Информация
Поиск

Цифровые осциллографы

07.02.2022

Существует большое количество приборов, служащих для измерения характеристик тока. Однако есть лишь единственный прибор, с помощью которого можно посмотреть форму и амплитуду электрического сигнала. Это — осциллограф.

Основные функции осциллографа — наблюдение формы и амплитуды сигнала в реальном времени или с небольшой задержкой, измерение характеристик тока в любой момент наблюдения, сравнение сдвига фаз и даже сохранение осциллограмм (для цифровых приборов), определение соотношения сигнала к шуму.

Осциллографы используются для тестирования и поиска неисправностей электронных компонентов (в том числе, автомобильных систем — бортового компьютера, датчиков) или для проверки телевизионного сигнала (например, кадровой и строчной развёрток). Они применяются в промышленности при производстве электронных устройств, сервисными мастерскими для выполнения ремонтов. По форме сигнала можно определить процессы, которые происходят в электрической цепи. Это необходимо для проверки работоспособности как отдельных компонентов, так и печатной платы.


Каких типов бывают осциллографы?

Приборы для наблюдения за формой сигнала представлены огромным разнообразием как по принципу работы, так и по форме корпуса. Кроме того, различаются по функциональности и могут включать функции других контрольно-измерительных приборов.

Прежде всего, осциллографы различаются принципом работы. В зависимости от метода обработки сигнала они делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые осциллографы постепенно вытесняются современными цифровыми моделями, однако их ещё продолжают выпускать. В основе аналоговых осциллографов лежат делитель входного сигнала, схема синхронизации и отклонения горизонтальной плоскости, блок питания и электронно-лучевая трубка в роли экрана. Преимущество таких приборов — визуализация электрического сигнала в реальном времени (при этом амплитуда отображается с минимумом искажений) и высокое разрешение. Правда, недостатки тоже имеются. Например, низкая точность, склонность к мерцанию экрана, низкий предел частоты (10 МГц). К тому же, приборы такого типа, как правило, более громоздкие и тяжёлые в сравнении с цифровыми.

Цифровые осциллографы нынче являются наиболее многочисленной категорией. Конструкция таких устройств состоит из делителя входного сигнала, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, блока питания, дисплея, запоминающего устройства. В качестве экрана используется жидкокристаллический дисплей (часто — разноцветный). Отличительной особенностью данных приборов является цифровая обработка сигналов. Из-за этого происходит буферизация и, соответственно, небольшая задержка. Впрочем, отставание от реального времени компенсируется различными методами обработки данных. К сожалению, большинство аналого-цифровых преобразователей нельзя назвать быстродействующими. К другим недостаткам относят возможное игнорирование высокочастотных импульсных помех, которые можно было бы наблюдать при исследовании на аналоговом осциллографе, а также способность отображать несуществующие сигналы. Однако при всех недостатках цифровые устройства имеют преимущества: высокую точность, возможность исследования сигнала до момента запуска, масштабирование осциллограммы (экранная лупа) и возможность нанесения меток, сохранение осциллограмм, а также возможность подключения к компьютеру или ноутбуку для сохранения и/или управления наблюдениями.

Помимо аналогово и цифрового типов некоторые обозреватели выделяют ещё и переходной вариант — аналого-цифровой. Такие приборы имеют два подвида: первый ближе к аналоговым и содержит цифровой преобразователь для измерения характеристик тока; второй ближе к цифровым осциллографам, поскольку использует аналого-цифровой преобразователь для обработки данных, но экран — электронно-лучевая трубка.


Разновидности цифровых осциллографов

В наше время наиболее распространены цифровые осциллографы. По многообразию исполнения они превосходят аналоговые, поэтому эти приборы тоже можно классифицировать. К основным отличающимся параметрам относят тип обработки данных и форму прибора.

В зависимости от особенностей обработки осциллографы цифрового типа делятся на несколько подвидов: запоминающий, стробоскопические, фосфорный (люминофорный).

Запоминающие осциллографы (DSO) используют быстродействующие аналого-цифровые преобразователи, с помощью которых возможна выборка в реальном времени. При этом они позволяют быстро сохранять данные. Однако они обладают периодической выборкой. Дело в том, что после запуска сигнал обрабатывается и перемещается в память устройства. Потом, через короткий промежуток времени, обработка сигнала останавливается и снова запускается. Из-за этого такие приборы подходят для наблюдения и исследования периодически повторяющихся сигналов, форма которых не меняется. Для поиска аномалий может потребоваться много времени.

Стробоскопические осциллографы (DSaO) предоставляют форму сигнала путём упорядоченной и случайной выборке мгновенных значений повторяющихся сигналов. Поскольку измерения производятся короткими стробоскопическими импульсами данный подвид назвали стробоскопическим. Преимущество этих устройств состоит в широкой полосе пропускания и высокой чувствительности.

Фосфорные, или люминофорные, осциллографы (DPO) являются наиболее технологичными и совершенными осциллографами. При этом они считаются самыми дорогими. Приборы фосфорного типа применяют параллельную обработку. Характеризуются высокой плотностью выборки. Если в аналоговых осциллографах используется физические свойства люминофора, в цифровых фосфорных осциллографах используют технологию электронного люминофора, которая является непрерывной обрабатывающей схемой. Приборы данного типа могут отображать сигнал по оси Z. Таким образом, возможно отображение в трёх плоскостях в реальном времени. При желании, эффект люминофора можно отключить. Преимущество фосфорных осциллографов в том, что они могут отследить аномалию на осциллограмме.

Цифровые осциллографы выпускаются в разных исполнениях, отличаясь размерами, внешним видом и способом ввода данных. По исполнению можно выделить три группы: настольные, портативные (ручные) и виртуальные. Эти разновидности, в свою очередь, можно разделить на подвиды.


Настольные осциллографы

Приборы, предназначенные для стационарного применения путём установки на стол, при проведении наблюдения за формой электрического сигнала, относят к настольному исполнению. Для размещения на поверхности стола под корпусом таких осциллографов имеются фиксированные или складные ножки (в таком случае прибор устанавливается не прямо, а под углом). Некоторые модели снабжаются рукой, расположенной сверху или снизу, с помощью которой осциллограф удобно переносить.

    Современные настольные цифровые осциллографы различаются по форме. Они выпускаются в четырёх форматах:
  • вертикальный лабораторный — «классический» блочный корпус с вертикальной лицевой панелью, внешне напоминающий системный блок компьютера;
  • горизонтальный лабораторный — блочный прибор с широкой горизонтальной лицевой панелью;
  • компактный — блочный прибор с широкой горизонтальной лицевой панелью с тонким корпусом;
  • планшетный — компактный, с горизонтальной лицевой панелью, внешне похож на толстый планшет, устанавливается на стол при помощи подставки, а не ножек.

Также существуют и другие настольные формы. Например, миниатюрные (в корпусе и без корпуса). Такие приборы выглядят как печатная плата с небольшим дисплеем. Некоторые из таких моделей предназначены для самостоятельной сборки.


Портативные (ручные) осциллографы

Портативные осциллографы являются ручными приборами. В процессе работы их можно держать в руке. Хотя их также можно устанавливать на стол с помощью подставки, размещённой на тыльной стороне. Вторая отличительная особенность — питание от батареек или встроенного/сменного аккумулятора. Благодаря компактности, малому весу и автономности данная форма подходит для полевых работ. Например, для диагностики электронных систем автомобильных двигателей. Некоторые модели специализируются именно на этом виде исследований. Большинство ручных осциллографов имеют функции мультиметра (могут измерять постоянное и переменное напряжение, постоянный и переменный ток, сопротивление, ёмкость). Кроме того, могут оснащаться и другими функциями. Например, измерением мощности и гармоник, а также генератором сигнала, анализатором и самописцем.

При различающемся функционале ручные осциллографы могут иметь несколько вариантов конструкции. Например, может присутствовать боковая ручка для переноски или несъёмные измерительные шнуры со щупами.

    Внешне ручные осциллографы похожи на мультиметр и по форме не сильно отличаются друг от друга. Разве что, бывают вытянутой (прямоугольной) и квадратной формы. Но всё же можно выделить два подвида. Их отличия состоят в панели управления:
  • мультиметры-осциллографы — комбинированные приборы (сочетают функции мультиметра и осциллографа), переключение функций осуществляется при помощи кругового переключателя;
  • кнопочные (осциллографы-мультиметры или автомобильные осциллографы) — комбинированные приборы (сочетают функции осциллографа и автоматического мультиметра) или приборы с функцией анализатора, имеют кнопочное управление;
  • сенсорные — прямоугольные устройства с сенсорным дисплеем.

Виртуальные (USB) осциллографы

Это особая разновидность осциллографов, которая появилась недавно. Главные отличия от приборов других типов — отсутствие панели управления и дисплея на корпусе. Из-за этого, такие осциллографы предназначены для внешнего управления и отображения формы сигнала с помощью ПК, ноутбука или даже смартфона. Более того — такие устройства полностью или частично используют вычислительные способности компьютерной техники. Из-за перечисленных особенностей такие осциллографы называют виртуальными или осциллографами-приставками. Второе название, USB-осциллографы, получили из-за подключения к компьютерной технике по USB кабелю, которое является наиболее распространённым (хотя также они могут оснащаться и другими каналами связи, в том числе, беспроводными). Отсутствие дисплея, органов управления и минимальная обработка полученных данных позволили сэкономить на компонентах, в следствии чего эти осциллографы можно считать самыми доступными среди всех осциллографов.

USB-осциллографы различаются по способу обработки данных и по конструкции.

По методу обработки данных виртуальные осциллографы делятся на микропроцессорные и основанные на ПЛИС (программируемой логической интегральной схеме).

Устройства первой разновидности наиболее простые, поскольку такие приборы осуществляют лишь приём и минимальную аналоговую обработку, а сам процесс анализа производится на компьютерной технике. Данный подвид USB-осциллографов обладает наименьшей стоимостью. При этом они наименее продуктивные, поскольку из-за внешней обработки происходит задержка отображения, а некоторые важные параметры могут быть упущены из-за недостаточной пропускной способности кабеля.

Второй подвид основан на технологиях FPGA (программируемая пользователем вентильная матрица) или CPLD (ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема). Эта разновидность наиболее совершенна и более продуктивна, поскольку значительная часть обработки сигнала осуществляется самим осциллографом. В придачу, такие приборы имеют внутреннее хранилище данных.

    Форма представлена двумя разновидностями:
  • блок — простой корпус (преимущественно, плоский);
  • ручка — пробник с встроенным иголкой-щупом, исключительно одноканальный, может иметь кнопку запуска или даже регулятор.


Характеристики цифровых осциллографов

Кроме конструкции (исполнения), внешнего вида, особенностей обработки, цифровые осциллографы отличаются между собой параметрами. Основными характеристиками являются полоса пропускания, количество каналов, скорость выборки (сэмплирования), объём памяти, тип комплектных пробников. Некоторые параметры имеются только у приборов определённого типа. Например, совместимость с операционной системой ПК или смартфона для виртуальных осциллографов, или разрешение дисплея — для приборов остальных типов.

Полоса пропускания означает диапазон частот, в пределах которого будет отображаться форма сигнала. Проще говоря, это видимая часть диапазона. Поэтому необходимо выбирать осциллограф, полоса пропускания которого будет в три раза, а ещё лучше, если она будет в пять раз превышать частоту исследуемого сигнала.

Условно можно выделить две категории — начального уровня, с полосой пропускания до 100-200 МГЦ, и профессионального уровня, имеющие полосу пропускания в 500 МГц или 1 ГГц.

Количество каналов указывает на возможное количество исследуемых сигналов. Это может понадобиться для сравнения нескольких сигналов. Наиболее распространённые — 2-х и 4-х канальные осциллографы. Реже встречаются приборы с большим количеством (до 16-ти). Чем больше каналов, тем большее количество сигналов можно сравнить. Однако с возрастанием количества увеличивается стоимость прибора. Кроме этого, имеет значение изоляция каналов: она бывает общей (у недорогих приборов) и раздельной.

Скорость выборки (частота дискретизации) влияет на качество исследований и на вероятность обнаружения редкий событий (импульсная помеха, скачок напряжения). Характеризуется количеством измерений в секунду. Чем больше частота дискретизации, тем большее количество деталей может захватить осциллограф. Однако при этом быстрее заполняется память.

Объём или глубина/длина памяти определяет возможности хранения осциллограмм. Определяется количеством кадров или количеством отсчётов (точек). Для качественного исследования необходимо, чтоб осциллограф имел 1М (миллион) сэмплов выборки. Этот параметр связан с частотой дискретизации, поэтому при нехватке памяти осциллограф снизит частоту.

Пробники (щупы) являются рабочим инструментом, который снимает показания. Поэтому нужно, чтоб полоса пропускания пробника соответствовала полосе пропускания осциллографа. При этом сам пробник не должен создавать дополнительную нагрузку.

Кроме перечисленных характеристик имеют значение вертикальное разрешение, типы запуска, наличие дополнительных функций.