Что такое цифровой осциллограф и как им пользоваться

Цифровой запоминающий осциллограф – прибор для измерения электрических сигналов. Благодаря определению формы и параметров колебаний удается мониторить корректность работы электронной части техники. Кроме измерения прибор записывает показания. Полученные данные можно анализировать в любое время

Применение цифровых осциллографов мультиметров

Приборы используются в мастерских по ремонту электронного оборудования. Они применяются для проектирования цифровых схем, которыми оснащаются все современные устройства. Используются в:

Электронике. С помощью появляющегося на экране изображения анализируется сигнал работающего элемента. Благодаря этому удается определить рабочую частоту, правильно выбрать детали, настроить корректную работу.

Ремонте бытовой техники. Применение этого прибора – один из способов выявить неисправность. Замеры сигнала в разных частях электронной начинки позволяют точно определить вышедший из строя электронный компонент.

Ремонте цифрового авто-оборудования. Операции по диагностике автомобилей производятся цифровыми планшетными осциллографами. Эти приборы компактны, что обеспечивает проверку даже в труднодоступных местах электронных компонентов систем:

• зажигание;
• впрыск горючего;
• диодный мост генератора;
• датчик подачи воздуха;
• положение коленчатого, распределительного валов и т.д.

Практических и научно-исследовательских целях. Для этого подходит обычный мультиметр. Однако осциллограф дает более полную картину, возможность увидеть даже незначительные изменения.

Настройке электронного оборудования. Например, если необходима регулировка телевизионного сигнала, используют устройство для получения осциллографического изображения.

Как работает цифровой осциллограф

Когда прибор запущен, происходит подача сигнала на вход канала вертикального направления. Он обладает высоким входным сопротивлением. Аналогично работает вольтметр, который позволяет измерять напряжение на печатной плате, электропроводке, коннекторах, электронных компонентах. Отличие осциллографа от вольтметра заключается в демонстрации временных колебаний напряжения в виде графика.

После поступления сигнала на вход, его усиливают до определенных значений. На экране он отображается в виде вертикальной оси. Цель усиления – обеспечение работы отклоняющей системы лучевой трубки. Также это требуется для функционирования преобразователя сигнала из «аналога» в «цифру». Путем усиления сигнала удается менять (повышать или понижать) масштаб колебаний на экране.

Типы цифровых осциллографов

Цифровые аппараты популярнее, чем аналоговые. Это объясняется более высокой точностью измерений в цифровых осциллографах. Конструкция последних включает аналого-цифровой преобразователь. Его наличие позволяет превращать «аналог» в «цифру». У электронного прибора есть память для сохранения захваченной выборки

Люминофорные (DPO)

Работают по принципу имитации изменения процессов. Выводят изменения модулированных сигналов на экран, подобно аналоговым моделям. Все получаемые ими сигналы анализируются и записываются в память.

Стробоскопические

Принцип работы – метод последовательного стробирования сигнала. За счет повторяющегося сигнала происходит выборка мгновенного значения в новой точке. Плюсы аппаратов – большая полоса пропускания. С их помощью проводятся процедуры по исследованию коротких периодических сигналов.

Цифровые USB осциллографы

У них масса плюсов:

• легкое подключение к ПК;
• сохранение информации на жесткий диск, работа с ней в текстовом виде;
• быстрая конвертация данных в цифровой текстовый формат;
• удобство использования по причине компактности;
• наличие в одном приборе нескольких: осциллографа, анализатора, генератора сигналов, генератора последовательностей.

Но у устройств отмечены недостатки. Среди них погрешности. Кроме того, хуже характеристики, чем у стационарного оборудования. У многих USB-приборов нет гальванической развязки. Если не соблюдать меры предосторожности, можно вывести из строя ПК.

Цифровые портативные осциллографы

Представлены модифицированными компактными приборами небольшого размера и веса. Потребляют минимум энергии. Используются для проведения научных исследований в сфере промышленности. Подходят для поиска неисправностей машин, а также электрооборудования.

Цифровые запоминающие

Оснащены носителем, способным хранить большие объемы данных. В приборах реализована система считывания информации на высоких скоростях. Они могут воспроизводить имеющиеся события в сигнале в замедленном темпе.

Схема цифрового осциллографа

У прибора есть лучевая трубка, которая обладает чувствительностью к электрическим импульсам. Уровень чувствительности зависит от частоты импульсов – чем выше, тем чувствительнее становится трубка. В ней содержится от 1 до 16 каналов ( зависит от модели). Каждый канал способен принимать электрические импульсы. Чем больше каналов, тем больше графиков одновременно может выводиться на экран.

Особенность прибора цифрового типа - наличие экрана и преобразователя, способного конвертировать аналоговый сигнал в цифровой. Преобразователь имеет память для сохранения данных о колебаниях в виде графиков. Часть информации подвергается анализу автоматически, а затем в обработанном виде отображается на экране.

Развертка – траектория движения луча. Он выполняет функцию улавливателя колебаний, которые выводятся на экран. Развертка может принимать эллиптическую или круговую форму. Регулируется в горизонтальной оси.

Получает энергию устройство от блока питания, подключаемого к бытовой сети 220 Вольт. Есть модели на аккумуляторах – функционируют в автономном режиме.

Измерения в цифровых осциллографах

Любой аппарат рассчитан на измерение электрического напряжения, из которого затем формируется амплитудный график электрических колебаний. Отображение последних производится на экране. Сам экран изготовлен в двухмерной системе координат. На нем есть две оси – вертикальная (для напряжения) и горизонтальная (для времени). Имеется также третий компонент – яркость (интенсивность сигнала).

Если на устройство не поступают входные импульсы, на экране видна лишь горизонтальная линия. Ее еще называют «нулевой». Это свидетельствует об отсутствии напряжения. При подаче на 1 или 2 канала цифрового осциллографа (каналов может быть больше) напряжения, на экране появятся графики (их число зависит от количества каналов).

Форма графиков электрических колебаний:

• синусоида;
• затухающую синусоида;
• прямоугольник;
• меандр;
• треугольник;
• «пила»;
• импульс;
• перепад;
• комплексный сигнал.

Чтобы обеспечить стабильность графика колебаний, внутрь прибора поместили блок синхронизации. Для получения цикличного отображения колебаний следует выставить значения синхронизации. Это значение будет считаться «стартовым» - отправной точкой графика.

Каналы цифрового осциллографа - для чего нужны

Как уже отмечалось, каналы – это измерители. Если их несколько, то можно одновременно анализировать несколько поступающих сигналов. Прием сигналов производится входными аналоговыми каналами, которые затем все оцифровывают. Внутри прибора находится анализатор. Его функция – исследование коррелированных цифровых и аналоговых каналов. Работает с множеством контрольных точек. Метод упрощает операции по декодированию многоразрядных параллельных шин.

Многоканальный прибор не всегда качественно диагностирует. Рассмотрим, для решения каких задач подходит один или несколько каналов:

• Цифровой осциллограф на 4 канала или на 6 хорошо справляется с измерениями и сравнениями временных характеристик сигналов, которые поступают от аналоговых устройств.
• С помощью 8 или 16 каналов удастся произвести отладку цифровой системы, работающей по принципу параллельного экспорта данных.
• Высокочастотные измерения проводятся с помощью комбинированных устройств, у которых есть дополнительные каналы и РЧ вход.
• Работа с гальванической развязкой оптимальна с помощью изолированных каналов.
• 20 каналов – решение для синхронизации регистрации, просмотра сигналов по времени.

Как пользоваться цифровым осциллографом

Если устройство новое и им еще ни разу не пользовались, необходимо его откалибровать. Для этого используют генератор прямоугольных импульсов, который находится на корпусе. Операция выполняется путем подключения щупа к калибровочному выходу. После этого на экране появляется линия в виде зигзагов, напоминающая зубья пилы. В таком состоянии рекомендуется проверка работы всех функций.

На экране осциллографа видны небольшие клетки – это деления. Величина квадратов зависит от типа прибора. Есть устройства с делениями, равными 5 единиц. Некоторые оснащаются ручками. С их помощью меняется масштаб графика. Это обеспечивает удобство использования, позволяет проводить измерения точнее.

Перед началом применения необходимо подсоединить осциллограф к бытовой электрической сети 220 Вольт. Подключение щупа производится на один из свободных каналов (если их более 1) или генератор импульсов (в случае его наличия). После этого на дисплее появятся изображения сигналов.

Если на экране сигнал обрывистого характера, значит следует проверить надежность подключения щупа. Для стабильности соединения в приборах предусмотрены миниатюрные ванты. В некотором оборудовании также предусмотрена функция автоматического позиционирования, которая решает проблему обрывистого сигнала.

Как измерять ток

Перед измерением тока цифровым каналом осциллографа необходимо определить вид тока, который будет наблюдаться. Аппараты рассчитаны на работу в двух режимах:

• Direct Current («DC») – для наблюдения за постоянным;
• Alternating Current («АС») – для наблюдения за переменным.

Для измерения постоянного тока необходимо активировать режим «DC». Затем нужно подключить щупы к линиям питания, учитывая полярность. Черный зажим подсоединяется к минусу, а красный – к плюсу. После этого экран прибора покажет прямую линию. Значение тока — это значение вертикальной оси. Сила тока вычисляется по закону Ома. Для этого потребуется разделить напряжение на сопротивление.

Переменный ток отобразится на экране в виде синусоиды. Измерение его значения возможно лишь в определенный отрезок времени. Сила вычисляется по тому же закону Ома.

Как измерить напряжение

При процедуре измерения напряжения не обойтись без вертикальной оси координат. Необходимо анализировать высоту осциллограммы. Перед этой операцией предстоит выполнить настройку дисплея, чтобы обеспечить удобство измерения. После этого перевести прибор в режим DC. Затем подсоединить щупы к контактам цепи. На дисплее отобразится прямая линия. Ее значение – есть напряжение.

Как измерить частоту

Для начала разберем, что такое период и как он связан с частотой электрического сигнала. Под одним периодом подразумевается наименьший промежуток времени, после прохождения которого происходит повтор амплитуды.

Чтобы облегчить наблюдение за периодом, можно воспользоваться горизонтальной осью. Она отвечает за координаты времени. Достаточно увидеть, спустя какое время линейному графику свойственно повторяться. За начало периода нужно брать точки, в которых происходит соприкосновение с размещенной горизонтально осью. Концом периода будет повторение этой же координаты. Для удобства измерения периода сигнала лучше уменьшить скорость развертки. Тогда погрешность измерения сводится к минимуму.

Частотой называют значение, которое обратно пропорционально анализируемому периоду. Если проще, то для измерения значения необходимо 1 секунду поделить на число периодов, проходящих за это время. Таким образом получается частота, измеряемая в Герцах.

Как измерить сдвиг фаз

Взаимное расположение 2-х колебательных процессов во времени называют сдвигом фазы. Измерение параметра проводится в долях периода сигнала. Делается это с целью получения общего значения одинаковых сдвигов фаз.

Перед процедурой нужно выяснить, у какого сигнала есть отставание от другого. После этого выяснить значение знака параметра. В случае движения тока впереди, сдвиг угла получится с отрицательным параметром. Если напряжение уйдет назад, знак значения станет положительным.

Для выполнения операции предстоит:

• умножить 360-и градусов на количество клеток, которые располагаются между началами периодов;
• полученную цифру поделить на количество делений, которое занимает один период сигнала;
• выполнить подбор отрицательного или положительного знака.

Проводить процедуры на аналоговом осциллографе некомфортно. Связано это с отображением на дисплее графиков одинакового цвета. Масштаб самих графиков тоже одинаковый. Цифровое устройство для таких операций – выход. Если взять осциллограф с двумя цифровыми каналами (для чего нужен такой прибор мы уже рассмотрели), то сделать это станет проще благодаря размещению амплитуд на отдельные каналы.

Различия между цифровым и аналоговым осциллографом

Цифровой прибор отличается от аналогового тем, что способен отображать на дисплее сигналы разной яркости. Аналоговым свойственно выполнение развертки сигнала. Они могут работать с физическими величинами, которым свойственно изменяться (напряжением и др.).

Цифровые работают по принципу выборки характеристик сигналов. Понимают дискретные двоичные числа, представляющие значение напряжения. В основе концепции системы запуска – мониторинг событий, происходящих в исследуемых процессах.

В основе аналоговой системы запуска – функционирование на усилителях. Усилители - источники линейных и нелинейных погрешностей. Это может быть задержка и колебания амплитуды. Их проявление отображается на дисплее. Вид - сдвиги положения запуска.

В основе цифровой системы запуска – функционирование без искажений. Может напрямую работать с отчетами АЦП, а также отображать на экране получаемый сигнал практически без изменений (полностью идентичный).

Особенности цифровых устройств:

• работа с полосой пропускания от 70 ГГц и больше;
• функционирование в режиме эквивалентного и реального времени;
• регистрация поступающих сигналов за счет модулей;
• пониженный уровень шума;
• повторяющийся характер работы (так обеспечиваются идеальные условия для мониторинга за параметрами сигналов).

Цифровое оборудование выдает информацию на экран в виде текста. Эти данные – точнее, чем графики, которые выводит на дисплей аналоговое оборудование. Обработка сигналов выполняется по методу Фурье. Вся поступающая информация сохраняется в памяти и может быть распечатана в любое время.

Обзор цифровых осциллографов

Tektronix TBS2000B

Цифровой запоминающий осциллограф TBS2000B позволяет решать основные задачи – отражать и измерять параметры сигналов. Оснащен увеличенным дисплеем, диагональ которого составляет 9 дюймов. Сам экран поделен на 15 делений по горизонтали. Длина записи в величине 5 миллионов точек – это способ захвата больших временных окон, более тщательный анализ.

Благодаря курсорам с ручным управлением и 32 автоматическим измерениям производительность повышается. Имеет порт 100-BaseT Ethernet и модуль Wi-Fi для соединения с сетью. Так можно добиться высокой скорости обмена данными. Цена аппарата невысока. Подходит для решения задач разной сложности.

TBS2000B отличается удобством и простой применения. За счет новой конструкции входов с высокой частотой дискретизации (2 Гвыб/с) увеличивается точность измерений. При измерениях прибор обеспечивает снижение уровня шумов, увеличение эффективной разрядности.

Наличие 32 автоматических измерений свидетельствует о быстроте, а также высокой точности измерений распространенных параметров. Анализ сигналов может проводиться с помощью экранных надписей новых курсоров, которые привязаны к сигналу.

Keysight U1600

При помощи осциллографа производятся операции по измерению формы и параметров сигналов. Модель рассчитана на работу в неблагоприятных условиях (на промышленных производствах). Это устройство - полноценный осциллограф. Подходит для применения в качестве цифрового-среднеквадратического мультиметра. Максимально отображаемое значение – 6000. Благодаря мультиметру возможны замеры постоянного и переменного напряжения, сопротивления по 2-проводной схеме, силы тока, температуры.

Kesight U1600 – прибор ручного типа. Имеет цветной жидкокристаллический дисплей на 4,5 дюймов. Способен отображать осциллограммы по двум каналам.

Серия U1600 представлена несколькими моделями:

• U1602A/U1602B – с полосой пропускания 20 МГц;
• U1604A/U1604B – с полосой пропускания 40 МГц.

Оборудование позволяет делать выборку данных в реальном времени. Работает на частоте до 200 Мвыб/с. В моделях U1604A и U1604B есть функция математической обработка 2-х каналов и БПФ. Благодаря этому удается быстро анализировать сигналы в области частоты и времени.

У каждого прибора есть цифровой истинно-среднеквадратический мультиметр. Выдает значения до 6000. У него также есть функция автоматического выбора диапазона. За счет этого выполняется гибкое и точное измерение напряжения, а также прочих параметров. Наличие функции регистрации данных позволяет анализировать значения в любое время.

Как подобрать цифровой осциллограф

На радиорынке представлены различные приборы. Среди них не последнее место занимают модели из Китая. При разработке и создании китайцы придерживаются одного правила – устройства должны быть универсальными. Речь идет об осциллографах, у которых имеется генератор сигналов.

Важно понимать, что покупка китайского оборудования связана с рисками. К примеру, частая проблема – шумность. Особенно это касается 1-го канала. Шумы бывают разных спектров - от инфранизких до мегагерцовых. Иногда в цепи питания не ставится развязка.

Другой недостаток осциллографа низкого качества – неприемлемая работа генератора, которому свойственно выдавать «свалку» частот. Это создает трудности при обнаружении основной частоты.

Чтобы выбрать хороший прибор, необходимо обращать внимание на достоверность снимаемых данных. От этого зависит успех поставленных задач. При выборе оборудования нужно руководствоваться:

• стоимостью;
• производителем;
• функциональностью;
• рабочими характеристиками.

Полоса пропускания цифрового осциллографа

От системной полосы пропускания зависит способность прибора измерять сигнал аналогового типа в определенном диапазоне. От величины последнего зависит точность измерений.

На что обратить внимание:

1. У устройств начального уровня, максимальная полоса пропускания составляет не более 100 МГц. Они способны показывать амплитуду синусоидальных сигналов частотой до 20 МГц.
2. Чтобы захватить цифровой сигнал, прибору необходимо захватывать основную, третью и пятую гармоники. В противном случае осциллограмма лишится важных деталей. Важно помнить правило пятикратного превышения. Достижение погрешности в пределах ±2 % можно добиться, если полоса пропускания с учетом пробника не менее чем в 5 раз превысит максимальную полосу сигнала.
3. Только так получится добиться точности в измерениях амплитуды.
4. Если планируется работать с высокоскоростными цифровыми сигналами, а также видеосигналами, лучше приобрести осциллограф, у которого полоса пропускания будет выше 500 МГц.

Питание

Прибор работает от аккумулятора, что очень удобно. Такие модели позволяют проводить операции вдали от источников питания. Мастер может совершать выезды на места, где происходит проверка оборудования. Если выезды редкие, лучше брать оборудование, которое работает от бытовой сети. Его преимущества – стабильность работы, а также надежность.

Частота дискретизации

От этого параметра зависят измерения однократных и переходных процессов. Большая величина частоты дискретизации дает более точное изображение на экран.