуального уявлення, які цифровий мультиметр не може виявити.

Аналіз форми сигналу, наприклад, ЕКГ може дати лікарю миттєву інформацію.

Спотворена форма сигналу, накладеного на інший сигнал, може вказувати на наявність інформації, перешкод або наявність носія даних. Це також може вказувати на заземлення, що плаває.

Сигнали можна накладати один на одного для порівняння. Фактично можна накладати кілька сигналів для порівняння одночасно.

Вимірювання частоти, джиттера частоти (коли частота змінюється) та часових інтервалів.

Я, мабуть, міг би вигадати сотні додатків, для яких замість цифрового мультиметра знадобиться осцилограф.

Steven J Greenfield

Вивчаю електроніку доти, доки можу сам обирати собі книжки.

Чому цифровий осцилограф показує більше шуму сигналу, ніж осцилограф з ЕПТ?

Тому що аналоговий осцилограф з ЕПТ за своєю природою постійно усереднює результати вимірів. Кожна крива не сильно висвітлює екран. Повторювані криві роблять її досить яскравою. Але це означає, що випадковий шум просто робить лінію трохи ширшою та трохи розфокусованою. Ви коли-небудь помічали, що за відсутності сигналу, коли ви перемикаєтеся з низькою чутливістю, наприклад, 1 В/справ, на максимальну лінія виглядає трохи розмитою? Якщо ви подаєте прямокутний сигнал, ви можете помітити, що вертикальні лінії під час наростання і спаду здаються менш схильними до цього, оскільки шум являє собою амплітудний шум і, отже, горизонтальний.

Більшість людей, які використовують недорогі цифрові осцилографи (DSO) в аматорських умовах, використовують одноразове захоплення. Більшість недорогих DSO під час безперервного захоплення просто перемальовують лінії на екрані без усереднення. Але якщо кожна окрема крива на ЕЛТ-осцилографі дуже тьмяна, на цифровому екрані DSO кожна крива має однакову яскравість, і це не робить криву яскравішою або тьмянішою. Ця функція була й у дорожчих DSO, якщо ви знаєте про її існування. Багато недорогих DSO тепер включають її. У моєму старому Rigol її не було, а в новому Rigol вона є.

Дейв Джонс з EEVBlog зняв чудовий випуск, що ілюструє це.

Roy McCammon

Понад 40 років роботи інженером-електриком

Чому потенціометр вимірює ЕРС точніше, ніж вольтметр?

Давним-давно, приблизно 1930 року, вольтметри використовували гальванометри для вимірювання напруги. Гальванометр мав споживати струм від вимірюваного джерела, щоб отримати відхилення стрілки. Якщо опір джерела було досить велике, струм, споживаний джерела, приводив до падіння напруги джерела. Наприклад, припустимо, що вхідний опір вольтметра становить 1 МОм на шкалі 100 вольт. Якщо напруга джерела становить 50, то вольтметр споживав би від джерела струм силою 50 мікроампер. Якщо вихідний опір джерела становить 100 кОм, воно впало до 45 вольт, і вольтметр показував би 45 В з похибкою 10%.

При використанні потенціометра гальванометр підключається між джерелом, що вимірюється, і виходом потенціометра. Вихід потенціометра регулюється доти, доки відхилення стрілки гальванометра стане нульовим. Це означає, що через гальванометр не протікає нульовий струм, а вихідна напруга потенціометра така сама, як і у вимірюваного джерела. Таким чином, якщо напруга джерела становить 50 В, потенціометр також буде налаштований на 50 В. Якби ви знали, що вихід потенціометра становить 50 В, то ви знали б, що і джерело теж становить 50 В, навіть якщо опір джерела становить мегаом. То як дізнатися напруга на виході потенціометра? Я не вдаватимуся в подробиці, але навіть у 1930 році існували способи дізнатися, що вихідна напруга має певне значення за задумом. Точність 0,1% була прийнятною.

Звісно, ​​потенціометр був ідеальним. Ви налаштовували його, поки гальванометр не показував ніякого відхилення, але це була візуальна точність. Якби відхилення справді становило 0,1% від повної шкали, ви б його не помітили. Але навіть за відхилення 0,1% потенціометр споживав набагато менше струму від вимірюваного джерела.

Але у 2017 році у нас з'явилися вольтметри із польовими транзисторами на вході. Вони більше не споживають помітного струму від джерела, що вимірюється. Вони мають усі види самокалібрування. Їхня точність вища, ніж ненавмисні помилки термопари, що виникають при неправильному підключенні. Переважна більшість потенціометра втрачено.

James Bell

Loring Chien

Інженер-електрик з 45-річним стажем, старший довічний член IEEE

Як цифровий мультиметр вимірює напругу?

Приблизно в 1974 році я спроектував 4,5-розрядний (20 000 відліків) цифровий вольтметр (ЦВМ), включаючи розробку друкованої платиборки.

Він був заснований на технології «подвійного нахилу», яка використовує операційний підсилювач (ОУ), що інвертує, для «інтегрування» вхідного сигналу за десятки мілісекунд, а потім опорну напругу для «деінтегрування» накопиченого значення за різний час.

Він використовував 4-розрядний лічильник mk5002 Mostek та деяку логіку на основі клею.

Ви можете спитати, навіщо я це побудував? У той час, коли я тільки починав вивчати електроніку, мені було дуже ніяково використовувати будь-яку техніку, принцип роботи якої я не розумів. Продемонструвати собі, що я розумію, як щось працює, можна було зробити це самостійно.

Приблизно у 1972 році я побудував термостат з постійною температурою для занять з хімії, оскільки хімія була моїм основним інтересом. Через кілька років я спроектував і побудував чотирирозрядний частотомір. Починаючи з 1978 року, я проектував та побудував комп'ютер на базі мікропроцесора z80, який у підсумку складався приблизно із 600 інтегральних схем. Він використав 6-мегагерцевий z80B, який мені вдалося розігнати до 12 мегагерц. Я охолоджую мікропроцесор термоелектричним пристроєм, купленим у магазині електронних товарів b&f electronics у Массачусетсі.

https://www.eeeguide.com/dual-slope-integrating-type-dvm/

Kenneth Lundgren

Бакалавр наук в галузі електротехніки, Іллінойський технологічний інститут, Чикаго (випуск 1963 р.)

Чому мультиметр може вимірювати набагато вищу постійну напругу, ніж осцилограф на тому самому контакті?

Ви впевнені, що осцилограф налаштований на зв'язок постійного струму?

Щоб перевірити, чи не навантажує щуп осцилографа якийсь ланцюг з високим імпедансом, залиште мультиметр підключеним, поки підключаєте щуп осцилографа. Якщо обидва щупи відкалібровані, показання повинні збігатися.

Вам необхідно уточнити. Що це за ланцюг, і яку фактичну напругу ви зчитуєте за допомогою мультиметра та осцилографа?

Можливо, напруга надто висока для осцилографа, і його вхідний підсилювач перевантажений.

Loring Chien

Інженер-електрик з 45-річним стажем та старший довічний член IEEE

У чому різниця між графічним мультиметром та DSO (цифровим осцилографом)?

Зазвичай, це тимчасова шкала. Мультиметри можуть виконувати лише близько 60 вимірів за секунду, але осцилографи зазвичай виконують від кількох тисяч до мільярдів вимірювань за секунду.

Графічний мультиметр може бути корисним для моніторингу напруги протягом декількох хвилин або годин, в той час як цифрові запам'ятовуючі осцилографи (DSO) призначені для вимірювання змін напруги протягом декількох наносекунд або декількох хвилин з високою роздільною здатністю.

Isaac Wingfield 

Вийшов на пенсію після довгої кар'єри в галузі досліджень та розробок у галузі електроніки

Як портативний цифровий мультиметр може досить точно вимірювати коливальний постійний струм?

Якщо встановити вимірювач на змінний струм, то (ймовірно, залежно від моделі) буде вимірюватися змінна складова сигналу, а це, схоже, не те, що вам потрібно.

Пропустіть «постійний струм, що коливається» через резистор в конденсатор і виміряйте напругу на ньому — це дозволить проінтегрувати змінний у часі сигнал і отримати середнє значення. Вам потрібно підібрати постійну часу RC-ланцюга відповідно до швидкості зміни сигналу. (Аналоговий вимірювач д'Арсонваля — зі стрілкою, що переміщається за шкалою, — автоматично виконає інтегрування).

Або використовуйте осцилограф - саме з такими сигналами він справляється найкраще.

Loring Chien

Інженер-електрик з 45-річним стажем і старший довічний член IEEER

Чим корисний осцилограф?

Він забезпечує безпрецедентне відображення залежності напруги часу для одного або декількох синхронізованих каналів. Графіки можуть відображатися як дуже швидко, так і дуже повільно з інтервалом від наносекунд до декількох годин. Без осцилографа було б складно отримати точне уявлення про те, що відбувається у цей проміжок часу.

Графік можна запускати комбінаціями складних сигналів, щоб побачити взаємозв'язок сигналів, що відображаються з подією запуску.

Це, безперечно, найважливіший інструмент на робочому столі більшості інженерів-електронників.

Ferenc Valenta

Працює в Mentor Graphics (компанія)

Які недоліки електронно-променевого осцилографа (ЕКО)?

ЕПТ - це технологія відображення, яка може використовуватися в будь-яких осцилографах, навіть у цифрових осцилографах, що запам'ятовують. Представляємо осцилограф змішаних сигналів Agilent 54641D, по суті, високопродуктивний цифровий осцилограф, що запам'ятовує (DSO) і логічний аналізатор, інтегровані в одному корпусі. Дисплей – зелений ЕЛТ.

Ви мали на увазі осцилографічну трубку, що є спеціальним ЕПТ з електростатичним відхиленням, здатний працювати на різних частотах і коефіцієнтах заповнення. Навіть це може бути непросто, погляньте на Goldstar OS3020:

Цей красень оснащений справжньою трубкою осцилографічної і має як аналоговий, так і цифровий режими роботи. Його цифрова система дискретизації була досить примітивною, що було звичайним явищем того часу. Для періодичних високочастотних сигналів можна було використовувати аналоговий режим.

Аналогові осцилографи досить хороші для аналогових схем та періодичних сигналів, але дуже незручні для цифрових схем з неперіодичними сигналами. У цьому цифровому світі їм мало місця. Цифрові запам'ятовуючі осцилографи повністю витіснили аналогові осцилографи.

Аналоговому осцилографу потрібна періодична подія запуску, і може відображати лише періодичний сигнал. В іншому випадку зображення стає безладним та непридатним для використання. Цифровий осцилограф, що запам'ятовує, може зафіксувати одну «розгортку» за подією запуску, яку можна аналізувати автономно. Можна перевірити, що відбувалося до спрацьовування тригера, захопити довгу розгортку, а потім збільшити масштаб для перегляду деталей, захопити декілька коротких розгорток при різних подіях тригера і порівняти їх і т. д. Незважаючи на те, що існували деякі геніальні рішення для зберігання аналогових даних з використанням осцилографів розгорткою, вищезазначені функції неможливо реалізувати без цифрової системи вибірки.

Loring Chien

інженер-електрик та аудіофіл протягом 45 років

Які фактори обмежують точність осцилографа під час вимірювання напруги?

Припустимо, у нас є аналоговий вхідний цифровий осцилограф (і ви не вказали точність змінного або постійного струму)

1. Роздільна здатність АЦП зазвичай 8 біт або, можливо, 10 біт.

2. Вибірки АЦП та алгоритми (середньоквадратичне значення, пікове значення тощо), що використовуються для розрахунків змінного струму.

3. Опорна точність АЦП.

4. Точність вхідного підсилювача.

5. Вхідний опір та допуск на опір щупа 10X.

6. Обмеження смуги пропускання підсилювача.

Manjunath Pai H

Електрика, моя земля-мати

Для яких завдань потрібний осцилограф?

1. Візуальне дослідження спотворень/зсуву постійної складової у вигляді сигналу.

2. Різниця фаз щодо іншого сигналу.

3. Спостереження за процесом синхронізації в аналоговій системі ФАПЧ (з використанням вбудованого ГУН, а також синусоїдальних входів) з використанням фігури Лісаж (X-Y) на КРЦ.

4. Відображення вольт-амперних характеристик діодів (деякі КРЦ мають функцію відображення вихідних характеристик транзисторів).

5. Постійну напругу, представлену в синусоїді, можна безпосередньо визначити, перемкнувши перемикач DC/AC і зафіксувавши результуючий зсув у формі сигналу.

6. Спостереження за амплітудно-модульованим або частотно-модульованим сигналом.

7. Вимірювання затримки поширення між входом та виходами у цифровій комбінаційній схемі.

8. Вимірювання часу наростання та спаду гострого імпульсу після проходження через схему/фільтр.

Зазначені завдання можна виконати тільки на CRO (в основному) досить легко.

Roy McCammon

Вивчав електротехніку та фізику

Навіщо калібрувати осцилограф?

У мене щодо цього інший погляд. Хоча мій досвід пов'язаний лише з Tektronix. Роками моя лабораторія відправляла осцилографи на калібрування за їх рекомендованим циклом. Просто з цікавості я робив кілька вимірів перед відправкою та порівнював результати після прибуття. Нічого не змінювалося. І ось одного разу мені захотілося дізнатися, які параметри змінного струму були на вертикальному каналі. Я не зміг їх знайти. Я зателефонував до Tektronix. Виявилося, що вони не мають характеристик змінного струму на вертикальному каналі. Якщо ви хочете проводити вимірювання змінного струму, калібрування - ваша турбота. Зараз я говорю про осцилографів у моїй лабораторії. Це звичайні цифрові стробоскопічні осцилографи. Можливо, топовий осцилограф має характеристики змінного струму, я не знаю. Тому вони, схоже, не дрейфують, і ви самі визначаєте змінний струм. Тому ми вирішили, що осцилографи – це індикатори та візуалізатори. Вони показують вам, що відбувається, але ми не залежимо від них для точних вимірів. Тому ми перестали відправляти їх на калібрування та заощадили купу грошей.

Є кілька нюансів. По-перше, ми науково-дослідна лабораторія, а не метрологічна і не лабораторія контролю якості. Їм потрібна простежуваність, а нам ні. По-друге, я маю дуже хороший мультиметр і високочастотний вольтметр, які ми відправляємо на калібрування, що дозволяє мені перевіряти працездатність осцилографа, якщо це дійсно важливо.

Howard B. Evans, Jr.

Ступінь бакалавра з електротехніки та когнітивної психології, Дейтонський університет (випуск 1978 р.)

Чому потенціометр вимірює ЕРС точніше, ніж вольтметр?

Я поставив плюс відповіді Роя Маккаммона, оскільки він був точним та повним. Але я не згоден з недоведеним припущенням автора питання про те, що потенціометр вимірюватиме ЕРС точніше за вольтметр.

Найточніші вимірювання ЕРС виробляються з використанням точного зразка напруги. Протягом багатьох років це був дуже точно сконструйований електрохімічний «стандартний елемент», ЕРС якого (напруга на клемах) вважалася відомою та стабільною. На жаль, такі стандартні елементи мають дуже високий внутрішній опір і нульовий струм може відбиратися від них без зміни напруги на клемах.

Щоб уникнути навантаження на стандартний елемент, можна використовувати потенціометр для точного балансування виходу потенціометра (від окремої зовнішньої батареї) і, отже, відбирати нульовий струм від стандартного елемента, так і від потенціометра. Очевидно, що потенціометр повинен збуджуватися від батареї з більш високою напругою на клемах, ніж у стандартного елемента, щоб він видавав (нижчу) напругу, що дорівнює напруги на клемах стандартного елемента без навантаження. Дано, що потенціометр видає вихідний сигнал, лінійна функція якого залежить від відстані між важелем склоочисника і одним з його кінців. Використовуючи цю інформацію, а також знаючи потенціал холостого ходу (ЕРС) стандартного елемента, можна розрахувати потенціал батареї, що збуджує потенціометр. Використовуючи аналогічний розрахунок, можна розрахувати потенціал у будь-якій точці потенціометра.

Фактично, потенціометр використовується для калібрування щодо потенціалу стандартного елемента. Після досягнення нульового значення(Стан нульового струму) стандартний елемент більше не потрібен, оскільки напруга батареї, що збуджує потенціометр, тепер визначено. Вимір меншої напруги зводиться до регулювання потенціометра і визначення співвідношення довжин між важелем склоочисника і кожним з двох кінців. Точність цього залежить від пристрою, що використовується для визначення нульового значення між невідомою напругою, що вимірюється, і напругою, створюваним потенціометром. Цей нуль-вимірювальний прилад може бути дуже чутливим: широко поширені електронно-пікоамперні гальванометри.

Однак іншим фактором, що впливає на точність вимірювань, є напруга, створювана еталонним осередком. Воно схильна до похибок, викликаних віком і температурою навколишнього середовища, тому навіть якщо для калібрування потенціометра струм з комірки береться нульовим, його ЕРС все одно залишається невизначеністю.

Ця проблема була вирішена в минулому столітті за допомогою квантово-механічних пристроїв для створення стабільної опорної напруги, але це виходить за рамки даної відповіді, яка, я сподіваюся, спростовує припущення, що «вимір ЕРС потенціометром точніше, ніж вольтметром». Все залежить від того, як кожен прилад виготовлений, калібрований і використовується.