Цифрові осцилографи

Існує велика кількість приладів, що служать для вимірювання характеристик струму. Однак є лише єдиний прилад, за допомогою якого можна переглянути форму та амплітуду електричного сигналу. Це — осцилограф.

Основні функції осцилографа — спостереження форми та амплітуди сигналу в реальному часі або з невеликою затримкою, вимірювання характеристик струму в будь-який момент спостереження, порівняння зсуву фаз і навіть збереження осцилограм (для цифрових приладів), співвідношення сигналу до шуму.

Осцилографи використовуються для тестування та пошуку несправностей електронних компонентів (у тому числі автомобільних систем — бортового комп'ютера, датчиків) або для перевірки телевізійного сигналу (наприклад, кадрової та рядкової розгорток). Вони застосовуються у промисловості під час виробництва електронних пристроїв, сервісними майстернями для виконання ремонтів. За формою сигналу можна визначити процеси, що відбуваються в електричному ланцюзі. Це необхідно для перевірки працездатності як окремих компонентів, так і друкованої плати.

Яких типів бувають осцилографи?

Прилади для спостереження за формою сигналу представлені величезною різноманітністю як за принципом роботи, так і формою корпусу. Крім того, розрізняються за функціональністю та можуть включати функції інших контрольно-вимірювальних приладів.

Насамперед, осцилографи відрізняються принципом роботи. Залежно від методу обробки сигналу вони поділяються на аналогові та цифрові.

Аналогові осцилографи поступово витісняються сучасними цифровими моделями, проте їх ще випускають. В основі аналогових осцилографів лежать дільник вхідного сигналу, схема синхронізації та відхилення горизонтальної площини, блок живлення та електронно-променева трубка в ролі екрана. Перевага таких приладів — візуалізація електричного сигналу в реальному часі (при цьому амплітуда відображається з мінімумом спотворень) та висока роздільна здатність. Щоправда, недоліки також є. Наприклад, низька точність, схильність до мерехтіння екрана, низька межа частоти (10 МГц). До того ж, прилади такого типу, к правило, більш громіздкі і важкі, ніж цифрові.

Цифрові осцилографи нині є найчисленнішою категорією. Конструкція таких пристроїв складається з дільника вхідного сигналу, підсилювача, аналого-цифрового перетворювача, блока живлення, дисплея пристрою. Як екран використовується рідкокристалічний дисплей (часто — різнокольоровий). Відмінною особливістю даних приладів є цифрове оброблення сигналів. Через це відбувається буферизація та, відповідно, невелика затримка. Втім, відставання від реального часу компенсується різними методами обробки даних. На жаль, більшість аналого-цифрових перетворювачів не можна назвати швидкодіючими. До інших недоліків відносять можливе ігнорування високочастотних імпульсних завад, які можна спостерігати при дослідженні на аналоговому осцилографі, а також здатність відображати неіснуючі сигнали. Однак при всіх недоліках цифрові пристрої мають переваги: високу точність, можливість дослідження сигналу до моменту запуску, масштабування осцилограми (екранна лупа) і можливість нанесення міток, збереження осцилограм, а також можливість підключення до комп'ютера або ноутбука для збереження та управління спостереженнями.

Крім аналогового та цифрового типів деякі оглядачі виділяють ще й перехідний варіант – аналого-цифровий. Такі прилади мають два підвиди: перший ближчий до аналогових і містить цифровий перетворювач для вимірювання характеристик струму; другий ближче до цифрових осцилографів, оскільки використовує аналого-цифровий перетворювач для обробки даних, але екран — електронно-променева трубка.

Різновиди цифрових осцилографів

Нині найбільш поширені цифрові осцилографи. За різноманіттям виконання вони перевершують аналогові, тому ці прилади також можна класифікувати. До основних параметрів, якими відрізняються, відносять тип обробки даних і форму приладу.

Залежно від особливостей обробки осцилографи цифрового типу діляться на кілька підвидів: запам'ятовуючий, стробоскопічний, фосфорний (люмінофорний).

Осцилографи (DSO), що запам'ятовують, використовують швидкодіючі аналого-цифрові перетворювачі, за допомогою яких можлива вибірка в реальному часі. При цьому вони дають змогу швидко зберігати дані. Однак вони мають періодичну вибірку. Річ у тім, що після запуску сигнал обробляється та переміщується у пам'ять пристрою. Потім через короткий проміжок часу обробка сигналу зупиняється і знову запускається. Через це такі прилади підходять для спостереження та дослідження сигналів, що періодично повторюються, форма яких не змінюється. Для пошуку аномалій може знадобитися багато часу.

Стробоскопічні осцилографи (DSaO) надають форму сигналу шляхом упорядкованої і випадкової вибірки миттєвих значень сигналів, що повторюються. Оскільки вимірювання виконуються короткими стробоскопічними імпульсами, цей підвид назвали стробоскопічним. Перевага цих пристроїв полягає у широкій смузі пропускання та високій чутливості.

Фосфорні, або люмінофорні, осцилографи (DPO) є найбільш технологічними та досконалими осцилографами. При цьому вони вважаються найдорожчими. Прилади фосфорного типу застосовують паралельну обробку. Характеризуються високою щільністю вибірки. Якщо в аналогових осцилографах використовуються фізичні властивості люмінофора, в цифрових фосфорних осцилографах використовують технологію електронного люмінофора, яка є безперервною схемою, що обробляється. Прилади цього типу можуть відображати сигнал по осі Z. Таким чином, можливе відображення у трьох площинах в реальному часі. При бажанні, ефект люмінофору можна вимкнути. Перевага фосфорних осцилографів у тому, що вони можуть відстежити аномалію на осцилограмі.

Цифрові осцилографи випускаються в різних виконаннях, відрізняючись розмірами, зовнішнім виглядом та способом введення даних. За виконанням можна виділити три групи: настільні, портативні (ручні) та віртуальні. Ці різновиди, в свою чергу, можна розділити на підвиди.

Настільні осцилографи

Прилади, призначені для стаціонарного застосування шляхом встановлення на стіл під час проведення спостереження форми електричного сигналу, відносять до настільного виконання. Для розміщення на поверхні столу під корпусом таких осцилографів є фіксовані або складні ніжки (в такому випадку прилад встановлюється не прямо, а під кутом). Деякі моделі постачаються рукою, розташованою зверху або знизу, за допомогою якої осцилограф зручно переносити.

Сучасні настільні цифрові осцилографи різняться формою. Вони випускаються у чотирьох форматах:
• вертикальний лабораторний — «класичний» блоковий корпус з вертикальною лицьовою панеллю, що зовні нагадує системний блок комп'ютера;
• горизонтальний лабораторний — блоковий прилад із широкою горизонтальною лицьовою панеллю;
• компактний — блоковий прилад із широкою горизонтальною лицьовою панеллю з тонким корпусом;
• планшетний — компактний, з горизонтальною лицьовою панеллю, зовні схожий на товстий планшет, встановлюється на стіл за допомогою підставки, а не ніжок.

Також є й інші настільні форми. Наприклад, мініатюрні (у корпусі та без корпусу). Такі прилади мають вигляд друкованої плати з невеликим дисплеєм. Деякі з таких моделей призначені для самостійного складання.

Портативні (ручні) осцилографи

Портативні осцилографи є ручними приладами. У процесі роботи їх можна тримати в руці. Хоча їх також можна встановлювати на стіл за допомогою підставки, розташованої на тильній стороні. Друга відмінна риса — живлення від батарейок або вбудованого/змінного акумулятора. Завдяки компактності, малій вазі та автономності ця форма підходить для польових робіт. Наприклад для діагностики електронних систем автомобільних двигунів. Деякі моделі спеціалізуються саме на цьому виді досліджень. Більшість ручних осцилографів даного типу мають функції мультиметра (можуть вимірювати постійну та змінну напругу, постійний та змінний струм, опір, ємність). Крім того, можуть оснащуватися й іншими функціями. Наприклад, вимірюванням потужності та гармонік, а також генератором сигналів, аналізатором і самописцем.

При функціоналі, що відрізняється, ручні осцилографи можуть мати кілька варіантів конструкції. Наприклад, може бути присутня бічна ручка для перенесення або незнімні вимірювальні шнури зі щупами.

Зовні ручні осцилографи схожі на мультиметр і формою не сильно відрізняються один від одного. Хіба що бувають витягнутої (прямокутної) та квадратної форми. Але все ж таки можна виділити два підвиди. Їх відмінності полягають в панелі керування:
• мультиметри-осцилографи — комбіновані прилади (поєднують функції мультиметра та осцилографа), перемикання функцій здійснюється за допомогою кругового перемикача;
• кнопкові (осцилографи-мультиметри або автомобільні осцилографи) — комбіновані прилади (поєднують функції осцилографа та автоматичного мультиметра) або прилади з функцією аналізатора, мають кнопкове керування;
• сенсорні — прямокутні прилади з сенсорним дисплеєм.
• 
  

Віртуальні (USB) осцилографи

Це особливий різновид осцилографів, який з'явилися нещодавно. Головні відмінності від інших типів приладів — відсутність панелі управління і дисплея на корпусі. Через це такі осцилографи призначені для зовнішнього керування та відображення форми сигналу за допомогою ПК, ноутбука або навіть смартфона. Більше того, такі пристрої повністю або частково використовують обчислювальні здібності комп'ютерної техніки. Через перераховані особливості такі осцилографи називають віртуальними або осцилографами-приставками. Другу назву, USB-осцилографи, отримали через підключення до комп'ютерної техніки USB кабелю, яке є найбільш поширеним (хоча також вони можуть оснащуватися і іншими каналами зв'язку, в тому числі, бездротовими). Відсутність дисплея, органів управління та мінімальна обробка отриманих даних дозволили заощадити на компонентах, внаслідок чого ці осцилографи можна вважати найдоступнішими серед усіх осцилографів.

USB-осцилографи розрізняються за способом обробки даних і за конструкцією.

За методом обробки даних віртуальні осцилографи діляться на мікропроцесорні та засновані на ПЛІС (програмованій логічній інтегральній схемі).

Пристрої першого різновиду найбільш прості, оскільки такі прилади здійснюють лише прийом та мінімальну аналогову обробку, а сам процес аналізу проводиться на комп'ютерній техніці. Цей підвид USB-осцилографів має найменшу вартість. При цьому вони найменш продуктивні, оскільки через зовнішню обробку відбувається затримка відображення, а деякі важливі параметри можуть бути втрачені через недостатню пропускну здатність кабелю.

Другий підвид заснований на технологіях FPGA (програмована користувачем вентильна матриця) або CPLD (програмована логічна інтегральна схема). Цей різновид найбільш досконалий і продуктивніший, оскільки значна частина обробки сигналу здійснюється самим осцилографом. На додачу такі прилади мають внутрішнє сховище даних.

Форма представлена двома різновидами:
• блок — простий корпус (переважно, плоский);
• ручка — пробник з вбудованою голкою-щупом, виключно одноканальний, може мати кнопку запуску або навіть регулятор.

Характеристики цифрових осцилографів

Крім конструкції (виконання), зовнішнього вигляду, особливостей обробки, цифрові осцилографи відрізняються між собою параметрами. Основними характеристиками є смуга пропускання, кількість каналів, швидкість вибірки (семплювання), обсяг пам'яті, тип комплектних пробників. Деякі параметри доступні лише у приладів певного типу. Наприклад, сумісність з операційною системою ПК або смартфона для віртуальних осцилографів, або роздільна здатність дисплея — для інших типів приладів.

Смуга пропускання означає діапазон частот, у межах якого відображатиметься форма сигналу. Простіше кажучи, це видима частина діапазону. Тому необхідно вибирати осцилограф, смуга пропускання якого буде втричі, а ще краще, якщо вона вп'ятеро перевищуватиме частоту досліджуваного сигналу.

Умовно можна виділити дві категорії — початкового рівня, зі смугою пропускання до 100-200 МГЦ, та професійного рівня, що мають смугу пропускання 500 МГц або 1 ГГц.

Кількість каналів свідчить про можливу кількість досліджуваних сигналів. Це може знадобитися для порівняння декількох сигналів. Найбільш поширені — 2-х і 4-х канальні осцилографи. Рідше трапляються прилади з великою кількістю (до 16-ти). Чим більше каналів, тим більше сигналів можна порівняти. Однак із зростанням кількості збільшується вартість приладу. Крім цього, має значення ізоляція каналів: вона буває загальною (у недорогих приладів) та роздільною.

Швидкість вибірки (частота дискретизації) впливає на якість досліджень і на ймовірність виявлення рідкісних подій (імпульсна завада, стрибок напруги). Характеризується кількістю вимірювань за секунду. Чим більша частота дискретизації, тим більше деталей може захопити осцилограф. Однак при цьому швидше заповнюється пам'ять.

Об'єм або глибина/довжина пам'яті визначає можливості зберігання осцилограм. Визначається кількістю кадрів чи кількістю відрахунків (точок). Для якісного дослідження потрібно, щоб осцилограф мав 1М (мільйон) семплів вибірки. Цей параметр пов'язаний із частотою дискретизації, тому при нестачі пам'яті осцилограф зменшить частоту.

Пробники (щупи) є робочим інструментом, який знімає свідчення. Тому необхідно, щоб смуга пропускання пробника відповідала смузі пропускання осцилографа. При цьому сам пробник не повинен створювати додаткове навантаження.

Крім перерахованих характеристик мають значення вертикальна роздільна здатність, типи запуску, наявність додаткових функцій.