Ачх осциллографа. Измерение АЧХ и ФЧХ с помощью осциллографа: подробное руководство

Как провести измерение амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик осциллографа. Какие методы и инструменты использовать для точного анализа АЧХ и ФЧХ. На что обратить внимание при проведении измерений.

Что такое АЧХ и ФЧХ осциллографа

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) являются важнейшими параметрами, определяющими точность измерений осциллографа. АЧХ показывает, как изменяется амплитуда сигнала на выходе осциллографа в зависимости от частоты входного сигнала. ФЧХ демонстрирует сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного на разных частотах.

Знание АЧХ и ФЧХ осциллографа позволяет:

• Определить полосу пропускания прибора
• Оценить искажения формы сигнала
• Выявить резонансные явления
• Скорректировать результаты измерений

Поэтому измерение этих характеристик является важной задачей при использовании и обслуживании осциллографов.

Методы измерения АЧХ осциллографа

Существует несколько основных методов измерения АЧХ осциллографа:

1. Метод качающейся частоты

Этот классический метод заключается в подаче на вход осциллографа синусоидального сигнала с постоянной амплитудой и плавно изменяющейся частотой. На каждой частоте измеряется амплитуда сигнала на экране осциллографа. По полученным данным строится график зависимости амплитуды от частоты.

2. Метод быстрого преобразования Фурье (БПФ)

При этом методе на вход осциллографа подается широкополосный сигнал, например, прямоугольный импульс с крутыми фронтами. С помощью встроенной функции БПФ анализируется спектр выходного сигнала, который и дает АЧХ осциллографа.

3. Метод векторного анализатора цепей

Используется специализированный прибор — векторный анализатор цепей. Он генерирует сигналы на разных частотах и анализирует отклик осциллографа, автоматически строя его АЧХ и ФЧХ.

Пошаговая инструкция по измерению АЧХ методом качающейся частоты

1. Подключите генератор сигналов к входу осциллографа.
2. Настройте генератор на выдачу синусоидального сигнала постоянной амплитуды.
3. Установите начальную частоту (например, 1 кГц) и измерьте амплитуду сигнала на экране осциллографа.
4. Плавно увеличивайте частоту генератора, фиксируя амплитуду на каждом шаге.
5. Продолжайте измерения до частоты, в 2-3 раза превышающей заявленную полосу пропускания осциллографа.
6. Постройте график зависимости относительной амплитуды от частоты.

Особенности измерения ФЧХ осциллографа

Измерение фазо-частотной характеристики осциллографа требует более сложного оборудования, чем измерение АЧХ. Основные методы включают:

• Использование векторного анализатора цепей
• Применение специальных калибраторов осциллографов
• Метод фигур Лиссажу

При измерении ФЧХ важно учитывать влияние соединительных кабелей и пробников, которые могут вносить дополнительный фазовый сдвиг.

Анализ результатов измерений АЧХ и ФЧХ

После проведения измерений необходимо правильно интерпретировать полученные результаты:

• Определите полосу пропускания осциллографа по уровню -3 дБ на графике АЧХ
• Проанализируйте равномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот
• Оцените линейность ФЧХ для выявления возможных искажений формы сигнала
• Сравните полученные характеристики с паспортными данными осциллографа

Любые значительные отклонения от ожидаемых параметров могут свидетельствовать о неисправности прибора или необходимости его калибровки.

Влияние пробников на измерение АЧХ и ФЧХ

При измерении характеристик осциллографа важно учитывать влияние измерительных пробников. Пробники могут существенно искажать результаты, особенно на высоких частотах. Основные факторы влияния пробников:

• Собственная емкость пробника
• Индуктивность соединительных проводов
• Неравномерность АЧХ пробника
• Фазовые искажения в пробнике

Для минимизации влияния пробников рекомендуется:

1. Использовать высококачественные пробники с широкой полосой пропускания
2. Правильно компенсировать емкость пробников
3. Применять методы коррекции, учитывающие характеристики пробников
4. По возможности проводить измерения без пробников, напрямую подключая источник сигнала к входу осциллографа

Цифровая коррекция АЧХ и ФЧХ осциллографа

Современные цифровые осциллографы часто имеют встроенные функции коррекции АЧХ и ФЧХ. Принцип работы такой коррекции:

1. В памяти осциллографа хранятся калибровочные данные, полученные при производстве
2. Встроенный процессор анализирует входной сигнал
3. На основе калибровочных данных вносятся поправки в отображаемый сигнал
4. Результат максимально приближается к реальной форме входного сигнала

Цифровая коррекция позволяет значительно расширить эффективную полосу пропускания осциллографа и улучшить точность измерений на высоких частотах.

Измерение АЧХ и ФЧХ осциллографов реального времени

Осциллографы реального времени имеют ряд особенностей при измерении АЧХ и ФЧХ:

• Высокая частота дискретизации позволяет проводить измерения на очень высоких частотах
• Встроенные функции БПФ упрощают анализ спектра сигналов
• Цифровая обработка сигналов позволяет применять сложные алгоритмы коррекции
• Возможность сохранения и последующей обработки результатов измерений

При измерении характеристик осциллографов реального времени важно учитывать эффекты наложения спектров и использовать соответствующие методы их устранения.

Сравнение методов измерения АЧХ и ФЧХ

Каждый метод измерения АЧХ и ФЧХ осциллографа имеет свои преимущества и недостатки:

Метод	Преимущества	Недостатки
Качающейся частоты	— Простота реализации — Наглядность результатов	— Длительность измерений — Ручной анализ данных
БПФ	— Быстрота измерений — Широкий частотный диапазон	— Сложность интерпретации результатов — Ограничения по разрешению
Векторный анализатор	— Высокая точность — Автоматизация измерений	— Высокая стоимость оборудования — Сложность настройки

Выбор метода зависит от конкретных задач, доступного оборудования и требуемой точности измерений.

Нормирование АЧХ и ФЧХ в технических характеристиках осциллографов

Производители осциллографов обычно указывают следующие параметры, связанные с АЧХ и ФЧХ:

• Полоса пропускания по уровню -3 дБ
• Время нарастания переходной характеристики
• Неравномерность АЧХ в полосе пропускания
• Максимальный фазовый сдвиг на верхней границе полосы пропускания

При выборе осциллографа важно обращать внимание на эти параметры и сопоставлять их с требованиями к измерениям в конкретных приложениях.

Заключение

Измерение АЧХ и ФЧХ осциллографа является важной процедурой, позволяющей оценить его реальные характеристики и возможности. Правильно проведенные измерения помогают:

• Убедиться в соответствии прибора заявленным характеристикам
• Выявить возможные неисправности или отклонения в работе осциллографа
• Скорректировать результаты измерений с учетом реальных параметров прибора
• Оптимально использовать возможности осциллографа в различных приложениях

Регулярное проведение таких измерений позволяет поддерживать осциллограф в оптимальном состоянии и обеспечивать высокую точность измерений в течение всего срока эксплуатации.

Амплитудно-частотная характеристика осциллографа.

Частота	F,Гц
	lgF
Размер изображения	h,мм
Неравномерность АЧХ	N,дБ

2.3. По результатам измерений и расчетов необходимо построить график АЧХ и определить полосу пропускания осциллографа. За полосу пропускания осциллографа принимают диапазон частот, в котором амплитудно-частотная характеристика имеет неравномерность не более 3 дБ.

3. Определение нелинейности развертки осциллографа.

3.1. Нелинейность амплитудной характеристики Yканала определяют следующим образом. На входYканала подают стабильный гармонический сигнал такой амплитуды, чтобы размер изображения в центре экрана составил некоторое числоh₁сантиметров. Затем измеряет размер изображения по осиYв различных местах рабочей части экрана ЭЛТ.

Нелинейность амплитудной характеристики (в процентах) определяют по формуле:

%,

где h₂ — наиболее отличающийся отh₁размер изображения сигнала в любом месте рабочей части экрана.

3.2. Нелинейность развертки по оси Хопределяют следующим образом. Временной интервал на экране осциллографа получают, подавая на его вход гармонический (импульсный) сигнал определенной и стабильной части (длительности). Измеряют временной интервал, размер изображения которого в средней части ЭЛТ составляет некоторое число

t₁сантиметров. Затем измеряют размер изображения временного интервала в различных местах рабочей части экрана. Значение нелинейности развертки (в процентах) выражается по формуле:

%,

Где t₂ — размер изображения временного интервала, наиболее отличающийся отt₁в любом месте рабочей части экрана.

4. Измерения частоты напряжения методом фигур Лиссажу.

4.1. Измерения частоты напряжения методом фигур Лиссажу относят к косвеннымизмерениям.

Если на входы YиXосциллографа подать гармонические сигналы разных частот, отношение которых равно целому числу, то на экране получаются неподвижные фигуры (фигуры Лиссажу). По форме фигур Лиссажу можно определить неизвестную частоту

f_x, если другая частотаf₀известна. Способ измерения частоты с помощью электронного осциллографа характеризуется высокой точностью и широко используется на практике. Погрешность измерения в основном определяется стабильностью частотыf₀образцового генератора.

В лабораторной работе необходимо произвести измерение частоты сети переменного тока 36В. Для этого напряжение сети подают на вход Yосциллографа, а к его входуXподключают генератор гармонических сигналов.

Плавной регулировкой частоты генератора добиваются неподвижной фигуры на экрана, проводят к ней две касательные (горизонтальную и вертикальную) и подсчитывают число точек касания фигуры Лиссажу с каждой касательной.

Действительное значение частоты определяют по формуле:

,

Где mиn — число точек касания с горизонтальной и вертикальной касательной, соответственно. Определяют относительную погрешность установки частоты сети, если ее значение должно быть 50 Гц.

Отчет должен содержать:

1. Схемы опытов.

2. Таблицы результатов измерений и расчетов.

3. Расчетные формулы и примеры расчетов.

4. Графики АЧХ Yканала осциллографа.

5. Выводы.

Простой метод проверки полосы пропускания пробника

Starting Download..

save Save

Operational «How to» Guides

Summary

Простой метод проверки полосы пропускания пробника

Description

Полосой пропускания осциллографов и осциллографических пробников называется выраженный в герцах диапазон рабочих частот. Обычно полоса пропускания определяется по частоте, на которой сигнал ослабляется до 70,7 % от исходного значения входного сигнала, что соответствует снижению уровня на 3 дБ. Большинство производителей осциллографов стараются сделать амплитудно-частотную характеристику осциллографа/пробника в указанном частотном диапазоне как можно равномернее, и большинство потребителей просто полагаются на указанную полосу пропускания осциллографа или пробника, не задумываясь над тем, действительно ли они получают указанную полосу для всего измерительного тракта, начиная с наконечника пробника. Теперь вы можете воспользоваться приведенными ниже несложными пошаговыми инструкциями для проверки полосы пропускания своего пробника с осциллографом, которым вы пользуетесь.

Рис. 1 Пример гауссовой амплитудно-частотной характеристики осциллографа.

Для измерения полосы пропускания осциллографического пробника часто используют векторный анализатор цепей (VNA), который обычно дорого стоит и сложен в использовании. Кроме того, типичные пассивные пробники обладают высоким сопротивлением и рассчитаны на подключение ко входу осциллографа с входным сопротивлением 1 МОм, что делает традиционный метод измерения параметра S21, используемый векторным анализатором, сложно реализуемым в связи с тем, что эта система обладает волновым сопротивлением 50 Ом.

 

Другой способ измерения полосы пропускания заключается в непосредственном измерении АЧХ с помощью источника синусоидального сигнала, ответвителя и измерителя мощности. Для выполнения такого измерения вам придётся подключить эти приборы через интерфейс дистанционного управления, такой как GPIB или USB. Ручное выполнение этой работы очень трудоёмко, подвержено ошибкам и требует больших усилий при необходимости внесения изменений в измерительную схему.

 

Более простой способ измерения полосы пропускания пробника, а особенно пробника с узкой полосой (например, пассивного пробника с полосой <1 ГГц), заключается в выполнении измерения во временной области с помощью осциллографа, имеющего встроенный источник прямоугольного сигнала, функцию дифференцирования и функцию быстрого преобразования Фурье (БПФ). Для использования этого метода осциллограф должен поддерживать второй функциональный выход. В противном случае альтернативный метод заключается в сохранении осциллограммы осциллографом, импортировании её в компьютерное ПО анализа, такое как Matlab, и применении математических функций для обработки прямоугольного сигнала.

 

Когда вы подаёте на свою систему прямоугольный сигнал, вы получаете отклик на перепад. Если теперь применить к нему дифференцирование, вы получите импульсную характеристику; выполнив быстрое преобразование Фурье от этой импульсной характеристики, вы получите частотную характеристику системы.

 

Осциллограф реального времени Keysight Infiniium является превосходным инструментом для такой быстрой оценки полосы пропускания. Ниже приведена пошаговая процедура измерения. В данном примере измерения использовался пассивный пробник N2873A 500 МГц и осциллограф Infiniium DSO9404A с полосой пропускания 4 ГГц.

• Подключите вспомогательный выход осциллографа ко входу осциллографа с помощью измерительной оснастки, такой как Keysight E2655C, и 50-омного кабеля с разъёмом BNC. Осциллограф Infiniium имеет вспомогательный выходной порт Aux, обеспечивающий прямоугольный сигнал с крутыми фронтами (~340 пс, 10-90 % для серии Infiniium 9000), который предназначен для калибровки пробника. Важно отметить, что длительность фронта сигнала источника должна быть короче фронта пробника, и АЧХ источника должна быть достаточно равномерной в исследуемой полосе частот.

Рис. 2. Измерение источника сигнала сопротивлением 25 Ом с помощью измерительной оснастки Keysight E2655C

• Подключите пробник к измерительной оснастке для измерения одного фронта источника. Провод заземления пробника должен быть как можно короче для снижения влияния на исследуемую цепь.

Ch 1 (жёлтый) = источник (выход Aux), нагруженный пробником
Ch 2 (зелёный) = измеренный выход пробника
 

Рис. 3. Развертка крутого фронта
 

• Расположите фронты сигналов по центру экрана, настройте запуск по выходу пробника (ch3) и используйте усреднение или захват с высоким разрешением для снижения шума сигнала.
• Используйте встроенную математическую функцию осциллографа для дифференцирования реакции на перепад. Вы получите импульсную характеристику канала 2, к которому подключен пробник. Привяжите дифференцированный выход реакции на перепад к функции F1 осциллографа.

 

Рис. 4. Использование встроенной математической функции осциллографа для дифференцирования реакции на перепад

 

• Примените к импульсной характеристике (F1) измеренного прямоугольного сигнала встроенную функцию FFT Magnitude. Измените масштаб БПФ на 100 МГц/дел (центральная частота на 500 МГц при полной полосе экрана 1 ГГц) и 3 дБ/дел по вертикали.

Рис. 5. Примените к импульсной характеристике встроенную функцию FFT Magnitude
 

• Теперь вы получите график амплитудно-частотной характеристики. Поскольку вертикальный масштаб БПФ установлен на 3 дБ/дел, а горизонтальный масштаб – на 100 МГц/дел, можно увидеть, что пробник имеет полосу пропускания ~530 МГц.

Рис. 6. Теперь вы получили график АЧХ

Но есть одна хитрость. В некоторых осциллографах функция дифференцирования производит наилучшее приближение наклона по трём соседним точкам, а затем присваивает этот наклон центральной точке. Это может исказить результаты измерения, если плотность выборок на спаде характеристики окажется недостаточно большой, поэтому поэкспериментируйте с плотностью выборок и убедитесь, что она не влияет на полосу пропускания.

 

Заключение

Применение встроенных математических функций современных цифровых осциллографов позволяет измерить частотную характеристику или полосу пропускания пробника по его реакции на прямоугольный сигнал с крутыми фронтами. По сравнению с некоторыми другими методами измерения этот подход является самым простым и не требует применения дорогостоящих измерительных приборов.

Понимание частотной характеристики осциллографа — 知乎

Когда вы комбинируете множество элементов схемы с похожими частотными характеристиками, вы получаете гауссовскую характеристику. Традиционные аналоговые осциллографы соединяют множество аналоговых усилителей от входа до дисплея с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) (1) и, следовательно, демонстрируют гауссову характеристику. Свойства осциллографа с гауссовской характеристикой достаточно хорошо известны в отрасли.

Менее знакома, однако, плоская характеристика, которая в настоящее время более характерна для современных широкополосных цифровых осциллографов. Цифровой осциллограф имеет более короткую цепочку аналоговых усилителей и может использовать методы цифровой обработки сигналов для оптимизации отклика для обеспечения точности. Что еще более важно, цифровой осциллограф может быть подвержен ошибкам псевдонимов дискретизации(2), что не является проблемой для аналоговых осциллографов. По сравнению с гауссовской характеристикой плоская характеристика уменьшает ошибки наложения выборки, что является важным требованием при проектировании и эксплуатации цифрового осциллографа.

В этих рекомендациях по применению рассматриваются свойства осциллографов с гауссовской и плоской характеристикой, а затем обсуждается точность времени нарастания для каждого типа характеристики. На нем показано, что осциллограф с плоской характеристикой дает более точные измерения времени нарастания, чем осциллограф с гауссовой характеристикой с равной полосой пропускания, и показано, как можно оценить необходимую полосу пропускания осциллографа. Это обсуждение относится к использованию осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц, но этот анализ можно масштабировать на другие полосы пропускания с той же достоверностью.

1. Аналоговые осциллографы используют входной сигнал для прямого отклонения электронного луча в ЭЛТ. Это требует усиления входного сигнала на три порядка и управления большой емкостной нагрузкой, которую представляют отклоняющие пластины ЭЛТ.
2. Ошибки псевдонимов дискретизации возникают, когда частотный состав сигнала превышает половину частоты дискретизации, известной как частота Найквиста.

Свойства осциллографа с гауссовской характеристикой

На рис. 1 показана типичная гауссовская частотная характеристика для осциллографа с частотой 1 ГГц. Гауссова характеристика обеспечивает хорошую импульсную характеристику без перерегулирования, независимо от времени нарастания входного сигнала. На рис. 2 показана импульсная характеристика осциллографа с гауссовской характеристикой на частоте 1 ГГц при быстром скачке входного сигнала.

В осциллографе с гауссовской характеристикой время нарастания (3) связано с полосой пропускания осциллографа (4) по знакомой формуле: (5)

Время нарастания = 0,35/полоса систем заключается в том, что общая полоса пропускания6 осциллографа и его пробника представляет собой обратное среднеквадратичное значение (СКЗ) их отдельных полос пропускания. Пропускная способность системы может быть рассчитана с использованием известного соотношения:

Часто пробники осциллографов проектируются с достаточно большей полосой пропускания, чем полоса пропускания осциллографа, поэтому приведенная выше формула для уменьшения пропускной способности системы не требуется. И наоборот, измеренное время нарастания обычно связано со временем нарастания системы7 и временем нарастания сигнала по формуле:

Иногда это соотношение используется для оценки фактического времени нарастания сигнала, когда время нарастания системы осциллографа недостаточно быстрее, чем нарастание сигнала. время для точного измерения.

3. Время нарастания измеряется от 10 до 90 процентов амплитуды фронта импульса.
4. Полоса пропускания – это частота осциллографа, при которой амплитудная характеристика ниже на -3 дБ по сравнению со значением при постоянном токе.
5. Теоретическая зависимость для системы Гаусса такова: время нарастания = 0,339/полоса пропускания, но на практике отрасль сошлась на 0,35/полоса пропускания.
6. Полоса пропускания системы относится к полосе пропускания, достигаемой с помощью комбинации пробника осциллографа и осциллографа.
7. Время нарастания системы означает время нарастания, достигаемое с помощью комбинации пробника осциллографа и осциллографа.

Рис. 1. Частотные характеристики осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц

Рис. 2. Импульсные характеристики осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц при входе быстрого шага Гауссовский ответ. Обратите внимание, что частотная характеристика намного более пологая ниже полосы пропускания –3 дБ, но затем очень быстро падает выше полосы пропускания –3 дБ. Эту форму отклика иногда называют максимально плоской или кирпичной стенкой.

Плоский отклик имеет несколько преимуществ. Во-первых, частотная составляющая сигнала ниже полосы пропускания –3 дБ меньше затухает и, таким образом, измеряется более точно. Во-вторых, более крутой наклон помогает уменьшить ошибки дискретизации в цифровых осциллографах (подробнее об этом позже).

Во временной области плоская характеристика приводит к импульсной характеристике с выбросами и звоном, когда вход осциллографа управляется быстрым шагом, как показано на рис. 2. Такие выбросы и звон часто воспринимаются как нежелательный эффект в осциллограф. Однако этот звон возникает только в том случае, если время нарастания сигнала значительно меньше, чем может точно измерить осциллограф, и в этом случае следует использовать осциллограф с более широкой полосой пропускания.

В отличие от гауссовых систем, полоса пропускания системы осциллографа с плоской характеристикой не определяется обратным среднеквадратичным значением частей подсистемы. Обычно используемые формулы полосы пропускания и времени нарастания для систем осциллографов с гауссовой характеристикой неприменимы к системам осциллографов с плоской характеристикой! Вместо этого вы должны полагаться на поставщика осциллографа, чтобы указать полосу пропускания системы комбинации осциллограф/пробник.

В случае осциллографа с плоской характеристикой время нарастания связано с полосой пропускания, как описано в формуле:

Время нарастания = N/полоса пропускания (где N = от 0,4 до 0,5)

Чем больше значение N, тем круче частотная характеристика или тем больше она приближается к конфигурации «кирпичной стены», показанной на рисунке 1. Приведенное выше соотношение иногда включаются в технические характеристики осциллографа, что может дать вам представление о типе отклика осциллографа.

Точность измерения

Какой тип частотной характеристики обеспечивает наилучшую точность измерения? Есть две проблемы, которые следует учитывать: максимальная частота сигнала и псевдоним ошибок дискретизации осциллографа.

Максимальная частота сигнала

Глядя на пример на рис. 1, плоская характеристика обеспечивает меньшее затухание сигнала ниже полосы пропускания –3 дБ (1 ГГц) по сравнению с гауссовой характеристикой. Таким образом, само собой разумеется, что для сигналов с частотами, в основном ниже полосы пропускания –3 дБ, осциллограф с плоской характеристикой обеспечивает лучшую точность измерения, чем осциллограф с гауссовой характеристикой.(8)

Например, давайте сравним измерение времени нарастания цифрового сигнала с временем нарастания 700 пс с использованием обоих типов откликов. Вы можете определить максимальную частоту этого сигнала по времени его нарастания:

Максимальная частота сигнала = 0,5/время нарастания (10%~90%)

Любая система (включая осциллограф), которая может точно измерять частоты вплоть до максимальной частоты сигнала включительно, будет точно воспроизводить сигнал. (9)

Используя это соотношение, сигнал с временем нарастания 700 пс будет состоять в основном из частот ниже 714 МГц. На рисунке 1 видно, что осциллограф с плоской характеристикой обеспечивает меньшее затухание по сравнению с прибором с гауссовой характеристикой для частот до 714 МГц. Действительно, осциллограф с плоской характеристикой будет измерять время нарастания этого фронта в 700 пс более точно, чем осциллограф с гауссовой характеристикой, как показано на рис. 3. осциллограф измеряет время нарастания с 9процентная ошибка.

По мере уменьшения времени нарастания сигнала (по мере того, как фронты становятся быстрее) точность измерения времени нарастания осциллографа с гауссовской характеристикой в ​​конечном итоге превосходит точность измерения осциллографа с плоской характеристикой. Это происходит из-за того, что частотная составляющая сигнала увеличивается выше полосы пропускания –3 дБ, где осциллограф с плоской характеристикой имеет меньшую амплитудную характеристику, чем осциллограф с гауссовой характеристикой.

На рис. 4 показана ошибка измерения времени нарастания для различных значений времени нарастания сигнала с использованием осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц. Обратите внимание, что ошибка измерения времени нарастания уже составляет 15 процентов в точке, где измерение с помощью гауссовского осциллографа становится более точным, чем измерение с помощью осциллографа с плоской характеристикой. Таким образом, для точных измерений (погрешность менее 15 процентов) времени нарастания сигнала осциллограф с плоской характеристикой лучше, чем осциллограф с гауссовской характеристикой с равной полосой пропускания. Это кажется нелогичным для идеального (быстрого) ступенчатого входа, учитывая, что осциллограф с гауссовской характеристикой имеет более быстрое время нарастания, чем осциллограф с плоской характеристикой. Помните, что характеристики времени нарастания осциллографа сами по себе не указывают, насколько точно можно измерить время нарастания; необходимо также учитывать отклик осциллографа.

8. В этом утверждении подразумевается, что фазовая характеристика в полосе пропускания должна быть линейной.
9. Джонсон, Ховард и Мартин Грэм, Высокоскоростное цифровое проектирование: Справочник по черной магии, стр. 2, Prentice Hall, 1993.

Рис. 3. Точность импульсной характеристики

Рис. для осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц

Рис. 5. Колебания формы сигнала из-за ошибки псевдонима выборки

Ошибки псевдонима выборки

Цифровые осциллографы используют два основных метода дискретизации: повторяющийся и в реальном времени. Осциллограф с повторяющейся выборкой производит выборку сигнала в течение многих повторений сигнала и не подвержен ошибкам псевдонимов выборки. Осциллограф дискретизации в реальном времени производит выборку и фиксирует сигнал за один проход или одно появление сигнала. Это обсуждение относится к более распространенным осциллографам дискретизации в реальном времени, которые обладают многими преимуществами по сравнению с осциллографами с повторной дискретизацией. частота Найквиста, которая составляет половину частоты дискретизации. Частотный контент выше частоты Найквиста сворачивается ниже частоты Найквиста в частотной области. Во временной области эта ошибка проявляется в виде импульсной характеристики с «колебанием» фронтов, как показано на рис. 5. Эти «колебания» фронтов приводят к несогласованным измерениям времени нарастания и дельта-времени.

Для примера на рис. 1 частота дискретизации составляет 4 ГГц (11), поэтому частота Найквиста равна 2 ГГц. Осциллограф с гауссовской характеристикой позволяет производить выборку частотного содержимого за пределами 2 ГГц, что приведет к выборке ошибок наложения для сигналов со значительным частотным составляющим выше 2 ГГц. Однако осциллограф с плоской характеристикой практически ослабляет всю частотную составляющую выше 2 ГГц, и ошибки наложения дискретизации отсутствуют.

Для точного измерения сигнала без ошибок наложения выборки осциллограф должен иметь достаточную частоту дискретизации. Для осциллографа с гауссовской характеристикой может потребоваться частота дискретизации, в шесть раз превышающая полосу пропускания осциллографа, хотя более типичной является четырехкратная полоса пропускания. С другой стороны, осциллографу с плоской характеристикой и резким фильтром может потребоваться только частота дискретизации, в 2,5 раза превышающая полосу пропускания осциллографа, чтобы избежать ошибок наложения.

10. Осциллографы с повторной выборкой имеют преимущество в более высокой полосе пропускания, чем осциллографы с выборкой в ​​реальном времени.
11. Цифровой осциллограф обычно производит выборку в 4 раза больше указанной полосы пропускания в реальном времени.
12. В зависимости от вашего приложения вам может потребоваться дополнительная полоса пропускания для захвата шума и/или джиттера за пределами максимальной частоты сигнала.

Таблица 1. Полоса пропускания и точность осциллографа

13. Типичные значения. Зависит от модели осциллографа. См. технические характеристики осциллографа.

Определение необходимой полосы пропускания

Чтобы оценить необходимую полосу пропускания осциллографа для проведения точных измерений, обратитесь к информации в Таблице 1. Сначала определите максимальную частоту сигнала (Fmax) на основе времени нарастания сигнала.12 Далее , определите, используете ли вы осциллограф с гауссовой или плоской характеристикой. Затем, в зависимости от требуемой точности, выберите соответствующий множитель и умножьте максимальную частоту сигнала (Fmax) на множитель, чтобы определить требуемую полосу пропускания осциллографа. Наконец, убедитесь, что осциллограф имеет достаточную частоту дискретизации для достижения требуемой полосы пропускания без ошибок дискретизации.

Например, для измерения сигнала с временем нарастания 100 пс (от 20 до 80 процентов) с помощью осциллографа с плоской характеристикой с точностью до 10 процентов потребуется осциллограф с полосой пропускания (0,4/100 пс)1,2 = 4,8 ГГц с минимальная частота дискретизации 4,8 ГГц x 2,5 = 12 Гвыб/с.

Эта процедура является всего лишь инструментом для оценки необходимой пропускной способности. Целесообразно проверить фактическую точность времени нарастания с помощью измерений, поскольку частотные характеристики различаются в зависимости от модели осциллографа.

Сводка

Для точных (погрешность менее 15 процентов) измерений времени нарастания цифрового сигнала осциллограф с плоской характеристикой обеспечивает более высокую точность, чем осциллограф с гауссовской характеристикой с той же полосой пропускания. Еще одним преимуществом осциллографов с плоской характеристикой является то, что они, как правило, имеют фильтры кирпичной стены, которые уменьшают или предотвращают ошибки дискретизации.

Необходимая полоса пропускания осциллографа в первую очередь определяется временем нарастания сигналов, а не частотой сигнала. Для точных измерений выберите осциллограф с точной частотной характеристикой вплоть до максимальной частоты сигнала, определяемой как 0,4/время нарастания (от 20 до 80 процентов). В случае современного осциллографа с плоской характеристикой полоса пропускания осциллографа, которая в 1,4 раза превышает максимальную частоту сигнала, обычно достаточна для точных измерений времени нарастания.

Глоссарий

Отклик кирпичной стены — частотная характеристика идеального фильтра нижних частот, который пропускал бы все частоты ниже некоторой частоты среза без затухания и не пропускал бы частоты выше частоты среза.

Осциллограф с плоской характеристикой — осциллограф с характеристикой отклика, приближающейся к характеристике кирпичной стены, с использованием комбинации аппаратных средств и методов цифровой обработки сигналов.

Осциллограф с гауссовской характеристикой — осциллограф с общей импульсной характеристикой, которая является гауссовой из-за комбинации множества отдельных импульсных характеристик в цепи усилителя осциллографа.

Максимально ровная характеристика — характеристика фильтра нижних частот, которая пропускает сигналы ниже частоты среза с минимальным затуханием, подобно характеристике кирпичной стены.

Частота Найквиста — сигнал с самой высокой пропускной способностью (самый быстрый), который можно точно оцифровать в дискретизированной системе, где частота Найквиста составляет половину частоты дискретизации.

Осциллограф реального времени — цифровой стробоскопический осциллограф, который может фиксировать одиночное появление сигнала с помощью высокоскоростного дигитайзера, способного производить выборку и сохранять сигнал.

Осциллограф с повторной выборкой — цифровой осциллограф с выборкой, который оцифровывает различные части сигнала по множеству вхождений сигнала, в конечном итоге собирая представление сигнала.

Среднеквадратичное значение — среднеквадратичное значение

Спад — насколько быстро фильтр нижних частот ослабляет частоты за пределами частоты среза.

График Боде с использованием осциллографа и функционального генератора

Загрузить PDF

График Боде — это метод графического отображения частотной характеристики тестируемой системы или устройства (ИУ). Обычно амплитуда и фазовая характеристика устройства отображаются в зависимости от частоты с использованием общей горизонтальной оси частоты, как показано в примере ниже:

 

Отображая информацию об амплитуде и фазе на одном графике, вы можете оценить некоторые основные качества тестируемого устройства. Функциональный генератор и осциллограф можно использовать для ручного сбора и сравнения данных фазы и амплитуды для данного устройства, но это может быть утомительно и требует много времени.

В этих указаниях по применению мы собираемся охарактеризовать частотную характеристику фильтра нижних частот, используя бесплатную автоматизированную функцию диаграммы Боде на цифровом осциллографе SIGLENT SDS1204X-E и генераторе сигналов произвольной формы SIGLENT SDG6052X. Этот автоматизированный контроль обеспечивает простой и понятный способ характеризации устройств.

Функция Боде также включена в цифровые осциллографы серий SDS1104X-E, SDS1204X-E, SDS2000X-E, SDS2000X Plus, SDS5000X и SDS6000A.

На эту тему также есть видео:

Видео с графиком Боде

 

Давайте посмотрим на необходимое оборудование.

Аппаратное обеспечение:

• Кол-во 1 Четырехканальный осциллограф серии SIGLENT SDS1004X-E. В этой заметке мы будем использовать версию 200 МГц (SDS1204X-E). Важно помнить, что максимальная полоса пропускания осциллографа превышает максимальную частоту, которую мы хотим измерить. Помните, что максимальная частота, указанная в таблице данных осциллографа, обычно соответствует точке 3 дБ!

 

• Кол-во 1 Генератор функций SIGLENT серии SDG. В этой заметке мы используем SDG6052X с частотой 500 МГц, но любая серия SDG (серия 800/1000, 1X, 2X, 6X) может подключаться через USB-кабель к серии SDS1004X-E четырехканальных осциллографов. Просто убедитесь, что максимальная выходная частота синусоидального сигнала соответствует или превышает требования вашего тестируемого устройства. Обратите внимание, что мы также можем использовать внешний генератор функций X-E (номер по каталогу SAG1021). Он может обеспечивать синусоиду с частотой до 25 МГц, а также может использоваться для построения графика Боде.

ПРИМЕЧАНИЕ: SAG1021 имеет только 1 выход и требует T-образного разъема BNC для прямого и сквозного подключения к осциллографу.

 

• 1 шт. USB-кабель: для связи между генератором и осциллографом

 

• Кол-во 2 Наконечники BNC 50 Ом: Согласование импеданса ИУ (50 Ом) с высокоимпедансными входами осциллографа (модели X-E не имеют входов 50 Ом):

• Коаксиальные кабели BNC, 3 шт.: подключите выход SDG к тестируемому устройству и осциллографу

 

• Кол-во 1 ИУ (тестируемое устройство): Мы собираемся протестировать фильтр нижних частот 50 Ом, 30 МГц:

 

Соединения:

В этом измерении мы хотим увидеть, как ИУ влияет на амплитуду и фазу известного сигнала. Один из методов достижения этого включает в себя получение двух чистых синусоидальных волн с одинаковыми значениями амплитуды и начальной фазы. Один из сигналов подключается непосредственно ко входу осциллографа («контрольный» или «прямой» сигнал). Второй выход (идентичный первому) проходит через ИУ, а затем в осциллограф. ИУ может влиять на амплитуду и фазу сигнала. Мы можем легко сравнить два сигнала, используя измерения, выполненные с помощью осциллографа, и построить график изменения амплитуды и фазы по отношению к частоте входного сигнала.

Вот упрощенная диаграмма методики тестирования:

Физические соединения:

 

• Подключение генератора SDG серии X Ch2 Output > Chmsc2 S0E кабель > BNC 50 ввод
• Подключите выход канала 3 генератора серии X серии SDG > соответствующий кабель > вход тестируемого устройства
Выход тестируемого устройства
• > соответствующий кабель > разъем BNC 50 Ом > вход 9 осциллографа SDS1204X-E, канал 30224

Вот крупный план терминаторов 50 Ом на осциллографе:

 

• Генератор серии SDG X > Кабель USB > Осциллограф SDS1204X-E USB-управление (работает либо переднее, либо заднее расположение USB. Задняя панель, как показано на рисунке) ниже)

 

Вот изображение после завершения подключения (ПРИМЕЧАНИЕ, кабель USB между приборами скрыт):

 

Настройка и запуск:

Во-первых, давайте настроим генератор так, чтобы Ch2 и Ch3 имели одинаковые сигналы и запускались одновременно. Генераторы серии SIGLENT SDG X имеют удобную функцию отслеживания, которая заставляет настройки и действия на канале 2 отражаться на канале 3.

Чтобы включить отслеживание:

1. Нажмите Utility > CH Copy Coupling (Страница 1/3)

2. Включите отслеживание > ВКЛ.

1. На передней панели осциллографа нажмите «Утилита» > и стрелку вниз, пока не дойдете до страницы 2 > «Выбрать график Боде»

Это открывает меню графика Bode:

2. Нажмите «Настройка», чтобы открыть конфигурацию генератора (AWG). установите амплитуду сигнала и установите ожидаемое сопротивление нагрузки устройства. Нажмите стрелку назад, чтобы вернуться к экрану настройки.

 

4. Нажмите Sweep, чтобы открыть меню Sweep. Здесь вы можете установить режим, начальную/конечную частоту развертки и разрешение:

 

Чтобы установить начальную и конечную частоты, нажмите соответствующую функциональную клавишу (Старт или Стоп).

Вы можете изменить входное значение, вращая ручку интенсивности.

В качестве альтернативы можно нажать ручку регулировки интенсивности, чтобы отобразить клавиатуру устройства.

 

Теперь поверните ручку, чтобы выделить символ или единицу измерения, и нажмите ручку, чтобы ввести:

 

6. Нажмите стрелку назад, чтобы вернуться на экран настройки.

 

7. Теперь подтвердите подключение каналов, нажав Channel:

Здесь вы можете видеть, что у нас есть вход DUT (прямой сигнал от генератора), подключенный к каналу 1 осциллографа. Осциллограф Ch3 подключен к выходу ИУ (сквозное соединение).

 

8. Дважды нажмите стрелку назад, чтобы перейти к экрану графика Боде. Теперь вы можете установить Operation = ON для запуска теста:

 

• Выходы генератора должны быть включены, и значения частоты начнут изменяться по мере того, как генератор сканирует выход
• Осциллограф начнет отображать амплитуду и фазу в зависимости от частоты, как показано на рисунке (Поскольку мы выбрали вход осциллографа Ch3, Фаза темно-розового цвета. Амплитуда светло-розового цвета. Данные из Ch2 имеют оттенки желтого цвета. Данные Ch4 имеют оттенки синего. Данные Ch5 имеют оттенки зеленого):

 

 

По мере сбора данных диапазон может немного измениться. можно распечатать изображение дисплея или открыть таблицу списка, чтобы просмотреть каждую точку данных, нажав Данные:

 

В меню Данные можно включить просмотр списка:

 

И прокрутите через каждую точку данных:

 

Отсюда вы можете использовать прокрутку и курсоры для поиска отдельных точек данных, быстрой печати отображаемых изображений на USB и сохранения данных CSV на USB с помощью функции сохранения.