Осцилограф, вивчення основ найголовнішого приладу в електроніці. Частина 1

(Рекомендовані моделі осцилографів зі складу Магазину Gtest(R), а також статті для подальшої самоосвіти - в самому кінці розділу)

Матеріали універсальні за природою та доступні для розуміння будь-якого користувача з мінімальними технічними навичками. Ознайомившись із викладеними принципами роботи осцилографів, читач зможе зробити усвідомлений вибір на користь тієї чи іншої моделі приладу від того чи іншого виробника, що співвідноситься з бюджетом з майбутніми завданнями.

Зміст

ЧАСТИНА 1 >>

• Вступ

• Цілісність сигналу

• Значення Цілісності Сигналу

• Чому Цілісність Сигналу є проблемою?

• Аналогові джерела цифрового сигналу. Огляд.

• Осцилограф

• Поняття «форми сигналів» та «вимірювання форм сигналів»

• Типи хвиль

ЧАСТИНА 2 >>

• Синусоїди

• Квадратичні та прямокутні

• Пилоподібні та трикутні

• Ступінчасті та пульсуючі форми

• Періодичні та неперіодичні сигнали

• Синхронні та асинхронні сигнали

• Комплексні форми сигналів

• Вимірювання форм сигналів

• Частота та період

• Напруга

• Амплітуда

• Фаза

• Вимірювання форм сигналів цифровими осцилографами

• Типи осцилографів

• Цифровий запам'ятовуючий осцилограф

ЧАСТИНА 3 >>

• Цифровий люмінесцентний осцилограф

• Осцилографи змішаних доменів

• Осцилографи змішаних сигналів

• Осциллографи цифрової вибірки
• Системи та органи управління осцилографа

• Система управління по вертикалі та органи управління

• Позиціонування та вольти на поділ

• З'єднувальна муфта

• Обмеження по смузі пропускання

• Посилення смуги пропускання

• Система управління по горизонталі та органи управління

• Органи управління збором даних

• Режими збору даних

• Органи управління горизонталлю

• Типи режимів збирання даних

• Запуск та зупинення системи збору даних

• Вибірка

• Органи управління вибіркою

• Методика вибірки у реальному часі

• Методика вибірки у еквівалентному часі

• Позиціонування та секунди на поділ

• Вибір тривалості розгортки

• Масштабування та панорамування

• Пошук

• Режим XY

• Вісь Z

• Режим XYZ із режимом DPO та відображенням реєстрованих даних XYZ

• Система синхронізації та органи управління

• Положення тригера

• Рівень тригера та кут нахилу

• Режими тригера

• З'єднання тригера

• Утримання тригера

• Система екранного відображення та органи управління

• Інші органи управління осцилографом

• Математичні операції та вимірювання

• Цифрова синхронізація та стан захоплення

• Повноцінна вимірювальна система
• Пробники
• Пасивні пробники
• Активні та диференціальні пробники
• Логічні пробники
• Спеціальні пробники
• Аксесуари до пробників

• Тлумачення термінології
• Смуга пропуску
• Час наростання фронту імпульсу
• Частота вибірки
• Швидкість захвату форми сигналів
• Довжина запису
• Можливості синхронізації

• Біти, що несуть інформацію

• Частотна характеристика

• Чутливість розгортки по вертикалі

• Швидкість розгортки

• Точність посилення

• Точність розгортки по горизонталі (тимчасова розгортка)

• Роздільна здатність по вертикалі (Аналого-цифровий конвертер)

• Дозвіл за часом (MSO)
• Можливості зв'язку
• Розширюваність
• Простота використання

• Робота з осцилографом
• Належне заземлення
• Встановлення органів управління
• Калібрування приладу
• Підстиковка пробників
• Компенсація пробників
• Методики вимірювань на осцилографі

• Вимірювання напруги
• Вимірювання часу та частоти
• Вимірювання ширини імпульсу та часу наростання фронту імпульсу
• Вимірювання фазового зсуву
• Інші методики вимірювань
• Письмові вправи

Частина I

A: Словникові вправи

B: Прикладні завдання

Частина II

A: Словникові вправи

B: Прикладні завдання

Ключ до відповідей
Глосарій

"Основи осцилографів. Принципи роботи та методики вимірювань".

Вступ

Будь-який рух у природі відбувається у формі синусоїдальних хвиль, будь то океанські хвилі, землетрус, ударна хвиля, вибух, звук через повітря або природна частота тіла в процесі переміщення. Енергія, вібруючі частинки та інші невидимі оку сили просочують наш фізичний всесвіт. Навіть біле світло, що складається з частинок і хвиль, має фундаментальні частоти, які можуть бути помітні як кольори.

Сенсори здатні конвертувати ці явища в електричні сигнали, які можна розглядати та досліджувати за допомогою осцилографа. Осцилографи надають можливість вченим, інженерам, технікам, вчителям та іншим фахівцям «побачити» події, що змінюються у часі.

Осцилографи – надзвичайно важливий інструмент для фахівця, який займається розробками, виробництвом чи ремонтом електронного обладнання. У сучасному бурхливо розвивається інженерам потрібні найефективніші прилади для вирішення завдань вимірювань швидко і з високою точністю. Виконуючи роль «всевидячого ока» інженера, осцилограф є ключем у вирішенні складних завдань отримання достовірних даних від об'єкта під тестуванням.

Корисність осцилографа не обмежена лише світом електроніки. За наявності належного сенсора осцилограф здатний вимірювати характеристики будь-якого природного та фізичного явища. Сенсор (чутливий елемент) являє собою пристрій, що генерує електричний сигнал як реакція на фізичні фактори, як звук: механічний вплив, тиск, світло або тепло. Мікрофон є таким сенсором, який конвертує звук в електричний сигнал. На рис. 1 показаний приклад як за допомогою осцилографа відбувається збирання наукових даних.

Осцилографи застосовуються всіма, від фізиків до техніків-ремонтників. Автомеханіки використовують осцилографи для виявлення співвідношення аналогових даних від сенсорів з цифровими даними послідовної передачі від пристрою управління двигуном. Лікарі діагностики використовують осцилографи для вимірювання хвиль головного мозку людини. Можливості приладу безмежні.

У цьому Курсі для початківців даються загальні поняття, освоєння яких формує відмінний стартовий майданчик у розумінні інженером-новачком, що таке осцилограф і як він працює.

Рис.1 Приклад наукових даних, зібраних осцилографом

Глосарій, розташований наприкінці курсу, містить тлумачення незнайомих термінів. Словник та багаторівневі письмові вправи з теорії осцилографів та завдання його управління перетворюють цей Курс на дуже ефективний підручник для самостійного користування. При цьому для розуміння всього викладеного немає потреби у якихось спеціальних знаннях у галузі математики чи електроніки.

Після вивчення цього Курсу ви будете здатні:

• Уявляти як функціонує осцилограф

• Розуміти різницю між різними типами осцилографів

• Розуміти різницю між різними типами електричних форм сигналів

• Керувати основними органами контролю за осцилографом

• Самостійно здійснювати прості виміри

Інструкція з експлуатації, яка постачається з кожним осцилографом, надасть вам більше специфічної інформації про те, як застосовувати цей прилад у своїй повсякденній діяльності. Деякі виробники осцилографів також надають описи рішень для багатьох прикладних завдань, що допоможе вам оптимізувати свій осцилограф під конкретні програми.

Цілісність Сигналу

Значимість цілісності сигналу

Ключовим фактором для будь-якого хорошого осцилографа або осцилографічної системи є їх здатність точно відтворювати форму сигналу, що власне і позначає термін «цілісність сигналу». Будь-який осцилограф аналогічний за своїми функціями фотографічної камери, яка захоплює образи сигналів, які можна розглядати і вивчати. Три ключові фактори лежать в основі терміна «цілісність сигналу»:

• Коли ви фотографуєте картинку, чи відповідає ця картинка точно тому, що сталося?

• Чи має зображення ясне або розмите?

• Яку кількість ясних та точних картинок ви можете зробити за секунду?

Всі разом різні системи осцилографа, його функції та працездатність роблять кумулятивний внесок у здатність приладу формувати найвищу з можливої цілісність вимірюваного сигналу. Пробники також впливають рівень цілісності сигналу, генерованого всією системою вимірів.

Цілісність сигналу впливає більшість наукових дисциплін, що з електронними розробками. Але донедавна це не становило великої проблеми для розробників цифрових систем. Розробники під час проектування логічних ланцюгів могли покладатися те що, що й функціонуватимуть як логічні схеми. Різного роду шуми і паразитні сигнали вважалися чимось таким, що більше властиво для схем з високошвидкісною передачею даних – тобто явищ, які мають більше хвилювати розробників РЧ-пристроїв. Комутації в цифрових системах відбувалися відносно повільно, а сигнали передбачувано стабілізувалися.

З того часу тактова частота процесорів збільшилася на порядки. Комп'ютерні програми, наприклад графіка 3D, відео та серверні вводи-виводи вимагають наявності широких смуг пропускання. Практично все сучасне телекомунікаційне цифрове обладнання, відповідно також вимагає наявності масивних смуг пропускання. Це ж безпосередньо стосується цифрового ТБ високої роздільної здатності. Всі сучасні сімейства мікропроцесорних пристроїв мають швидкості передачі даних 2, 3, 5 GS/s (гіга самплів у сек), тоді як пристрої пам'яті DDR3 задіяють тактову частоту понад 2 GHz і сигнали з 35 ps часом наростання фронту імпульсу.

Лавиноподібне наростання швидкостей є у всіх IC пристроях на автомобілях, побутової електроніки, контролерах та ін. цифрових пристроях.

Процесор з тактовою частотою 20 MHz може працювати з сигналами зі швидкістю перемикання, властивим процесорам з 800 MHz тактової частоти. Розробники цифрових пристроїв давно переступили раніше встановлені пороги продуктивності, що означає, що кожна схема високошвидкісна.

Без вжиття певних запобіжних заходів, проблеми, властиві високошвидкісним ланцюгам, так чи інакше можуть просочитися в звичайні цифрові схеми. Якщо ланцюг періодично відчуває збої у своїй роботі або стикається з неполадками при екстремальних значеннях напруги і температури, то велика ймовірність того, що є проблеми, пов'язані з узгодженістю сигналів. Все це може призвести до затримок виведення ринку нової продукції, проблем з її надійністю, вимогам до електромагнітної сумісності тощо. Такі «високошвидкісні» проблеми можуть впливати на цілісність потоку послідовної передачі даних у цифровій системі, що вимагатиме вжиття певних заходів для кореляції специфічних шаблонів даних за можливості вивчення характеристик високошвидкісних сигналів.

Чому цілісність сигналу є проблемою?

Давайте розглянемо деякі специфічні причини деградації сигналу у сучасних цифрових схемах. Чому ці проблеми сьогодні значно переважають, ніж це було раніше?

Відповідь: швидкість. У «добрі старі повільні часи» підтримка допустимої цілісності цифрових сигналів означала необхідність звернення уваги на такі деталі як розподіл значень синхросигналів, схема тракту сигналу, шуми, що вносяться, вплив навантажень, вплив х-к тракту передачі, х-к клем шини передачі даних, розв'язок і потужностей і т.д. Всі ці правила є актуальними, але…

Час циклу каналів передачі в даний час в 1000 разів вище, ніж це було, скажімо, 20 років тому. Мікросекундні транзакції стали наносекундними. Це призвело до того, що граничні швидкості теж збільшилися: вони у 100 разів швидше, ніж 20 років тому.

Все це чудово, однак, певні фізичні реалії утримують технології виробництва друкованих плат від того, щоб відповідати існуючим швидкостям. Час проходження сигналу каналами чіпів залишилося майже незмінним за десятиліття. Геометричні розміри друкованих плат, звичайно ж, скукожились, але залишається необхідність у наявності на платах фізичних площ для уст-в інтегральних мікросхем (IC), конекторів, пасивних компонентів і, звичайно ж, самих трактів передачі даних. Ці площі передбачають існування відстаней, а відстань означає час – ворог швидкості.

Дуже важливо не забувати, що гранична швидкість-час наростання цифрового сигналу може нести значно вищі частотні складові, ніж передбачає його частота повторення. З цих причин деякі розробники відчайдушно потребують таких пристроїв IC (інтегр. мікросхеми), які мали б відносно низькі характеристики часу перемикання цифрових сигналів.

Схеми із зосередженими параметрами завжди були базисом для більшості розрахунків, що робилися для передбачення поведінки того чи іншого сигналу під час його проходження ланцюгом. Але коли граничні швидкості більш ніж 4-6 разів вище затримки сигналу за його проходженні трактом, такі схеми більше працюють.

Траки друкованих плат 6 дюймів довжиною стають лініями передачі, коли керуються сигналами, що демонструють граничні швидкості нижче 4-6 наносекунд, незалежно від швидкості циклу. В результаті створюються нові сигнальні траки. Такі «нематеріальні» сполуки не присутні на схемі, але темніше, забезпечують середовище, де сигнали непередбачено впливають один на одного.

Іноді навіть природні похибки як результат комбінації пробник/прилад можуть вплинути на характеристики вимірюваного сигналу. Однак, застосовуючи формулу «квадратний корінь суми квадратів» до значення, що вимірювається, стає можливим визначити, чи знаходиться пристрій під тестуванням близько до стану збою як результат невідповідності характеристик часу наростання і падіння фронту імпульсу. Слід додати, що сучасні осцилографи задіяють спеціальну фільтрацію для де-вбудовування впливу вимірювального приладу на сигнал, відображаючи на екрані його тимчасові та інші х-ки.

У той самий час виділені траки сигналів працюють таким чином, як вони призначалися. Заземлюючі шари і енергетичні шари, як то траки передачі сигналів, стають індуктивними і працюють як трансмісійні канали; розв'язка харчування набагато менш ефективна. Електромагнітні перешкоди (EMI) збільшуються, оскільки високі граничні швидкості продукують більш короткі довжини хвиль щодо довжини каналу передачі імпульсів. Перехресні перешкоди збільшуються.

Слід додати, що високі порогові швидкості вимагають більш високих значень струмів для їхньої (швидкостей) генерації. Вищі струми мають тенденцію викликати стрибки загального потенціалу схеми, що особливо характерно на широких каналах передачі, де відбувається безліч одночасних комутацій сигналів. Більше того, високі струми підвищують кількість випромінюваної магнітної енергії, а разом з цим і перехресні перешкоди.

Аналогові джерела цифрового сигналу. Огляд.

Що ж загалом мають усі ці показники? Усі вони – класичний аналоговий феномен. Для вирішення проблем цілісності сигналу, розробникам цифрових пристроїв необхідно зробити крок в їх аналоговий домен. А щоб зробити такий крок, цим розробникам необхідний інструментарій, що показує як взаємодіють між собою цифрові та аналогові складові сигналу.

Похибки на «цифровому полі» зазвичай мають своє походження із проблем цілісності на аналоговій складовій сигналу. Для точного відстеження неполадок «цифри» часто необхідно звернутися до осцилографа, який представить на екрані всі деталі форми сигналу, його краї і шуми, виявить і покаже перехідні характеристики, допоможе точно виміряти співвідношення синхронізації, як час установки і час утримання. Сучасні осцилографи здатні допомогти у спрощенні процедур налагодження об'єкта, що тестується, через виставлення режиму на захоплення специфічних явищ при паралельній або послідовній передачі даних і відображенні аналогового сигналу, відповідного за часом конкретної події.

Розуміння кожної функції у складі свого осцилографа і як правильно застосовувати гарантує максимально ефективне використання приладу при вирішенні специфічних завдань вимірювань.

Осцилограф

Що таке осцилограф і як він працює? Цей розділ відповідає на ці основні питання.

За великим рахунком осцилограф - пристрій, що у графічному вигляді відображає результати вимірювань - прилад малює графи електричних сигналів. У більшості застосувань графи демонструють як сигнали змінюються у часі: вертикальна вісь (Y) є напругою, горизонтальна вісь (X) являє час. Інтенсивність або яскравість екранного відображення іноді співвідноситься з віссю Z, як показано на рис. 2.

В осцилографах DPO (цифрових люмінесцентних) вісь Z може співвідноситися з кольоровим х-кою дисплея, як це представлено на рис. 3.

• Ця найпростіша графіка може багато розповісти про сигнал, як-от:

• Значення часу та напруги сигналу

• Частота коливального сигналу

• Ділянки, що переміщаються” ланцюга, поданого сигналом

• Частота, з якою певна ділянка сигналу проявляється щодо інших її ділянок

• Чи відбувається спотворення сигналу як наслідок впливу на нього несправного компонента

• Яку частину сигналу становить постійний струм (DC) або змінний струм (AC)

• Яка частина сигналу становить шум і чи змінюється цей шум у часі

Поняття про форми хвилі та їх виміри

Узагальнюючий термін характеристики (яви), яке повторюється у часі – це хвиля: звукові хвилі, мозкові хвилі, океанські хвилі та хвилі напруги – всі вони мають характеристики, що повторюються. Осцилограф вимірює хвилі напруги. Як раніше вже згадувалося, такі фізичні явища як вібрації або температура або електричні явища як то: струм або потужність можуть бути конвертовані в показники напруги за допомогою сенсора. Один цикл хвилі є частиною хвилі, що повторюється. Форма хвилі є графічним уявленням хвилі як явища. Сигнал напруги представлений по осі часу (горизонтальна) і осі зі значеннями напруги (вертикальна).

Форми сигналів розкривають безліч подробиць про їхню природу. Щоразу, коли відбувається зміна у висоті форми сигналу, це означає, що х-ка напруги змінилася. Щоразу, коли є пряма горизонтальна лінія, то зрозуміло, що протягом усієї довжини цієї лінії жодних змін х-к сигналу не відбувалося. Прямі, діагональні лінії означають наявність лінійних змін – наростання чи падіння напруги зі стійкою швидкістю. Гострі кути на формі сигналу вказують на раптові зміни. На рис. 4 представлені існуючі форми сигналів, але в рис. 5 посилання джерела таких сигналів.

Типи хвиль

Можна класифікувати більшість хвиль за такими типами:

• Синусоїди

• Квадратичні та прямокутні хвилі

• Пилоподібні та трикутні хвилі

• Покрокові та пульсуючі хвилі

• Періодичні та неперіодичні

• Синхронні та асинхронні
• Комплексні хвилі.

ЧАСТИНА 2 >>>

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy