Основные характеристики и критерии выбора цифрового осциллографа

Каждый день инженеры сталкиваются с необходимостью анализа всё более сложных сигналов, поэтому на первый план здесь выходит выбор правильного измерительного оборудования – в данном случае осциллографа. Особенно остро этот вопрос стоит при работе с высокими и сверхвысокими частотами, где малейшая погрешность может привести к серьезным ошибкам в проектировании и отладке радиоэлектронных устройств. Рассмотрим основные характеристики цифровых осциллографов и ключевые моменты, на которые надо обратить внимание при выборе прибора.

Применение

Высокочастотные измерения имеют весьма широкий спектр применения, перечислим основные:

• Системы связи 5G и будущего 6G;
• Квантовые компьютеры;
• Системы навигации;
• Медицинские приборы;
• Космическая техника.

Ключевые характеристики

Частотный диапазон осциллографа – это его визитная карточка. Представьте себе, что полоса пропускания – это шоссе для сигналов, где каждый герц является полосой движения. Соответственно, чем шире дорога, тем больше информации может проехать без пробок и заторов.

Граничная частота – еще один определяющий параметр прибора. При достижении максимального значения наблюдается снижение амплитуды сигнала на 3 дБ (около 30%).

Советы по применению

• Для корректного анализа цифровых интерфейсов необходимо охватить не менее пяти гармоник основного сигнала;
• В радиочастотной технике критически важен запас для детектирования паразитных излучений;
• При работе с СВЧ-сигналами требуется дополнительный диапазон для анализа интермодуляционных искажений.

Таблица рекомендуемых диапазонов частот под различные виды сигналов

Практика применения: При тестировании современных процессоров и видеокарт инженеры сталкиваются с сигналами, частота которых постоянно растет. Без осциллографа с достаточной полосой пропускания невозможно отследить все нюансы работы устройства.

Дискретизация

Скорость захвата сигнала – это способность прибора «фотографировать моменты жизни» электрического сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем более детальной получается снимок.

Критические значения:

• Минимум 5 точек на фронт сигнала;
• Для процессов длительностью 10 пс – не менее 200 Гвыб/с.

Режимы функционирования:

• Реальная дискретизация (основной рабочий режим);
• Эквивалентная дискретизация (для периодических сигналов).

Практика применения:

• Разработка новых стандартов USB;
• Тестирование PCIe интерфейсов;
• Отладка систем связи.

Память осциллографа

Объем памяти – вместительность архива, в котором хранятся записи измерений. Недостаточный объем может привести к тому, что важные детали сигнала будут утеряны.

Объем памяти определяет длительность записи исследуемых сигналов:

• Для анализа одиночных импульсов – 10–50 Mpts;
• Для длинных последовательностей – от 100 Mpts;
• Для записи ВЧ-сигналов – 20–200 Mpts.

Практика применения:

• Анализ длительных последовательностей данных в Ethernet;
• Отладка сложных протоколов связи;
• Исследование переходных процессов.

Точность измерений

Разрешение АЦП – это способность прибора различать мельчайшие изменения сигнала. Разрешение сродни остроте зрения: чем она выше, тем более тонкие детали можно увидеть.

Разрешение АЦП определяет качество преобразования аналогового сигнала:

• 8-битное разрешение – базовый уровень точности;
• 10–12-битное – оптимальный вариант для большинства задач;
• 14-битное и выше – прецизионные измерения.

Практика применения:

• Измерение джиттера;
• Анализ шумов;
• Контроль качества сигнала.

Дополнительные возможности

Современный осциллограф – это не просто измерительный прибор, а целый комплекс инструментов, используемых в следующих областях:

• Спектральный анализ для изучения структуры сигнала;
• Декодирование протоколов для работы с цифровыми интерфейсами;
• Маски-тестирование для автоматического контроля качества;
• Захват редких событий (триггерные системы).

Как выбрать свой идеальный прибор

Итак, пройдя небольшой путь от теории к практике, можно выделить несколько основных советов при выборе осциллографа, который закроет ваши потребности не для одного проекта, но и для дальнейших работ. Здесь нужно соблюсти баланс между основными минимальными требованиями и желанием обладать максимально продвинутой техникой, способной решить задачи в перспективе. Иначе говоря, нужно понять, отчего отказываться точно нельзя и насколько оправдана гонка за лишними характеристиками. Вместе с тем нужно учитывать перспективу развития и, безусловно, проработать вопросы поддержки и сервисного обслуживания со стороны поставщика/производителя.

Критерии выбора

Выбор по техническим параметрам:

• Полоса пропускания выбирается исходя из рабочих задач инженера и несущей частоты рабочих сигналов: так, при работе с частотами до 10 ГГц рекомендуем выбрать приборы с полосой 14-18 ГГц, а для точных измерений гармоник и фронтов полоса прибора должна быть в 3-4 раза выше несущей;
• Глубина памяти важна каждому разработчику и инженеру: а вот её объём мы можем выбрать исходя из того, что мы будем анализировать, одиночные импульсы (50 Mpts), пачки импульсов (100 Mpts) или записывать длительные сигналы (200+ Mpts);

Выбор по сфере применения:

• Разработчикам цифровых устройств нужна высокая частота дискретизации – тут поможет правило Найквиста, которое гласит, что для получения максимально точно восстановленного сигнала из его дискретизированной версии, частота дискретизации должна быть в 2,5-4 раза выше самой высокой частоты в сигнале;
• Исследователям требуются прецизионные измерения – в данном случае нужно оценить разрядность АЦП, чем она выше, тем точнее будет выполнена работа;

Универсальные критерии выбора:

• Развитый набор функций. Каждому инженеру требуется оптимизировать его рабочие процессы, в связи с чем могут понадобиться дополнительные функции – встроенная математика, режим масок, гистограммы, декодирование и прочие опции помогут решать задачи быстро и точно, без лишних затрат времени и риска получить неожиданные проблемы из-за так называемого человеческого фактора;
• Сроки и цены. При выборе приборов факторы стоимости и условий поставки не стоит возводить в абсолют, но пренебрегать ими тоже нельзя – экономия бюджета может позволить купить не один, пусть и универсальный, а несколько специализированных приборов;
• Тестирование. Перед тем как сделать выбор, стоит сравнить несколько моделей, а лучше запросить производителей предоставить прибор в опытную эксплуатацию (особенно это касается дорогостоящих осциллографов), ничто лучше, чем личный опыт, не сделает ваш выбор более оптимальным.

Однако не стоит забывать, что, часто выбирая топ-позицию по одному критерию, мы теряем позиции в другом. Как отмечалось выше – важно соблюдать баланс.

В заключение отметим, что современный мир высоких технологий немыслим без точных измерений. Особенно остро этот вопрос стоит при работе с частотами до 18 ГГц, где малейшая погрешность может привести к серьёзным ошибкам в проектировании и отладке устройств. Поэтому там, где точность становятся решающими факторами успеха, правильный выбор измерительного оборудования – это не просто техническая задача, а стратегическое решение.