Все нові та нові можливості цих чудових приладів

Dr. Michael Lauterbach & Arthur Pini, LeCroy

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру Осцилографів та Аналізаторів Спектру на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

Вступ
Датчики і приводи використовуються в різних електронних продуктах, від оборонних/аерокосмічних до медичних приладів, робототехніки, біотехнологій та інших додатків.
У цій статті датчик визначається як перетворювач, який виявляє стимул (рух, тиск, температуру і т. д.) і видає електронний сигнал. може – або не може – ініціювати дію на основі значення сигналу від датчика. можуть бути активовані на основі вихідного сигналу одного датчика, який виявляє дим або тепло), або кілька датчиків можуть надавати вхідні дані одному приводу (кілька датчиків можуть визначати положення елемента на складальній лінії та активувати одну роботизовану руку для виконання, коли всі датчики «погодяться» , що елемент знаходиться у правильному положенні).
Цифрові осцилографи є прекрасними приладами для перегляду, вимірювання, характеристики та усунення несправностей електричних сигналів, що виробляються датчиками. Вони також можуть досліджувати вхідні сигнали для приводів.У цій статті ми спробуємо дати хороші поради про методи застосування потужності DSO до типів сигналів, які зазвичай генеруються/виявляються датчиками та приводами, починаючи з більш простих прикладів та переходячи до більш складних. , чим забезпечує його поточний обсяг, ми дамо поради щодо вибору осцилографа.

Використання візуальних інструментів

Зазвичай перше, що хоче зробити інженер при тестуванні датчика або приводу, - це подивитися на електричний сигнал, щоб переконатися, що його форма правильна і відповідає деяким основним критеріям. Основні властивості осцилографа, які вступають у гру, - це смуга пропускання, частота дискретизації, довжина пам'яті та дисплей. Наявність достатньої смуги пропускання означає, що осцилограф (і будь-які пробники, що використовуються) мають досить швидку реакцію, щоб точно відстежувати форму сигналу. Якщо осцилограф/пробники мають недостатню смугу пропускання, зображення сигналу буде спотворено.

Поради щодо того, «якої смуги пропускання достатньо», див. у заключному розділі цієї статті. Частота дискретизації осцилографа відображає, як часто аналого-цифровий перетворювач (АЦП) вимірює розмір сигналу. Щоб отримати гарне уявлення про форму сигналу, вам потрібно, щоб осцилограф забезпечував безліч точок вибірки, які малюють картину за принципом з'єднай точки амплітуди сигналу в часі. Довжина пам'яті також важлива, оскільки велика пам'ять дозволяє осцилографу забезпечувати безліч точок вибірки, що охоплюють тривалість сигналу, що цікавить. Нарешті, дисплей очевидно є важливим інструментом для перегляду сигналів, оскільки форма сигналу малюється на екрані. Але є й інші міркування. Одним із них є можливість використання дисплея для збільшення та перегляду важливих деталей сигналу.

На рисунку 1 канал 1 цифрового осцилографа фіксує вихідний сигнал датчика (силового перетворювача), який виявляє імпульс від короткого (близько 1 мс) різкого удару.

Канал 2 показує вихідний сигнал іншого датчика (акселерометра), розташованого приблизно 1 м від вихідної точки удару. У цій точці вихідний короткий, різкий імпульс був перетворений на дзвін з меншою амплітудою, але набагато більш тривалий. Використовуючи лише візуальні інструменти, інженер може розмістити курсори на двох формах сигналу, щоб виміряти затримку часу між вихідним ударом і першим суттєвим піком переданого дзвону.

Рисунок 1: C1 відображає вихідний сигнал датчика сили, а C2 – вихідний сигнал акселерометра. C1 (жовта крива з найвищим піком) виявляє раптовий різкий імпульс. C2 показує затримку, потім довгий дзвін

Червоний блок у нижньому правому куті малюнка показує показання курсорів. У цьому прикладі високий пік каналі 1 знаходиться на 215 мкс (виміряно щодо часу спрацьовування осцилографа), а перший великий негативний пік каналі 2 знаходиться на 1,455 мс. Це дає "дельта t" 1240 мс між подіями на двох датчиках. Інженер може отримати кращий огляд - і більш точний вимір - використовуючи найпростіший інструмент перегляду цифрового осцилографа - функцію масштабування.
На рисунку 2 осцилограф має дві сітки. На верхній сітці знаходяться отримані форми сигналів та курсори. На нижній сітці масштабування передньої частини форм сигналів. Оскільки курсори розміщені поблизу передньої частини форм сигналів, вони також відображаються на масштабуванні. Перше, що ви можете помітити, це те, що візуальне розміщення курсорів не точно на вершині піку каналу 1 або на нижній частині піку каналу 2. Масштабування, крім того, що дозволяє користувачу чіткіше бачити деталі сигналу, також дозволяє більш точно розміщувати курсори.

Рисунок 2: Ті самі сигнали, як і рисунок 1, але нижня сітка показує масштабування обох сигналів. Зверніть увагу, що масштабування показує, що курсори, які були розміщені з використанням уявлення загального сигналу, не зовсім на піках датчика

На рисунку 3 курсори були переміщені, і осцилограф показує більш точний вимір часу між піками двох датчиків, що становить 1,260 мс.

Рисунок 3: Масштабне зображення дозволяє користувачеві візуально побачити більше деталей сигналу та точніше розміщувати курсори.

Проста математика - читання вихідних даних курсору в реальних одиницях виміру

Датчики перетворять виявлення активності «реального світу» (зміна температури, прискорення тощо) в електричний сигнал. Щоб краще зрозуміти, що говорить датчик, часто буває корисно перетворити сигнал, зазвичай у вольтах, реальні одиниці виміру, які описують те, що виявив датчик. Це просте математичне рівняння y = mx+b, де x — показання датчика у вольтах, m — коефіцієнт переведення в реальні одиниці виміру, а b — будь-яке присутнє зсув. Результат цього розрахунку, y, це число, яке описує те, що відбувається в реальному світі. Наприклад, якщо акселерометр, що використовується в попередніх прикладах, має вихідний сигнал один вольт на 10 G прискорення, перетворення з вольт в G буде y = 10x. Проста математична функція, що перетворює форми сигналів напруги датчика на фізичні одиниці, називається «перемасштабуванням». Форма сигналу напруги перемасштабується в одиниці, що мають прямий фізичний зміст. На малюнку 4 показано приклад. Верхній слід – це форма сигналу напруги з виходу датчика. Це акселерометр, що прикріплений до корпусу вентилятора. Нижня форма сигналу має таку саму форму, але всі числа у цій формі сигналу вдесятеро більше, а одиниці виміру другої форми сигналу вказані в «гравітації», а чи не в «вольтах». Міра амплітуди від піку до піку верхньої форми сигналу становить 5,25 мілівольт.
Для нижньої форми сигналу вона становить 52,5 мілігравітації.

Рисунок 4: Форма сигналу напруги від датчика (верхня форма сигналу) перетворена на фізичні одиниці (нижня форма сигналу)

Просунута математика

Можливість перемасштабування форми сигналу у фізичні одиниці, які виявляє датчик, також дозволяє цифровому осцилографу виконувати складніші математичні операції, які мають корисне значення щодо функціонування датчика у реальному світі. Датчик, який вимірює прискорення, вимірює математичну похідну швидкість. А швидкість є похідною становища. Таким чином, якщо осцилограф має форму сигналу, яка показує вихідний сигнал акселерометра за певний період часу, то осцилограф може інтегрувати цю форму сигналу, щоб отримати нову форму сигналу, яка показує швидкість, яку випробовує датчик у кожний момент часу за той же період часу. За бажанням осцилограф може інтегрувати форму сигналу швидкості, щоб показати зміщення положення як функцію часу. Звичайно, осцилограф, ймовірно, не знатиме, чи є визначення «сили тяжіння» земним стандартом 32 фути/сек2, тому функцію перемасштабування, можливо, доведеться використовувати знову.
Приклад математичної настройки для подвійного інтегрування показаний рисунку 5.

Рисунок 5: Легко виконувати математичні операції на виході датчика. Деякі цифрові осцилографи дозволяють виконувати дві математичні операції «ланцюжком», як показано вище

Іншим поширеним типом математичного аналізу є розгляд частотної області показань датчика. Це особливо вірно, якщо датчик показує якусь структуру, що повторюється, у значенні своїх показань або якщо користувач підозрює, що є якесь джерело шуму, що заважає роботі датчика. В цьому випадку БПФ сигналу датчика може дати вказівку на джерело шуму. У разі сигналів акселерометра, показаних на малюнках 1-3, користувачеві осцилограф може бути цікаво дізнатися частотний спектр дзвону. Поведінка дзвону буде різною для різних типів зв'язку (тобто захисних матеріалів) між точкою впливу імпульсу та датчиком. Якби ми виконали БПФ прикладу, показаного на малюнку 4, частотні спектри дали б уявлення про фізичний струс вентилятора. На малюнку 6 показано налаштування цього типу частотного аналізу з використанням того ж сигналу, що був показаний на малюнку 4. Канал 1 осцилограф захоплює вихід датчика, прикріпленого до корпусу вентилятора. Це – верхня траса. Математичне налаштування показує зміну масштабу, а потім БПФ. Метою перемасштабування є обчислення параметра P2 - "макс" перемасштабованої математичної траси.
Це максимальне прискорення, виявлене датчиком, 5,5009 міліграм гравітації.

Рисунок 6: Перетворення Фур'є використовується для знаходження спектральних компонент показань датчика акселерометра, прикріпленого до корпусу вентилятора.

БПФ може бути виконано або на графіку залежності напруги від часу, або на масштабованому графіку. Обидва графіки мають однакову форму та однакові спектральні компоненти. У цьому прикладі пік БПФ припадає на 120 Гц, як показано курсором, що зчитує в правому нижньому куті зображення на екрані. Після того, як користувач налаштує потрібну математичну функцію, меню математики можна закрити, щоб можна було використовувати всю область перегляду екрана вивчення отриманої форми сигналу і БПФ. Це показано рисунку 7.

Рисунок 7: Ті самі сигнали, що й рисунку 6, але меню налаштування FFT закрито. Сигнали можна переглядати з більшою деталізацією, використовуючи повний екран

Перевіряє параметри сигналу на відповідність специфікаціям

Більшість продуктів повинні відповідати певним специфікаціям або реагувати певним чином при впливі певного стимулу. Цифровий осцилограф може надати велику допомогу в тестуванні ключових характеристик сигналу або документуванні реакції продукту на певний стимул. Усі цифрові осцилографи вимірюють параметри сигналу - деякі виконують більше вимірів і складніші виміри, ніж інші. На рисунках 4, 6 та 7 показані деякі основні вимірювання параметрів від піку до піку та максимального відхилення сигналу. Осцилографи можуть вимірювати час наростання сигналу, час спаду, викид, ширину імпульсу, інтервал між двома фронтами сигналу, час між фронтом одного сигналу і надходженням фронту іншого сигналу і безліч інших параметрів. Іноді користувач просто хоче, щоб осцилограф вимірював параметри для збору даних, які відображаються на екрані. Але в інших випадках необхідно протестувати роботу пристрою протягом багатьох ітерацій, щоб довести, що параметри, що цікавлять, завжди знаходяться в межах специфікації.

На рисунку 8 на верхньому графіку показано форму сигналу напруги від акселерометра. Нижня траса - це "перемасштабована" форма сигналу з використанням фізичних одиниць (гравітації). Цей приклад застосуємо однаково до будь-якого типу датчика, котрому інженери хочуть протестувати певні ключові характеристики сигналу. У цьому конкретному прикладі осцилограф отримав 238 захватів форми сигналу (параметр "num" біля нижньої частини - це кількість захватів)

Рисунок 8: Верхня траса – це сигнал напруги датчика. Нижче перемасштабована траса з використанням фізичних одиниць. Параметри "mean", "sdev" і "pkpk" обчислюються на перемасштабованій трасі. Статистика параметрів є результатом 238 захватів сигналу. Зелені фігури під статистикою показують форму розподілу вимірювань параметрів

Для кожного збору даних осцилограф обчислює середнє значення, стандартне відхилення (середньоквадратичне відхилення від середнього значення) та пік-пік вихідного сигналу датчика. «Значення» у верхній частині таблиці — це значення параметра для останнього збору даних на екрані. Інші статистичні параметри ґрунтуються на всіх 238 зборах даних. Зелені фігури в нижній частині екрана – це «гістикони» – значки, які показують мініатюрні види розподілу кожного параметра. «Середнє», P1, і пік-пік, P3, параметри мають розподіл, подібний до гаусовського (гауссово, але не істинно гауссово, оскільки фізичні вимірювання не простягаються до нескінченності). Параметр sdev, P2, є розподілом Релея. Якщо ви тестуєте датчик або виконавчий пристрій, щоб навантажити його найгіршими умовами, параметри статистичної інформації дуже корисні. Зокрема, «макс» та «мін» покажуть екстремальні значення найгіршого випадку продуктивності датчика для набору тестів – стільки, скільки ви хочете провести. "Макс" і "мін" також покажуть, чи є якісь переривчасті дуже високі або дуже низькі свідчення через випадання або інші рідкісні явища. Форма гістограми також дуже корисна. У більшості випадків очікувана форма розподілу параметра відома - наприклад, центральне значення з деяким шумом зазвичай призводить до форми, схожої на гаусову. Якщо осцилограф показує якусь несподівану форму розподілу значень параметра, це часто дуже хороша підказка для використання при усуненні несправностей. Ви можете побачити форми гістограми, які вказують на деяку синусоїдальну модуляцію або, можливо, наявність двох конкуруючих процесів (два піки на гістограмі, де очікувався тільки один) або інші типи несподіваних явищ. Не всі осцилографи пропонують можливість використовувати статистику параметрів чи гістограми.
На малюнку 9 показано меню налаштування для вибору того, які параметри слід обчислювати і чи відображати статистику параметрів і гістограми.

Рисунок 9: Метод налаштування вимірювання параметрів, показаний на рисунку 8. Користувач може вибрати шість параметрів для вимірювання. Статистику та Histicons можна "відзначити", щоб вони відображалися

Статистику параметрів та гістограми можна легко увімкнути, встановивши прапорець.

Розширена математика - фільтрація сигналів для отримання більш високої точності

Багато типів датчиків змінюють свої вихідні значення зі швидкістю набагато повільнішою, ніж частота дискретизації сучасних цифрових осцилографів. У таких випадках передискретизація може використовуватися для отримання більш точного вимірювання значення датчика. Як крайній приклад, якщо вихід датчика є постійним струмом, для вимірювання напруги потрібно лише один відлік. Більше одного відліку — це передискретизація. АЦП осцилографа мають цілі кроки. Для восьмибітного осцилографа існує 256 можливих вихідних кодів АЦП. Можливо, гіпотетична постійна напруга від датчика відповідає 100,5 відлікам АЦП. Оскільки немає половинних відліків АЦП, один відлік становитиме 100 чи 101 відлік. Фактично навіть якщо на рівні постійного струму сигналу датчика немає шуму, шум від вхідного підсилювача осцилографа може підняти показання до 99 або 102 відліків.

Якщо осцилограф налаштований на захоплення 100 вибірок постійної напруги, середнє значення, ймовірно, буде близько 100,5. Додаткові відліки використовуються для «усереднення» шуму, а також для кращої вертикальної роздільної здатності.

На малюнку 10 показаний приклад використання покращеної роздільної здатності (ERES) для додавання 2,5 біт дозволу при захопленні сигналу датчика.

Рисунок 10: Покращена роздільна здатність використовується для зниження шуму та збільшення вертикальної роздільної здатності. Зверніть увагу, що в червоному полі встановлено фільтр шуму ERES, який збільшує роздільну здатність на 2,5 біта, але компромісом є зменшення смуги пропускання. Нижня траса – це сигнал, захоплений за повної смуги пропускання. Верхня траса (яка має значно менше шуму) — це вид ERES

ERES - це лінійний фільтр з кінцевою імпульсною характеристикою (КІХ). Якщо користувач осцилографа хоче виміряти деяку властивість сигналу датчика, що повільно змінюється, і хоче зменшити шум у сигналі датчика (а також зменшити шум вхідного каскаду осцилографа), покращена роздільна здатність — корисний інструмент. Але користувач повинен пам'ятати, що він, ймовірно, виключив деяку частину реального сигналу - вміст сигналу, який знаходиться вище за смугу пропускання фільтра ERES.

Вибір правильного осцилографа

Попереднє обговорення показує кілька типів уявлень, вимірювань та аналізу, які можуть бути виконані цифровими осцилографами. Більшість інженерів мають кілька осцилографів у своїх лабораторіях, і ще більше їх можна купити у постачальників осцилографів. Різні прилади мають різні можливості для захоплення сигналів, їх перегляду, проведення вимірювань та створення документів, таких як процедури випробування або звіти про хід розробки. Щоб вибрати осцилограф, який добре відповідає потребам програми, необхідно звернути увагу на декілька основних властивостей приладу. Спочатку подумайте, що ви хочете виміряти. Можливо, вимірювання не потрібні – вам просто потрібно переглянути сигнал. Або, можливо, потрібно лише кілька основних вимірів. Але якщо вам потрібно охарактеризувати властивості пристрою або усунути неполадки в якійсь уривчастій поведінці, яка викликає дивну продуктивність сигналу, то вам може знадобитися осцилограф з більшими можливостями вимірювання. Наприклад, лінійка осцилографів WaveAce від LeCroy пропонує базовий вибір із 32 вимірювань параметрів. Він може виконувати базові математичні операції із сигналами, такими як +, -, x, / та FFT. У тому ж ціновому діапазоні, як і осцилографи WaveAce, є осцилографи інших компаній, що пропонують від 11 до 23 вимірювань параметрів, що може бути цілком прийнятним для деяких додатків. Але якщо вам потрібно виміряти час від фронту 1 сигналу до фронту 2 сигналу (на двох різних каналах осцилографа), ви можете побажати, щоб у вас був WaveAce. З іншого боку, якщо ви хочете мати можливість переглядати форму гістикон розподілу значення параметра або виконувати складні математичні операції, такі як інтегрування, на WaveAce це неможливо. Вам знадобиться WaveSurfer. WaveSurfer призначений для програм, де буде виконуватися більше типів вимірювань та усунення несправностей. На додаток до типових параметрів осцилографа та математики, WaveSurfer має опції для декодування послідовних потоків даних (USB, RS232, I2C тощо) та додавання до 36 цифрових каналів для роботи зі змішаними сигналами.

Як тільки ви дізнаєтеся, що осцилограф може вимірювати те, що вам потрібно виміряти, наступним кроком буде вибір моделі, яка може точно захоплювати сигнал, що цікавить. Це означає, що передня частина осцилографа повинна мати досить швидкий підсилювач (і, можливо, зонди), щоб відстежувати форму сигналу, досить високу частоту дискретизації та велику пам'ять. Смуга пропускання підсилювача є найпоширенішим способом оцінки осцилографів. Зазвичай лінійка осцилографів пропонує кілька варіантів смуги пропускання, тому якщо ви знайшли прилад, який виконує всі необхідні вам вимірювання, ви можете вибрати один з декількох варіантів смуги пропускання. Наприклад, серія WaveAce має вибір від 40 МГц до 300 МГц, а WaveSurfer охоплює діапазон від 200 МГц до 1 ГГц. Осцилограф із смугою пропускання 400 МГц може точніше відстежувати форму швидких фронтів, ніж осцилограф із смугою пропускання 40 МГц. Загалом, для проведення вимірювань з розумною точністю вам хотілося б, щоб час наростання вашого осцилографа (який тісно пов'язаний з його смугою пропускання) було істотно швидше, ніж час наростання сигналів, які захоплюються. Для осцилографів зі смугою пропускання 1 ГГц і нижче цілком розумно припустити, що смуга пропускання осцилографа та час наростання пов'язані рівнянням BW x TR = 0,35. Осцилограф із смугою пропускання 1 ГГц матиме час наростання близько 0,35 наносекунд. Осцилограф зі смугою пропускання 100 МГц буде мати час наростання приблизно в 10 разів більше; близько 3,5 нс. Існує безліч способів визначити, наскільки швидкою має бути частота дискретизації АЦП. Більшість постачальників поміщають АЦП в осцилограф, який має досить високу частоту дискретизації смуги пропускання підсилювачів у цьому приладі. Якщо максимальна частота дискретизації АЦП в 10 разів перевищує смугу пропускання осцилографа, цього більш ніж достатньо. Наприклад, максимальна частота дискретизації 1 Гвиб/с осцилографа 100 МГц. Нарешті, осцилограф повинен мати достатньо пам'яті для роботи з максимальною частотою дискретизації протягом часу, що дорівнює тривалості вашого найдовшого сигналу. Якщо осцилограф може захоплювати сигнал зі швидкістю 1 Гвиб/с, йому знадобиться 1 Мт пам'яті для захоплення сигналу тривалістю 1 мс при використанні максимальної частоти дискретизації. Якщо довжина пам'яті занадто коротка, то АЦП все одно захопить сигнал тривалістю 1 мс, але зробить це, уповільнивши частоту дискретизації, щоб вибірки АЦП розтягнулися більш тривалий час.

Можна сказати набагато більше про вибір осцилографа. Зрештою, можливо, найпростіший спосіб купити осцилограф - це зателефонувати продавцю, розповісти йому про типи сигналів, які ви хочете захопити, типи вимірювань, які вам потрібно зробити, і отримати хорошу пораду від експерта.

Магазин Gtest® – офіційний представник Lilliput Technologies (OWON™) в Україні. Сторінка сайту з номенклатурою осцилографів: https://gtest.com.ua/uk/vimiryuvalni-priladi/oscilografi